沉積層地震觀測(cè)噪聲的對(duì)比試驗(yàn)1

孫路強(qiáng) 柳艷麗 劉文兵 卞真付 崔曉峰

（天津市地震局，天津 300201）

沉積層地震觀測(cè)噪聲的對(duì)比試驗(yàn)1

孫路強(qiáng) 柳艷麗 劉文兵 卞真付 崔曉峰

（天津市地震局，天津 300201）

天津地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，其中大部分地區(qū)被新生代沉積物深度覆蓋，地勢(shì)以平原和洼地為主，北部有少量低山丘陵，平原約占93%。因此，天津市測(cè)震臺(tái)網(wǎng)地震觀測(cè)臺(tái)站除薊縣臺(tái)有基巖出露臺(tái)外，其余臺(tái)站均為井下地震觀測(cè)。而井下地震計(jì)維修價(jià)格昂貴且不易維修，同時(shí)還面臨著由于井下電纜損毀，地震計(jì)無(wú)法回收等問(wèn)題。為此，天津市測(cè)震臺(tái)網(wǎng)一直在尋找一種可替代現(xiàn)有井下觀測(cè)的新方式，以應(yīng)對(duì)深覆蓋層地震觀測(cè)存在的問(wèn)題。本文通過(guò)地震觀測(cè)，完成了一地多臺(tái)基情況下臺(tái)基噪聲的對(duì)比試驗(yàn)，得到了很好的對(duì)比結(jié)果。該方法適合在其它類(lèi)似天津這樣沉積層較厚的地區(qū)推廣使用，可達(dá)到簡(jiǎn)化地震計(jì)安裝、降低設(shè)備維護(hù)成本和方便維護(hù)的目的。

測(cè)震臺(tái)網(wǎng) 井下地震計(jì) 背景噪聲 對(duì)比試驗(yàn)

引言

噪聲是影響地震觀測(cè)質(zhì)量的主要因素之一，地震觀測(cè)臺(tái)站的一個(gè)重要挑戰(zhàn)就是通過(guò)改善臺(tái)基處理和地震計(jì)安裝方式，降低噪聲水平，以便提高觀測(cè)質(zhì)量。以天津測(cè)震臺(tái)網(wǎng)為例，為了展開(kāi)沉積層地震觀測(cè)噪聲對(duì)比試驗(yàn)，天津市測(cè)震臺(tái)網(wǎng)組成了首都圈數(shù)字遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)的子網(wǎng)，由31個(gè)測(cè)震臺(tái)站組成。其中“九五”期間建設(shè)臺(tái)站28個(gè)，“十五”期間建設(shè)臺(tái)站3個(gè)，平均臺(tái)間距為30.6km，監(jiān)測(cè)能力達(dá)到ML1.0—1.5級(jí)。由于天津地區(qū)新生代松散覆蓋層平均厚度在3.5km，很難找到合適的基巖部分建設(shè)臺(tái)站，因此，除薊縣地震觀測(cè)臺(tái)為基巖地表臺(tái)外，其余地震觀測(cè)臺(tái)均為井下地震觀測(cè)。而對(duì)于井下地震觀測(cè)儀器維護(hù)人員來(lái)說(shuō)，由于臺(tái)站建設(shè)成本高，面臨著儀器維修維護(hù)困難等不利因素，所以天津市測(cè)震臺(tái)網(wǎng)一直在探究一種新的臺(tái)基選擇方案來(lái)替代現(xiàn)有的井下觀測(cè)。為此，在天津青光地震臺(tái)進(jìn)行了1次多種臺(tái)基情況下的噪聲值對(duì)比試驗(yàn)，本文對(duì)此次噪聲值對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行了研究和分析，以供學(xué)者們借鑒。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局阿爾伯克基地震實(shí)驗(yàn)室曾開(kāi)展過(guò)噪聲特征分析研究，定量分析了全球75個(gè)固定地震臺(tái)站的地震背景噪聲功率譜密度，得到了全球地震背景噪聲模型（葛洪魁等，2013）。其模型主要包括：新高噪聲模型（NHNM）和新低噪聲模型（NLNM），并提出了用概率密度函數(shù)統(tǒng)計(jì)分析地震觀測(cè)臺(tái)站噪聲水平方法，該方法被應(yīng)用于觀測(cè)中進(jìn)行質(zhì)量控制。同時(shí)，國(guó)內(nèi)也有利用不同地址條件和環(huán)境噪聲的地點(diǎn)，進(jìn)行不同臺(tái)基條件和環(huán)境噪聲的對(duì)比試驗(yàn)，但由于存在觀測(cè)場(chǎng)地條件可比性和儀器一致性等方面的不足，因此使得該規(guī)律僅為統(tǒng)計(jì)性的。

2 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)

本次的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由3個(gè)流動(dòng)臺(tái)站、1個(gè)固定臺(tái)站和1個(gè)中心數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)組成。表1列出了臺(tái)站設(shè)備的使用情況。其中，L1201架設(shè)于青光地震臺(tái)院內(nèi)，周?chē)鸁o(wú)特定強(qiáng)干擾源；L1202架設(shè)于青光地震臺(tái)GNSS觀測(cè)墩上，該觀測(cè)墩深入地下部分為20m；L1203架設(shè)于青光地震臺(tái)站地下5m處的地下室內(nèi)。采用GPS統(tǒng)一授時(shí)，其觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)匯集于中心的JOPENS0.5.2系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、在線(xiàn)處理等功能。除提供本中心的數(shù)據(jù)處理外，該系統(tǒng)還可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至臺(tái)網(wǎng)中心數(shù)據(jù)庫(kù)中，參與更多井下臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。

表1 臺(tái)站設(shè)備使用情況Table 1 Equipment Being used in the study

3 臺(tái)站架設(shè)

L1201架設(shè)于青光地震觀測(cè)臺(tái)水泥路面上，為了避免高溫對(duì)地震計(jì)工作的影響，技術(shù)人員架設(shè)帳篷，避免太陽(yáng)光對(duì)地震計(jì)的直接照射，同時(shí)圈定以L(fǎng)1201設(shè)備為中心，面積25m2的警戒區(qū)域，禁止非實(shí)驗(yàn)人員的進(jìn)入；L1202架設(shè)于GNSS觀測(cè)基墩上，該基墩基礎(chǔ)深入地下20m處，寬8cm環(huán)布隔震槽內(nèi)填細(xì)沙（圖1）；L1203架設(shè)于臺(tái)站半地下儲(chǔ)藏室內(nèi)，地震計(jì)放置位置距離地面8m；QIG臺(tái)為原有井下地震觀測(cè)臺(tái)。通過(guò)上述“一地四點(diǎn)”的臺(tái)站架設(shè)方案，來(lái)考量井下觀測(cè)、普通場(chǎng)地、較深臺(tái)基處理以及地下室4種情況下場(chǎng)地背景噪聲情況，從而判斷何種臺(tái)基更接近或優(yōu)于現(xiàn)有的井下觀測(cè)（郭若瑾，2003）。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 臺(tái)站地動(dòng)噪聲RMS值計(jì)算

地震計(jì)的工作原理是將數(shù)字電壓值轉(zhuǎn)化為實(shí)際計(jì)算中所使用的速度值（蔣樂(lè)群等，1997；許康生等，2001），其計(jì)算公式為：

式中，v為地脈動(dòng)速度值；V0為模擬輸入電壓峰值；N為記錄背景噪聲數(shù)字?jǐn)?shù)；R為儀器分辨率；Gm為數(shù)采工作增益；S1為地震計(jì)工作靈敏度。

圖1 L1202放置基墩構(gòu)造情況與地震計(jì)架設(shè)位置Fig. 1 The piers structure and seismometer location

以地脈動(dòng)的有效值（RMS）來(lái)衡量臺(tái)站的噪聲水平，可以表征整個(gè)觀測(cè)頻帶的噪聲水平，用該值衡量噪聲水平能夠?qū)?lái)自不同噪聲源的噪聲按同一尺度進(jìn)行比較（岳秀俠等，2009；裴曉等，2012）。

地動(dòng)噪聲均方根值按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，n為測(cè)量次數(shù)；vi為某一點(diǎn)實(shí)際測(cè)得的地動(dòng)速度值；為實(shí)際測(cè)得的地動(dòng)速度均值。

實(shí)驗(yàn)具體結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)系統(tǒng)各臺(tái)站RMS均方根值Table 2 The RMS parameters of the test station

從噪聲功率譜密度曲線(xiàn)（圖2）可以看出，在高頻部分觀測(cè)點(diǎn)均受到不同程度的干擾，地表觀測(cè)未做臺(tái)基處理的噪聲值比NHNM（新高噪聲模型值）高30dB；地面經(jīng)過(guò)基墩處理臺(tái)站和地下室觀測(cè)臺(tái)站觀測(cè)值均比NHNM高20dB；井下觀測(cè)基本與NHNM值相當(dāng)，但也能看出存在外部噪聲干擾，此類(lèi)干擾在黃土覆蓋層地區(qū)是不可避免的，只能采取措施盡可能減小干擾。

圖2 臺(tái)基噪聲功率譜密度曲線(xiàn)Fig. 2 PSD of the background noise

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，L1202與L1203臺(tái)基情況達(dá)到了《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求》中的Ⅳ級(jí)環(huán)境噪聲水平，而井下觀測(cè)臺(tái)QIG為Ⅳ級(jí)觀測(cè)環(huán)境，L1201為Ⅴ級(jí)觀測(cè)環(huán)境。井下地震觀測(cè)的最大好處是躲開(kāi)了地面噪聲干擾，以便改善地震波形記錄的信噪比，可提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。隨著深度的增加噪聲明顯減小，特別是與地面相比，噪聲水平減小的幅度相當(dāng)大。同時(shí)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出，井下觀測(cè)效果最優(yōu)，達(dá)到了井下觀測(cè)躲避噪聲的效果，與L1202和L1203結(jié)果一樣達(dá)到了Ⅳ級(jí)觀測(cè)環(huán)境，能夠滿(mǎn)足地震觀測(cè)的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)沉積層地震觀測(cè)噪聲對(duì)比試驗(yàn)，能夠看出井下地震觀測(cè)能夠更好地阻隔外部干擾，減少人為噪聲、微震噪聲以及自然噪聲對(duì)地震觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。同時(shí)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出，通過(guò)一定程度的臺(tái)基處理后，地表觀測(cè)同樣能夠達(dá)到接近井下觀測(cè)的效果。因此，在其它類(lèi)似天津這樣沉積層較厚的地區(qū)可以推廣本文使用的方法，該方法可簡(jiǎn)化地震計(jì)的安裝，降低設(shè)備維護(hù)成本，達(dá)到方便維護(hù)的目的。致謝：在試驗(yàn)系統(tǒng)架設(shè)的過(guò)程中，得到了天津市地震局聶永安研究員的指導(dǎo)，以及監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)處崔曉峰和青光地震臺(tái)王小平、王云泉的幫助，在此表示衷心的感謝！

郭若瑾，韓新民，趙永慶，2003．橡膠隔震支座建筑結(jié)構(gòu)脈動(dòng)觀測(cè)與減震性能分析．地震研究，26（2）：201—207．

葛洪魁，陳海潮，歐陽(yáng)飚等，2013．流動(dòng)地震觀測(cè)背景噪聲的臺(tái)基響應(yīng)．地球物理學(xué)報(bào)，56（3）：857—868．

蔣樂(lè)群，葉建慶，劉學(xué)軍，1997．麗江大研鎮(zhèn)震災(zāi)分布和地脈動(dòng)測(cè)量結(jié)果之間的相關(guān)性．地震研究，20（1）：125—131．

裴曉，尹繼堯，楊庭春，2012．上海遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)各類(lèi)型臺(tái)基背景噪聲分析．地球物理學(xué)進(jìn)展，27（5）：1897—1903．

許康生，李秋紅，李英，2001．大地震前近臺(tái)背景噪聲的頻譜分析．西北地震學(xué)報(bào)，34（2）：150—153．

岳秀俠，楊躍文，栗連弟等，2009．天津測(cè)震臺(tái)網(wǎng)子臺(tái)地脈動(dòng)分析與應(yīng)用．華北地震科學(xué)，27（4）：36—40．

Application of Ambient Seismic Noise Contrast Experiment in Underground Observation

Sun Luqiang，Liu Yanli，Liu Wenbing，Bian Zhenfu and Cui Xiaofeng

（Earthquake Administration of Tianjin Municipality，Tianjin 300201，China）

Tianjin area is covered by the thick Cenozoic sediments，with complicated geological structure，and plain and depression in topography．The plain occupies about ninety-three percent of the total area．As the results，all stations in Tianjin seismic network are underground observation except Jixian station．Since The borehole seismometer is expensive and difficult to maintain，We search the new way which may replace the underground observation．Some preliminary results in the testing system of ambient seismic noise contrast test are reported in this paper．

Seismic network；Borehole seismometer；Ambient seismic noise；Contrast test

孫路強(qiáng)，柳艷麗，劉文兵，卞真付，崔曉峰，2014．沉積層地震觀測(cè)噪聲的對(duì)比試驗(yàn)．震災(zāi)防御技術(shù)，9（4）：932—936．

10.11899/zzfy20140422

地震科技星火計(jì)劃（XH14002Y）、天津地震背景場(chǎng)探測(cè)工程測(cè)震臺(tái)網(wǎng)分項(xiàng)和天津地震局內(nèi)科研（20141001）共同資助

2013-12-30

孫路強(qiáng)，男，生于1985年。工程師。主要從事地震速報(bào)、編目、系統(tǒng)運(yùn)行以及軟件研發(fā)工作。E-mail：lqsun850330@163.com