華北地區(qū)地震環(huán)境噪聲特征研究

吳建平 歐陽飚 王未來 姚志祥 袁松涌

1）中國北京100081中國地震局地球物理研究所

2）中國北京100029中國地震局地質研究所

華北地區(qū)地震環(huán)境噪聲特征研究

吳建平1），歐陽飚2）王未來1）姚志祥1）袁松涌1）

1）中國北京100081中國地震局地球物理研究所

2）中國北京100029中國地震局地質研究所

利用華北流動地震臺陣觀測的垂直分向連續(xù)波形數據，通過計算功率譜密度和相應的概率密度函數，對華北地區(qū)地震環(huán)境噪聲特征進行了分析研究.結果表明，東部平原和沉積盆地2Hz以上的高頻環(huán)境噪聲水平與全球新高噪聲模型（NHNM）相近，周期3—18s的平均噪聲水平低于NHNM和新低噪聲模型（NLNM）的平均值；山區(qū)及西部高原的高頻噪聲水平明顯低于NHNM，周期1—18s的噪聲水平大多明顯低于NHNM和NLNM的平均值；不同區(qū)域18s以上周期的噪聲水平差異相對較小.流動地震臺陣部分臺站的環(huán)境噪聲存在明顯的晝夜變化，個別臺站噪聲水平明顯高于周邊臺站，表明這些臺站受人類活動干擾較大.不同臺站的噪聲水平分析表明，將臺站布設在擺坑內，能在一定程度上降低高頻和低頻段的噪聲水平.臺站環(huán)境噪聲特征的研究結果可為流動地震臺陣觀測數據質量的定量評估，觀測期間的臺站優(yōu)化調整等提供重要依據.

華北地區(qū) 地震臺陣 環(huán)境噪聲 噪聲水平 概率密度函數

引言

由大量寬頻帶地震儀組成的密集地震臺陣觀測已成為開展地球內部高分辨成像的重要途徑.“十五”期間，中國地震局建立了以600套流動地震儀為核心的地震科學探測臺陣系統(tǒng)，用于地震科學研究.為了檢驗流動地震儀的野外運行性能，同時開展一次有重要科學意義的大規(guī)模流動地震臺陣觀測，吳建平、歐陽飚等組織在華北地區(qū)開展了一次為期1年的流動地震臺陣觀測實驗.本次實驗從2006年10月開始，共采用200套寬頻帶地震儀和50套短周期地震儀.其中寬頻帶地震儀和短周期地震儀的頻帶范圍分別為60s—50Hz和2s—100Hz.考慮到華北地區(qū)的地質構造，以及活動斷層分布和強震活動特點等多種因素，流動地震觀測的設計范圍確定在111°—119°E，37°—42°N（圖1）.

圖1 華北流動地震觀測臺陣的地震臺站分布圖三角形表示寬頻帶地震臺，菱形表示甚寬頻帶地震臺，圓圈表示短周期地震臺Fig.1 Deployment of temporary seismic stations of North China seismic arrayBroadband stations are shown as triangles，very broadband stations are represented as diamonds，and circles indicate short period seismic stations

地震臺陣主要包括3個部分：由寬頻帶流動地震儀和固定地震臺站組成的臺間距約35km的地震臺陣；在唐山附近由50套短周期地震儀組成的臺間距10—12km的密集地震臺陣；與該地區(qū)一系列北東向活動斷裂垂直的兩條500km以上的寬頻帶密集地震臺陣觀測剖面.在臺址勘選和儀器布設過程中，我們對流動地震臺站周圍環(huán)境進行了認真調查，盡可能選擇相對安靜的位置作為流動地震臺站的觀測點，并采取挖坑掩埋等方法進行降噪處理.考慮到流動地震觀測設備的安全性，儀器均布設在有人居住但相對安靜的村落.其中地震計大多數放置在臨時建造的1.2—1.5m深的擺坑或地窖內（圖2），部分地區(qū)由于受條件限制或民俗習慣等多種因素的影響無法建造擺坑的，放置在閑置民房內.地震計安裝后，用保溫材料進行封閉保溫.

圖2 流動地震臺站臺基建設照片（a）擺坑和水泥基墩；（b）保溫材料未封頂時地震計安裝照片Fig.2 Construction of sensor vault at a temporary seismic station（a）Sensor vault and concrete pad；（b）Photo of installed sensor with uncapped insulation material

臺站噪聲研究一直受到地震學家的重視 （Brune，Oliver，1959；Frantiietal，1962；Murphy，Savino，1975；Agnew，Berger，1978；Webb，1998；Bergeretal，2004）.Peterson（1993）通過對全球臺網75個臺站噪聲觀測資料的研究，給出了著名的全球噪聲模型，即新高噪聲模型（new high noise model，簡寫為NHNM）和新低噪聲模型（new low noise model，簡寫為NLNM）.這一模型已成為衡量臺站噪聲水平的重要依據.Stutzman等（2000）對GEOSCOPE臺站的噪聲水平進行了分析.近年來，隨著觀測技術和計算技術的不斷進步，臺站噪聲水平的實時或近實時分析已成為評估地震臺站運行質量的重要技術指標.對一個地區(qū)地震噪聲水平的正確評估和全面了解成為進一步改善地震觀測質量的重要步驟.

在傳統(tǒng)方法中，通常選擇相對平靜的一段地震記錄，通過計算功率譜密度評估臺站噪聲水平（Peterson，1993；Stutzmanetal，2000）.該方法雖然在臺站背景噪聲水平的評估中獲得了廣泛的應用，但如何合理選擇噪聲記錄往往存在一定的人為因素影響，難以客觀反映臺站噪聲水平的全面特征，如經常性、有規(guī)律的干擾和季節(jié)性變化等.近年來，McNamara和Raymond（2004）提出了一種能更加全面地反映地震環(huán)境噪聲水平的新方法——地震噪聲概率密度函數（probability density function，簡寫為PDF）表示方法.它可以較好地反映臺站噪聲的變化特征.IRIS數據中心等已將該方法應用于臺站數據質量的評估.

華北地區(qū)流動地震臺陣觀測積累了大量的連續(xù)地震波形數據.為了比較客觀地評估華北流動地震臺陣觀測臺站的環(huán)境噪聲特點，我們采用概率密度函數方法，系統(tǒng)地計算了地震臺站的噪聲水平，通過與全球噪聲模型的對比（Peterson，1993），對實驗場不同區(qū)域、不同頻率噪聲水平的變化特征進行分析研究.

1 功率譜密度

定量評價地震臺站背景噪聲水平的常規(guī)方法是計算噪聲的功率譜密度（power spectrum density，簡寫為PSD）.對穩(wěn)態(tài)隨機地震觀測數據，最常用的計算功率譜密度方法是離散傅里葉變換，即對觀測資料在有限時間范圍內通過快速傅里葉變換進行計算.

周期時間序列g（t）的有限范圍傅里葉變換可表示為

式中，tr為時間序列段的長度，f為頻率.

對離散頻率值fk，可定義為

Δt為采樣間隔，N為截取時間段的采樣點數.

功率譜密度（PSD）定義為

通常將1小時劃分為13個時間段，每段之間在時間上部分重疊，每一小時的PSD估計由13個時間段的PSD平均獲得.

利用地震觀測波形數據計算地震噪聲功率譜密度時，要扣除儀器傳遞函數的影響，以反映真實的地面運動特征.對于線性時不變系統(tǒng)，地震觀測記錄y（t）可以表示為

式中，g（t）為真實的地面運動，可以是地面位移、速度或加速度；h（t）為儀器的脈沖響應.在頻率域中可表示為

式中，H（ω）即為地震儀器的傳遞函數，通常表示為

式中，c為常數，zi為零點，pi為極點.

以分貝（dB）表示地面速度功率譜密度時，式（3）可表示為

計算環(huán)境地震噪聲功率譜時，一般只選擇儀器頻帶范圍內及附近的頻段進行計算.此時，是否扣除歸一化傳遞函數隨頻率變化的影響，對PSD曲線的總體形態(tài)影響不大（儀器的頻帶端點通常定義為歸一化傳遞函數下降至0.707時對應的頻率，相應的值為3dB）.在計算儀器頻帶范圍之外的環(huán)境地震噪聲功率譜密度時，超出的頻帶范圍越遠，儀器自噪聲等其它干擾因素的影響越大，在頻率域扣除儀器傳遞函數影響時與地面震動無關的干擾可能得到放大，獲得的結果可能會明顯失真.

上述PSD計算方法對0.05—100s的周期范圍可以提供比較穩(wěn)定可靠的頻譜估計.圖3給出了K008地震臺站的PSD曲線.可以看出，僅作儀器放大倍數校正后PSD曲線與經過儀器傳遞函數校正的PSD曲線對比，在儀器頻帶范圍內（50Hz—60s）相差很小，但在100s附近出現9dB的差異.

圖3 K008臺站2006年10月27日2個不同時段的PSD曲線上、下黑實線分別表示Peterson（1993）給出的NHNM和NLNM，中間的黑實線和虛線表示經過儀器傳遞函數校正后的PSD曲線，“十”字和圓點為僅考慮單一的放大倍數校正后的PSD曲線Fig.3 Noise power spectrum density（PSD）curves of station K008 during two different periods on October 27，2006Two black solid lines at the top and bottom represent the new high noise model（NHNM）and the new low noise model（NLNM）given by Peterson（1993）；black solid and dashed lines in the middle denote the PSD curves after instrument transfer function correction；crosses and dots indicate the PSD curves with only constant amplification correction considered

2 概率密度函數

為了評估臺站噪聲水平的整體特征，可以利用由觀測記錄獲得的大量功率譜密度曲線，計算臺站地震噪聲概率密度函數（PDF）.為了對功率譜密度進行充分采樣，通常按1／8倍頻程間隔計算整個周期范圍內各點的平均值.功率值在短周期Ts與長周期Tl＝2×Ts端之間進行平均，對應的周期Tc為倍頻程內的幾何平均值：

Ts按1／8倍頻程增加（Ts＝Ts×20.125），用于計算下一個間隔的平均功率.重復這一過程，持續(xù)至原始資料時間序列窗長度最長的有效周期，大致為Tr／10.通常對每小時的PSD進行計算，產生大量光滑的PSD曲線，然后在周期－功率密度值（1dB間隔）坐標系中進行頻數統(tǒng)計.

對于每一個給定的中心周期Tc，概率密度函數可以按下列公式進行計算：

式中，NPTc是功率譜密度值落在某個1dB間隔范圍內的數量.NTc是中心周期Tc在整個功率譜密度值范圍內估計值的總數.通過繪制給定功率值和周期點的發(fā)生概率，可以與NHNM和NLNM進行對比，從統(tǒng)計學的觀點在很寬的頻帶范圍內獲得大量與地震噪聲有關的信息.

圖4給出了觀測區(qū)西北部兩個地震臺站的環(huán)境地震噪聲概率密度函數分布圖像.其中圖4a根據K008臺2006年10月—2007年4月的連續(xù)觀測數據計算得到，圖4b根據A107臺站2006年9月—2007年2月的連續(xù)觀測數據計算得到.由于概率密度函數分布圖像是通過對整個連續(xù)波形記錄計算獲得的，圖像中包含了地震發(fā)生時產生的地震波信號.圖中一些明顯偏離正常背景分布的高功率譜密度值，往往與地震事件較強的地震信號有關.

圖4 根據K008臺站（a）和A107臺站（b）連續(xù)觀測數據計算得到的環(huán)境地震噪聲PDF分布圖.色標表示概率值Fig.4 Ambient seismic noise PDF distribution of temporary seismic stations obtained from continuous observation data at K008（a）and A107（b）.Color bar shows probability values

3 華北流動地震臺站地震環(huán)境噪聲分析

為全面了解華北流動地震臺陣的地震臺站噪聲水平，我們用連續(xù)波形數據計算了各臺站不同時間的噪聲功率譜密度，并在此基礎上獲得了臺站環(huán)境地震噪聲的概率密度函數圖像.圖4和圖5給出了4個不同臺站的環(huán)境地震噪聲PDF分布圖像.A107和A006的PDF圖像在高頻段同一周期出現了雙峰值，初步分析認為可能是噪聲的晝夜差異造成的.為進一步確認其形成機制，我們繪制了噪聲功率譜密度的晝夜變化圖（圖6）.可以看出，在1Hz以上的高頻段噪聲水平存在明顯的周期性變化，白天高頻噪聲明顯增加，形成了上部的峰值，晚上噪聲水平降低，形成下方的低谷.這一現象表明該臺站受人類活動的干擾明顯.周期大于1s的噪聲水平晝夜變化幅度明顯降低，周期4s以上的噪聲水平似乎沒有明顯的晝夜變化.圖4、圖5中少量功率譜密度值較大的點大多是由觀測期間的地震事件造成的.圖4b中，在－195—－175dB出現一條明顯的藍線，與儀器故障有關.通過分析PDF圖像，可以了解臺站的記錄質量，分析儀器的工作狀態(tài).

為了直觀了解流動地震臺站噪聲水平在平面上的分布狀況，我們將不同臺站、不同周期噪聲概率密度函數的最大概率值所對應的功率譜密度值，繪制在平面圖中臺站位置上（圖7）.在華北平原地區(qū)，1.5Hz以上的噪聲水平大多接近NHNM模型，唐山等重工業(yè)區(qū)附近噪聲干擾最強，延懷盆地、大同盆地及其邊緣的一些臺站短周期噪聲水平明顯高于周邊地區(qū)，燕山山脈、太行山及其以西的山脈地區(qū)，短周期噪聲水平接近或略高于全球NHNM和NLNM的平均值.

圖8 流動地震臺站晝夜噪聲水平比較圖（a）和（b）為8—16時（北京時間）的噪聲水平；（c）和（d）為21—5時（北京時間）的噪聲水平.圓圈表示流動地震臺站的位置，圓圈中的顏色表示PDF在不同周期出現的最大概率所對應的功率譜密度值，三角形表示布設在固定地震臺站的流動地震臺.色標給出了功率譜密度的范圍以及NHNM和NLNM所對應的顏色Fig.8 Comparison between daytime and night time ambient noise levels at temporary seismic stations（a）and（b）show the noise levels for 8：00to 16：00（Beijing time）；（c）and（d）show the noise levels for 21：00to 5：00（Beijing time）.Circles represent locations of stations；colors in circles represent the power spectral density values corresponding to the PDF maximum probability at different periods；triangles indicate temporary stations deployed at permanent seismic stations.Color bars show the range of power spectral density and corresponding colors of NHNMand NLNM

在周期1s以上，與NHNM相比，地震臺站的噪聲水平明顯降低.華北平原地區(qū)除了唐山、天津附近的臺站外，周期為2s的臺站噪聲水平已接近NHNM和NLNM的平均值.西部和北部山區(qū)，周期為2.0，4.0，10.3s（圖7）的地震臺站噪聲水平大多低于NHNM和NLNM的平均值.在周期為20.6s和41.2s的噪聲水平分布圖上，東部平原和西部山區(qū)的噪聲水平相近，區(qū)域性差異明顯減小，大多數臺站的噪聲水平均表現為略高于NHNM和NLNM的平均值.

為進一步了解夜晚安靜時段與白天人為干擾相對較大時段噪聲水平的差異，我們參考圖6噪聲水平隨時間的變化特征，分別計算了北京時間夜晚21：00—05：00和白天08：00—16：00時段的噪聲水平（圖8）.結果表明，差異較明顯的主要是高頻段.可以看出，周期為0.12s的噪聲水平在夜晚明顯低于白天，而周期為0.5s的噪聲水平的差異已明顯減小.隨著周期的進一步增加，白天與夜晚噪聲水平的差異則更小.從圖8中可以看出，位于山區(qū)的固定地震臺站噪聲水平晝夜變化較小，但位于平原地區(qū)的固定地震臺站噪聲水平仍然存在明顯的變化.其主要原因是，固定地震臺站在臺址勘選時地點的選擇范圍較寬，通?？奢^好地避開場點的干擾源，減少了人為干擾的影響幅度.流動地震臺站的勘選需要充分考慮到觀測研究的目的，儀器的安全性等多種因素，有時不可避免地要在人為噪聲干擾較大的地區(qū)布設臺站.在這些地區(qū)布設臺站，需要正確認識觀測區(qū)的噪聲水平，通過合理延長觀測時間，彌補可能出現的有效觀測數據不足的缺陷.

圖9給出了西部及北部地區(qū)的平均噪聲水平與東部平原地區(qū)平均噪聲水平的比較.可以看出，在高頻段，東部地區(qū)的噪聲水平遠高于西部和北部地區(qū)，在0.4s附近，最大差異可達26dB.周期大于1s后，東、西部平均噪聲水平的差異逐漸減小，周期大于5s的噪聲水平已相差不大.東部平原和沉積盆地2Hz以上的高頻環(huán)境噪聲水平與全球NHNM相當，周期為3—18s的平均噪聲水平低于NHNM和NLNM的平均值.山區(qū)及西部高原的高頻噪聲水平明顯低于NHNM，周期為1—18s的噪聲水平大多明顯低于NHNM和NLNM的平均值.不同區(qū)域18s以上周期的噪聲水平差異相對較小.東部地區(qū)的高噪聲背景與沉積層的放大效應、繁忙的交通和較為發(fā)達的工業(yè)及人文活動干擾有關.在臺站選址過程中需要在設計點附近進行仔細的勘選，盡可能避免各種近距離強干擾源，選擇相對比較安靜的地點布設流動地震臺站，以便最大限度地減少背景噪聲的干擾.

圖9 西部、北部地區(qū)與東部平原地區(qū)平均噪聲水平比較圖上、下黑實線分別為NHNM和NLNM模型，中間黑實線為西部及北部地區(qū)的平均噪聲水平，黑虛線為東部平原地區(qū)的平均噪聲水平Fig.9 Comparison between the average noise level in western and northern regions and that in eastern plain regionSolid curves at the top and bottom represent NHNMand NLNM，respectively；black solid line in the middle means the average noise level in western and northern regions，and black dashed line stands for the average noise level in eastern plain region

在華北流動地震臺陣的布設過程中，如果條件允許，通常會建造1.2—1.5m深的擺坑，用于布設地震計.擺坑內澆注邊長約0.4m的立方體水泥基墩，其頂面高出坑底約0.2m.地震計架設在基墩上，數據采集器等設備布設在民房內.在有些地區(qū)，由于條件限制或民俗習慣等原因無法建造擺坑的，將地震計布設在相對安靜的閑置空房內.為了解兩種不同布設方式可能對臺站噪聲水平產生的影響，我們選擇了相互鄰近的42對地面與坑內地震計記錄進行對比.考慮到噪聲水平存在地區(qū)差異，未選擇坑內或地表成片布設的地震計進行對比.圖10給出了地表與坑內臺站的噪聲水平比較圖.可以看出，與布設在閑置房屋內地面上的臺站相比，擺坑內的流動地震臺站噪聲水平在整個頻段內有不同程度的降低，其中高頻段降幅比較明顯，低頻段次之，4s附近似乎影響較小.我們認為，在擺坑內布設地震儀可以在一定程度上降低噪聲水平的原因可能有兩個：① 擺坑一般設計在房屋之外，與房屋內相比，減少了人員和家用電器等的干擾；②擺坑及基墩的設計本身降低了噪聲的水平，包括坑內的溫度和空氣壓力變化更小等.需要指出的是，這里給出的并不是嚴格意義上的同一地點不同布設方式的比較，但考慮到采用的42對臺站均為相鄰臺站，結果仍然具有一定的可信度.

圖10 （a）挑選的布設在地面（空心圓）和擺坑內（實心圓）的地震臺站分布圖；（b）地面和擺坑內流動地震臺站的噪聲水平比較圖.中間的黑實線為布設在擺坑內的地震計的平均噪聲水平，黑虛線為布設在地表的地震計的平均噪聲水平Fig.10 （a）Distribution of selected stations with sensors deployed on ground（circles）and in vaults（solid circles）；（b）Ambient noise level comparison of seismic stations between the cases with sensors on ground and in vault.Black solid line in the middle represents the average noise level when the sensors were deployed in vault，and black dashed line stands for the average noise level when the sensors were on ground

4 討論與結論

連續(xù)觀測記錄的功率譜密度概率分布，能客觀反映流動地震臺站地震環(huán)境噪聲特點，人類活動等干擾可以得到較好地反映.不同臺站、不同頻率功率譜密度的優(yōu)勢概率對應的噪聲水平分布圖像，是判斷流動地震臺站布設質量，及時進行臺站調整的重要參考依據.

華北地區(qū)環(huán)境噪聲水平，主要受地質構造和人類活動的影響，在沉積平原和沉積盆地高頻噪聲干擾明顯，在沉積層厚度較薄和基巖廣泛出露的地區(qū)噪聲水平明顯降低.東部平原和沉積盆地2Hz以上的高頻環(huán)境噪聲水平與全球NHNM相當，周期為3—18s的平均噪聲水平低于NHNM和NLNM的平均值.山區(qū)及西部高原的高頻噪聲水平明顯低于NHNM，周期為1—18s的噪聲水平大多明顯低于NHNM和NLNM的平均值.不同區(qū)域18s以上周期的噪聲水平差異相對較小.這一結果表明，華北平原地區(qū)較強的噪聲背景對頻率較高的近震影響較大，對頻率較低的遠震波形，特別是面波波形的影響相對較小.

通過對華北地區(qū)流動地震臺站觀測記錄環(huán)境噪聲的分析發(fā)現，將流動地震儀布設在擺坑內可以在一定程度上降低噪聲的干擾水平，但平均降幅有限.我們認為，降低臺站噪聲干擾水平，仍然需要從多方面入手，特別是在站點勘選階段必須開展仔細的周邊噪聲環(huán)境調查，在設計觀測點附近區(qū)域找到相對安靜的地點布設臺站.

將同一頻率的臺站噪聲概率密度函數最大概率值對應的功率譜密度值作為臺站在該頻率的噪聲水平，將各臺站的噪聲水平進行橫向比較，不僅可以獲得有關該地區(qū)噪聲水平空間分布的總體認識，而且可以比較容易地對臺站布設的質量進行分析.在流動地震觀測中，應充分認識觀測區(qū)的噪聲干擾水平，根據觀測研究的科學目標合理設計流動地震臺陣的布設時長，避免在高背景噪聲水平干擾區(qū)出現有效觀測數據不足的情況發(fā)生.

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Ambient noise level of North China from temporary seismic array

Wu Jianping1），Ouyang Biao2）Wang Weilai1）Yao Zhixiang1）Yuan Songyong1）

1）InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China
2）InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China

Using vertical component continuous waveform data observed by North China temporary seismic array，we analyzed the seismic ambient noise characteristics in North China by calculating the power spectrum density and corresponding probability density function.The results show that high－frequency（above 2Hz）ambient noise levels in the eastern plain and sedimentary basin region are similar to the global new high noise model（NHNM），the average noise levels at 3—18speriods are lower than the average values between NHNMand new low noise model（NLNM）；high－frequency noise levels in the mountain and western highland region are significantly lower than NHNM，and most of the average noise levels at 1—18speriods are significantly lower than the average value between NHNMand NLNM；the noise levels with periods over 18 s in different regions show small difference.There is a clear diurnal ambient noise variation in some observations of the temporary seismic array；the noise levels at a few stations are significantly higher than at surrounding stations，implying human activity interference.The noise levels at different stations reveal that high－and low－frequency noise levels can be reduced to some extent by placing the sensor in a vault.The analysis results of station ambient noise characteristics can provide an important basis for quantitative assessment of the seismic array data quality，station optimization and adjustment during observation.

North China；seismic array；ambient noise；noise level；probability density function

10.3969／j.issn.0253－3782.2012.06.008

P315.63

A

吳建平，歐陽飚，王未來，姚志祥，袁松涌.2012.華北地區(qū)地震環(huán)境噪聲特征研究.地震學報，34（6）：818－829.

Wu Jianping，Ouyang Biao，Wang Weilai，Yao Zhixiang，Yuan Songyong.2012.Ambient noise level of North China from temporary seismic array.ActaSeismologicaSinica，34（6）：818－829.

地震行業(yè)專項“地震科學臺陣觀測技術研究與規(guī)范制定”（200908008）資助.

2011－12－01收到初稿，2012－02－27決定采用修改稿.

e－mail：wjpwu＠cea－igp.ac.cn