青藏高原東北緣寬頻帶地震臺陣遠(yuǎn)震記錄波形及背景噪聲分析

劉旭宙, 沈旭章, 李秋生, 張元生, 秦滿忠, 葉 卓

1)中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地, 甘肅蘭州 730000; 2)中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅蘭州 730000; 3)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 北京 100037

青藏高原東北緣寬頻帶地震臺陣遠(yuǎn)震記錄波形及背景噪聲分析

劉旭宙1, 2), 沈旭章1, 2), 李秋生3)*, 張元生1, 2), 秦滿忠1, 2), 葉 卓3)

1)中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地, 甘肅蘭州 730000; 2)中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅蘭州 730000; 3)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 北京 100037

本文利用遠(yuǎn)震極性分析和概率密度函數(shù)統(tǒng)計法對國家深部探測專項SinoProbe“青藏高原東北緣寬頻帶地震臺陣”40個臺站的遠(yuǎn)震記錄波形和背景噪聲進(jìn)行了評估和影響因素分析。結(jié)果表明: (1)該臺陣對遠(yuǎn)震有較好的記錄和識別能力, 且單臺定位結(jié)果較好; (2)被檢測臺站背景噪聲達(dá)到或接近同類地區(qū)固定臺站的噪聲水平標(biāo)準(zhǔn), 觀測數(shù)據(jù)品質(zhì)較高; (3)根據(jù)實際觀測資料計算的各臺站概率密度函數(shù) PDF分析結(jié)果建議, 在青藏高原東北緣黃土層較厚地區(qū)開展寬頻帶流動觀測, 應(yīng)首選基巖臺基以保證三分量觀測效果, 在不得已選擇非基巖臺基情況下, 應(yīng)深埋地震計以達(dá)到最大程度降噪。

青藏高原東北緣; 寬頻帶地震觀測; 遠(yuǎn)震極性分析; 背景噪聲分析

青藏高原東北緣是三大構(gòu)造域(青藏塊體、阿拉善塊體、鄂爾多斯塊體)交匯地區(qū), 是一個典型的似三聯(lián)點構(gòu)造(田勤儉等, 1998)。它是青藏高原向大陸內(nèi)部擴展的前緣部位, 處在地球上板塊碰撞最強烈的區(qū)域邊緣(Kind et al., 2010)。在高原整體不斷隆升和向北東側(cè)向擠壓的背景下, 該區(qū)域從晚新生代到現(xiàn)今構(gòu)造變形十分強烈(高銳等, 2011)。作為青藏高原最新的和正在形成的重要組成部分, 青藏高原東北緣近年來已成為青藏高原研究的新熱點區(qū)域之一。

寬頻帶地震流動觀測是目前地震學(xué)中一個極為活躍和重要的研究方法和手段, 由于其具有分辨率高, 探測深度大, 布設(shè)靈活的優(yōu)點, 適合于地震的精確定位、特定研究區(qū)地球結(jié)構(gòu)分析及大震動態(tài)跟蹤等綜合研究, 已成為開展高分辨率地震觀測的重要手段(高原, 1996; 吳慶舉等, 1998; 李秋生等, 2001; 趙文津等, 2008; 高銳等, 2009)。

為了揭示青藏高原東北緣深部結(jié)構(gòu), 探討青藏高原向大陸內(nèi)部擴展前緣的巖石圈變形機制和地球動力學(xué)背景, 國家專項“深部探測技術(shù)與實驗研究”(SinoProbe)在青藏高原東北緣針對黃土塬自然地理條件進(jìn)行了寬頻帶流動觀測實驗, 于2011年11月完成40個臺站的布設(shè)并維護(hù)運行到2012年11月。

臺站噪聲是影響地震觀測質(zhì)量的主要因素之一。在流動觀測方法出現(xiàn)之前的年代, 固定臺站分布稀疏, 通常可以通過嚴(yán)格選址, 遠(yuǎn)離噪聲源, 或在山洞中建臺等措施達(dá)到降低背景噪聲, 保證觀測質(zhì)量的目的。寬頻地震流動觀測是20世紀(jì)90年代才興起的地震觀測新技術(shù)。流動觀測通常是針對特殊對象(如火山噴發(fā)), 或應(yīng)急性觀測(如災(zāi)難性地震后余震觀測)。由于臺站密度大, 選址范圍受限, 臺基建設(shè)較倉促, 固定臺站時代采用的規(guī)避噪聲源的措施已經(jīng)變得不現(xiàn)實, 噪聲與生俱來地存在于流動觀測數(shù)據(jù)中, 因此對流動臺陣觀測采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評估和背景噪聲影響因素分析就成為寬頻地震流動觀測實驗研究必不可少的重要內(nèi)容之一。

隨著全球臺網(wǎng)密度的提高, 目前全球中強地震的定位結(jié)果精度都較高, 利用流動臺陣單臺遠(yuǎn)震記錄, 通過單臺極性分析方法確定地震位置, 和全球定位結(jié)果對比, 可以對儀器的地震事件記錄能力及儀器的記錄是否正確進(jìn)行初步分析。其次, 概率密度函數(shù)(Probability Density Function, PDF)統(tǒng)計法是在傳統(tǒng)的噪聲功率譜密度(PSD)分析方法的基礎(chǔ)上,更全時段地分析地震觀測臺站噪聲水平的方法, 由Mcnamara和Raymonnd首次提出(McNamara et al., 2004), 近年來已被越來越多的國際同行應(yīng)用。在美國該方法已被應(yīng)用于IRIS、ANSS的數(shù)據(jù)管理和流動臺陣觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。國內(nèi), 葛洪魁等(2013)、吳建平等(2012)用PDF方法分析了華北地區(qū)的背景噪聲、臺基響應(yīng)及噪聲特征。

一般情況下, 由于可選擇臺址的局限性, 各種環(huán)境噪聲對流動臺站的影響甚于同地區(qū)的固定臺站,截止目前, 尚未有工作對青藏高原東北緣寬頻地震流動觀測臺陣的噪聲背景進(jìn)行系統(tǒng)定量分析。本文采用一年的觀測資料, 首先利用遠(yuǎn)震記錄的單臺極性分析結(jié)果, 對儀器記錄地震事件的正確性進(jìn)行了檢驗。之后, 計算了各臺站的功率譜概率密度函數(shù)(PDF)并進(jìn)行了影響因素分析, 其結(jié)果可供今后在該地區(qū)進(jìn)行寬頻帶地震流動觀測時參考。同時作為一個自然地理和人文條件特殊地區(qū), 也可為建立中國大陸噪聲特征模型積累科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 臺陣地質(zhì)地理背景簡介

2011年11月至2012年11月, 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所和中國地震局蘭州地震研究所合作, 在青藏高原東北緣架設(shè)了40套寬頻地震儀, 測線近南北向延伸, 平均臺站間距15 km, 總長度近600 km。測線最南端臺站位于四川省紅原縣瓦切鄉(xiāng), 向北依次穿過松潘甘孜地塊、西秦嶺、祁連山和河西走廊,終止于阿拉善地塊南緣, 最北端臺站位于甘肅省景泰縣紅水鎮(zhèn)。測線跨越東昆侖斷裂、西秦嶺斷裂、海原斷裂等多條現(xiàn)代活動斷裂(圖1)。

圖1 臺陣分布圖Fig. 1 Distribution of the observation station array

青藏高原東北緣自然條件艱苦, 交通不便, 經(jīng)濟欠發(fā)達(dá)。在該區(qū)開展寬頻帶地震觀測實驗, 工作條件十分復(fù)雜。南部為高海拔、少數(shù)民族聚集地區(qū),北部為黃土高原、沙漠地區(qū)。青藏高原東北緣寬頻地震觀測臺陣是一個線性臺陣, 整體呈南北走向,沿線自然地理條件變化明顯, 依地貌和基巖出露情況, 可以大致劃分為南部若爾蓋高原和西秦嶺山地,北部臨夏—蘭州—景泰黃土塬地區(qū)。南部的特點是多有基巖出露, 以牧區(qū)為主, 藏、回、漢多民族聚居,背景噪聲源以非工業(yè)噪聲為主; 北部的特點是少有基巖出露, 地表被巨厚黃土覆蓋, 臨夏、蘭州、景泰等大中城市有較強的工業(yè)噪聲, 人文噪聲也較南部強許多。

總體來說, 青藏高原東北緣地震觀測的背景噪聲隨著地理、地質(zhì)條件的變化而差異顯著。而觀測臺陣所配備儀器的良好觀測性能則保證了在寬頻的范圍內(nèi)可以真實地反應(yīng)出地表的噪聲信息, 并進(jìn)而對背景噪聲進(jìn)行細(xì)致的分析。臺陣的各臺站配備了REFTEK-130B型數(shù)據(jù)采集器(簡稱數(shù)采)和 Guralp CMG-3T(或3ESP)型地震計(表1), 各臺站的采樣率統(tǒng)一使用50次/s。

表1 臺陣觀測儀器的參數(shù)Table 1 Parameters of the instrument

2 波形記錄及極性分析

2.1 原始記錄波形

為了對本項目所布設(shè)的每臺儀器的記錄效果和準(zhǔn)確性進(jìn)行分析, 我們選擇觀測期間記錄的兩次大震級的遠(yuǎn)震(表2), 將這兩個地震事件的部分臺站的垂直分量原始記錄波形按震中距進(jìn)行排列(圖2), 并將根據(jù)IASP91模型計算主要震相的理論到時。

圖2 關(guān)于1#(A)、2#(B)兩次地震的臺陣垂直分量的原始波形記錄Fig. 2 Primary waveforms of component UD of earthquake 1#(A) and 2#(B)

對于1#地震, 雖然震中距超過了120°, 仍然可以清晰的看到Pdiff震相, 這應(yīng)該和1#地震的震級較大, 并且發(fā)震時間在北京時間的午夜, 各臺站的背景噪聲在較低的水平有一定關(guān)系。對于 2#地震,由于震級達(dá)到了8.6, 各主要震相都非常清晰。這表明臺陣的記錄質(zhì)量總體情況良好。

表2 兩次地震的目錄Table 2 Catalog of two earthquakes

2.2 單臺極性測試

為了進(jìn)一步分析項目所布設(shè)的每臺儀器記錄的準(zhǔn)確性, 我們利用單臺記錄的遠(yuǎn)震波形資料進(jìn)行單臺極性分析, 以此來檢驗儀器三分量的擺放位置是否正確。在兩次地震的波形記錄中, 有30個臺站有完整的三分向波形記錄可以進(jìn)行極性分析。

分析時選取震相(1#地震為PP震相, 2#地震為P震相)附近3 s左右的波形。圖3為sta102臺站的極性分析示意圖, 可以看出兩次地震極性分析中結(jié)果和理論值的差別很小, 說明該臺站的極性正確。并且實際值的能量都比較集中, 說明臺陣對于這兩次地震的對應(yīng)分析震相有很好的識別能力。對于各臺站的分析結(jié)果(表3), 總體來說兩次地震極性分析的實際值和理論值的差別較小; 個別臺站有一定的差別是因為分析時并沒有做濾波處理, 從而受到了局部干擾的影響, 但是其方位和慢度仍然基本正確。

圖3 sta102臺站1#(A)、2#(B)兩次遠(yuǎn)震的臺站極性分析結(jié)果Fig. 3 Polar analysis of earthquake 1#(A) and 2#(B) of sta102

通過遠(yuǎn)震的波形記錄查看以及資料初步分析,可以看出青藏高原東北緣野外寬頻帶地震臺陣有較好的觀測精度和地震識別能力, 單臺定位的結(jié)果與全球地震目錄相符, 各臺站儀器的三分向極性正確,能客觀記錄地震事件。

3 臺陣PDF分析

3.1 典型特征臺站介紹

青藏高原東北緣黃土塬臺陣由南至北架設(shè)在不同的地質(zhì)和自然地理環(huán)境中, 噪聲情況差異明顯。在計算分析臺陣各臺站的噪聲背景后, 我們選取了有代表性的6個臺站針對不同環(huán)境的噪聲進(jìn)行了詳細(xì)的對比研究。6個臺站的周圍都沒有飛機場、大河流、工廠、礦場、變電站、學(xué)校、水庫、鐵路、高大建筑物和高大樹木等干擾因素, 因此可以認(rèn)為背景噪聲主要來源于自然噪聲和人為噪聲(包括公路交通引起的噪聲)。其差別主要是觀測臺站所在的地質(zhì)環(huán)境, 以及臺站的臺基、保溫措施和人為噪聲影響(主要為公路車輛和人畜走動等影響)情況。6個臺站的具體描述如表4。

3.2 數(shù)據(jù)處理方法

計算噪聲功率譜密度(PSD)是分析背景噪聲的傳統(tǒng)方法, 計算時往往選取外界噪聲較小、沒有較大地震發(fā)生的時段來進(jìn)行PSD計算。這種方法固然可以反映有代表性的臺站噪聲水平, 但是卻不能全面反映出臺站的噪聲水平, 而計算時段本身也值得討論。McNamara和Raymonnd提出了用概率密度函數(shù)(PDF)統(tǒng)計法分析地震觀測臺站噪聲水平的方法(McNamara et al., 2004), 這種方法有別于傳統(tǒng)的PSD計算方法, 在計算中不需要排除包括地震在內(nèi)的突發(fā)事件, 而是對所有記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行一樣的處理,在保持?jǐn)?shù)據(jù)連續(xù)性的同時, 各種對背景噪聲的影響體現(xiàn)在概率密度函數(shù)PDF的概率值中。

表3 各臺站極性分析結(jié)果Table 3 The results of polar analysis of each station

表4 對比分析臺站的相關(guān)信息Table 4 Information of stations for comparative analysis

在實際的資料處理中, 本文選取各臺站2011年11月1日至2012年10月31日一整年的記錄波形,利用葛洪魁等(2013)的數(shù)據(jù)處理方法對該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 并最終采用速度功率譜密度與 NHNM 和NLNM對比。NHNM和NLNM是Peterson在定量分析了全球各地 75個固定地震臺站的地震背景噪聲功率譜密度后, 得到的全球地震背景噪聲模型(Peterson, 1993), 分別為新高噪聲模型(NHNM)和新低噪聲模型(NLNM)。

圖4 sta115臺站垂直分量PDF(根據(jù)8294條PSD結(jié)果)Fig. 4 PDF of component UD of station115 (based on 8294 PSDs)

圖4為臺站sta115的垂直分量在2011年11月1日至2012年10月31日記錄的波形數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果。由于平均值則容易受到極值的影響, 中值曲線則平滑并接近眾數(shù)統(tǒng)計曲線(葛洪魁等, 2013)。圖4中對各臺站的PDF結(jié)果均計算了均值和中值。可以看出, 中值更接近實際的功率譜概率密度最大值。

3.3 臺陣噪聲水平評價

國家地動噪聲標(biāo)準(zhǔn)對于長期觀測的固定測震臺站有一定的要求, 在設(shè)備完成安裝并進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)后連續(xù)觀測48 h, 對48 h的數(shù)據(jù), 抽取白天和晚上各4 h的噪聲記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行PSD計算, 檢驗計算結(jié)果是否滿足臺站環(huán)境地噪聲分級要求, 不滿足時地震記錄資料降級使用(GB/T 19531.1—2004)。但是流動臺站尚未出臺相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

本文利用了之前計算過的PDF中值評估臺陣的環(huán)境噪聲水平, 其結(jié)果更能代表環(huán)境噪聲的真實水平。6個對比分析臺站的垂直分量和東西分量的噪聲水平和參照國家地動噪聲標(biāo)準(zhǔn)后的地噪聲級別如表5。

表5 各臺站的地噪聲級別(垂直分量和東西分量)Table 5 Ground noise level of each station (component UD and EW)

對于甘肅東南地區(qū)安放寬頻帶數(shù)字地震儀的固定臺站, 環(huán)境地噪聲水平在各類地區(qū)應(yīng)符合不大于II級環(huán)境地噪聲水平要求。流動臺站因為選臺的限制, 環(huán)境噪聲水平自然會比固定臺站差一些。不過通過對選取的 6個臺站的噪聲評價可以看出, 各臺站地噪聲水平大體在Ⅰ級到Ⅲ級之間, 滿足流動觀測的噪聲水平要求。其原因在于臺址選擇時即注意避免了諸多影響觀測的因素, 因此影響地噪聲的因素主要為公路車流、人為活動以及近震、溫度、氣流等。在對上述因素進(jìn)行一定有效地規(guī)避后, 臺站在 1～20 Hz范圍可以保證有較好的環(huán)境地噪聲水平。其中 2個 III級環(huán)境噪聲水平臺站, 其主要噪聲影響來自于非干道的車流、弱人為活動以及氣流。

3.4 PDF對比

在寬頻帶地震儀的正常頻帶記錄范圍內(nèi), 儀器噪聲是遠(yuǎn)低于自然噪聲的, 因此噪聲功率譜得到的結(jié)果基本上反應(yīng)了外界自然噪聲的實際情況。大體上, 可以將噪聲分為高頻(1 Hz頻率以上)、低頻(1～10 s)和長周期(10～50 s)三個部分。前人的研究表明: 高頻部分的干擾主要以諸如鐵路、公路、工廠以及人類活動等為主, 這種干擾隨距離的衰減也是最快的, 另外氣流等自然因素也會形成高頻的干擾,并對水平方向更為明顯, 還有就是地方震對背景噪聲的影響(McNamara et al., 2004); 低頻部分的干擾主要來自微震噪聲, 一般認(rèn)為海洋波與海底或海岸線的非線性相互作用引起海底壓力擾動(Longuet-Higgins, 1950; Frontera et al., 2010), 主要成分為面波。此外中遠(yuǎn)震會影響到這一頻率范圍的背景噪聲; 長周期部分的噪聲則主要和自然因素相關(guān)(Bonnefoy-Claudet et al., 2006), 如風(fēng)、急流(瀑布和河流)、溫度變化、氣壓變化、地傾斜等都會導(dǎo)致長周期噪聲, 其中地傾斜使重力耦合到水平分量中,因此水平分量的長周期噪聲會高過垂直分量(Wielandt, 2002)。此外遠(yuǎn)震的各類波也在低頻和長周期范圍內(nèi)影響背景噪聲。

3.4.1 臺站間對比

對比6個臺站的垂直分量PDF中值曲線以及加入sta120臺站后的水平分量中值曲線(圖 5), 可以看出:

圖5 6個對比研究臺站的PDF中值對比Fig. 5 Comparison of PDF’s medians of 6 stations

1)在高頻部分, 垂直分量的背景噪聲和水平分量大致在同一水平。公路車流、人為活動以及沉積層的厚度是影響背景噪聲的主要因素。其中, 沉積層較薄的 sta133臺站雖然距離公路較近, 但是卻明顯比厚黃土層覆蓋的sta123有更低的背景噪聲。一般來說, 超過1000 m后(對于干道), 公路的影響將大為降低。從遠(yuǎn)離公路的臺站噪聲對比中可以看出,氣流等其他因素對水平分量背景噪聲的影響大過垂直向。

2)在低頻部分, 特別是在周期2～10 s區(qū)間, 6個臺站的垂直分量背景噪聲差別很小, 水平分量的差別略大于垂直分量。每個臺站兩個分量的噪聲水平中, 垂直向大過水平分量約3～5 dB。在這一頻率范圍背景噪聲主要受到共同的噪聲源-微震噪聲的影響, 各臺站各分量也均表現(xiàn)出微震噪聲峰值。

3)在長周期部分, 各個臺站垂直分量的背景噪聲呈現(xiàn)出較為相同的分布, 東西分量也有同樣的表現(xiàn)(基巖臺除外)。而每個臺站的垂直分量和東西分量之間又表現(xiàn)出較大的差異(基巖臺除外), 非基巖臺水平分量的背景噪聲高過垂直分量可以達(dá)到10 dB到20 dB。如前述, 地傾斜使重力耦合到水平分量中是形成這一頻率范圍水平噪聲的重要原因,地傾斜的產(chǎn)生可以是地面荷載變化如重型機械、大氣壓變化等多種因素引起的(Wielandt, 2002; 謝劍波, 2007), 只有在整體巖性很好的情況下(sta115臺站)會有顯著降低的水平分量背景噪聲。

在東西分量的背景噪聲對比中加入了地震計較深掩埋的sta120臺站, sta120臺站臨近sta123臺站,位于較厚的黃土層覆蓋的區(qū)域, 其地震計埋在地面下2 m深的坑中?？梢钥闯? 地震計較深的掩埋對于降低sta120臺站長周期部分的背景噪聲起到了一定的作用, 在3 dB左右。此外, 溫度變化時機械部件熱補償?shù)牟灰恢聲茐牡卣鹩媰?nèi)部的平衡狀態(tài),從而在這一頻率范圍內(nèi)也會影響背景噪聲。圖 5B 中, 保溫措施較差的 sta133臺站則明顯有更高的背景噪聲, 說明溫度、氣流等因素對于長周期范圍背景噪聲的影響也是很明顯的。

3.4.2 單臺站分時域?qū)Ρ?/p>

我們將每個待分析臺站一年的PSD分為較溫暖(5—10月)和較寒冷(11月—次年4月)兩個時段, 并分別統(tǒng)計PDF以觀察背景噪聲在一年當(dāng)中的變化。

各臺站垂直分量的季節(jié)性差異并不明顯(圖 6),高頻部分暖季相對略高, 低頻部分變化很小, 僅在微震噪聲峰值附近可以清楚看到有微小的變化, 長周期部分暖季相對略低。相對于垂直分量, 水平分量的變化則較為明顯(圖7), 其變化基本上在高頻部分和長周期部分, 暖季時這兩個頻率范圍的噪聲更高, 表明水平分量的背景噪聲對季節(jié)性差異更敏感。

兩個分量在高頻部分季節(jié)性的差異應(yīng)與季節(jié)性人為活動的密度相關(guān)。在長周期部分, 因為垂直分量受地傾斜的影響較小, 因此其背景噪聲的季節(jié)性差異主要源于溫度和氣流的季節(jié)性變化。對于水平分量, 由于暖季時有更大的晝夜溫差, 并且地傾斜的問題也更為嚴(yán)重, 因此其長周期部分的背景噪聲明顯更高。值得注意的是海拔更高、屬地氣候溫差更大的sta102和sta117臺站的整體季節(jié)性差異較其他臺站更大, 可能是更大的溫差導(dǎo)致沉積層的結(jié)構(gòu)特性有較大的差別, 從而使得兩個臺站在高頻和長周期范圍有較大的背景噪聲差異。

將各臺站一年的數(shù)據(jù)分別按照每天白天(8點至20點)和夜晚(20點至 8點)兩個時段統(tǒng)計計算 PDF并進(jìn)行對比(垂直分量的對比為圖 8, 水平分量的對比為圖 9), 高頻部分各臺站的垂直分量和水平分量顯示一致性的差異, 白天高過晚上5～10 dB, 其原因主要為人為活動的差異; 低頻部分沒有明顯的差異,是因為其噪聲源來自于微震噪聲及中遠(yuǎn)震影響; 長周期部分水平分量的差異頻率范圍和差異幅度均大過垂直分量, 垂直分量的差異原因與白天更大的氣流、溫度、氣壓變化有關(guān), 水平分量對于上述因素更為敏感, 并且由于上述因素耦合到地傾斜中, 使得水平分量的差異頻率范圍和差異幅度都較垂直分量有增加。

圖6 各臺站垂直分量PDF中值曲線分季節(jié)對比Fig. 6 Comparison of PDF’s medians of each station in different seasons (component UD)

圖7 各臺站東西分量PDF中值曲線分季節(jié)對比Fig. 7 Comparison of PDF’s medians of each station in different seasons (component EW)

圖8 各臺站垂直分量PDF中值曲線晝夜對比Fig. 8 Comparison of PDF’s medians of each station in different periods (component UD)

圖9 各臺站東西分量PDF中值曲線晝夜對比Fig. 9 Comparison of PDF’s medians of each station in different periods (component EW)

4 結(jié)論

1)通過兩次遠(yuǎn)震的波形記錄查看及資料分析,可以看出青藏高原東北緣野外寬頻帶地震臺陣有較好的觀測精度和地震識別能力, 極性分析結(jié)果顯示各臺站儀器三分量方位正確。對選取的6個臺站進(jìn)行的噪聲評價, 臺站地噪聲水平在Ⅰ級到Ⅲ級之間,滿足流動觀測噪聲水平要求。

2)PDF方法對比研究背景噪聲, 知其分布特征如下:

1 Hz以上以及0.2 Hz以下頻率范圍的臺站背景噪聲最易受影響。在1 Hz以上頻率范圍, 公路、人為活動等是主要影響因素, 較厚沉積層環(huán)境的臺站受影響尤甚, 黃土覆蓋較厚的地區(qū), 特別需要注意這一因素。氣流也會影響這一頻率范圍的背景噪聲。在0.2 Hz以下的頻率范圍, 水平分量的背景噪聲較垂直分量更容易受到地傾斜、溫度、氣流等因素的影響, 地傾斜對于背景噪聲的影響一般可能會大過其他因素。當(dāng)臺站架設(shè)在整體巖性好的基巖上, 并采取較好的保溫、防氣流措施后, 其背景噪聲會顯著降低。另外, 地震計深埋2 m以上有降低3 dB左右的背景噪聲的效果。

細(xì)分不同時段對比后發(fā)現(xiàn), 暖季(5—10月)和白天(8—20時)伴隨整體背景噪聲高。水平分量的背景噪聲在不同時段中的變化大過垂直分量, 高寒地區(qū)在暖季的時候地傾斜、溫度、氣流等影響因素也更突出, 季節(jié)性溫差可能導(dǎo)致沉積層結(jié)構(gòu)特性的差異從而加大背景噪聲的季節(jié)性差別。

臺站基礎(chǔ)建設(shè)和監(jiān)測環(huán)境是記錄資料質(zhì)量的保證。對于流動觀測來說, 一般不具備足夠的投入可以像固定臺站一樣建設(shè)基礎(chǔ)觀測設(shè)施。因此合理地選擇觀測環(huán)境對于觀測質(zhì)量的保證尤為重要。實驗表明地震計深埋能起到一定的降噪效果, 此方法適用于土層較厚的地區(qū)。在整體性較好的基巖上架設(shè)臺站則能保證各分量的觀測效果。在高寒地區(qū)的臺站, 需要經(jīng)常巡視, 注意在不同的季節(jié)中調(diào)節(jié)地震計的水平狀態(tài)。青藏高原東北緣是地震學(xué)者所關(guān)注的熱點地區(qū), 在寬頻帶地震流動觀測廣泛應(yīng)用的今天, 確保臺站觀測質(zhì)量是相關(guān)研究的重要基礎(chǔ)。進(jìn)一步的實驗是用更多的儀器進(jìn)行不同觀測條件下的背景噪聲對比。

致謝: 本文的資料處理使用了 Sandia實驗室的Matseis軟件, 以及 Lawrence Livermore實驗室的SAC軟件, 圖1繪制使用了GMT軟件(Wessel et al., 1995), 在此表示謝意。

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An Analysis of the Tele-seismic Waveforms and Ambient Noise of Temporary Broadband Seismic Array on the Northeastern Margin of the Tibetan Plateau

LIU Xu-zhou1, 2), SHEN Xu-zhang1, 2), LI Qiu-sheng3)*, ZHANG Yuan-sheng1, 2), QIN Man-zhong1, 2), YE Zhuo3)
1) Lanzhou Base of Institute of Earthquake Prediction, China Earthquake Administration, Lanzhou, Gansu 730000; 2) Lanzhou Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Lanzhou, Gansu 730000; 3) Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037

According to the analysis of tele-seismic waveforms and Probability Density Function (PDF), the ambient noise of the broadband seismic array with 40 stations on the northeastern margin of the Tibetan Plateau was estimated. The results from polarity analysis were also used to test the recording capability of the tele-seismic event. Some conclusions have been reached: (1) the array has good capability for tele-seismic event; (2) the level of background noise of the seismic array is close to that of the permanent stations, the quality of records is high; (3) the results from PDF analysis imply that the best choice of the base for seismometer is the bed rock. The seismometer should be buried beneath the ground if there is no bed rock.

northeastern margin of the Tibetan Plateau; broadband seismic observation; polarity analysis of tele-seismic waveforms; ambient noise analysis

P315.2; P631.443

A

10.3975/cagsb.2014.06.12

本文由中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(編號: 2012IESLZ03; 2012IESLZ09)和國家專項“深部探測技術(shù)與實驗研究”課題“寬頻地震觀測與殼幔速度研究”(編號: SinoProbe-02-03)聯(lián)合資助。

2014-01-14; 改回日期: 2014-07-26。責(zé)任編輯: 張改俠。

劉旭宙, 男, 1976年生。高級工程師。主要從事地震學(xué)研究。通訊地址: 730000, 蘭州市東崗西路 450號。E-mail: liuxz@gssb.gov.cn。

*通訊作者: 李秋生, 男, 1958年生。研究員。長期從事大陸巖石圈結(jié)構(gòu)的地震學(xué)探測與研究。通訊地址: 100037, 北京市西城區(qū)百萬莊大街26號。E-mail: liqiusheng@cags.ac.cn。

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