測(cè)震井下觀測(cè)壓制背景噪聲特征分析

安 全 包 瑩 劉甜甜 郭延杰

1 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特市哲理木路80號(hào)，010080 2 赤峰地震監(jiān)測(cè)中心站，內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市紅山路，024000

測(cè)震臺(tái)站首要目標(biāo)是為地震研究、地震監(jiān)測(cè)和地震預(yù)警提供高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)，而這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要取決于臺(tái)站觀測(cè)設(shè)備性能和臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境，其中臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境背景噪聲是影響觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素之一。為降低測(cè)震臺(tái)站背景噪聲水平，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)信噪比，在建設(shè)測(cè)震臺(tái)站前通常進(jìn)行臺(tái)址背景噪聲水平測(cè)試，并對(duì)臺(tái)址背景噪聲水平進(jìn)行定量評(píng)估[1]，最終選擇背景噪聲較合理的地區(qū)作為測(cè)震臺(tái)站擬建設(shè)地點(diǎn)。近年來(lái)，隨著城市化建設(shè)的快速推進(jìn)，傳統(tǒng)地表觀測(cè)測(cè)震臺(tái)站背景噪聲水平不斷升高，嚴(yán)重影響了觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。為降低背景噪聲水平，國(guó)內(nèi)地震研究者提出了許多新的思路，如通過(guò)井下觀測(cè)、小波閾值濾波等方法壓制或過(guò)濾高頻背景噪聲[2-6]，或?qū)Φ卣鹩?jì)增加保溫罩壓制低頻背景噪聲等方法，都被廣泛應(yīng)用于測(cè)震臺(tái)站實(shí)際觀測(cè)工作中[7-10]。

測(cè)震臺(tái)站評(píng)估背景噪聲的方法主要包括功率譜密度(PSD)和功率譜概率密度(PDF)方法[11-12]，國(guó)內(nèi)也有很多利用PSD和PDF方法評(píng)估測(cè)震臺(tái)站背景噪聲的相關(guān)研究[13-15]，但大多停留在背景噪聲高頻段，且僅使用了1個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)，樣本較少。本文主要通過(guò)對(duì)比分析赤峰臺(tái)和二連浩特臺(tái)同臺(tái)不同觀測(cè)方式間觀測(cè)數(shù)據(jù)加速度PSD值、相應(yīng)的PDF值及1～20 Hz頻段RMS值的差異特征，研究井下觀測(cè)壓制測(cè)震臺(tái)站背景噪聲特征，為今后井下測(cè)震臺(tái)站的建設(shè)及數(shù)據(jù)應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 臺(tái)站信息

赤峰臺(tái)和二連浩特臺(tái)均屬于國(guó)家測(cè)震臺(tái)，都配備了甚寬頻帶地震計(jì)，主要用于臺(tái)站所在區(qū)域近震和全球遠(yuǎn)震監(jiān)測(cè)，2臺(tái)儀器信息見(jiàn)表1。本文應(yīng)用赤峰臺(tái)2021-12井下和山洞觀測(cè)及二連浩特臺(tái)2021-04井下和地表觀測(cè)連續(xù)1個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算加速度PSD值和相應(yīng)的PDF值及1～20 Hz頻段RMS值，研究井下觀測(cè)壓制背景噪聲的特征。

表1 臺(tái)站信息

2 數(shù)據(jù)處理

本文主要通過(guò)以下幾個(gè)步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，詳細(xì)計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。

1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。首先收集赤峰臺(tái)井下和山洞觀測(cè)、二連浩特臺(tái)井下和地表觀測(cè)各1個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)分為小時(shí)段(采樣率100/s)，再將1 h數(shù)據(jù)段以50%重疊率分為42個(gè)記錄段，每個(gè)記錄段長(zhǎng)度約為160 s。

2)數(shù)據(jù)預(yù)處理。利用去均值方法對(duì)每條記錄段數(shù)據(jù)進(jìn)行去長(zhǎng)周期和去均值處理，以減少長(zhǎng)周期對(duì)PSD估計(jì)的偏差，其余異常、地震等信息均保留在數(shù)據(jù)段中；每條記錄段數(shù)據(jù)扣除儀器響應(yīng)靈敏度，使其還原為地震動(dòng)速度值。

3)加速度PSD計(jì)算。預(yù)處理后的記錄段數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換，得到以頻率為自變量的速度PSD值，再將速度PSD值變換至加速度PSD值。為便于與全球高噪聲新模型(NHNM)及低噪聲新模型(NLNM)進(jìn)行對(duì)比分析，最終將加速度PSD值以dB為單位表示。

4)平滑處理。得到的加速度PSD值采用1/3倍頻程平滑處理，使加速度PSD值在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上均勻分布。

5)PDF值計(jì)算。重復(fù)步驟1)～4)，得到每小時(shí)加速度PSD均值分布；依次得到2個(gè)臺(tái)站選取數(shù)據(jù)段PSD均值分布。以-200～-50 dB變化范圍、1 dB步長(zhǎng)計(jì)算加速度PSD值及相應(yīng)PDF值；然后，以頻率為橫坐標(biāo)、PSD為縱坐標(biāo)、色塊顏色深淺繪制二維平面圖，得到PDF分布結(jié)果，不同色塊代表某頻點(diǎn)在一定PSD窗內(nèi)功率譜概率數(shù)。

6)背景噪聲速度均方根(RMS)值計(jì)算。在計(jì)算速度PSD值的基礎(chǔ)上根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的式(7)，調(diào)用速度PSD值計(jì)算1～20 Hz頻段三分向RMS均值。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 1～20 Hz頻段加速度PSD值分析

為分析井下觀測(cè)壓制高頻背景噪聲特征，分別計(jì)算了赤峰臺(tái)井下和山洞觀測(cè)垂直向及二連浩特臺(tái)井下和地表觀測(cè)南北向各1個(gè)月觀測(cè)數(shù)據(jù)中1～20 Hz頻段PSD平均值，并以X坐標(biāo)代表時(shí)間、Y坐標(biāo)代表頻率、Z坐標(biāo)代表最大PDF對(duì)應(yīng)PSD平均值，繪制PSD值時(shí)頻分布圖，以研究1～20 Hz頻段加速度PSD特征，具體見(jiàn)圖1。

圖1 1～20 Hz頻段加速度PSD值時(shí)變化分布Fig.1 The variation of accelerated PSD at 1—20 Hz frequency band

由圖1可看出，赤峰臺(tái)2～20 Hz頻段和二連浩特臺(tái)1～20 Hz頻段PSD值有較規(guī)律的高低變化特性，這與人類(lèi)晝夜活動(dòng)變化規(guī)律特性基本一致；由圖1(a)和1(b)可看出，赤峰臺(tái)井下觀測(cè)數(shù)據(jù)垂直向2～20 Hz頻段PSD值明顯低于山洞觀測(cè)，說(shuō)明在2～20 Hz頻段井下觀測(cè)壓制背景噪聲效果顯著，尤其在9～20 Hz頻段井下觀測(cè)壓制背景噪聲效果突出；由圖1(c)和1(d)可看出，二連浩特臺(tái)井下觀測(cè)PSD值明顯低于地表觀測(cè)，再次說(shuō)明在2～20 Hz頻段井下觀測(cè)壓制背景噪聲效果較突出，8～20 Hz頻段壓制效果最好。

3.2 1～20 Hz頻段RMS值特征分析

除使用PSD值來(lái)表示地震背景噪聲水平外，RMS值也是評(píng)估背景噪聲水平的方式之一[1]。為分析井下觀測(cè)壓制高頻背景噪聲效果，計(jì)算赤峰臺(tái)和二連浩特臺(tái)各1個(gè)月觀測(cè)數(shù)據(jù)三分向1～20 Hz頻段每天24 h的RMS平均值，并取三分向平均值，繪制RMS隨日變化分布，具體見(jiàn)圖2。

圖2 1～20 Hz頻段三分向RMS平均值日變化分布Fig.2 The RMS daily variation of three-channel at 1-20 Hz frequency band

由圖2(a)可看出，赤峰臺(tái)井下和山洞觀測(cè)數(shù)據(jù)1～20 Hz頻段三分向RMS平均值日變化均在0.5 dB以內(nèi)，說(shuō)明該臺(tái)噪聲源較為穩(wěn)定；赤峰臺(tái)井下觀測(cè)相比于該臺(tái)地表觀測(cè)數(shù)據(jù)RMS平均值低4 dB左右，說(shuō)明在1～20 Hz頻段井下觀測(cè)有效壓制了該臺(tái)背景噪聲。由圖2(b)可看出，二連浩特臺(tái)井下和地表觀測(cè)數(shù)據(jù)1～20 Hz頻段三分向RMS平均值日變化有一定升高趨勢(shì)，變化率在2.5 dB左右，井下觀測(cè)相比于地表觀測(cè)數(shù)據(jù)RMS平均值低2 dB左右，說(shuō)明井下觀測(cè)有效壓制了該臺(tái)1～20 Hz頻段背景噪聲。由圖2可看出，赤峰臺(tái)井下觀測(cè)壓制1～20 Hz頻段背景噪聲的幅度大于二連浩特臺(tái)井下觀測(cè)，根據(jù)表1可知，這可能與赤峰臺(tái)井下地震計(jì)安裝深度深于二連浩特臺(tái)有關(guān)。

3.3 加速度PSD概率密度函數(shù)分析

圖3和4為赤峰臺(tái)和二連浩特臺(tái)1個(gè)月觀測(cè)數(shù)據(jù)加速度PSD概率密度函數(shù)(PDF)分布，圖中青色實(shí)線NHNM和NLNM分別表示全球高噪聲新模型和低噪聲新模型[10]，黑色實(shí)線(AVG)表示最大PDF對(duì)應(yīng)PSD平均值，紅色虛線MAX和MIN分別表示最大和最小PSD值，黃色實(shí)線分別表示PDF為10%與90%的PSD值。為更直觀地分析，將數(shù)據(jù)分成90～25 s、25 s～2 Hz、2～40 Hz三頻段，并對(duì)比分析井下和其他觀測(cè)數(shù)據(jù)各頻段加速度PSD概率密度函數(shù)分布的差異。

圖3 赤峰臺(tái)加速度PSD概率密度函數(shù)分布Fig.3 Probability density function distribution of acceleration PSD of Chifeng seismic station

對(duì)比圖3(a)和3(d)、圖4(a)和4(d)可看出，在低于25 s頻段，赤峰臺(tái)井下觀測(cè)最大PDF對(duì)應(yīng)PSD值(黑實(shí)線)低于該臺(tái)山洞觀測(cè)10 dB左右，二連浩特臺(tái)井下觀測(cè)最大PDF對(duì)應(yīng)PSD值相比該臺(tái)地表觀測(cè)低5 dB左右，說(shuō)明在低于25 s頻段井下觀測(cè)有一定的壓制背景噪聲特征。對(duì)比圖3(b)和3(e)、圖4(b)和4(e)可看出，在25～16 s頻段，井下臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)最大PDF對(duì)應(yīng)PSD值略低于山洞及地表臺(tái)，在16 s～2 Hz頻段同一臺(tái)站不同觀測(cè)方式觀測(cè)數(shù)據(jù)最大PDF對(duì)應(yīng)PSD值一致性較高，說(shuō)明在16 s～2 Hz頻段井下觀測(cè)不能壓制背景噪聲，地震工作者也可利用此特性，通過(guò)計(jì)算同臺(tái)井下和地表觀測(cè)數(shù)據(jù)與該頻段背景噪聲的相關(guān)性，檢測(cè)井下地震計(jì)方位角[16]。對(duì)比圖3(c)和3(f)、圖4(c)和4(f)可看出，在大于2 Hz頻段，同一臺(tái)站井下觀測(cè)方式最大PDF對(duì)應(yīng)的PSD值明顯低于該臺(tái)站其他(山洞、地表)觀測(cè)方式，說(shuō)明井下觀測(cè)在大于2 Hz頻段壓制背景噪聲效果顯著。

圖4 二連浩特加速度PSD概率密度函數(shù)分布Fig.4 Probability density function distribution of acceleration PSD of Erenhot seismic station

由圖3和4可看出，赤峰臺(tái)和二連浩特臺(tái)井下觀測(cè)背景噪聲動(dòng)態(tài)范圍比山洞及地表觀測(cè)小幾個(gè)dB到幾十個(gè)dB，說(shuō)明井下觀測(cè)相對(duì)于地表和山洞觀測(cè)有縮小背景噪聲動(dòng)態(tài)范圍的作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用赤峰臺(tái)井下和山洞觀測(cè)及二連浩特臺(tái)井下和地表觀測(cè)測(cè)震數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算其加速度PSD值和相應(yīng)的PDF值及1～20 Hz頻段RMS值，分析了井下觀測(cè)壓制背景噪聲的特征，得到如下結(jié)論：

1)在大于2 Hz頻段，井下觀測(cè)相比于山洞和地表觀測(cè)壓制背景噪聲效果顯著，尤其在大于9 Hz頻段壓制背景噪聲效果突出，井下觀測(cè)壓制高頻背景噪聲效果與地震計(jì)安裝深度有關(guān)，安裝深度越深壓制效果越好；

2)在16 s～2 Hz頻段，井下、山洞、地表觀測(cè)測(cè)震臺(tái)站背景噪聲水平一致性較高，在該頻段井下觀測(cè)不能壓制背景噪聲；

3)在低于16 s頻段，井下觀測(cè)相比于山洞和地表觀測(cè)有一定的壓制背景噪聲效果；

4)井下觀測(cè)相比于地表和山洞觀測(cè)有縮小背景噪聲動(dòng)態(tài)范圍的作用。

本文研究結(jié)果對(duì)于背景噪聲水平較高的地表及山洞臺(tái)站的重建、數(shù)據(jù)質(zhì)量提高和利用井下觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行地震分析及地震研究等有一定的參考意義。