山東數(shù)字測(cè)震臺(tái)站臺(tái)基背景噪聲分析

王 良 王杰民 李 鉑 吳 雙 李小晗

（中國(guó)濟(jì)南 250014 山東省地震局）

0 引言

2004年山東測(cè)震臺(tái)網(wǎng)開始建設(shè)，于2007年通過(guò)驗(yàn)收并投入使用，其包括1個(gè)臺(tái)網(wǎng)中心和40個(gè)參評(píng)測(cè)震臺(tái)。數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)大大提高了山東省地震監(jiān)測(cè)能力，推動(dòng)了地震儀器由模擬到數(shù)字的改革，將數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程通訊、數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)及傳輸?shù)痊F(xiàn)代化技術(shù)手段融合在一起，優(yōu)化并提高了分析處理地震事件的效率和質(zhì)量。但是，1個(gè)臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)能力不僅取決于臺(tái)網(wǎng)儀器的性能，還取決于各子臺(tái)環(huán)境地噪聲水平。因此，在臺(tái)址選取時(shí)要計(jì)算臺(tái)基噪聲功率譜密度，并根據(jù)GB/T19531.1—2004《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求》（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2004）對(duì)臺(tái)站的環(huán)境背景噪聲進(jìn)行評(píng)級(jí)。對(duì)于運(yùn)行中的臺(tái)站，要定期測(cè)定臺(tái)基背景噪聲，通過(guò)累計(jì)的歷史噪聲數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境的變化，以便及時(shí)了解各子臺(tái)地震監(jiān)測(cè)能力的變化，并作出相應(yīng)的調(diào)整。本文通過(guò)計(jì)算山東地震臺(tái)網(wǎng)各子臺(tái)的臺(tái)基噪聲水平，分析了各區(qū)域子臺(tái)噪聲等級(jí)不同的原因，對(duì)各類臺(tái)基和設(shè)備進(jìn)行直觀評(píng)價(jià)，旨在為測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的正常運(yùn)行提供參考實(shí)據(jù)。

1 子臺(tái)概況及新變更臺(tái)站

山東數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)由1個(gè)臺(tái)網(wǎng)中心和40個(gè)參評(píng)測(cè)震臺(tái)組成，其中，4個(gè)為國(guó)家數(shù)字測(cè)震臺(tái)，36個(gè)為區(qū)域數(shù)字測(cè)震臺(tái)，覆蓋范圍涵蓋了山東全部16地市，2020年新增棲霞臺(tái)、平邑臺(tái)、巴山臺(tái)等3個(gè)區(qū)域地震臺(tái)站參加國(guó)家區(qū)域測(cè)震臺(tái)網(wǎng)評(píng)比工作，原東營(yíng)地震臺(tái)、臨朐地震臺(tái)、濟(jì)陽(yáng)地震臺(tái)因深井?dāng)[損壞、難以維護(hù)等原因不再參與全國(guó)評(píng)比。此次參評(píng)臺(tái)站的更換，保證了山東省參評(píng)臺(tái)站的運(yùn)行率，提高了山東測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的地震監(jiān)測(cè)水平。

圖1 山東省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)參評(píng)臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of appraised seismic stations in the Shandong Digital Seismic Network

山東數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)40個(gè)子臺(tái)中，有34個(gè)為地面基巖臺(tái)基（花崗巖、砂頁(yè)巖、灰?guī)r），主要采用北京港震儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的BBVS-60/120寬頻帶地震計(jì)；6個(gè)位于松散沉積土質(zhì)地區(qū)，配備FSS-2B/GL-S2B短周期井下地震計(jì)，數(shù)據(jù)采集器主要采用港震公司生產(chǎn)的EDAS-24GN/24IP數(shù)據(jù)采集器。臺(tái)站信號(hào)及數(shù)據(jù)主要通過(guò)光纖或3G/4G網(wǎng)卡連通的路由器傳輸至山東省地震局測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中心進(jìn)行相應(yīng)的分析處理。

2 資料選取

雖然山東各子臺(tái)站均符合相關(guān)技術(shù)要求，但為保證長(zhǎng)年的觀測(cè)質(zhì)量，仍需每年4月、10月2次對(duì)山東測(cè)震臺(tái)網(wǎng)全部參評(píng)臺(tái)站進(jìn)行臺(tái)基背景噪聲的測(cè)算，隨機(jī)從每個(gè)臺(tái)站選取 1 h無(wú)震、無(wú)重大干擾的波形數(shù)據(jù)，計(jì)算背景噪聲均方根RMS值、有效測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍和噪聲功率概率密度譜，并進(jìn)行臺(tái)基分類及噪聲概率密度譜分析。本文通過(guò)選取山東測(cè)震臺(tái)網(wǎng)40個(gè)子臺(tái)剔除地震等重大干擾后的波形數(shù)據(jù)，對(duì)各臺(tái)站臺(tái)基噪聲水平進(jìn)行分析，利用Welch方法計(jì)算噪聲功率譜密度（PSD），進(jìn)而計(jì)算地震臺(tái)臺(tái)基1—20 Hz頻段地動(dòng)噪聲均方根值（RMS）和有效動(dòng)態(tài)觀測(cè)范圍，依照GB/T19531.1—2004《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求》（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2004）對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，以判斷各臺(tái)站是否符合觀測(cè)要求。

3 臺(tái)基背景噪聲計(jì)算

3.1 有效動(dòng)態(tài)觀測(cè)范圍

數(shù)字地震計(jì)所直接記錄的數(shù)據(jù)是counts值，在實(shí)際計(jì)算中，需要將此電壓值轉(zhuǎn)化為地動(dòng)速度（單位：m/s）。可根據(jù)下式進(jìn)行轉(zhuǎn)換

其中，v為地動(dòng)速度，單位：m/s；N為實(shí)際記錄電流值，單位：counts；UF為數(shù)采模擬輸入的滿幅電壓值，單位：V；R為儀器分辨率，單位：counts；S為地震計(jì)工作靈敏度，單位：V·s/m；G為數(shù)采的實(shí)際工作增益。

實(shí)際使用1—20 Hz頻段地動(dòng)噪聲均方根值（RMS）來(lái)衡量各子臺(tái)臺(tái)基背景噪聲水平。計(jì)算公式如下

式中，Ui為實(shí)際測(cè)量某點(diǎn)速度值，單位：m/s；v為速度均值，單位：m/s；n為實(shí)際測(cè)量的點(diǎn)數(shù)。

臺(tái)站的有效動(dòng)態(tài)觀測(cè)范圍，在觀測(cè)儀器自身性能不變的情況下，反映了臺(tái)基環(huán)境背景噪聲水平，有效動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍計(jì)算公式為

3.2 臺(tái)基噪聲功率譜密度

功率譜表示隨機(jī)信號(hào)的頻率成分以及各成分的相對(duì)強(qiáng)弱，功率譜估計(jì)就是基于有限長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算功率譜。功率譜估計(jì)有周期圖法、自相關(guān)法和參數(shù)模型法。在地震觀測(cè)臺(tái)站臺(tái)基噪聲功率譜密度估計(jì)中，通常使用Welch方法，該方法實(shí)際為改進(jìn)的周期圖法。Welch方法首先將輸入數(shù)據(jù)分段，對(duì)每一數(shù)據(jù)段應(yīng)用窗函數(shù)加權(quán)，計(jì)算周期圖，對(duì)分段周期圖進(jìn)行平均得到功率譜。臺(tái)基噪聲功率譜一般轉(zhuǎn)換為加速度功率譜表示。繪圖時(shí)需將速度功率譜，經(jīng)傳遞函數(shù)校正后轉(zhuǎn)化為加速度功率譜，并繪制NLNM（地球低噪聲新模型）、NHNM（地球高噪聲新模型）曲線作為參考。

通過(guò)選取并計(jì)算2021年4月山東各子臺(tái)無(wú)地震波形事件的無(wú)明顯干擾的1 h數(shù)據(jù)，并計(jì)算其1—20 Hz的RMS值后，將所得結(jié)果與2020年計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，繪制出山東測(cè)震臺(tái)網(wǎng)各子臺(tái)的噪聲等級(jí)分布圖（圖2）。根據(jù)臺(tái)基地動(dòng)噪聲分類標(biāo)準(zhǔn)GB/T19531.1—2004《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求》（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2004），按1—20 Hz觀測(cè)頻段（表1），將山東測(cè)震臺(tái)網(wǎng)40個(gè)參評(píng)測(cè)震臺(tái)站的臺(tái)基地動(dòng)噪聲水平劃分為5類：Ⅰ類臺(tái)基噪聲水平為 Enl＜3.16×10-8m/s，有長(zhǎng)島地震臺(tái)、萊陽(yáng)地震臺(tái)、龍口地震臺(tái)、梁山地震臺(tái)、棲霞地震臺(tái)、榮成地震臺(tái)、乳山地震臺(tái)、郯城地震臺(tái)、泰安地震臺(tái)、鄒城地震臺(tái)；Ⅱ類臺(tái)基噪聲水平為3.16×10-8m/s≤Enl＜1.00×10-7m/s，有安丘地震臺(tái)、北隍城地震臺(tái)、朝連島地震臺(tái)、蒼山地震臺(tái)、海陽(yáng)地震臺(tái)、嘉祥地震臺(tái)、莒縣地震臺(tái)、臨沭地震臺(tái)、萊州地震臺(tái)、牛嵐地震臺(tái)、平邑地震臺(tái)地震臺(tái)、日照地震臺(tái)、商河地震臺(tái)、濰坊地震臺(tái)、威海地震臺(tái)、五蓮地震臺(tái)、新泰地震臺(tái)、沂水地震臺(tái)、煙臺(tái)地震臺(tái)、諸城地震臺(tái)、周村地震臺(tái)；Ⅲ類臺(tái)基噪聲水平為1.00×10-7m/s≤Enl＜3.16×10-7m/s，有成武地震臺(tái)、獨(dú)山島地震臺(tái)、德州地震臺(tái)、監(jiān)測(cè)中心臺(tái)、莒南地震臺(tái)、文登地震臺(tái)；Ⅳ類臺(tái)基噪聲水平為3.16×10-7m/s≤Enl＜1.00×10-6m/s，有大山地震臺(tái)、聊城地震臺(tái)、青島地震臺(tái)；Ⅴ類臺(tái)基噪聲水平為1.00×10-6m/s≤Enl＜3.16×10-6m/s。

表1 山東省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)字地震臺(tái)1—20 Hz范圍內(nèi)RMS值和觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍Table1 RMS values and dynamic observational dynamic ranges in the frequency band ofwithin 1-20 Hz of digital seismic stations of the Shandong Seismic Network

圖2 山東測(cè)震臺(tái)網(wǎng)參評(píng)臺(tái)站臺(tái)基噪聲水平Fig.2 Three-dimensional schematic diagram of the background noise level of Shandong Seismic Network

圖3為山東省地質(zhì)圖。由圖2、圖3可見，不同臺(tái)站臺(tái)基噪聲水平具有不同特征，部分臺(tái)站，如大山地震臺(tái)(DSH)，地貌為玄武巖（屬于質(zhì)地較軟的火山巖），噪聲水平相對(duì)較高；在魯西北及魯西南地區(qū)，因地質(zhì)構(gòu)造為平原土質(zhì)層，故使用深井?dāng)[，如德州地震臺(tái)(DZH)、聊城地震臺(tái)(LCH)、成武地震臺(tái)(CHW)，臺(tái)基噪聲也較大；在魯中及魯東沿海地區(qū)，地貌多為較硬的基巖，故多采用普通擺，這也能保證較低的臺(tái)基噪聲水平。此外，莒南地震臺(tái)(JUN)噪聲較大是附近施工干擾所致；青島地震臺(tái)(QID)、監(jiān)測(cè)中心臺(tái)(JCZ)所處地帶為鬧市區(qū)且靠近馬路，人類活動(dòng)頻繁；文登地震臺(tái)(WED)附近有1個(gè)水庫(kù)，故噪聲較大。圖4列舉了較有代表性的莒南地震臺(tái)（JUN）、大山地震臺(tái)（DSH）、德州地震臺(tái)（DZH）、青島地震臺(tái)（QID）的PSD（噪聲功率譜密度）圖，以便直觀展示不同干擾因素下噪聲水平的變化。

圖3 山東省地質(zhì)圖（改自張永清等，2019）Fig.3 Geological map of Shandong Province (changed from Zhang et al,2019)

圖4 山東測(cè)震臺(tái)網(wǎng)噪聲功率譜密度示例（a）莒南地震臺(tái)（BBVS-60測(cè)定）；（b）大山地震臺(tái)（BBVS-60測(cè)定）；（c）德州地震臺(tái)（FSS-3DBH測(cè)定）；（d）青島地震臺(tái)（CTS-1測(cè)定）Fig.4 Examples of background noise power spectral density curves of Shandong Seismic Network

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)山東數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)參評(píng)地震臺(tái)站背景噪聲的計(jì)算和分析，得到背景噪聲均方根RMS值、有效測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，再按照噪聲水平進(jìn)行分類，分析各臺(tái)站噪聲功率概率密度譜的概率事件與臺(tái)站背景噪聲間的關(guān)系，得到以下結(jié)論。

（1）按照地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求，山東數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)40個(gè)參評(píng)臺(tái)站中的大多數(shù)臺(tái)站達(dá)到Ⅱ類臺(tái)及以上標(biāo)準(zhǔn)，這些臺(tái)站臺(tái)基噪聲水平較低，有效測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍較大，可滿足地震觀測(cè)的需求，組成了一張有效的地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

（2）山東測(cè)震臺(tái)網(wǎng)不同參評(píng)臺(tái)站臺(tái)基噪聲水平具有不同特征，有部分臺(tái)站，如莒南地震臺(tái)、監(jiān)測(cè)中心臺(tái)，地貌為花崗巖，噪聲水平相對(duì)較高；德州地震臺(tái)、聊城地震臺(tái)、成武地震臺(tái)，為深井?dāng)[臺(tái)站，臺(tái)基噪聲水平普遍較大，這與一般選擇沉積層厚、噪聲較大的平原區(qū)建設(shè)井下臺(tái)站有關(guān)；此外，文登地震臺(tái)附近有1個(gè)總庫(kù)容2.8億m2的水庫(kù)，存在干擾；由于青島地震臺(tái)建成時(shí)間較早，目前臺(tái)站位于鬧市區(qū)且臨近馬路，土層較松散，因而噪聲水平較高。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析不同臺(tái)站背景噪聲水平較低的原因，可以掌握臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境的變化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改正臺(tái)站運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題：①對(duì)于地震觀測(cè)設(shè)備問(wèn)題，可及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修更換；②對(duì)于環(huán)境變化問(wèn)題，若為人為因素（施工、改造等）所致，爭(zhēng)取盡快協(xié)調(diào)處理，若為影響較大且短期無(wú)法解決的自然因素所致，有條件時(shí)可申請(qǐng)變更重要觀測(cè)臺(tái)站，以保證良好的地震觀測(cè)環(huán)境，為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作提供有力支撐。