米蘭河水庫(kù)對(duì)若羌測(cè)震臺(tái)臺(tái)基噪聲的影響分析①

鄧明文， 段紹鑫， 劉青山， 張小飛， 李?yuàn)檴?/p>

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局庫(kù)爾勒地震臺(tái), 新疆 庫(kù)爾勒 841200)

受各種因素(如風(fēng)、潮汐、海浪、交通運(yùn)輸、人和動(dòng)物的活動(dòng)等)影響，地球表面總是存在微小的顫動(dòng)，它們對(duì)地震觀測(cè)造成干擾進(jìn)而影響地震觀測(cè)的質(zhì)量，通常稱這些干擾為地噪聲或環(huán)境背景噪聲[1]。無(wú)論技術(shù)手段如何提高，都無(wú)法避免它被地震儀器記錄到。因此，研究測(cè)震臺(tái)臺(tái)基噪聲特征隨時(shí)間變化規(guī)律對(duì)提高觀測(cè)質(zhì)量至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)背景噪聲方面均有研究，早在1993年，USGS發(fā)布了全球75個(gè)地震臺(tái)站的正常地球背景噪聲功率譜分析結(jié)果，繪制地球高噪聲模型(NHNM)和地球低噪聲模型(NLNM)，即通常所稱的Peterson模型[2-3]。楊千里等[4]利用Welch平均周期法對(duì)和田臺(tái)陣的噪聲樣本進(jìn)行功率譜分析,獲得的噪聲功率譜密度隨季節(jié)變化顯著,具有周期性，受采石場(chǎng)影響譜密度曲線在4～8 Hz出現(xiàn)高頻尖刺。何思源等[5]利用成都地震臺(tái)測(cè)震資料得出成都地震臺(tái)背景噪聲2～4 Hz為固有干擾的結(jié)論；背景噪聲水平于2011～2012年陡增并達(dá)到峰值，其變化主要由地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和臺(tái)站周邊城市擴(kuò)建引起。劉洋君等[6]利用臺(tái)基位移噪聲分析灘坑水庫(kù)的地震監(jiān)測(cè)能力，獲得水庫(kù)周邊的地震監(jiān)測(cè)震級(jí)下限。若羌測(cè)震臺(tái)東南方向的米蘭河水庫(kù)大壩于2011年4月開(kāi)工建設(shè)，2014年8月30日順利截流，2015年12月10日正式下閘蓄水，在2017年竣工并投入使用，最大壩高83 m，正常庫(kù)水位高程1 445 m，總庫(kù)容4 128萬(wàn)m3。本文中采用平均周期法(Welch算法)，對(duì)2009～2019年若羌測(cè)震記錄到的波形數(shù)據(jù)計(jì)算，得到若羌測(cè)震臺(tái)背景噪聲隨時(shí)間的變化特征，進(jìn)一步分析米蘭河水庫(kù)施工建設(shè)對(duì)其的影響，獲得的認(rèn)識(shí)對(duì)人類(lèi)建設(shè)施工活動(dòng)和蓄水水庫(kù)對(duì)地震臺(tái)噪聲背景的影響有一定意義，為以后勘選臺(tái)站避免相關(guān)影響具有實(shí)際意義[7-10]。

1 臺(tái)站概況

若羌測(cè)震臺(tái)距若羌縣城東側(cè)60 km，位于阿爾金山褶皺山系與塔里木盆地的交匯處，大地構(gòu)造上屬于青藏亞板塊阿爾金強(qiáng)烈隆起區(qū)北緣，北部為塔里木凹陷沉積區(qū)，南部為元古代地層及巖漿巖組成的中高山區(qū)。臺(tái)址附近發(fā)育江尕勒薩依斷裂帶(為阿爾金斷裂帶北部的分支斷裂)，構(gòu)造線總體走向北東。臺(tái)基巖性為元古代灰綠、灰褐色變質(zhì)泥巖、砂巖。巖石發(fā)育多組節(jié)理與片理，巖石破碎，完整性較差，山洞進(jìn)深22 m。投入使用經(jīng)臺(tái)基噪聲水平測(cè)試結(jié)果顯示，為Ⅰ級(jí)環(huán)境地噪聲水平。2009年以來(lái)臺(tái)站儀器架設(shè)情況見(jiàn)表1。

2 研究方法

2.1 計(jì)算臺(tái)基噪聲功率譜密度

采用Welch平均周期法對(duì)噪聲進(jìn)行功率譜估計(jì)[11-12]，即把一長(zhǎng)度為N的數(shù)據(jù)分成L段(允許每段數(shù)據(jù)重疊部分)，每一段長(zhǎng)度為M，分別求取每段功率譜，然后進(jìn)行平均，每段數(shù)據(jù)使用漢寧窗口，改善了由于矩形窗邊瓣較大產(chǎn)生的譜失真。離散信號(hào)x(n)的功率譜密度，

(1)

式中，U為歸一化因子，d(n)是漢寧窗口,Δf為尼奎斯特頻率。

這幾段的平均功率譜，

(2)

2.2 NHNM和NHLM

Peterson收集全球8個(gè)臺(tái)網(wǎng)中的75個(gè)地震臺(tái)站記錄到的12 000條噪聲記錄，并從中篩選出2 000條平靜時(shí)段的噪聲記錄，計(jì)算其相應(yīng)的PSD，得出全球新高噪聲模型(new high noise model，簡(jiǎn)寫(xiě)為NHNM)和全球新低噪聲模型(new low noise model,簡(jiǎn)寫(xiě)為NLNM)。該模型成為評(píng)估臺(tái)站噪聲水平的重要參考依據(jù)，并廣泛應(yīng)用于臺(tái)站的噪聲水平對(duì)比分析。

2.3 數(shù)據(jù)選取和處理

為了能夠獲取背景噪聲水平數(shù)據(jù)，從每隔3天的24 h文件中選取無(wú)震且相對(duì)平靜的4個(gè)1 h波形數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)斷記和干擾較大等情況出現(xiàn)，則往后順延一天，以此類(lèi)推，共收集到4 898個(gè)波形數(shù)據(jù)。計(jì)算數(shù)字地震儀的背景噪聲功率譜密度，共計(jì)算獲得三分向的14 694條PSD曲線，總結(jié)2009～2019年若羌測(cè)震臺(tái)背景噪聲水平變化特征。

3 背景噪聲特征分析

3.1 背景噪聲年變特征

為更好獲取臺(tái)基噪聲的年變特征，按月為單位，將每月計(jì)算的臺(tái)基噪聲有效值(RMS)進(jìn)行平均，再以年為尺度進(jìn)行對(duì)比分析，繪制若羌臺(tái)1～20 Hz頻段垂直向臺(tái)基噪聲有效值變化趨勢(shì)圖(圖1)，圖中缺數(shù)部分為2015年7月～2016年3月，原因是更換地震計(jì)BBVS-60。米蘭河水庫(kù)施工建設(shè)期間的年平均背景噪聲有效值高于其他時(shí)間段數(shù)倍至數(shù)十倍，其中2015年達(dá)到最大值，這是由于施工期間人類(lèi)活動(dòng)和機(jī)械作業(yè)造成的。剔除米蘭河水庫(kù)建設(shè)的影響時(shí)段，若羌臺(tái)垂直向臺(tái)基噪聲有效值變化由2009年0.66×10-8m/s增加到2019年3.53×10-8m/s，整體呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì)，主要由頻繁的人類(lèi)活動(dòng)干擾引發(fā)。將2009～2011年、2017～2019年的數(shù)據(jù)按月平均臺(tái)基噪聲有效值，繪制若羌臺(tái)垂直向臺(tái)基噪聲有效值年變時(shí)序圖(圖2)。2009～2011年整體噪聲水平低于2017～2019年，前時(shí)段年變平順，而后時(shí)段有明顯的季節(jié)性。在3～5月和9～10月的噪聲水平要高于其他月份，冬季的噪聲水平最低，主要原因是上述的高值時(shí)段屬于氣溫變化明顯的時(shí)段，引起山體溫差變化劇烈，造成山體微弱傾斜，進(jìn)一步影響噪聲水平。冬季的溫差變化不明顯，噪聲水平平穩(wěn)。

圖1 2009～2019年若羌臺(tái)垂直向臺(tái)基噪聲有效值變化趨勢(shì)圖

圖2 若羌臺(tái)垂直向臺(tái)基噪聲有效值年變時(shí)序圖

3.2 自然因素引起的噪聲變化

氣壓、氣溫和風(fēng)等因素對(duì)臺(tái)基噪聲水平影響的頻段為長(zhǎng)周期頻段，若羌臺(tái)的洞室位于山體南面，長(zhǎng)周期受自然因素影響表現(xiàn)明顯。這是由于氣壓不均勻和溫度的熱膨脹效應(yīng)，造成山體的微弱傾斜。圖3中選取受自然因素影響明顯的兩個(gè)時(shí)段做噪聲功率譜對(duì)比，圖3a和圖3b中在長(zhǎng)周期頻段三分向較為接近，波形數(shù)據(jù)無(wú)明顯的波動(dòng)；圖3c和圖3d中水平向的噪聲明顯高于垂直向，甚至部分頻段已經(jīng)超出了地球高噪聲模型，水平向波形數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度較大。這是由于山體的傾斜，重力耦合到水平方向，對(duì)水平向的影響要大于垂直向。微震頻段0.125～1 Hz的噪聲水平是受海浪作用產(chǎn)生。圖3a和圖3c在該頻段上的噪聲具有一致性，均表現(xiàn)為變化平緩，無(wú)明顯起伏，接近地球低噪聲模型，同時(shí)水平向的噪聲水平要優(yōu)于垂直向。因?yàn)槿羟寂_(tái)地處內(nèi)陸地區(qū)，遠(yuǎn)離海洋，在微震頻段表現(xiàn)不明顯。

圖3 自然因素噪聲功率譜對(duì)比圖

3.3 水庫(kù)施工建設(shè)引起的噪聲變化

選取水庫(kù)施工期間的2012年12月15日爆破波形數(shù)據(jù)以及正常運(yùn)行2014年7月28日的波形數(shù)據(jù)，做功率譜計(jì)算。7～13時(shí)和15～20時(shí)屬于水庫(kù)施工時(shí)間段，其他時(shí)間段為休息時(shí)間段。從施工時(shí)間段功率譜上來(lái)看，在2～10 Hz頻段內(nèi)，施工期間噪聲水平高于圖5b中平靜時(shí)間段，2.5 和3.5 Hz附近出現(xiàn)高頻峰值，這是人類(lèi)活動(dòng)引起的主要頻段。若羌臺(tái)同時(shí)也記錄到大量的水庫(kù)建設(shè)施工爆破波形數(shù)據(jù)圖(圖4d)，爆破事件持續(xù)約9 s，S波衰減極快。從其功率譜圖上來(lái)看，主要影響是在短周期上，在4～20 Hz高頻段有明顯的起伏波動(dòng)，這是由于地表爆破能量釋放時(shí)間短，距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)較近引起的。

圖4 水庫(kù)施工和爆破功率譜對(duì)比圖

收集水庫(kù)施工建設(shè)完成前后的兩個(gè)時(shí)段2009年1月26日4時(shí)和2018年2月27日5時(shí)。從圖5功率譜對(duì)比圖來(lái)看，長(zhǎng)周期頻段和微震頻段PSD起伏形態(tài)相近，各分向相差不大。兩個(gè)時(shí)段高頻拐點(diǎn)有所不同，2009年的高頻拐點(diǎn)在8 Hz，2018年的高頻拐點(diǎn)在10.5 Hz，米蘭河水庫(kù)投入運(yùn)營(yíng)后，頻繁的人類(lèi)活動(dòng)使得背景噪聲高頻段范圍增大，出現(xiàn)高頻拐點(diǎn)“右遷移”的現(xiàn)象。在3～10 Hz頻段，2018年噪聲水平高于2009年，尤其在10 Hz出現(xiàn)噪聲峰值。

圖5 水庫(kù)建設(shè)完成前后功率譜對(duì)比圖

對(duì)2009年以來(lái)10 Hz進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)米蘭河水庫(kù)施工建設(shè)期間，10 Hz頻段噪聲水平與2009年同處在-144 dB左右。之后在2017年1、2月該頻段急劇升高，達(dá)到-112 dB，隨后降低到-120 dB趨于穩(wěn)定(圖6)。2015年7月～2016年若羌臺(tái)架設(shè)BBVS60地震計(jì)，并統(tǒng)計(jì)了10 Hz的噪聲水平。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施工期間，CTS-1和BBVS60兩套儀器在10 Hz頻段均處于較低水平，接近NLNM，表明該頻段的出現(xiàn)與地震計(jì)無(wú)直接聯(lián)系。上述噪聲異常時(shí)段為水庫(kù)投入運(yùn)營(yíng)并網(wǎng)發(fā)電時(shí)段，因此，10 Hz頻段的噪聲與水庫(kù)建設(shè)施工無(wú)關(guān)，是水庫(kù)建設(shè)完成后形成的固有頻段，對(duì)監(jiān)測(cè)水庫(kù)周邊的高頻信號(hào)異常帶來(lái)一定的影響。

圖6 若羌臺(tái)垂直向10 Hz背景噪聲趨勢(shì)圖

4 結(jié) 語(yǔ)

人類(lèi)活動(dòng)頻繁增加，若羌臺(tái)背景噪聲水平由2009年0.66×10-8m/s增加到2019年3.53×10-8m/s，接近Ⅰ級(jí)環(huán)境地噪聲水平上限。米蘭河水庫(kù)施工建設(shè)期間造成若羌臺(tái)觀測(cè)質(zhì)量下降，主要影響頻段為2～10 Hz，極大的影響了該臺(tái)的地震監(jiān)測(cè)能力。通過(guò)對(duì)10 Hz的噪聲分析，表明該頻段是水庫(kù)投入運(yùn)營(yíng)后形成的，與施工期間無(wú)關(guān)聯(lián)性，且是持續(xù)存在的固有頻段，可能與水庫(kù)發(fā)電機(jī)組有關(guān)。米蘭河水庫(kù)的建設(shè)有利于當(dāng)?shù)氐乃Y源合理利用，兼顧工業(yè)水量發(fā)電、旅游等方面效益。對(duì)于若羌測(cè)震臺(tái)的地震監(jiān)測(cè)能力影響是雙重的，一方面能夠?yàn)楸O(jiān)測(cè)因水庫(kù)帶來(lái)的微震提供了有力的數(shù)據(jù)支持，另一方面影響臺(tái)站的監(jiān)測(cè)能力。在今后更長(zhǎng)一段時(shí)間里，受米蘭河水庫(kù)4 128萬(wàn)m3庫(kù)容量重力影響，周邊將產(chǎn)生微弱的地表形變，進(jìn)而影響若羌臺(tái)的臺(tái)基環(huán)境，這是合理提高觀測(cè)質(zhì)量，保護(hù)地震觀測(cè)環(huán)境所要考慮的問(wèn)題。