內(nèi)蒙古山洞臺(tái)站背景噪聲特征分析

安 全 趙艷紅 郭延杰 劉永梅

1 內(nèi)蒙古地震臺(tái)，呼和浩特市哲里木路80號(hào)，0100102 呼和浩特地震監(jiān)測中心站，呼和浩特市回民區(qū)，0100103 赤峰地震監(jiān)測中心站，內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市紅山路，024000

地球表面總是存在著微小振動(dòng)，如風(fēng)、寒潮、海浪、交通運(yùn)輸、人類和動(dòng)物活動(dòng)等都會(huì)引起地表微微顫動(dòng)，對(duì)地震觀測造成干擾，這些干擾通常被稱為地震噪聲或環(huán)境背景噪聲[1]。目前，國內(nèi)有很多關(guān)于地震臺(tái)站背景噪聲的相關(guān)研究[2-5]，但尚無僅針對(duì)山洞觀測的甚寬及以上頻帶觀測方式的連續(xù)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行背景噪聲特征的分析。本文選取內(nèi)蒙古測震臺(tái)網(wǎng)西部、中部、東部各一個(gè)山洞觀測的國家臺(tái)站1 a的連續(xù)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行PSD計(jì)算，分析背景噪聲特征，為臺(tái)站勘選、臺(tái)站山洞深度選擇、山洞觀測臺(tái)站儀器選擇及地震波形分析中干擾信息的識(shí)別等提供參考依據(jù)。

1 臺(tái)站基本信息

烏加河地震臺(tái)地處內(nèi)蒙古西部，位于陰山山脈下，色爾騰山山前斷裂帶東西橫跨該地區(qū)；錫林浩特地震臺(tái)地處內(nèi)蒙古中部，位于興蒙造山帶東南部；赤峰地震臺(tái)地處內(nèi)蒙古東部，位于華北克拉通北緣。本文利用這3個(gè)臺(tái)2019-12～2020-11連續(xù)波形觀測數(shù)據(jù)，分析臺(tái)站背景噪聲變化特征，臺(tái)站具體信息見表1。

表1 臺(tái)站信息

2 數(shù)據(jù)和處理方法

較經(jīng)典的定量分析臺(tái)站背景噪聲水平的方法是先計(jì)算背景噪聲PSD，再計(jì)算對(duì)應(yīng)的PDF。該方法在計(jì)算前不需要特意從連續(xù)波形數(shù)據(jù)中剔除塌陷、地震、爆破等突發(fā)事件，而是將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，把所有低概率地震事件包含在PDF中，因此PDF結(jié)果能較好地估計(jì)臺(tái)站背景噪聲水平的變化特性。

2.1 數(shù)據(jù)來源

目前，內(nèi)蒙古區(qū)域共有48個(gè)數(shù)字測震臺(tái)站，其中山洞觀測臺(tái)站20個(gè)，地面臺(tái)站26個(gè)，井下臺(tái)站2個(gè)。文獻(xiàn)[6]通過分析內(nèi)蒙古區(qū)域背景噪聲特征發(fā)現(xiàn)，山洞臺(tái)站基本不受溫度和濕度變化影響。為降低溫度和濕度變化對(duì)噪聲水平的影響，本文從20個(gè)山洞臺(tái)站中選取烏加河(西部)、錫林浩特(中部)、赤峰(東部)3個(gè)臺(tái)2019-12～2020-11連續(xù)波形觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)，將數(shù)據(jù)按季度分為冬季(2019-12～2020-02)、春季(2020-03～05)、夏季(2020-06～08)、秋季(2020-09～11)。3個(gè)臺(tái)站儀器響應(yīng)信息見表2。

表2 臺(tái)站儀器響應(yīng)信息

2.2 數(shù)據(jù)處理

首先將3個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)分為長度為1 h 的數(shù)據(jù)段，并以50%的疊加率分為42個(gè)記錄段，每個(gè)記錄段長度約為160 s；然后對(duì)每段數(shù)據(jù)進(jìn)行去均值和去長周期處理，并計(jì)算每段數(shù)據(jù)的加速度PSD值，取平均值后得到1 h數(shù)據(jù)段的加速度PSD值分布；最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理和PSD值PDF分布計(jì)算。

2.2.1 PSD的計(jì)算

周期時(shí)間序列y(t)的有限范圍傅里葉變換可表示為：

(1)

式中，Tr為時(shí)間序列段長度，f為頻率。

離散頻率值fk的傅里葉變換定義為：

(2)

式中，fk=k/(NΔt)，k=1，2，3，…，N-1，Δt為采樣間隔(0.01 s)，N=Tr/Δt為截取時(shí)間段的采樣點(diǎn)數(shù)。

PSD的定義為：

(3)

將速度PSD值轉(zhuǎn)換為加速度PSD值，即

Pɑ.k(f)=(2πf)2Pk(f)

(4)

扣除儀器傳遞函數(shù)影響以反映真實(shí)的地面運(yùn)動(dòng)噪聲物理量值：

(5)

式中，PSDɑ(f)為真實(shí)地面運(yùn)動(dòng)加速度功率譜。

2.2.2 平滑處理

為了使PSD在頻域?qū)?shù)坐標(biāo)中呈等間隔采樣，采用1/3倍頻積分作平滑處理：

(6)

式中，fι=2-1/6fc為低頻拐角頻率，fh=21/6fc為高頻拐角頻率，n為介于二者之間頻率f的個(gè)數(shù)。由式(6)得到中心頻率fc的PSDɑ(f)平均值PSDɑ(fc)作為fc的PSD值，中心頻率fc以1/9倍頻程為增加步長，即下一個(gè)中心頻率為21/9fc，重新計(jì)算相應(yīng)的fι和fh，然后將新的fι和fh之間的PSD的平均值作為下一個(gè)中心頻率fc的PSD取值。這樣在fc的取值范圍0.01～50 Hz內(nèi)，每個(gè)記錄段的PSD值隨頻率的變化情況可由在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系呈等間隔采樣的中心頻率的PSD值來表示。

2.2.3 PDF的計(jì)算

每個(gè)中心頻率fc的PSD概率密度函數(shù)為：

PPSD(fc)=NPfc/Nfc

(7)

式中，Nfc為fc頻點(diǎn)的記錄段總數(shù)，NPfc為fc頻點(diǎn)的PSD值落在某PSD取值范圍內(nèi)的記錄段個(gè)數(shù)，本文中PSD窗長與步長都取1 dB，變化范圍為-200～-50 dB。然后，以頻率為橫坐標(biāo)、以PSD為縱坐標(biāo)、以PPSD(fc)為色塊繪制三維平面圖，得到功率譜概率密度函數(shù)(PDF)分布圖，不同色塊代表某頻點(diǎn)在一定PSD窗內(nèi)的功率譜概率數(shù)。

3 3個(gè)臺(tái)站背景噪聲特征分析

為便于分析不同頻帶背景噪聲的不同變化特征，將觀測數(shù)據(jù)加速度PSD分析頻段大致分為3段：高頻(≤2 s)、微震(2～20 s)、長周期(≥20 s)，其中微震又分為次級(jí)微震(2～10 s)和主微震(10～20 s)。

3.1 高頻噪聲晝夜變化特征分析

選取附近大型工廠相對(duì)較少的烏加河臺(tái)和錫林浩特臺(tái)2020-01的連續(xù)波形數(shù)據(jù)和烏加河臺(tái)疫情防控前后隨機(jī)24 h的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，計(jì)算NS向最高PDF值對(duì)應(yīng)的高頻段加速度PSD值隨時(shí)間的分布(圖1)。

由圖1(a)和1(b)可看出，烏加河臺(tái)和錫林浩特臺(tái)高頻段NS向PSD值晝夜變化規(guī)律基本一致，同一臺(tái)站夜間噪聲水平低于白天10 dB以上，PSD值的變化與人類作息規(guī)律一致性較高。錫林浩特臺(tái)高頻段整體PSD水平高于烏加河臺(tái)，這是由于錫林浩特臺(tái)離城鎮(zhèn)較近(表1)，人類活動(dòng)頻次和強(qiáng)度比烏加河臺(tái)大。烏加河臺(tái)不同頻段同一時(shí)間噪聲水平接近，而錫林浩特臺(tái)不同頻段同一時(shí)間噪聲水平差異較大。這是因?yàn)殄a林浩特臺(tái)地處人口較密集、交通相對(duì)發(fā)達(dá)的錫林浩特市郊區(qū)，噪聲源多且復(fù)雜，而烏加河臺(tái)地處烏加河鎮(zhèn)，人口密度低，沒有大型工廠，噪聲源單一。2個(gè)臺(tái)站01-22后白天噪聲水平明顯低于其他時(shí)間段白天噪聲水平，其中錫林浩特臺(tái)在1～2 Hz頻段白天PSD水平從01-12開始明顯降低，這是因疫情防控人類活動(dòng)減少及不同干擾源防控時(shí)間點(diǎn)不一導(dǎo)致的。由圖1(c)和1(d)可看出，烏加河臺(tái)疫情防控前白天PSD水平明顯高于夜間，疫情防控后晝夜PSD水平接近，且疫情防控期間白天PSD水平明顯低于疫情防控前白天PSD水平，進(jìn)一步證明疫情防控可降低臺(tái)站高頻段PSD水平。

圖1 烏加河和錫林浩特臺(tái)NS向高頻段加速度PSD隨時(shí)間變化Fig.1 High frequency accelerated PSD varies with time in north-south direction at Wujiahe and Xilinhot stations

3.2 次級(jí)微震噪聲月變特征分析

利用2019-12～2020-11觀測數(shù)據(jù)，按月計(jì)算加速度PSD和相應(yīng)PDF值，統(tǒng)計(jì)次級(jí)微震頻段最高PDF對(duì)應(yīng)的PSD平均值峰值，并繪制PSD峰值月分布圖(圖2，圖中每個(gè)點(diǎn)代表約30 d共720 h的PSD平均值次級(jí)微震頻段峰值)。

由圖2(a)～2(c)可看出，3個(gè)臺(tái)站次級(jí)微震頻段三分向PSD峰值月分布曲線形狀基本一致，且垂直向PSD峰值均大于水平向。說明次級(jí)微震頻段PSD峰值月變化規(guī)律隨區(qū)域變化不大，噪聲源來自自然環(huán)境，且對(duì)垂直向的影響大于水平向。冬季和夏季PSD峰值差異顯著，6、7月PSD峰值水平明顯低于其他時(shí)間段，12、1月則明顯高于其他時(shí)間段，與謝曉峰等[7]的結(jié)論一致。由圖2(d)可看出，3個(gè)臺(tái)站三分向平均PSD峰值水平有一定的差異，結(jié)合表1可知，隨著臺(tái)站離海岸線距離的增大，PSD峰值呈逐漸減小的趨勢，這與王芳等[8]的研究結(jié)論一致。

圖2 次級(jí)微震頻段PSD峰值月分布Fig.2 The monthly distribution of PSD peaks in secondary microseismic frequency bands

3.3 主微震和長周期頻段噪聲季變特征分析

將觀測數(shù)據(jù)分為冬、春、夏、秋4個(gè)部分，分別計(jì)算主微震和長周期頻段最高PDF對(duì)應(yīng)的PSD平均值，并繪制主微震和長周期頻段PSD平均值分布圖(圖3，圖中每條PSD曲線代表約90 d共2 160 h的波形數(shù)據(jù)PSD平均值)。

(a)～(d)分別為錫林浩特臺(tái)冬、春、夏、秋PSD分布；(e)～(h)分別為赤峰臺(tái)冬、春、夏、秋PSD分布；(i)～(l)分別烏加河臺(tái)冬、春、夏、秋PSD分布圖3 主微震和長周期頻段4季PSD分布Fig.3 The PSD distribution of main microseismic andlong-period frequency bands in four seasons

由圖3可看出，3個(gè)臺(tái)站主微震和長周期頻段4季PSD平均值有一定的差異，但在主微震頻段均有1個(gè)峰值頻段(10～20 s)，三分向噪聲水平一致性較高，同一臺(tái)站冬季峰值最高，春、夏、秋季峰值接近，不同臺(tái)站同一季峰值接近，說明主微震段噪聲源來自自然環(huán)境變化，且冬季強(qiáng)度最大。長周期段同一臺(tái)站噪聲水平隨四季變化不大，春、夏季噪聲水平略高于秋、冬季，這可能是由于春、夏季太陽對(duì)地面照射強(qiáng)于秋、冬季，對(duì)地傾斜影響相對(duì)較大導(dǎo)致，與劉旭宙等[9]的研究結(jié)論一致。長周期段水平向噪聲水平均大于垂直向，錫林浩特臺(tái)水平向和垂直向PSD差異最大，且差異隨季節(jié)有一定變化，而赤峰臺(tái)、烏加河臺(tái)水平向和垂直向差異隨季節(jié)基本保持不變，赤峰臺(tái)三分向PSD水平一致性好，不同臺(tái)站同一季節(jié)噪聲水平有一定差異。結(jié)合表1和2可知，這種長周期段噪聲水平高低和差異與山洞深淺沒有直接關(guān)系，主要因不同臺(tái)站不同型號(hào)儀器和同一型號(hào)儀器不同分向低頻自噪聲水平不同、水平向受地傾斜影響大于垂直向[1]及臺(tái)站地震計(jì)保溫效果不同等多種因素作用引起。圖3中所有PSD曲線低頻截止頻段均存在異常尖峰，這是由于在計(jì)算過程中截止頻率外數(shù)據(jù)沒有由式(5)扣除傳遞函數(shù)放大倍數(shù)引起的，對(duì)計(jì)算頻段內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)果沒有影響。

4 結(jié) 語

本文利用內(nèi)蒙古西部、中部、東部各一個(gè)臺(tái)站2019-12～2020-11連續(xù)波形數(shù)據(jù)，應(yīng)用PDF方法分別估計(jì)烏加河臺(tái)、錫林浩特臺(tái)、赤峰臺(tái)背景噪聲水平，得到如下結(jié)論：

1)高頻段背景噪聲晝夜變化特征顯著，區(qū)域性差異較大，疫情防控期間噪聲水平明顯低于其他時(shí)間，噪聲源主要來自人類活動(dòng)。

2)次級(jí)微震頻段背景噪聲水平季節(jié)性變化特征顯著，冬季強(qiáng)、夏季弱；隨著臺(tái)站位置離海岸線距離的增大，PSD峰值呈逐漸減小趨勢，噪聲源來自海洋活動(dòng)，且垂直向受到的影響大于水平向。

3)主微震頻段噪聲在10～20 s均存在峰值，且冬季峰值最強(qiáng)；不同臺(tái)站同一季節(jié)峰值頻段和峰值差異小，三分向噪聲水平一致性高。

4)長周期段噪聲水平四季變化不大，春、夏季略高于秋、冬季，這可能是由于春、夏季太陽對(duì)地面照射強(qiáng)于秋、冬季，對(duì)地傾斜影響相對(duì)較大導(dǎo)致的；水平向噪聲水平大于垂直向，這是因?yàn)樗较蚴艿貎A斜影響大于垂直向；不同山洞臺(tái)站噪聲水平高低和差異與山洞深度沒有直接關(guān)系，主要與不同型號(hào)儀器自噪聲水平不同、水平向受地傾斜影響大于垂直向及臺(tái)站地震計(jì)保溫效果不同等有關(guān)。