寧陜地區(qū)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)基背景噪聲分析

靳源 李君 張佩 柴旭超

摘 ?要：利用IRIS研發(fā)的Ispaq工具，選擇陜西、寧夏兩地臺(tái)網(wǎng)43個(gè)測(cè)震臺(tái)站48H無(wú)震穩(wěn)定的連續(xù)波形記錄，計(jì)算出每個(gè)臺(tái)站的臺(tái)基背景噪聲功率譜，并繪制功率譜密度狀態(tài)曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：各臺(tái)網(wǎng)各臺(tái)站的臺(tái)基噪聲背景優(yōu)勢(shì)頻率具有不同的特征，有明顯差異。在人為噪聲影響較大的1～20Hz頻段內(nèi)，陜西榆林臺(tái)、延安臺(tái)，寧夏鹽池臺(tái)、牛首山臺(tái)、香山臺(tái)、鹽池臺(tái)受影響較大，低值區(qū)出現(xiàn)在陜西安康臺(tái)、商南臺(tái)、商州臺(tái)、寧夏銀川臺(tái)。

關(guān)鍵詞：寧夏;陜西;測(cè)震臺(tái)網(wǎng);數(shù)字臺(tái)站;背景噪聲;功率譜密度

中圖分類號(hào)：P315.78 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）32-0001-07

Abstract： Using the Ispaq tool developed by IRIS， the 48H seismic stable continuous waveform records of 43 seismic stations in Shaanxi and Ningxia provinces are selected， the background noise power spectrum of each station is calculated， and the power spectral density state curve is drawn for statistical analysis. The results show that the dominant frequency of the background noise of each network has different characteristics and obvious differences. In the 1～20Hz frequency band which is greatly affected by man-made noise， Shaanxi's Yulin Station and Yan'an Station， and Ningxia's Yanchi Station， Niushou Mountain Station， Xiangshan Station and Yanchi Station are greatly affected， and the low value areas appear in Shaanxi's Ankang Station， Shangnan Station and Shangzhou Station， as well as Ningxia's Yinchuan Station.

Keywords： Ningxia; Shaanxi; seismograph network; digital station; background noise; power spectral density

引言

本文使用美國(guó)地震學(xué)聯(lián)合研究會(huì)（IRIS）研發(fā)的Mustang服務(wù)中的數(shù)據(jù)質(zhì)量管理（Ispaq）軟件，對(duì)陜西省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)29個(gè)數(shù)字地震臺(tái)、寧夏回族自治區(qū)14個(gè)數(shù)字地震臺(tái)從2018年8月至2019年8月一年的地動(dòng)噪聲功率譜密度值進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)比了不同臺(tái)站的功率密度譜，對(duì)其臺(tái)基背景噪聲特征進(jìn)行了分析。

1 臺(tái)站現(xiàn)狀

陜西省臺(tái)網(wǎng)始建于1953年，在國(guó)家“十五”中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目實(shí)施后，陜西地震建成了包括1個(gè)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中心、31個(gè)測(cè)震臺(tái)站和7個(gè)流動(dòng)測(cè)震臺(tái)站等組成的數(shù)字臺(tái)網(wǎng)（圖1）。其中包含超寬頻帶、甚寬頻帶、頻帶、短周期等多種觀測(cè)儀器，數(shù)據(jù)傳輸采用SDH等方式[1]。

寧夏數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)包含14個(gè)常規(guī)臺(tái)站和1個(gè)臺(tái)網(wǎng)中心。14個(gè)臺(tái)站分別是石嘴山、銀川、陶樂(lè)、靈武、牛首山、鹽池、同心、中衛(wèi)、香山、海原、固原、西吉、徑源和炭山。其中銀川、鹽池和固原屬于國(guó)家基本臺(tái)， 它們既是寧夏地震臺(tái)網(wǎng)子臺(tái)之一， 也是中國(guó)地震局地震臺(tái)網(wǎng)子臺(tái)。14個(gè)臺(tái)站分布在寧夏的銀川、銀北、銀南、固原等地區(qū)，臺(tái)網(wǎng)最大孔徑450km、有7個(gè)為有人值守臺(tái)站。各臺(tái)站與銀川地震臺(tái)網(wǎng)中心的數(shù)據(jù)傳輸主要采用擴(kuò)頻微波、SDH光纜和衛(wèi)星通訊等方式。臺(tái)站所使用的主要儀器設(shè)備是甚寬帶和寬帶地震儀[2]。

2 方法原理

量化臺(tái)站臺(tái)基背景噪聲的標(biāo)準(zhǔn)方法是計(jì)算噪聲功率譜密度（PSD）。計(jì)算平穩(wěn)且隨機(jī)的地震數(shù)據(jù)的PSD最常用的方法有很多種，包括直接傅里葉變換方法[3]、Welch方法[4]、Cooley-Tukey方法[5]等等。在本次研究中所采用的方法是直接法，即通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的有限范圍快速傅里葉變換（FFT）來(lái)計(jì)算PSD，具有較高的計(jì)算效率。

方便我們直觀的與地球低噪聲模型進(jìn)行對(duì)比。

3 資料處理

為了對(duì)寧陜地區(qū)的臺(tái)基背景噪聲特征進(jìn)行分析，使用美國(guó)地震學(xué)研究聯(lián)合會(huì)（IRIS）研發(fā)的Mustang服務(wù)中的數(shù)據(jù)質(zhì)量管理（Ispaq）的軟件。

MUSTANG是IRIS開發(fā)的一種數(shù)據(jù)質(zhì)量綜合保護(hù)系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)是為IRIS DMC操作而打造的，所以具有不可移植性。但是，MUSTANG系統(tǒng)的核心組件，即一套完整的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算器是開源的。因此，雖然MUSTANG系統(tǒng)本身的計(jì)算結(jié)果是存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)web服務(wù)提供給用戶，但I(xiàn)spaq軟件的出現(xiàn)則恰恰是為了用戶可以在本地工作站中計(jì)算這些數(shù)據(jù)指標(biāo)。

Ispaq是一個(gè)基于Python的客戶端，它允許地震數(shù)據(jù)研究者在本地工作站上使用與IRIS MUSTANG數(shù)據(jù)質(zhì)量Web服務(wù)中的許多相同代碼來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算。Ispaq提供了FDSN Web服務(wù)的選項(xiàng)，可直接從支持FDSN協(xié)議的數(shù)據(jù)中心檢索地震數(shù)據(jù)。另外也支持讀取用戶本地的miniseed格式的波形數(shù)據(jù)。這樣的好處就是無(wú)論是FDSN數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)，還是用戶自己的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，用戶都可以根據(jù)自己選擇的數(shù)據(jù)生成即時(shí)度量。

在本次研究中，對(duì)共45個(gè)數(shù)字地震臺(tái)臺(tái)基噪聲加速度功率譜密度值進(jìn)行了計(jì)算，單位為分貝（dB），為了保證盡可能真實(shí)地反映每個(gè)臺(tái)站臺(tái)基噪聲的情況，在選取資料時(shí)，選取了每個(gè)臺(tái)站48H內(nèi)無(wú)地震且干擾不嚴(yán)重的波形，通過(guò)Ispaq軟件的計(jì)算，最終計(jì)算出43個(gè)數(shù)字地震臺(tái)的功率譜值，并繪制出每個(gè)臺(tái)站的臺(tái)基噪聲功率譜密度曲線狀態(tài)圖。

4 噪聲功率譜分析

對(duì)所選資料進(jìn)行處理計(jì)算后，得出陜西、寧夏數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)各子臺(tái)的功率譜，下面將兩地測(cè)震臺(tái)網(wǎng)各子臺(tái)臺(tái)基噪聲功率譜密度曲線形態(tài)分以下幾種情況分析。

4.1 無(wú)異常的臺(tái)站

從安康臺(tái)、漢中臺(tái)、藍(lán)田臺(tái)以及華陰臺(tái)等幾個(gè)臺(tái)站的臺(tái)基背景噪聲功率譜密度曲線圖上能夠明顯的看出，這幾個(gè)臺(tái)的功率譜密度曲線在20Hz～20s這個(gè)頻段內(nèi)非常的貼近地球低噪聲模型（NLNM），因此為無(wú)異常的臺(tái)基背景噪聲功率譜形態(tài)（圖2）。

4.2 異常臺(tái)站

4.2.1 臺(tái)基噪聲大致正常，低頻段噪聲偏高的臺(tái)站

從寧夏的西吉臺(tái)、銀川臺(tái)以及陜西的漢中國(guó)家臺(tái)、華縣臺(tái)的臺(tái)基背景噪聲功率譜密度曲線圖上可以看出，這4個(gè)臺(tái)的臺(tái)基背景噪聲功率譜曲線形態(tài)呈現(xiàn)的是一個(gè)大致正常的狀態(tài)，但是在低頻段噪聲較正常的狀態(tài)更加的偏離低地球噪聲模型（NLNM）（圖3）。

4.2.2 臺(tái)基噪聲大致正常，高頻段噪聲偏高的臺(tái)站

固原臺(tái)、鹽池臺(tái)、牛首山臺(tái)、乾陵臺(tái)、銅川臺(tái)以及臨潼臺(tái)6個(gè)臺(tái)的臺(tái)基背景噪聲功率譜密度曲線圖上可以看到，臺(tái)站的臺(tái)基背景噪聲功率譜密度曲線形態(tài)大致正常，但在20Hz～1s這個(gè)高頻段區(qū)間噪聲明顯，貼近高地球背景噪聲模型（NHNM）（圖4）。

4.2.3 低頻段噪聲高過(guò)高地球背景噪聲模型的臺(tái)站

從寧夏的石嘴山臺(tái)、涇源臺(tái)、同心臺(tái)，陜西的略陽(yáng)臺(tái)的臺(tái)基背景噪聲功率譜密度曲線形態(tài)上可以看出，這幾個(gè)臺(tái)的低頻段噪聲明顯異常，高于高地球背景噪聲模型（NHNM），據(jù)推斷出現(xiàn)該情況有可能是在臺(tái)站附近有固定的噪聲源干擾儀器，但也不排除是臺(tái)站所處的構(gòu)造環(huán)境或者是固定場(chǎng)環(huán)境造成的（圖5）。

通過(guò)對(duì)兩個(gè)地區(qū)的測(cè)震臺(tái)網(wǎng)各臺(tái)基噪聲分析比較（圖6），發(fā)現(xiàn)各臺(tái)網(wǎng)各臺(tái)站的臺(tái)基噪聲背景優(yōu)勢(shì)頻率具有不同的特征，其中陜西省臺(tái)網(wǎng)中，臺(tái)基背景噪聲無(wú)異常的臺(tái)站占全部臺(tái)站的52%，低頻段噪聲高過(guò)高地球背景噪聲模型的臺(tái)站僅占4%，說(shuō)明陜西省臺(tái)網(wǎng)的總體臺(tái)基背景噪聲水平表現(xiàn)的較為優(yōu)秀（圖7）。

而寧夏回族自治區(qū)臺(tái)網(wǎng)的臺(tái)基背景噪聲水平表現(xiàn)相對(duì)較差，本次采用計(jì)算得出的臺(tái)基背景噪聲功率譜密度曲線形態(tài)中，并未有無(wú)異常的臺(tái)站，且低頻段噪聲高過(guò)高地球背景噪聲模型的臺(tái)站占45%（圖7）。

5 背景噪聲分析

寧陜地區(qū)是青藏高原向大陸內(nèi)部發(fā)展的最前緣地區(qū)，北接阿拉善地塊，東接鄂爾多斯盆地。青藏高原長(zhǎng)期受到印度板塊與歐亞板塊的擠壓碰撞作用，導(dǎo)致其從晚新生代開始擁有十分強(qiáng)烈的構(gòu)造變形，逆沖斷層、走滑斷層等遍布整個(gè)東北緣地區(qū)。

陜西省處于青藏高原東北緣的東部，鄂爾多斯盆地的西南部，與寧夏、甘肅相鄰，地勢(shì)南北高，中間低，北部與南部分別為與黃土高原區(qū)及秦巴山區(qū)，海拔較高。中部為關(guān)中平原地區(qū)。陜西臺(tái)網(wǎng)的數(shù)字臺(tái)站主要分布在中南部，其中南部秦巴山區(qū)因遠(yuǎn)離關(guān)中平原，處于欠發(fā)達(dá)地區(qū)，受到環(huán)境噪聲影響較小。其中，安康臺(tái)、商南臺(tái)、商州臺(tái)最低可到-175dB;北部處于黃土高原地區(qū)，受礦產(chǎn)開采等人為原因影響，在1～20Hz頻段為人為噪聲的卓越周期呈現(xiàn)出較高的態(tài)勢(shì)，榆林臺(tái)、延安臺(tái)最高可到-110dB。中部地圖臺(tái)站主要分布在汾渭平原兩側(cè)，大部分臺(tái)站臺(tái)基背景噪聲無(wú)異常，部分臺(tái)站，如乾陵臺(tái)，可能受到乾陵景區(qū)影響;臨潼臺(tái)、銅川臺(tái)離相應(yīng)的城區(qū)較近，人類活動(dòng)對(duì)臺(tái)基背景噪聲的影響更為明顯，都在1～20Hz頻段表現(xiàn)得較差，高到-120dB，西安臺(tái)因?yàn)槲挥谏蕉粗?，因此即便離城市較近，但未表現(xiàn)出異常的臺(tái)基背景噪聲。

寧夏回族自治區(qū)總體來(lái)看處于相對(duì)穩(wěn)定板塊向活動(dòng)板塊過(guò)渡的大地構(gòu)造區(qū)域，傳統(tǒng)上將寧夏劃分為華北板塊西南緣和秦嶺-祁連褶皺活動(dòng)帶兩大構(gòu)造單元（以牛首山-羅山-固原斷裂為界）。其中中部地區(qū)鹽池臺(tái)、牛首山臺(tái)、香山臺(tái)在1～20Hz頻段噪聲變得尤為明顯，鹽池臺(tái)因?yàn)榭拷擎?zhèn)人口密集地區(qū)，最高可到-110dB，牛首山臺(tái)、香山臺(tái)也因?yàn)槿藶榛顒?dòng)可到-120dB。另外西吉臺(tái)，銀川臺(tái)因?yàn)榧茉O(shè)在山洞的原因，受到人為因素干擾較小，最低可達(dá)-170dB。

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)陜西及寧夏兩地?cái)?shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)共43個(gè)測(cè)震臺(tái)站48H內(nèi)無(wú)震且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算了其臺(tái)基噪聲功率譜，并對(duì)其進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到以下結(jié)論：

（1）陜西地區(qū)31個(gè)臺(tái)站分布較不均勻，呈現(xiàn)北少南多的情況，中南部地區(qū)臺(tái)站數(shù)量與質(zhì)量滿足該地區(qū)的地震速報(bào)要求，但北部地區(qū)臺(tái)站分布較少且稀疏，可能對(duì)整個(gè)陜北地區(qū)的地震速報(bào)工作帶來(lái)一定的影響。

（2）寧夏臺(tái)網(wǎng)總體分布均勻，數(shù)量上基本可以滿足寧夏地區(qū)地震速報(bào)需求，但需要提高臺(tái)站儀器質(zhì)量以獲得更高品質(zhì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)用于未來(lái)的地震觀測(cè)。

（3）兩個(gè)地區(qū)都有部分臺(tái)站低頻段噪聲干擾增強(qiáng)，高頻段干擾明顯的情況，功率譜曲線在高地頻段的差異明顯，還需進(jìn)一步調(diào)查臺(tái)站臺(tái)基以及周邊干擾情況。

（4）應(yīng)將臺(tái)站臺(tái)基噪聲分析作為日常工作，充分掌握臺(tái)站情況，時(shí)刻了解臺(tái)站噪聲水平，若臺(tái)站環(huán)境無(wú)異常，可及時(shí)判斷是否為儀器故障，進(jìn)行維修。

（5）及時(shí)分析臺(tái)站臺(tái)基情況，為提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量提供充分的保護(hù)，如有需要，可以對(duì)略陽(yáng)臺(tái)、涇源臺(tái)、石嘴山臺(tái)以及同心臺(tái)進(jìn)行環(huán)境改造。

致謝：本研究使用了美國(guó)地震學(xué)研究聯(lián)合會(huì)（IRIS）研發(fā)的Mustang服務(wù)中的數(shù)據(jù)質(zhì)量管理（Ispaq）的軟件，以及中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)備份中心的連續(xù)波形觀測(cè)數(shù)據(jù)，在此表示感謝

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