鉆井對(duì)紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)測(cè)震數(shù)據(jù)的干擾特征及去噪淺析

陳凱男,王利兵,田 勤,劉立申,羅 娜,賈 華

(1.河北省地震局紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)，河北 邢臺(tái) 054000；2.河北省地震局邯鄲中心地震臺(tái)，河北 邯鄲 056002)

0 引言

地震數(shù)字化記錄信號(hào)在采集、處理等過程中，不可避免地疊加各種干擾信息，影響觀測(cè)質(zhì)量，增加震相分析難度，為地震信號(hào)的精確識(shí)別造成一定的困難。因此，在地震信號(hào)的處理過程中，提取地震信號(hào)中的有用信息，提高地震資料的信噪比，對(duì)后續(xù)的信號(hào)分析研究是十分重要的[1-2]。近年來，除觀測(cè)規(guī)范要求的以地脈動(dòng)有效值(均方根)來衡量臺(tái)站的噪聲水平外，國際上流行以噪聲功率譜來衡量臺(tái)站的噪聲水平，它可以表征整個(gè)觀測(cè)頻帶的噪聲水平狀況[3]。利用噪聲功率譜密度方法分析鉆井作業(yè)對(duì)臺(tái)基噪聲的干擾成分，進(jìn)而有針對(duì)性地對(duì)干擾頻率進(jìn)行濾波，提高地震數(shù)字化記錄的觀測(cè)質(zhì)量。

1 臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境

紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)(以下簡稱紅山臺(tái))海拔高程37 m，周圍是大面積沖積平原,基巖裸露，臺(tái)基為震旦紀(jì)石英砂巖。從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造上看，這一地區(qū)隸屬于太行山山前斷裂帶分支斷裂-隆堯、束鹿斷裂的南段。臺(tái)站周圍構(gòu)造復(fù)雜，基層斷裂縱橫交錯(cuò)，甚為發(fā)育。特別是東南部束鹿斷陷為一新生代斷陷盆地，斷陷內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈，西北部被趙縣凹陷邊緣的北東向斷裂切割。東南部被東鹿斷陷帶阻止，西南部頂端被巨鹿斷陷帶內(nèi)的東斷裂攔截。行政區(qū)劃隆堯縣境內(nèi)，臺(tái)站東面和北面無公路和工廠，西面距縣級(jí)公路2 km，南面距縣級(jí)公路3 km。四周皆為農(nóng)田，遠(yuǎn)離村鎮(zhèn)，人為活動(dòng)較少，地震監(jiān)測(cè)環(huán)境較好。

2 臺(tái)基噪聲水平

紅山臺(tái)2010年至今的地震觀測(cè)環(huán)境背景噪聲年平均水平基本呈下降趨勢(shì)，地震觀測(cè)環(huán)境在逐漸變好。目前,紅山臺(tái)臺(tái)基地噪聲水平處于Ⅰ級(jí)環(huán)境(見表1、第39頁圖1)。

實(shí)測(cè)地脈動(dòng)速度及計(jì)算公式為：

(1)

式中:V為實(shí)測(cè)地脈動(dòng)速度值(m/s);N為實(shí)際記錄背景噪聲值(counts);U為輸入峰值電壓(V);R為儀器分辨率(counts);S為地震計(jì)的工作靈敏度;K為數(shù)據(jù)采集器實(shí)際工作時(shí)的增益。

利用地動(dòng)噪聲的均方根值(RMS)可以衡量臺(tái)站的背景噪聲水平。用此值衡量噪聲水平的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)來自不同噪聲源的噪聲可按照一個(gè)相同的尺度進(jìn)行比較。地動(dòng)噪聲均方根值公式為：

(2)

式中:Vi為實(shí)測(cè)地脈動(dòng)速度值(m/s)。

表1 紅山臺(tái)2016年觀測(cè)環(huán)境背景噪聲年平均水平Table 1 Annual average level of observation environment background noise at Hongshan station in 2016

國際上目前通常采用新皮特森地脈動(dòng)噪聲加速度功率譜密度曲線描述臺(tái)站臺(tái)基噪聲水平。我國《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求》(GB/T 19531.1-2004)將測(cè)震臺(tái)站環(huán)境地噪聲水平分為五級(jí)：

圖1 鉆井前功率譜密度曲線Fig.1 Power spectral density before drilling

Ⅰ級(jí)環(huán)境地噪聲水平：Enl<3.16×10-8m/s;

Ⅱ級(jí)環(huán)境地噪聲水平：3.16×10-8m/s≤Enl<1.00×10-7m/s;

Ⅲ級(jí)環(huán)境地噪聲水平：1.00×10-7m/s≤Enl<3.16×10-7m/s;

Ⅳ級(jí)環(huán)境地噪聲水平：3.16×10-7m/s≤Enl<1.00×10-6m/s;

Ⅴ級(jí)環(huán)境地噪聲水平：1.00×10-6m/s≤Enl<3.16×10-6m/s。

3 鉆井對(duì)臺(tái)基噪聲及地震波形記錄的影響

鉆井干擾主要是鉆機(jī)的鉆頭在地層鉆進(jìn)的過程中，鉆頭鑿擊地層產(chǎn)生的震動(dòng)在地層中傳播，到達(dá)地面后，與地震波同時(shí)被記錄到地震上，相對(duì)于地震波而言則稱之為鉆井干擾[4]。紅山臺(tái)鉆井作業(yè)地點(diǎn)距離測(cè)震地震計(jì)西北方約20 m處。

3.1 波形記錄特征

選取2017年7月17日10時(shí)鉆井作業(yè)開始前波形記錄(見圖2a)，8月25日10時(shí)鉆井作業(yè)時(shí)波形記錄(見圖2b)。通過鉆機(jī)開始工作前后地震信號(hào)記錄的圖形可清晰地分辨出此干擾的記錄特征。

由圖2b看出，鉆井作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)在數(shù)字地震信號(hào)中疊加了高頻干擾成分，對(duì)于短周期震相分析會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。要剔除這些干擾，觀測(cè)人員首先要對(duì)這些干擾成分進(jìn)行頻譜分析。

圖2 鉆井作業(yè)前后地震波形記錄對(duì)比圖Fig.2 Contrast of seismic waveform record before and after drilling

3.2 鉆井作業(yè)時(shí)臺(tái)基噪聲變化

用公式(1)、(2)對(duì)鉆井作業(yè)進(jìn)行時(shí)的數(shù)字地震信號(hào)計(jì)算RMS值(選取2017年7月28日15時(shí))。由于鉆井作業(yè)影響，此時(shí)地噪聲水平為Ⅲ級(jí)環(huán)境(見表2)。

表2 打井期間紅山臺(tái)RMS值Table 2 RMS values during drilling at Hongshan station

通過對(duì)鉆井作業(yè)期間地震波形數(shù)據(jù)的分析，得出如下結(jié)論：

(1) 從波形數(shù)據(jù)上看出，鉆井對(duì)地脈動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生干擾，特別是對(duì)地震數(shù)據(jù)的干擾，影響震相的識(shí)別。

(2) 對(duì)干擾波形數(shù)據(jù)噪聲分析，其RMS值降到Ⅲ類。

(3) 對(duì)臺(tái)基噪聲功率譜密度分析看出，干擾頻率主要集中在5 Hz以上的高頻。

4 地震信號(hào)去噪

選取鉆井作業(yè)時(shí)的地震波形數(shù)據(jù)，做臺(tái)基噪聲功率譜密度分析如第40頁圖3所示，可見干擾的頻率大于5 Hz，特別是10 Hz左右的高頻干擾十分嚴(yán)重，對(duì)體波干擾較大。

圖3 鉆井期間臺(tái)基噪聲PSD曲線Fig.3 PSD of station base noise during drilling

地震事件分析時(shí)，初至震相全部淹沒在鉆井的噪聲干擾中(見圖4)。將高頻干擾作為濾波的主要頻段，地震波體波的周期主要集中在0.1～3 s，所以將帶通初步設(shè)置在0.3～10 Hz。小于0.3 Hz的信號(hào)基本不受干擾，大于10 Hz的信號(hào)大致排除為地震信號(hào)，可去除。5～10 Hz間的地震信號(hào)也疊加有鉆井的干擾信號(hào)，濾波時(shí)需權(quán)衡。

圖4為2017年8月3日湯加群島地區(qū)Ms6.1地震波形，發(fā)震時(shí)刻16:53:34，震中距(相對(duì)紅山臺(tái))為85.8°，初至震相P波到時(shí)17:06。震中距較大，體波周期相對(duì)較長。圖4a能大致看出初至震相P波的到時(shí)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到地震分析所要求的精度，對(duì)其做噪聲功率譜密度曲線(見圖4b)，干擾頻率清楚，濾波帶通設(shè)在0.3～5 Hz。圖4c為濾波后的地震波形，圖4d為濾波后噪聲功率譜密度曲線，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過濾波后，地震信號(hào)清晰地顯露出來。

圖4 2017年8月3日湯加群島地區(qū)地震波形處理圖Fig.4 Seismic waveform processing in Tonga Islands area on August 3, 2017

第41頁圖5為2017年7月22日日本本州東岸近海Ms5.2地震波形，發(fā)震時(shí)刻09：46：55，震中距為21.1°，初至震相P波到時(shí)09：51。圖5a為濾波前疊加鉆井干擾的波形，圖5b為濾波后的地震波形。濾波帶通設(shè)為0.3～10 Hz，濾波后地震波初至震相清晰可辨。

第41頁圖6為2017年8月9日阿留申群島Ms5.0地震波形，發(fā)震時(shí)刻05：46：48，震中距為41.9°，P波到時(shí)05：54。圖6a為濾波前疊加鉆井干擾的波形，圖6b為濾波后的地震波形。

圖7為2017年8月31日陜西省榆林市榆陽區(qū)ML3.5地震波形，發(fā)震時(shí)刻07：25：06，震中距為430.4 km，初至震相PG到時(shí)07：26。圖7a為濾波前疊加鉆井干擾的波形，圖7b為濾波后的地震波形。

圖6 2017年8月9日阿留申群島地震波形處理圖Fig.6 Seismic waveform processing in Aleutian Islands on August 9, 2017

圖7 2017年8月31日陜西省榆林市榆陽區(qū)地震波形處理圖Fig.7 Seismic waveform processing in Yuyang District, Yulin City, Shaanxi Province on August 31, 2017

5 結(jié)論

(1) 通過對(duì)鉆井作業(yè)期間地脈動(dòng)數(shù)據(jù)、地震事件數(shù)據(jù)做臺(tái)基噪聲功率譜密度分析，確定鉆井作業(yè)對(duì)測(cè)震數(shù)字記錄產(chǎn)生的干擾為高頻干擾，頻段大于5 Hz，尤其是10 Hz左右的干擾最為明顯，低頻段幾乎不受影響。鉆井產(chǎn)生的干擾嚴(yán)重影響地震數(shù)據(jù)質(zhì)量，加大震相識(shí)別的難度。

(2) 對(duì)不同震中距地震事件數(shù)據(jù)做濾波實(shí)驗(yàn)，濾波頻段的上限從10 Hz往下調(diào)整，要既能去掉干擾頻率又不影響地震信號(hào)。濾波頻段選取0.3～10 Hz可以濾掉絕大多數(shù)的干擾，使初至震相清晰顯露。