南京市測震臺網臺站背景噪聲分析與應用

劉孝峰，樊曉春，鄭建華，侯躍偉

(1.南京市地震監(jiān)測預警中心，江蘇 南京 210019；2.南京市地震局，江蘇 南京 210019)

運用數字地震觀測系統(tǒng)獲取寬頻帶、大動態(tài)范圍、高分辨率及低失真度的數字地震記錄，可以進行地震速報，測定不同震源模型下的各種運動學與動力學參數，為進一步研究地震學提供基礎數據。影響地震記錄的因素有震源機制、地震波傳播路徑、臺址及觀測系統(tǒng)(楊晶瓊等，2005)。目前，震源機制和地震波傳播路徑對地震記錄產生的影響尚無法控制和改變，但可以通過選擇優(yōu)良的臺址和觀測儀器，降低觀測系統(tǒng)的噪聲水平，從而提高臺網地震監(jiān)測能力和獲取更高質量的地震波。臺網地震監(jiān)測能力通常依賴于地震觀測臺站的背景噪聲水平，由于地表噪聲的存在，使得地震計對微小信號的監(jiān)測能力減弱。在數字地震觀測系統(tǒng)實時記錄中，包含了地震信號、系統(tǒng)故障引起的各種失真信號、臺站周圍的環(huán)境噪聲等信息，實時連續(xù)記錄的信號反映了地震觀測系統(tǒng)的運行狀態(tài)(王俊等，2009)。市屬臺站作為省測震臺網的補充，與省屬臺站、國家臺相比，專業(yè)技術力量欠缺，也缺少通過功率譜概率密度函數和地基噪聲水平等方法來評價市屬臺站觀測系統(tǒng)，因此有必要加強對市屬臺站的管理。本文通過計算南京市市屬臺站的背景噪聲功率譜概率密度函數分布和臺基噪聲水平，動態(tài)了解臺站數據記錄質量、觀測系統(tǒng)健康狀況和臺站觀測環(huán)境變化情況，以期提高臺站的管理水平。

1 臺網概況

南京市位于長江下游中部地區(qū)，東接長江三角洲，南靠寧鎮(zhèn)丘陵，西倚皖贛山區(qū)，北連江淮平原。地貌特征屬寧鎮(zhèn)揚丘陵地區(qū)，以低山緩崗為主，平均海拔8.9 m。南京測震臺網跨度南北約150 km，中部東西寬50～70 km，南北兩端東西寬約30 km，平均臺間距30.5 km，最大臺站間距為57 km。該臺網于2003年5月正式運行，由六合臺、浦口臺、江寧臺、溧水臺和高淳臺5個測震臺站和1個臺網中心組成。各測震臺主要采用CMG-3ESPC-60地震計和CMG-DM24數據采集器，2015年7月六合測震臺更換為BBVS-120地震計和EDAS-24GN數據采集器，所有臺站均通過電信2M光纖專線接入測震臺網中心，并配備4G無線網絡作備用傳輸。另外，南京市測震臺網接入安徽嘉山、含山、滁州、馬鞍山、涇縣、江蘇盱眙臺、鎮(zhèn)江臺、金壇臺和溧陽臺等9個測震臺。

2 計算方法

背景噪聲計算通常會去掉或歸一化處理記錄波形中的地震信號、數據記錄間躍、限幅、尖峰、脈沖標定(Campillo et al，2003；McNamara et al，2004)。最新的研究表明這些信號相對于低水平的背景噪聲是低概率的事件，對臺站的背景噪聲水平評價時，這些信號是非常有用的，其概率值的大小可以用來評價地震觀測系統(tǒng)的運行狀態(tài)和記錄數據的質量(王俊等，2013)。功率譜概率密度函數用來描述數據記錄中各種信號的功率譜在各個頻率點上的概率分布情況，由于每一條數據記錄信號反映了觀測系統(tǒng)在某一特定時刻的狀態(tài)，其記錄過程具有唯一性，說明信號出現的頻率值代表了臺站觀測系統(tǒng)運行中的狀態(tài)，因此可以利用功率譜概率密度函數來評價臺站觀測系統(tǒng)的運行狀態(tài)。本文選取南京市市屬臺站2016～2018年的連續(xù)波形為樣本，分別計算臺基噪聲水平和功率概率密度函數。

以地震臺站各通道每小時的連續(xù)波形為樣本，計算臺基噪聲水平的步驟如下(王俊等，2013)：(1)去除數據中的線性趨勢；(2)對每條計算樣本進行分段，并按50%進行重疊，每段的長度L為327.68 s；(3)采用WELCH方法計算每段信號的功率譜密度。此外，為了最大限度地減小重疊后“頻譜泄露”效應，并增加頻峰的寬度，采用漢寧窗(hanning)函數來提高頻譜的分辨率；(4)取各段信號功率譜的平均值作為整段計算樣本的功率譜值，并在頻域里扣除儀器響應；(5)在全頻帶內，對每一條功率譜密度，以1/8倍頻為單位間隔滑動計算平均值，即將在短拐角周期Ts和長拐角周期TL=2×Ts內的平均功率譜值，賦給幾何中心周期Tc：

(1)

式中：Ts按1/8倍頻增加，即Ts=Ts×21/8，頻率范圍為90 s～35 Hz。(6)對于某一給定中心頻點，在某一時間段內，各種記錄信號的功率譜密度(PSD)值在1 dB單元間隔內的概率(PDF)可用下式表示：

P(Tc)=Np(Tc)/N(Tc)(-60 dB

(2)

(7)臺站環(huán)境背景噪聲水平的均方根值(RMS)，根據Bromann(2012)提出的下式進行計算：

αRMS={R×(fu-f1)}1/2=(P×f0×RBW)1/2

(3)

式中P為matlab計算的雙邊功率譜密度，RBW=(fu-f1)/f0為相對帶寬，f0為分度倍頻程中心頻率，fu為分度倍頻程上限頻率，f1為分度倍頻程下限頻率。

3 臺基背景噪聲分析

計算2017年10月南京市地震臺網所屬臺站臺基背景噪聲水平，用背景噪聲的加速度功率譜(PSD)的概率密度函數(PDF)分布圖來表示臺基噪聲水平，有效頻段范圍為90 s～35 Hz。圖1是高淳臺2017年10月3分向的加速度功率譜的概率密度函數分布圖。表1是南京市地震臺網所屬臺站3分向的詳細結果，各分向的RMS值取其所有結果的中值。計算結果顯示：2017年10月各臺站噪聲水平整體上在1.63E-08 m/s至1.82E-07 m/s之間，其中Ⅲ類噪聲水平臺站為浦口臺和六合臺，Ⅱ類噪聲水平臺站為江寧臺和溧水臺，高淳臺為Ⅰ類噪聲水平臺站。六合臺因鉆孔應變施工，導致六合臺背景噪聲水平上升。

表1 2017年10月南京市地震臺站的臺基背景噪聲水平

圖1 2017年10月高淳臺加速度功率譜的概率密度函數分布圖

分別計算2016年、2017年、2018年南京市地震臺網所屬臺站臺基背景噪聲水平，2016年臺站背景噪聲水平整體上在5.537491E-09 m/s至1.966863E-07 m/s之間，2017年在3.251138E-10 m/s至2.491527E-07 m/s之間，2018年在1.251134E-08 m/s至2.69275E-07 m/s之間，就整體水平來看，2017年與2018年臺站背景噪聲水平整體高于2016年。南京市地震臺網所屬臺站2016～2018年每月的臺基背景噪聲水平見圖2。經研究分析：高淳臺2017年除2月、6月、12月因地震計故障外，常年為Ⅰ類噪聲水平臺站；江寧臺位于區(qū)中心山洞內，臺站背景噪聲水平穩(wěn)定，2017年臺基背景噪聲水平高于2016年，2017年8月明顯上升，疑是更換地震計導致，總體為Ⅱ類噪聲水平臺站；六合臺2017年、2018年臺基背景噪聲水平高于2016年，主要是受周邊修路、石子廠的影響，尤其是2017年9～11月期間，臺站周邊鉆孔應變施工導致臺基背景噪聲水平明顯上升，2018年全年除10月份周邊施工減少為Ⅰ類，其他時間全部為Ⅱ類噪聲水平臺站，六合臺總體為Ⅱ類噪聲水平臺站；溧水臺2017年與2018年臺基背景噪聲水平整體高于2016年，因臺站500 m外開挖東廬山興建溧水觀音寺導致；浦口臺位于區(qū)中心鬧市區(qū)，常年受干擾，為Ⅲ類噪聲水平臺站數；南京臺為國家基準臺，作為參照，常年為Ⅱ類噪聲水平臺站。

圖2 臺基噪聲分平劃分

4 臺基背景噪聲分析及應用

4.1 監(jiān)控臺站觀測環(huán)境的應用

公眾和相關部門更多地關注地震監(jiān)測預報結果，但是對地震觀測環(huán)境保護工作認識不足，在過去20余年間南京市地震觀測環(huán)境遭受了較強的破壞(樊曉春等，2016)。由于南京市地震臺站較遠、位置較偏，難以及時監(jiān)控到觀測環(huán)境是否受到干擾影響，為此地震主管部門對觀測環(huán)境保護常常是“事后”執(zhí)法，其監(jiān)督執(zhí)法往往陷于被動地位。近年來南京地區(qū)有感地震常發(fā)，周邊地區(qū)發(fā)生多次破壞性地震，保護觀測環(huán)境顯得尤為重要，通過臺基背景噪聲水平監(jiān)控地震觀測環(huán)境，緩解無人值守臺站不能及時監(jiān)控的問題。南京市各臺站的環(huán)境狀況見表2，其中除浦口臺為有人值守的臺站外，其他臺站均為無人值守臺站。

表2 南京市地震臺站統(tǒng)計

(1)溧水觀音寺施工。溧水觀音寺位于南京市溧水區(qū)東蘆山主峰西北側山腰處，距溧水地震臺約500 m。該寺為雞鳴寺下院，是江蘇省和南京市政府批準重點建設的寺廟，2000年開始興建。2017年建設速度加快，開挖山體、修路、主體施工，導致施工期間地震臺基背景噪聲上升。圖3為溧水臺2017年1～12月臺基背景噪聲水平，可以看出1～3月背景噪聲數據較大，通過實地巡檢發(fā)現，1～3月該寺施工建設強度最大，與背景噪聲數據結果吻合。

(2)六合臺體應變施工。六合臺位于南京市六合區(qū)冶山鎮(zhèn)冶山林場內，附近冶山鐵礦已停產，該礦周圍仍偶爾有爆破開采石頭，2017年6月因石子廠等小企業(yè)經常有未經正式許可爆破開挖山體、周邊修高速公路引起臺基背景噪聲有所上升。2017年9月15日至11月5日六合臺鉆孔應變觀測項目在原址附近施工，導致六合臺臺基背景噪聲上升，如圖4所示。表3為鉆孔應變9月15～19日白天鉆孔應變施工和晚上00:00-04:00無干擾下的背景噪聲對比。另外，通過實時觀察臺網中心的地脈動記錄波形，發(fā)現掃描時間為6 s的窗口也難以直觀識別施工干擾，但通過六合臺BHN和BHZ分向的加速度功率譜的概率密度函數分布圖(見圖5)，看到2017年10月1～31日，共740條功率譜結果顯示，存在1個頻率約為10 Hz的干擾源。

表3 六合臺的臺基背景噪聲

圖3 2017年1～12月溧水臺東西向臺基背景噪聲水平

圖4 2017年6～12月六合臺東西向臺基背景噪聲水平

圖5 2017年10月六合臺BHN和BHZ分向的加速度功率譜的概率密度函數分布圖

4.2 監(jiān)控地震觀測系統(tǒng)健康狀態(tài)的應用

地震觀測系統(tǒng)的數據記錄中的階躍、某些瞬態(tài)變化、故障引起的信號失真(記錄中疊加了高頻電流信號等)、通信鏈路短時中斷及特點頻率的環(huán)境干擾等，臺站維護人員通常難以及時發(fā)現。本文中的計算方法對記錄信號的最小分辨率約為0.0122 Hz，可以清晰直觀辨別記錄信號中細微差異(王俊等，2013)。圖6為高淳臺2017年1月5～7日的BHZ分向的加速度功率譜的概率密度函數分布圖，呈斜線形，與正常的噪聲概率密度分布不同，BHE和BHN分向與BHZ類似。圖7為 2017年1月高淳臺部分背景噪聲示意圖，通過對比江寧臺1月5～7日的三分向記錄的連續(xù)波形，三個分向基本一樣，難以直觀發(fā)現BHZ分向的記錄有異常，后經江蘇省地震局儀器維修人員確定為地震計故障。2017年2月更換新CMG-3ESPC-60地震計后，高淳臺噪聲概率密度分布函數恢復正常。

圖6 2017年1月高淳臺BHZ的加速度功率譜的概率密度函數分布圖

圖7 2017年1月高淳臺部分背景噪聲示意圖

2017年6月23日高淳臺工作人員發(fā)現地震計靠擺，標定結果顯示BHE和BHN異常，但通過查看高淳臺的加速度功率譜的概率密度函數分布，發(fā)現2017年6月14～15日BHE和BHZ分向的加速度功率譜的概率密度函數分布圖(見圖8)呈斜線形，與1月份地震計故障相似，表明地震計即將或已經出現故障。2018年2月4日六合臺地震計靠擺，查看六合臺的加速度功率譜的概率密度函數分布，發(fā)現2018年2月3～6日BHE和BHN分向的加速度功率譜的概率密度函數分布圖(見圖9)存在異常，表明地震計即將或已經出現故障，與上述分析結果一致。因此通過對實時記錄的噪聲水平進行監(jiān)控和分析，可以及時監(jiān)控到地震觀測系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

圖8 2017年6月高淳臺BHE和BHN分向的加速度功率譜的概率密度函數分布圖

圖9 2018年2月六合臺BHE和BHN分向的加速度功率譜的概率密度函數分布圖

5 結論

通過對南京市測震臺網臺站背景噪聲水平的計算與分析，可以及時地監(jiān)控地震觀測環(huán)境的變化情況，進一步分析了溧水、六合等臺站觀測環(huán)境的變化及其原因，有效解決了無人值守臺站不能及時監(jiān)控觀測環(huán)境變化的問題。利用實時記錄的背景噪聲水平來監(jiān)控地震觀測系統(tǒng)“健康”狀態(tài)，發(fā)現了高淳臺2次、六合臺1次地震計故障，可以幫助系統(tǒng)維護人員及時地發(fā)現觀測系統(tǒng)中的故障信號，縮短儀器故障的修復時間，確保觀測系統(tǒng)的高效運行。南京測震臺網作為區(qū)域性臺網，所屬臺站均為市屬臺站，承擔南京及其周邊地區(qū)地震速報任務，與省屬臺站相比，專業(yè)水平有差距，通過對臺站背景噪聲水平的分析，可以進一步提高市屬臺的監(jiān)測能力，對動態(tài)了解臺站數據記錄質量、監(jiān)控臺站觀測環(huán)境的變化以及地震觀測系統(tǒng)健康狀態(tài)具有一定的參考意義。