陶樂地震臺地表與井下地震計記錄波形對比研究

唐 浩 李鴻庭 白曉川 馬 瑞

1 寧夏回族自治區(qū)地震局，銀川市北京東路244號，750001

臺站的背景噪聲是影響地震觀測質(zhì)量的重要因素之一。為盡可能排除背景噪聲的影響，提高觀測信噪比，從上世紀70年代開始，許多國家先后開展了井下地震觀測研究，井深從數(shù)百米逐步發(fā)展到1 km，甚至達到4 km以下，并建立了深井長期觀測站[1]。我國井下地震觀測研究最初是通過對井下短周期儀器的研制和實驗觀測進行的，井深一般在200～480 m[2]。實驗證明，在沉積層較厚的平原地區(qū)，深井短周期觀測可有效降低背景噪聲，提高觀測系統(tǒng)的信噪比，獲得更多微弱的地球物理信息[3]。

目前，已有的研究大多是對臺站背景噪聲模型開展不同周期范圍內(nèi)噪聲特征的分析，而針對地表與井下噪聲水平的定量化對比研究較少。本文通過在臺站地表架設不同型號的地震計，與井下地震計進行同步觀測，研究井下與地表臺站觀測背景噪聲的異同。通過計算背景噪聲功率譜密度，對比井下與地表觀測儀器記錄背景噪聲的基本特征，分析不同類型地震計記錄地震波形的異同及背景噪聲與觀測臺基深度、儀器類型之間的關系，為臺站觀測技術系統(tǒng)的升級改造和建設提供依據(jù)。

1 觀測條件及儀器參數(shù)

陶樂地震臺地處寧夏中北部的平羅縣陶樂鎮(zhèn)，為井下短周期觀測臺站，觀測井口位于臺站觀測室外，套管外徑146 mm、內(nèi)徑136 mm，井口套管高出地面約30 cm。井口坐標為38.80°N、106.69°E，海拔為1 101.6 m，觀測井深度300 m，地震計安裝深度為243 m。2018-12井下地震計更換為GL-S2B井下短周期地震計，數(shù)據(jù)采集器為3通道EDAS-24GN，儀器采用卡壁式底座安裝，井傾斜度小于2°。臺站地表架設地震計型號為BBVS-60寬頻帶和GL-PS2一體化短周期地震儀，寬頻帶地震計連接數(shù)采為3通道EDAS-24GN；GL-PS2一體化地震儀為24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。3種型號地震計的主要參數(shù)如表1所示。

表1 3種地震計的主要參數(shù)

2020-06-25～07-09在陶樂臺觀測室儀器墩上架設BBVS-60寬頻帶地震計和GL-PS2短周期地震儀，與井下GL-S2B短周期地震計同步觀測運行15 d。

2 背景噪聲對比分析

臺站背景噪聲水平與儀器自噪聲、環(huán)境噪聲等有著密切關系。圖1為3種型號地震計在2020-07-02 01:00～02:00記錄的三分向原始時域波形。

從圖1可以看出，地表寬頻帶地震計和短周期地震儀記錄的背景噪聲波形形態(tài)和變化幅度具有較高的相似性，記錄到的外部干擾信息較多。與地表地震計相比，井下地震計記錄的背景噪聲波形形態(tài)也較一致，但振幅明顯減小，說明井下觀測可有效降低來自地表的各種干擾信息的影響。

圖1 原始時域波形(01:00～02:00)Fig.1 Original time domain waveform at 01:00 to 02:00

圖2為3種型號地震計2020-07-02 14:00～15:00記錄的三分向原始時域波形。對比圖1和2可以發(fā)現(xiàn)，14:00～15:00的背景噪聲明顯高于01:00～02:00，且振幅明顯增大，干擾頻次明顯增多，說明夜間背景噪聲小于白天的背景噪聲。

圖2 原始時域波形(14:00～15:00)Fig.2 Original time domain waveform at 14:00 to 15:00

為進一步分析不同類型地震計在不同時段記錄的背景噪聲特性，對背景噪聲進行定量分析。背景噪聲功率譜密度(PSD)是定量描述臺站背景噪聲的重要參數(shù)，在臺站背景噪聲水平評價中有廣泛應用[4]。本文選取2020-07-01～07-03連續(xù)72 h數(shù)據(jù)(該時段沒有地震發(fā)生)為樣本，對3種型號地震計記錄的數(shù)據(jù)進行噪聲PSD計算，得到3種型號地震計背景噪聲PSD曲線及1～20 Hz頻段各倍頻程帶寬的RMS平均值(單位m/s)。圖3為3種型號地震計的PSD曲線。

為對背景噪聲特征進行定量分析，有學者提出全球地震背景噪聲模型，包括新低噪聲模型(NLNM)與新高噪聲模型(NHNM)[5-6]。由圖3可以看出，地表寬頻帶地震計在5～9 Hz頻段出現(xiàn)峰值，且EW、NS分向的峰值高于NHNM；地表短周期地震儀在4～9 Hz頻段出現(xiàn)峰值，且EW、UD分向峰值高于NHNM；而井下短周期地震計在2～4 Hz頻段出現(xiàn)峰值，且EW分向峰值高于NHNM。3種型號地震計記錄的噪聲在0.1～50 Hz頻段PSD曲線變化的定量化描述如表2所示。

圖3 3種型號地震計記錄的噪聲PSD曲線Fig.3 PSD curves of noise recorded by three types of seismometers

表2 3種型號地震計記錄噪聲PSD曲線變化的定量化描述

通過對比3種型號地震計的背景噪聲PSD曲線發(fā)現(xiàn)，井下地震計記錄的噪聲低于地表地震計，在4～50 Hz頻段尤其明顯。從PSD計算結果來看，井下地震計在4～10 Hz頻段降噪最為明顯，比地表地震計噪聲低約30 dB；而在10～50 Hz頻段，比地表地震計噪聲低約20 dB。

為進一步分析臺站背景噪聲的日變特性，將3種型號地震計三分向1～20 Hz頻段倍頻程帶寬的RMS平均值繪制在同一坐標系內(nèi)進行比較，結果如圖4所示。

圖4 3種型號地震計三分向1～20 Hz頻段平均RMS值變化曲線Fig.4 Variation curve of average RMS value of three types of seismometers in 1-20 Hz frequency band

從圖4可以看出，地表寬頻帶地震計與短周期地震儀的三分向RMS值在變化形態(tài)上具有很好的時域同步特征，地表寬頻帶地震計記錄的噪聲RMS值比短周期地震儀記錄的噪聲RMS值高約3.7%，這與地震計的自噪聲有關。

對比井下地震計與地表地震計記錄的三分向噪聲RMS值發(fā)現(xiàn)，地表地震計EW和NS分向噪聲的RMS值是井下地震計相應分向的25倍左右，UD分向噪聲的RMS值是井下地震計UD分向的10倍左右。根據(jù)《GB/T19531.1-2004地震臺站臺基噪聲評估標準》，若井下臺噪聲評價為Ⅲ類臺基，則地表臺為Ⅳ類臺基，井下觀測方式可有效降低臺站地表觀測的背景噪聲，從而提高臺站的地震監(jiān)測能力。

從3種型號地震計三分向在1～20 Hz頻段內(nèi)RMS平均值變化曲線可以看出，臺站背景噪聲具有清晰的日變規(guī)律，23:00至次日06:00背景噪聲值較小，06:00～23:00背景噪聲值較大；06:00以后噪聲越來越大，19:00以后噪聲越來越小。背景噪聲變化與人類活動規(guī)律非常吻合，說明人類活動是距離鬧市較近臺站背景噪聲的主要來源。

3 記錄地震事件對比分析

在觀測運行期間，3種型號地震計記錄到6次典型地震。本文以2020-06-29內(nèi)蒙古阿拉善左旗ML3.1地震為例，對3種型號地震計記錄的近震波形進行對比分析。從圖5可以看出，3種型號地震計記錄的近震波形十分清晰，震相易于識別。經(jīng)過數(shù)據(jù)相關性分析[7]發(fā)現(xiàn)，地表架設寬頻帶地震計與短周期地震儀記錄的波形高度相關，相關系數(shù)達0.95以上；井下地震計與地表地震計記錄的波形相關性較低，相關系數(shù)僅為0.2左右。

為進一步分析，對3種型號地震計記錄的地震波形進行震源譜分析，圖6為各地震計三分向地震波頻譜。從圖6可以看出，記錄的近震波能量主要集中在2～15 Hz范圍內(nèi)，3種型號地震計記錄的地震波均在3～6 Hz頻段出現(xiàn)第1個峰值，地表地震計在9～12 Hz頻段出現(xiàn)第2個峰值，井下地震計則在6～8 Hz頻段出現(xiàn)第2個峰值。3種型號地震計記錄的近震震源譜變化趨勢較為相似，通過與地震發(fā)生時段平穩(wěn)期的噪聲水平對比發(fā)現(xiàn)，地表地震計記錄的近震在7～12 Hz頻段受干擾較為嚴重。

圖5 近震原始波形Fig.5 Original waveform of near earthquake

圖6 地震波頻譜Fig.6 Seismic wave spectrum

選取2020-06-26新疆于田MS6.8地震對3種型號地震計記錄的遠震波形進行對比分析。圖7為3種型號地震計記錄的遠震原始波形，可以看出，地表寬頻帶地震計與井下短周期地震計對遠震的記錄較為清晰，震相也易識別，但地表短周期地震儀對遠震的記錄較差，波形嚴重失真，震相不易識別。對原始地震波形進行相關性分析發(fā)現(xiàn)，地表寬頻帶地震計與短周期地震儀的遠震波形相關系數(shù)為0.3左右，井下短周期地震計與地表寬頻帶地震計的遠震波形相關系數(shù)為0.4左右，井下短周期地震計與地表短周期地震儀的遠震波形相關系數(shù)為0.2左右。顯然，地表寬頻帶地震計和井下短周期地震計對遠震的記錄較好。

圖7 遠震原始波形Fig.7 Original waveform of teleseismic

圖8為3種型號地震計記錄的于田MS6.8遠震頻譜曲線，可以看出，遠震波能量主要分布在0.01～1 Hz范圍內(nèi)，而地表地震計和井下地震計在5～7 Hz頻帶出現(xiàn)2次峰值，10～12 Hz頻帶出現(xiàn)3次峰值，但峰值依次衰減。通過與地震發(fā)生時段平穩(wěn)期的噪聲水平進行對比發(fā)現(xiàn)，與井下地震計相比，地表地震計對于遠震的干擾信號主要在4～7 Hz范圍，其來源仍是周邊地面的人類活動。

圖8 遠震頻譜Fig.8 Teleseismic spectrum

4 結 語

分析發(fā)現(xiàn)，臺站背景噪聲具有明顯的日變規(guī)律，采用井下觀測可有效減少人類活動對臺站背景噪聲的影響。對比3種不同型號地震計的記錄數(shù)據(jù)，分析計算臺站背景噪聲功率譜密度發(fā)現(xiàn)，地表地震計的背景噪聲在4～50 Hz頻段明顯高于井下地震計，在4～10 Hz頻段最為明顯，井下地震計降噪達30 dB左右，而在10～50 Hz頻段，降噪大約在20 dB左右。

在近震記錄中，3種型號地震計的地震波形在形態(tài)上具有較好的一致性，波形振幅與相位存在較好的相似性，震相辨識不會有太大困擾。而在遠震記錄中，地表寬頻帶地震計與井下短周期地震計的記錄較為清晰，震相也易識別；而地表短周期地震儀記錄的波形存在較大噪聲干擾，波形振幅和相位不清晰，震相難以辨識。與井下地震計相比，地表地震計記錄的近震波形在7～12 Hz頻段受干擾較嚴重，而遠震波形在4～7 Hz頻段受干擾較嚴重，因此在進行波形震相分析時需區(qū)別對待和處理。