宮 杰,居海華,,胡米東,張 揚(yáng),張 敏,郝 冉,陳 健

(1.江蘇省地震局,江蘇 南京 210014;2.江蘇省徐州地震臺(tái),江蘇 徐州 221008;3.江蘇省溧陽地震臺(tái),江蘇 溧陽 213300)

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展以及城市化進(jìn)程不斷加快,地震監(jiān)測(cè)空間日益壓縮,井下地震觀測(cè)因其恒溫、氣流穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)逐步成為發(fā)展趨勢(shì)。地層介質(zhì)對(duì)地表噪聲的過濾作用使得深井觀測(cè)能夠有效降低人類活動(dòng)引起的高頻干擾。那么到底深井觀測(cè)相比于地表觀測(cè)優(yōu)越程度如何,二者之間又有哪些差異,這是我們需要深入了解的。我國自20世紀(jì)70年代開始深井地震觀測(cè),迄今為止,多位學(xué)者針對(duì)井下地震觀測(cè)開展研究。張少泉等[1]進(jìn)行了深井觀測(cè)地震波的初步研究。胡履端等[2]研制出JDF-1型力平衡反饋拾震井下地震計(jì)。朱小毅等[3]研究了基于DSP的深井寬頻帶地震計(jì)。張文濤等[4]開展了基于光纖激光地震計(jì)的鉆孔地震監(jiān)測(cè)研究。臧賓[5]針對(duì)寬頻帶地震計(jì)數(shù)字反饋技術(shù)進(jìn)行了研究。張壽康等[6]利用河北涿縣地震臺(tái)同一型號(hào)的地震儀進(jìn)行井下擺與地面擺的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。張新東[7]對(duì)邯鄲臺(tái)網(wǎng)JD-2深井?dāng)[和地面擺進(jìn)行了地震記錄分析研究。裴曉等[8]針對(duì)張江臺(tái)深井與地面噪聲進(jìn)行對(duì)比研究,結(jié)果顯示深井臺(tái)背景噪聲RMS數(shù)值為1.81×10-8m/s,而地面背景噪聲RMS數(shù)值為2.10×10-7m/s,比深井臺(tái)高出1個(gè)數(shù)量級(jí)。毛華峰等[9]對(duì)江蘇部分測(cè)震臺(tái)井下與地面觀測(cè)震源參數(shù)對(duì)比。仇中陽等[10]對(duì)蘇北測(cè)震臺(tái)網(wǎng)地面與井下地震記錄波形進(jìn)行頻譜分析。李雷等[11-12]利用昆明臺(tái)BBVS-60與井下GL-S60B地震計(jì)進(jìn)行背景噪聲對(duì)比分析以及地震震級(jí)偏差研究。大量研究表明,對(duì)于類似江蘇覆蓋層較厚、人類活動(dòng)頻繁地區(qū),深井地震觀測(cè)相比于地表觀測(cè)在降噪等方面確有其一定的優(yōu)勢(shì)。

總結(jié)專家學(xué)者前期地面與井下地震觀測(cè)對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)大多集中于地震記錄數(shù)據(jù)方面,包括背景噪聲、震級(jí)偏差、震源參數(shù)等,而忽略地震觀測(cè)設(shè)備本身。性能參數(shù)、臺(tái)基條件、安裝方式特別是井下地震計(jì)方位角等因素直接影響地震觀測(cè)質(zhì)量。筆者[13]開展江蘇地區(qū)同頻帶井下地震計(jì)地震監(jiān)測(cè)能力對(duì)比,發(fā)現(xiàn)井下地震計(jì)臺(tái)基條件、安裝方式直接影響監(jiān)測(cè)能力。本文以溧陽地震臺(tái)為例,針對(duì)地面與井下地震觀測(cè)、從儀器性能、臺(tái)基條件、方位角、相關(guān)性分析、臺(tái)基噪聲、功率譜密度以及地震記錄信噪比方面進(jìn)行對(duì)比分析二者之間差異。

1 臺(tái)站概況

江蘇省溧陽地震臺(tái)地處江蘇省溧陽市天目湖鎮(zhèn),位于蘇、浙、皖三省交界處,主要受郯廬斷裂帶、茅山斷裂帶及其他斷裂帶的影響,在地質(zhì)構(gòu)造上處于新華夏系NNE向茅山大斷裂與NWW向活動(dòng)斷裂交匯部位。臺(tái)站所處平均覆蓋層約15 m,沒有完整裸露基巖,且2016年起距擺房90 m附近建設(shè)南北向公路,對(duì)地面地震觀測(cè)產(chǎn)生影響,因此在地面觀測(cè)基礎(chǔ)之上另外采用深井方式進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)。地面擺墩建設(shè)為鋼筋水泥向地下注澆1.5 m,實(shí)際為土層臺(tái)基。而深井觀測(cè)采用北京港震公司生產(chǎn)的GL-S60B寬頻帶井下地震計(jì)落底安裝,井深203 m,井底位置斜度為0.791°,安山玄武巖臺(tái)基。

表1 溧陽臺(tái)地面與井下儀器情況Table 1 Surface and underground instruments of Liyang station

2 差異性分析

地面GL-S60與井下GL-S60B寬頻帶地震計(jì)均由北京港震公司生產(chǎn),其出廠參數(shù)基本相同,電壓靈敏度2 000 V/m·s-1,周期60 s,阻尼0.707。

2.1 相關(guān)性與方位角分析

相關(guān)性分析是直觀判斷地面與井下地震計(jì)記錄數(shù)據(jù)相似程度的重要手段,也是井下地震計(jì)方位角檢測(cè)的有效工具[14]。井下地震計(jì)受擺線應(yīng)力等因素影響,其方位角往往產(chǎn)生較大偏差[15]。利用地面與井下地震計(jì)2020年3月7日24小時(shí)臺(tái)基噪聲記錄數(shù)據(jù),經(jīng)過0.2～0.3 Hz濾波后計(jì)算比對(duì)二者相關(guān)系數(shù),最終得到井下地震計(jì)真實(shí)方位角。以0時(shí)為例,井下地震計(jì)水平向旋轉(zhuǎn)角度與地面地震計(jì)相關(guān)系數(shù)計(jì)算如圖1所示。最大相關(guān)系數(shù)旋轉(zhuǎn)角度旋轉(zhuǎn)前后波形如圖2所示。

圖1 井下地震計(jì)不同旋轉(zhuǎn)角度的相關(guān)系數(shù)Fig.1 Correlation coefficient of different rotation angles of underground seismometer

圖2 最大相關(guān)系數(shù)旋轉(zhuǎn)角度旋轉(zhuǎn)前后波形Fig.2 Waveforms before and after rotation with rotation angle of maximum correlation coefficient

圖1中可知0時(shí)井下地震計(jì)水平向原始波形(旋轉(zhuǎn)角度為0)時(shí)相關(guān)系數(shù)接近-1,在旋轉(zhuǎn)約180°左右相關(guān)系數(shù)接近最大值1,初步說明井下地震計(jì)水平向幾乎反向。從圖2可以直觀看出未經(jīng)旋轉(zhuǎn)校正地面與井下地震計(jì)水平向波形也幾乎反向,而經(jīng)過方位角校正(最大相關(guān)性系數(shù)角度旋轉(zhuǎn))后二者幾乎重合。為得到井下地震計(jì)方位角準(zhǔn)確值,計(jì)算24小時(shí)對(duì)比數(shù)據(jù)均值,將其確定為最終方位角,如表2所列。

最終確定井下地震計(jì)方位角為176.5°。通過表2可以看出各小時(shí)計(jì)算結(jié)果相對(duì)集中,平均方位角偏差在0.3°以內(nèi),且相關(guān)系數(shù)均在0.996以上。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)各時(shí)段東西向與南北向平均存在0.5°左右偏差,推測(cè)是由地面與井下地震計(jì)水平向正交性誤差所引起的。

表2 24小時(shí)方位角計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of azimuth angle during 24 hours

為進(jìn)一步佐證方位角計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性,選取遠(yuǎn)震事件,進(jìn)行P波到時(shí)極性分析。圖3為溧陽地震臺(tái)地面與井下地震計(jì)記錄2020年5月6日印尼班達(dá)海7.2級(jí)地震波形,可以看出初始震相十分清晰,其中垂直向同時(shí)向上,地面地震計(jì)東西向向下,南北向向上,而井下地震計(jì)東西向向上,南北向向下。水平向反向印證了方位角的計(jì)算正確性。

圖3 印尼班達(dá)海7.2級(jí)地震Fig.3 Banda Sea M7.2 earthquake in Indonesia

以地震事件作為相關(guān)性分析基礎(chǔ)具有一定的局限性,地震記錄形態(tài)是震中距、震級(jí)大小、場(chǎng)地效應(yīng)等多種因素共同影響的,而統(tǒng)一其他所有變量只研究其中一種變量進(jìn)行相關(guān)性分析是十分困難的。因此分析溧陽地震臺(tái)地面與井下地震計(jì)日常運(yùn)行相關(guān)情況,決定以日常地脈動(dòng)噪聲為相關(guān)性研究對(duì)象,深入了解二者在日常波形記錄差異程度。

選取2020年3月7日夜間0—3時(shí)3小時(shí)數(shù)據(jù)和白天12—15時(shí)3小時(shí)數(shù)據(jù),經(jīng)方位角校正后進(jìn)行相關(guān)行分析。以夜間0時(shí)至1時(shí)1小時(shí)數(shù)據(jù)為例,記錄波形及相關(guān)系數(shù)如圖4所示。

圖4 日常波形相關(guān)性Fig.4 Correlation of daily waveform

通過表3可知,同時(shí)段垂直向相關(guān)系數(shù)高于水平向,夜間安靜時(shí)段垂直向相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到0.9以上,水平也可達(dá)到0.7以上。而白天由于人類活動(dòng)干擾加劇,各方向的相關(guān)系數(shù)均有所降低,垂直向最低可降至0.5以下,水平向最低能降至0.2以下?？偨Y(jié)而言,地面與井下地震計(jì)記錄波形在同一時(shí)刻相關(guān)性垂直向優(yōu)于水平向,而東西向與南北向無明顯差異,受環(huán)境干擾影響,夜晚安靜時(shí)段相關(guān)性優(yōu)于白天。

表3 各時(shí)段相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of correlation coefficient in each period

2.2 臺(tái)基噪聲及功率譜密度分析

臺(tái)基噪聲水平是評(píng)定地震臺(tái)站地震監(jiān)測(cè)能力的重要指標(biāo),針對(duì)地震臺(tái)站臺(tái)基背景噪聲進(jìn)行功率譜分析,可以有效掌握臺(tái)基噪聲頻譜特性,判斷地震臺(tái)站的地震觀測(cè)能力優(yōu)劣[16]。在此針對(duì)溧陽地震臺(tái)地面與井下地震計(jì)2020年3月7日0時(shí)至8日23時(shí)共計(jì)48小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行臺(tái)基噪聲1～20 Hz均方根值(RMS)計(jì)算,并進(jìn)行功率譜密度(PSD)分析,如圖5所示。

圖5 兩套設(shè)備臺(tái)基噪聲PSD曲線Fig.5 PSD curves of base noise of two equipments

通過圖6及表4可以看出:同一時(shí)刻井下地震計(jì)相比于地面地震計(jì)各分量均具有較小臺(tái)基噪聲,其垂直向噪聲達(dá)到Ⅱ類水平,東西、南北向更是達(dá)到Ⅰ類,而地面地震計(jì)各分量平均噪聲僅為Ⅲ類水平。

圖6 兩套設(shè)備48小時(shí)RMS均值Fig.6 Average RMS of two equipments during 48 hours

表4 兩套設(shè)備平均臺(tái)基噪聲Table 4 Average base noise of two equipments

地面地震計(jì)水平向噪聲高于垂直向,而井下地震計(jì)水平向低于垂直向,說明井下觀測(cè)具有很好的降噪性,特別針對(duì)水平向。再仔細(xì)觀察水平向噪聲發(fā)現(xiàn)無論地面還井下地震計(jì)南北向噪聲水平總是高于東西向,這是臺(tái)站附近南北向公路干擾所引起的。

2.3 地震波信噪比分析

地震波信噪比是記錄地震波形質(zhì)量的重要評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),越高的信噪比表明地震信號(hào)相對(duì)于背景噪聲越明顯,針對(duì)地面與井下地震計(jì)對(duì)于同一地震的記錄波形進(jìn)行信噪比分析,可直觀判斷二者地震記錄質(zhì)量優(yōu)劣。前文可知井下地震計(jì)方位角176.5°,接近反向,幾乎不影響地震波形信噪比分析,也無需進(jìn)行井下地震計(jì)方位角校正,因此選取2020年3月7日至5月14日10個(gè)震相相對(duì)清晰的地震原始波形,設(shè)初始P波前30s臺(tái)基噪聲RMS值s1,地震波(P波起始,長度為P波與S波到時(shí)差2.5倍)RMS值為s2,分貝形式定義地震波信噪比SNR為20(s2/s1)。一般而言,溧陽地震臺(tái)對(duì)于遠(yuǎn)震大震基本都有很清晰的震相,同時(shí)受江蘇地區(qū)少震小震等因素影響,針對(duì)地震波信噪比分析主要集中于近震小震研究。利用地震與井下地震計(jì)記錄地震波形信噪比差值做分析比較,如表5所列。

表5 地震波形信噪比偏差統(tǒng)計(jì)Table 5 Deviation statistics of signal to noise ratio of seismic waveform

整體而言,地面地震計(jì)記錄地震波形信噪比大多數(shù)優(yōu)于井下地震計(jì),垂直向優(yōu)勢(shì)最大,僅當(dāng)震級(jí)小于2級(jí)時(shí),井下地震計(jì)水平向信噪比才相比較高。筆者推測(cè)受地質(zhì)構(gòu)造影響,土層對(duì)于地震波具有一定放大作用。臺(tái)基土層對(duì)地震波的散射與反射作用,增強(qiáng)地面地震計(jì)記錄地震波形振幅。就本文研究對(duì)象而言,土層放大效應(yīng)對(duì)信噪比的提高效果明顯優(yōu)于深井降噪對(duì)信噪比的提高效果。因此結(jié)合地面與井下兩種臺(tái)基噪聲及功率譜密度分析結(jié)果可知深井觀測(cè)雖能有效降低長周期及高頻段干擾,降低臺(tái)基噪聲,但其信噪比相比于地表觀測(cè)相對(duì)較低。

3 討論與總結(jié)

針對(duì)溧陽地震臺(tái)地面與井下地震觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析,臺(tái)基條件方面,地面地震計(jì)屬于土層臺(tái)基,而井下地震計(jì)落底安裝于安山玄武巖。從方位角、相關(guān)性、臺(tái)基噪聲及地震波信噪比方面分析討論。得出以下結(jié)論:

(1) 井下地震計(jì)方位角約為176.5°,東西、南北向幾乎反向,并通過地震事件P波初始震相得以驗(yàn)證。同時(shí)刻地面與井下地震計(jì)垂直向相比于水平向具有較高相關(guān)性,受人類活動(dòng)干擾,白天相關(guān)系數(shù)相比于夜晚有所下降。

(2) 同一時(shí)刻井下地震計(jì)相比于地面地震計(jì)各分量均具有較小臺(tái)基噪聲,地面地震計(jì)水平向噪聲高于垂直向,而井下地震計(jì)水平向低于垂直向,說明井下觀測(cè)具有很好的降噪性,特別針對(duì)水平向。此外受臺(tái)站附近南北向公路干擾影響,無論地面還井下地震計(jì)南北向噪聲水平總高于東西向。6 s—1 Hz頻率范圍內(nèi)地面與井下地震計(jì)臺(tái)基噪聲水平相差無幾,而在6 s以下長周期段和1 Hz以上高頻段,井下地震計(jì)相比于地面具有更低的噪聲水平,表明深井觀測(cè)可有效降低長周期及高頻干擾。

(3) 地面地震計(jì)記錄地震波形信噪比大多數(shù)優(yōu)于井下地震計(jì),且垂直向優(yōu)勢(shì)最大,僅當(dāng)震級(jí)小于2級(jí)時(shí),井下地震計(jì)水平向信噪比有所提高。推測(cè)受地質(zhì)構(gòu)造影響,地面土層對(duì)于地震波具有一定放大作用。