流動(dòng)地震觀測(cè)背景噪聲的臺(tái)基響應(yīng)分析

【摘? 要】背景噪聲是影響流動(dòng)地震觀測(cè)質(zhì)量的重要因素之一。本文就不同流動(dòng)臺(tái)基對(duì)于背景噪聲的響應(yīng)進(jìn)行分析，通過不同場(chǎng)地下背景噪聲的特點(diǎn)，分析了不同臺(tái)基對(duì)于噪聲的控制作用，進(jìn)而以多種臺(tái)基與區(qū)域類型下，噪聲與流動(dòng)地震臺(tái)站的運(yùn)行情況進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)化的解決辦法，為地震觀測(cè)的準(zhǔn)確與穩(wěn)定提供參考。

【關(guān)鍵詞】流動(dòng)地震臺(tái)站;噪聲;臺(tái)基處理

引言

在高分辨率深度結(jié)構(gòu)成像方面，大規(guī)模流動(dòng)地震臺(tái)陣已經(jīng)成為其重要的發(fā)展方向，并且對(duì)著電子技術(shù)以及傳感器技術(shù)的成熟與實(shí)際應(yīng)用，使得地震儀向著兼顧性能高與體積小的方向發(fā)展。通過臺(tái)基處理以及對(duì)于地震計(jì)的有效安裝可以改善設(shè)備對(duì)于噪聲的應(yīng)對(duì)能力，進(jìn)而提升流動(dòng)臺(tái)陣對(duì)于觀測(cè)質(zhì)量的有效控制。

1.主要噪聲來源與特征

1.1人為噪聲

公路、鐵路、工廠等形成的噪聲是人為噪聲的主要來源，一般集中于短周期頻段以及高頻頻段，由McNamara等提出的PDFs可以對(duì)于功率頻譜密度在一定長(zhǎng)周期內(nèi)的分布情況進(jìn)行呈現(xiàn)，通過數(shù)據(jù)的整理，可以借助PDFs，對(duì)于噪聲的功率頻譜密度進(jìn)行分析。高頻噪聲是人為噪聲中較為常見的一種，0.05s的高頻噪聲的分布范圍較寬，一般為-145dB到-120dB。并且人為的噪聲一般具有一定的分散性與流動(dòng)性，通過來自不同方向的波的疊加，形成了相對(duì)復(fù)雜并且近似穩(wěn)定的隨機(jī)性噪聲常，在以高頻面波的形式進(jìn)行傳播的過程中，其傳播距離隨著深度遞減。

1.2微震噪聲

通過PDFs的分析可以看出，微震噪聲具有10s到20s以及3s到8s兩個(gè)峰值，傳統(tǒng)學(xué)術(shù)觀念中人為，微震噪聲一般來源于海底或者海岸線與海洋波之間的相互作用而引起的海底壓力擾動(dòng)，因此，其來源于海洋活動(dòng)較為劇烈的海岸線處。微震波一般包含Rayleigh面波、Love面波以及一定量的體波。微震噪聲在全球的地震觀測(cè)臺(tái)站中具有較為穩(wěn)定的存在，會(huì)與海洋的季節(jié)活動(dòng)產(chǎn)生規(guī)律性的變化。

1.3自然噪聲

自然噪聲一般是由于急流、風(fēng)、溫度、地傾斜等引起的，會(huì)產(chǎn)生一定的長(zhǎng)周期噪聲以及高頻噪聲，其中地傾斜會(huì)使重力產(chǎn)生耦合以致水平分量中，進(jìn)而顯著的提升水平噪聲，對(duì)于垂直分量的影響較小，導(dǎo)致同一觀測(cè)臺(tái)在水平分量的長(zhǎng)周期噪聲高于垂直分量，一般超出數(shù)值在20dB到30dB的范圍內(nèi)。影響因素的多樣性，導(dǎo)致自然噪聲的功率譜密度一般較為分散，并且類似與人為噪聲，自然噪聲主要由面波組成，其距離隨著深度同步遞減。

2.不同臺(tái)基深度的降噪處理

2.1YDT與LGT子臺(tái)陣

為保證臺(tái)站的覆蓋以及布設(shè)密度的基本要求，需要將臺(tái)站架設(shè)在人員活動(dòng)較為密集的點(diǎn)位，針對(duì)于較為復(fù)雜的人為噪聲區(qū)域，YDT以及LGT子臺(tái)陣可以形成對(duì)于不同臺(tái)基深度的觀測(cè)對(duì)比。例如：通過以0m、1.5m、2m為深度，進(jìn)行不同臺(tái)基深度的YDT子臺(tái)陣對(duì)于噪聲的觀測(cè)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)存在人為噪聲的功率譜密度高峰的時(shí)段與人類的基本作息類似，一般集中在短周期頻段以及高頻頻段，微震頻段則受到的干擾較小，每個(gè)臺(tái)站隨著深度的提升，其功率頻譜密度逐漸降低，并且2m深度的臺(tái)站比0m的臺(tái)站低，則說明臺(tái)基深度可以有效降低人為噪聲中的短周期頻段以及高頻頻段。此外，LGT臺(tái)站與YDT臺(tái)站類似，都隨著深度的加深而其噪聲的干擾減少。

2.2FST子臺(tái)陣

通過分別設(shè)置不同深度的FST子臺(tái)陣，其設(shè)計(jì)可以有擺墩臺(tái)基與沙子臺(tái)基兩種，通過比較可以發(fā)現(xiàn)：（1）在不同深度的擺墩設(shè)計(jì)的FST臺(tái)陣對(duì)于長(zhǎng)周期頻段以及高頻頻段的功率譜密度均較高;（2）深度較深的FST臺(tái)陣在垂直分量上的長(zhǎng)周期頻段以及高頻頻段低于較淺的，南北分量上則更低;（3）密封性較好的封閉空間同樣能夠達(dá)到良好的降噪效果，其與深坑的效果一致。因此，臺(tái)基深度的加深可以有效降低不同噪聲環(huán)境下，流動(dòng)地震觀測(cè)臺(tái)站的高頻噪聲以及長(zhǎng)周期噪聲，并且2m深臺(tái)基能使垂直分量和水平分量高頻頻段降低約5dB，長(zhǎng)周期頻段降低約10dB，2m的深度為最經(jīng)濟(jì)合理的選擇。

3.多種臺(tái)基類型的比較

為有效的降低長(zhǎng)周期噪聲，需要傾斜等因素在其中的主導(dǎo)性，為此，要通過提升地震計(jì)與地面的耦合來提升臺(tái)基的穩(wěn)定性。例如：沙子臺(tái)基的安裝方法是先在地表鋪設(shè)一層細(xì)沙，然后水平的放置石板于沙子上，再將地震計(jì)安裝在石板上，以此提升臺(tái)基維護(hù)的便捷性，提升臺(tái)基的移動(dòng)能力。在沙子臺(tái)基與擺墩臺(tái)基在南北分量以及垂直分量的對(duì)比中，可以看到，在不同臺(tái)站上，垂直分量基本相同，南北分量上的長(zhǎng)周期頻段，沙子臺(tái)基要比擺墩臺(tái)基高，LCT與FST的擺墩臺(tái)站與沙子臺(tái)站的對(duì)比中，其結(jié)果類似。此外，外界的因素，如大氣壓擾動(dòng)等，會(huì)加深沙子臺(tái)基的不穩(wěn)定性，進(jìn)而造成石板的傾斜，進(jìn)而導(dǎo)致在水平分量上長(zhǎng)周期噪聲的產(chǎn)生。由于流動(dòng)地震觀測(cè)的基本特點(diǎn)，導(dǎo)致地震臺(tái)基通常被架設(shè)與環(huán)境較為惡劣的區(qū)域，為維護(hù)的及時(shí)性與維護(hù)質(zhì)量造成了一定的難度，因此，要依據(jù)環(huán)境進(jìn)行臺(tái)基種類的選擇，以此在保證臺(tái)基對(duì)于噪聲有效控制的同時(shí)，提升臺(tái)基的穩(wěn)定性與后期的維護(hù)性。由以上分析可知，在進(jìn)行沙子臺(tái)基與擺墩臺(tái)基對(duì)于垂直分量的反應(yīng)基本一致，但由于沙子臺(tái)基容易受到不穩(wěn)定因素的干擾，造成沙子臺(tái)基對(duì)于水平分量上的長(zhǎng)周期頻段一般要高于擺墩臺(tái)基5dB左右，因此，在實(shí)際的觀測(cè)時(shí)，推薦使用擺墩臺(tái)基。

4.不同區(qū)域的比較

我國幅員遼闊，地形復(fù)雜，尤其是我國的西部地區(qū)一般為山區(qū)與高原，在實(shí)際的流動(dòng)地震觀測(cè)臺(tái)站的架設(shè)中，時(shí)長(zhǎng)會(huì)遇到山地地形，通過在山區(qū)中不同位置進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)不同位置中臺(tái)站對(duì)于噪聲的控制效果。例如：在國家地震龍祠臺(tái)周圍的LCT子臺(tái)陣，通過對(duì)于其區(qū)域內(nèi)不同子臺(tái)陣的觀測(cè)，可以得出，微震頻段中的垂直與水平分量相差不大，并且由于當(dāng)?shù)貐^(qū)域中人員的活動(dòng)較少，人為噪聲水平較低，但位于山腳下的子臺(tái)站向比于位于祠堂內(nèi)部的子臺(tái)站，其各頻段的數(shù)值均較高，盡管山腳下的子臺(tái)站挖掘了2m的深坑，但由于人為噪聲的影響，其短周期頻段比其他臺(tái)站高出大約20dB，高頻頻段高出約10dB。因此，人為噪聲的影響依然存在。在不同位置的臺(tái)站中，各臺(tái)站的噪聲水平呈現(xiàn)具有一定規(guī)律的變化，對(duì)于垂直分量來說，其長(zhǎng)周期頻段依次從山頂、山腰、山腳、山洞遞減，高頻頻段中以此為山頂、山腰、山洞，呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。不同位置的南北分量變化情況與垂直分量的變化情況基本相同。此外，造成長(zhǎng)周期噪聲以及高頻噪聲的原因一般為山區(qū)內(nèi)部風(fēng)的影響。風(fēng)會(huì)引起山區(qū)內(nèi)的樹木搖擺，進(jìn)而帶動(dòng)地表形成輕微的晃動(dòng)，并且這種晃動(dòng)隨著地市的提升而增強(qiáng)，因此，在進(jìn)行流動(dòng)地震臺(tái)的選址時(shí)，要將風(fēng)力的因素考慮進(jìn)去。

結(jié)論：綜上所述，加大臺(tái)基深度以及優(yōu)化臺(tái)基處理方式的措施，可以提升對(duì)于高頻人為噪聲以及長(zhǎng)周期自然噪聲的應(yīng)對(duì)能力，并且在長(zhǎng)周期頻段，擺墩臺(tái)基的水平分量由于沙子臺(tái)基。在進(jìn)行臺(tái)址的選定時(shí)，要依據(jù)實(shí)際情況對(duì)于臺(tái)站位置、內(nèi)部溫度、空氣流動(dòng)進(jìn)行考量，以此選擇最優(yōu)的臺(tái)站架設(shè)方案，降低噪聲干擾。

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作者簡(jiǎn)介：黎勇（1988.10-），男，河北石家莊人，大專，，助理工程師，研究方向：工程類地震專業(yè)。