基于地震和重力觀測的深地超寬頻帶背景噪聲初探

孫和平,陳曉東*,危自根,張苗苗,張賡,倪四道,儲日升,徐建橋,崔小明,邢樂林

1 中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院,大地測量與地球動力學國家重點實驗室,武漢 430077 2 中國科學院大學,北京 100049

0 引言

深地探測對認識地球內(nèi)部結構及演變規(guī)律、資源勘查和地質(zhì)災害預警具有重大價值和深遠意義,已成為地球科學發(fā)展的前沿科學之一（董樹文等,2010,2012）.目前各國已實施了一系列地球深部探測計劃,建立了埋深上千米的大陸科學鉆井和深地實驗室,例如美國圣安德列斯斷裂深部觀測站SAFOD（2000～2500 m）、我國大陸科學鉆井松科二井（7018 m）、意大利Gran Sasso（1400 m）和我國錦屏（2400 m）深地實驗室（陳和生,2010；程建平等,2011；謝和平等,2017,2021；賀永勝等,2018；劉嘉麒等,2022）.這些深地實驗室、科學鉆探井及深部礦區(qū)為巖石力學、地球物理學、地震監(jiān)測、暗物質(zhì)探測等相關研究提供了得天獨厚的“超靜”和“超凈”實驗條件.

在地震學中,地震儀除了記錄各種目標源激發(fā)的信號外,還記錄了大量的其他信號,統(tǒng)稱為背景噪聲.在實際觀測中,也不可避免地受到來自儀器本身和臺站周圍環(huán)境的噪聲影響（Widmer-Schnidrig,2003）.背景噪聲直接關系著臺站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和微弱信號檢測能力,因此如何對其準確評估并有效降低其對信號提取的影響一直以來是地學工作者研究中的關鍵所在（Peterson,1993；Banka and Crossley,1999；Berger et al.,2004；McNamara and Boaz,2006；吳建平等,2012）.鑒于深部地下具有“超靜”和“超凈”的特點,早在19世紀30年代,美國就開展了以改善遠震P波信噪比的井下地震觀測實驗（馮德益和范廣偉,1986）,我國自1987年以來也開始進行了深井地震觀測.研究表明,相較于地表觀測,深井觀測能有效降低噪聲水平、比地表觀測提高一兩個數(shù)量級的觀測精度,成為沉積層厚的城市及周邊地震監(jiān)測的有效手段（郭德順等,2014；謝和平等,2021；陳闖等,2022）.

類似于地震儀,重力儀也記錄了豐富的背景噪聲信息,又由于其記錄了從常規(guī)體波到自由振蕩及固體潮更寬頻帶的數(shù)據(jù),從而可彌補常規(guī)地震儀在長周期頻段（周期大于100 s）響應不足的缺陷（許厚澤和孫和平,1998；曾祥方,2012）.考慮到“超靜”環(huán)境對重力觀測的重要影響,國際上部分重力臺站已經(jīng)布設在深部地下實驗室或礦井中,例如日本Kamioka地下實驗室（1000 m）、法國LSBB地下實驗室（500 m）相繼開展了包括超導重力儀在內(nèi)的多種重力設備對比觀測,觀測結果也證明了深部地下環(huán)境具有比地表更低的背景噪聲水平（Rosat et al.,2018）.

地球深內(nèi)部動力學過程的微弱信號觀測是深部地球物理研究的科學前沿問題之一（陳和生,2010）,也是研究的難點問題.地球自由振蕩是地震激發(fā)的沿地球表面和半徑方向無限個駐波的疊加,其簡正振型參數(shù)的精確估計,對于地球深部結構研究和震源參數(shù)反演具有十分重要的意義（Gilbert and Dziewonski,1975；Dziewonski and Anderson,1981；Lentas et al.,2014；Jagt and Deuss,2021）.但由于大氣、能量衰減和環(huán)境噪聲等因素的影響,地球自由振蕩所有振型完全準確檢測是一項十分困難的工作（Resovsky and Ritzwoller,1998；Park et al.,2005；Rosat et al.,2005；Deuss et al.,2013）.但是深部“超靜”環(huán)境下的地震和重力觀測技術有望為檢測這一深內(nèi)部動力學現(xiàn)象提供非常有效的觀測技術手段.

目前我國正依托淮南煤礦廢棄礦井轉(zhuǎn)型籌建淮南深地實驗室（HDUL,如圖1）,該實驗室地處郯廬斷裂帶西側(cè),是涉及地層結構、沉積古地理、巖漿活動、成礦作用和地震活動等的復雜構造區(qū)域（徐嘉煒和馬國鋒,1992；朱光等,2004；張岳橋和董樹文,2008）,對開展地球科學相關研究具有重要先行探索意義.本研究聯(lián)合在HDUL進行的寬頻帶地震儀與重力儀觀測資料,獲得實驗場地表與地下（-848 m）超寬頻帶（0.0001～50 Hz）的背景噪聲水平,并以地球自由振蕩檢測為應用實例來探討深部地下環(huán)境的優(yōu)越性,以期為淮南深地實驗室的后續(xù)建設和相關地學研究提供重要觀測依據(jù).

圖1 淮南深地實驗室（HDUL）位置示意圖Fig.1 Sketch map of the position of the HDUL

圖2 地表（黑）和地下（紅）地震儀記錄的三分量背景噪聲原始波形（a,b,c）和振幅譜（d,e,f）.Fig.2 Three-component ambient noises at the surface （black） and the underground （red） recorded with the seismometer Original waveform （a,b,c） and amplitude spectra （d,e,f）.

圖3 地表（黑）和地下（紅）地震儀記錄的三分量遠震地震原始波形（a,b,c）和振幅譜（d,e,f）.Fig.3 Three-component distant earthquake at the surface （black） and the underground （red） recorded with the seismometer Original waveform （a,b,c） and amplitude spectra （d,e,f）.

圖4 地表（a）和地下（b）重力儀標定后的觀測數(shù)據(jù)時間序列Fig.4 The calibrated data time series of the gravimeter at the surface （a） and the underground （b）

圖5 地表和地下地震儀記錄的三個分量的概率密度函數(shù)（PDF）灰線為全球噪聲模型（Peterson,1993）.Fig.5 Three-component PDF at the surface and the underground recorded with the seismometer The gray lines are the global noise model （Peterson,1993）.

圖6 地表（a）和地下（b）重力儀觀測記錄的概率密度函數(shù)（PDF）灰線為全球噪聲模型（Peterson,1993）.Fig.6 The PDF at the surface （a） and the underground （b） recorded with the gravimeter The gray lines are the global noise model （Peterson,1993）.

圖7 地表和地下觀測記錄的最大概率功率譜（0.01 Hz處已擬合）藍色實線和黑色實線分別代表地表和地下最大概率功率譜,其中0.01 Hz以下為重力儀結果,0.01 Hz以上為地震儀結果,灰線為全球噪聲模型（Peterson,1993）.Fig.7 The maximum probability PSD at the surface and the underground （fitting is adopted at frequency 0.01 Hz） The blue and black solid lines are maximum probability PSD at the surface and the underground,and those with frequency smaller than 0.01 Hz are from the gravimeter,and those with frequency larger than 0.01 Hz are from the seismometer.The gray lines are the global noise model （Peterson,1993）.

圖8 地表和地下地震儀震后歸一化功率譜密度藍色和綠色豎虛線分別表示1066A地球模型自由振蕩理論本征頻率和正常譜峰分裂理論頻率.Fig.8 The normalized PSD at the surface and the underground with the seismometer after earthquake The blue and green vertical dashed lines are respectively theoretical eigenfrequencies of normal modes and their splitting singlets computed with the 1066A earth model.

1 淮南深地實驗室超寬頻帶背景噪聲分析

1.1 所用觀測儀器和數(shù)據(jù)

1.1.1 地震儀觀測數(shù)據(jù)

地表和地下地震儀的型號相同,為英國Guralp公司研發(fā)的便攜式一體化地震儀CMG-3ESPCDE,其帶寬為60 s～50 Hz,采樣率為100 Hz.地下和地表地震計共同觀測時間為2020年1月19日到3月2日,記錄了44天連續(xù)數(shù)據(jù).地表地震計采用GPS授時，井下地震計采用儀器內(nèi)部晶振授時，平均每天比GPS授時慢約12 s.基于地震計頻帶特征,研究選取了地下和地表在2020年1月19日00—24時24 h的無明顯天然地震的原始地震數(shù)據(jù)（圖2）,以及發(fā)生在2020年1月28日震中距為126°的MW7.7地震數(shù)據(jù)（圖3）,在100 s～50 Hz內(nèi)對比分析其波形特征和振幅譜.研究截取數(shù)據(jù)長度遠大于井下與地表地震計授時差異，信號波形和振幅譜分析受到時間不確定性的影響非常小，可忽略.從時間域圖上可以看出,地表地震計記錄到的噪聲信息更加豐富,整體振幅比地下地震計大,毛刺更多（圖2a,b,c）；地表地震計記錄到的地震波形也顯示出比地下地震計波形更多的噪聲毛刺（圖3a,b,c）.對原始波形數(shù)據(jù)進行傅里葉變換,得到該時間段的100 s～50 Hz地動噪聲振幅譜.結果表明,對噪聲和地震記錄,地表記錄振幅譜幅值整體高于地下記錄振幅譜,尤其是在大于1 Hz的高頻部分（圖2d,e,f）；對地震事件,大致以20 Hz為界,地表記錄振幅譜幅值低頻上整體高于地下記錄振幅譜,但在高頻上卻低于地下記錄振幅譜（圖3d,e,f）.

1.1.2 重力儀觀測數(shù)據(jù)

考慮到常規(guī)地震儀在長周期頻段（周期大于100 s）響應不足,實驗在淮南地表和地下分別開展了連續(xù)重力潮汐觀測來研究長周期頻段的背景噪聲情況.考慮到儀器數(shù)量有限（僅1臺）,地表和地下未能實現(xiàn)同步重力觀測,均采用拉科斯特-隆貝格潮汐型（LaCoste-Romberg Earth Tides,LCR-ET20）重力儀,其觀測精度可達0.0001 mGal,儀器漂移約 0.06 mGal/month,采樣率為1 Hz（Clarkson and Lacoste,1956；孫和平等,2002）.地表觀測時間為 2021年1月4日到2021年3月16日,地下觀測時間為 2021年 4 月15日到 2021年 6月28日,均約 70 天觀測數(shù)據(jù).地下和地表重力儀數(shù)據(jù)記錄的計算機均采用網(wǎng)絡授時.標定后的重力觀測記錄如圖4所示（標定格值因子為0.0234 V/μGal,1 μGal=10-8m·s-2）.由于地下觀測條件尚不完善,受供電、周圍施工等干擾因素影響,地下重力儀觀測記錄出現(xiàn)較長時間間斷而連續(xù)性較差,因此研究僅對比長周期地震頻段（大于0.0001 Hz）地表和地下的觀測噪聲情況,而不對潮汐頻段進行討論；同時又因為重力儀對高頻信號響應的不確定性較大,對0.01 Hz以上頻段也不作討論.

1.2 臺站背景噪聲水平計算方法

功率譜密度（Power Spectral Density,PSD）是確定臺站背景噪聲水平的常用方法.Peterson（1993）利用全球75個地震儀臺站觀測記錄,獲得了功率譜密度上下包絡線,給出了地球的新低噪聲模型（New Low Noise Model,NLNM）和新高噪聲模型（New High Noise Model,NHNM）,用來作為衡量臺站觀測噪聲水平的基準線.McNamara和Boaz（2006）進一步提出了計算臺站功率譜密度的概率密度函數(shù)（Probability Density Function,PDF）的新方法,該方法由于直接使用連續(xù)波形記錄而未對數(shù)據(jù)進行篩選,因而更能客觀反映臺站背景噪聲的變化特征（吳建平等,2012；謝江濤等,2018）.計算功率譜密度與概率密度函數(shù)的公式如下：

（1）

（2）

式中：Pk為離散頻率fk處的功率譜密度,Δt為采樣間隔,N為截取時間序列的采樣點個數(shù),Yk為截取時間序列的傅里葉變換；P（Tc）為按1/8倍頻程間隔計算的中心周期Tc處的概率密度函數(shù),NPTc為功率譜密度值落在某個1 dB間隔范圍的數(shù)量,NTc為中心周期Tc處功率譜密度值的總數(shù).

本研究對淮南深地地震儀和重力儀觀測數(shù)據(jù)均采用功率譜密度和概率密度函數(shù)方法進行背景噪聲分析.為了保證數(shù)據(jù)處理方法一致,功率譜密度計算時均直接對窗寬24 h時間序列進行傅里葉變換而未采用Welch方法分段平均（Welch,1967）.

1.3 深地背景噪聲計算結果與分析

1.3.1 深地地震觀測背景噪聲（頻段：0.01～50 Hz）

對地震儀觀測數(shù)據(jù),先去除儀器響應后,再得到加速度信息,然后計算觀測周期內(nèi)地下和地表記錄的功率譜密度（PSD）及其概率密度函數(shù)（PDF）,結果如圖5所示.計算結果表明,觀測數(shù)據(jù)概率密度函數(shù)大體位于地球噪聲模型之間,地表和地下值在0.3 Hz附近都能看到明顯的峰值,與地球噪聲模型一致.一般認為,地表背景噪聲主要為面波,其隨深度增加而衰減,衰減量與頻率有關,頻率越高,衰減越大,這與前人研究的高頻段地下地震計噪聲功率譜比地表地震計要小的結論一致（葛洪魁等,2013；趙瑞勝等,2021）.觀測到地表地震儀記錄的PSD在0.3 Hz以上高頻區(qū)域都大于地下結果,支持以面波為主的背景噪聲隨深度增加而衰減的認識,表明增加臺站深度能有效地降低高頻噪聲.值得注意的是,研究發(fā)現(xiàn)在10～100 s周期內(nèi)地下地震儀記錄的PSD高于地表記錄,并且存在一個峰值,這與常規(guī)的觀測現(xiàn)象存在差異.分析導致該差異現(xiàn)象的原因,最有可能是由于地表地震計是安裝在一個封閉房間內(nèi),而地下地震計是直接放在坑道地表上且無其他東西覆蓋,并且坑道內(nèi)需要保持空氣流通,因此地下記錄低頻段峰值可能是由于坑道內(nèi)空氣流動造成的.確定地下10～100 s周期內(nèi)峰值的原因是下一步研究需要進行的工作,需要在坑道內(nèi)做進一步的觀測計劃,比如將地震計安裝在坑內(nèi)或用桶等覆蓋排除空氣流動影響.

1.3.2 深地重力觀測背景噪聲（頻段：0.0001～0.01 Hz）

類似于地震儀觀測數(shù)據(jù)的噪聲分析方法,也用LCR-ET20 重力儀地表和地下觀測記錄計算了功率譜密度（PSD）及其概率密度函數(shù)（PDF）.區(qū)別于地震數(shù)據(jù)處理,為了提高數(shù)據(jù)處理中噪聲部分在整個觀測信號中的占比,已經(jīng)扣除了重力觀測記錄中的主要信號理論固體潮和儀器漂移項.圖6給出了根據(jù)地表和地下重力觀測計算得到的功率譜概率密度函數(shù).從圖中可以看出,在0.0001～0.01 Hz頻段重力觀測概率密度函數(shù)大體位于全球高低噪聲模型之間（Peterson,1993）,其中在略小于0.01 Hz處,能量密度存在一個明顯的突跳且地表強于地下,分析可能是由于地表城市施工周期性打樁信號導致的.相比于地震儀觀測記錄高頻對比分析結果,地表和地下重力觀測功率譜差異并不顯著,這也符合前文提到的以面波為主的背景噪聲隨深度增加而衰減、衰減量隨頻率增加而減小的觀點.

1.3.3 深地超寬頻帶背景噪聲（頻段：0.0001～50 Hz）

地震儀與重力儀在儀器響應設計方面具有頻率互補的特點,前者在長周期頻段（周期大于100 s）響應不足,后者則恰恰有效記錄了長周期頻段的自由振蕩和固體潮等數(shù)據(jù).因此,可基于兩種儀器的觀測數(shù)據(jù)獲得超寬頻帶（0.0001～50 Hz）地表和地下的背景噪聲水平（如圖7）,其中地震儀采用圖5c和5f所示垂直分量的功率譜概率密度函數(shù),重力儀采用圖6所示的功率譜概率密度函數(shù),得到二者對應的最大概率功率譜曲線,并在0.01 Hz處對其進行進一步擬合.圖7中黑色實線為地下最大概率功率譜曲線,藍色實線為地表最大概率功率譜曲線,其中0.0001～0.01 Hz頻段為重力儀觀測結果,0.01～50 Hz頻段為地震儀觀測結果.從圖中可以看出,在全頻帶范圍,地表和地下背景噪聲趨勢一致,總體介于全球高低噪聲模型之間（Peterson,1993）；在0.0001～0.01 Hz頻段地下功率譜略低于地表觀測,證明了地下觀測環(huán)境在此頻段內(nèi)具有一定的優(yōu)越性；除0.01～0.1 Hz（周期10～100 s）頻帶內(nèi)可能由于空氣流動導致地下噪聲高于地表外（Dybing et al.,2019）,其余高頻帶范圍地下噪聲均顯著低于地表觀測.深地超寬頻帶背景噪聲的獲得為后續(xù)開展深地實驗室的總體設計和建設提供了必不可少的實驗依據(jù),根據(jù)此結果,可為項目的前沿科學目標提供科學判別觀測結果,也可為儀器設備的選購提供重要參考,還可為深地實驗室的施工建設采用的標準和規(guī)范提供證據(jù).

2 地下地震儀觀測到的大地震激發(fā)的地球自由振蕩

為了進一步驗證深部地下環(huán)境對地球物理信號探測的優(yōu)越性,研究對地表和地下地震儀同步觀測的大地震激發(fā)的自由振蕩信號進行對比.在實驗觀測期間,在牙買加（Jamaica）發(fā)生了MW7.7地震,發(fā)震時刻為2020年1月28日19∶10∶24 （UTC）,震中位于北緯19.419°,西經(jīng)78.756°,震源深度為14.9 km.由理論計算可知,此次地震可激發(fā)較強地球自由振蕩信號,因此對地表和地下地震觀測記錄檢測到的此次地震的地球自由振蕩信號進行了分析,計算了自由振蕩簡正振型的信噪比,并對比分析了地表和地下噪聲對自由振蕩信號提取的影響.選取數(shù)據(jù)為2020年1月28日—2020年1月31日期間震后5～65 h的地震儀垂直分量觀測記錄.將其采樣率從100 Hz減采樣到0.1 Hz,然后通過滑動窗口識別并改正附近打樁施工造成的干擾信號,再減采樣到0.01 Hz并去除儀器響應,進行帶通濾波,最后利用周期圖法計算功率譜密度（見公式（1））,并將結果與用1066A模型計算的自由振蕩理論值進行了比較（Dahlen and Sailor,1979）.為了對比地表和地下自由振蕩信號的信噪比，圖8給出了計算得到的地表和地下在幾個典型自由振蕩頻帶（0.29～0.42 mHz、0.56～0.85 mHz、1.0～1.2 mHz、1.3～1.6 mHz）的最大值歸一化功率譜密度.

圖8結果表明,總體上地下比地表檢測到更高信噪比的自由振蕩簡正振型（圖8a中0T2,圖8b中0T3、0S5,圖8c中0T6、1S4,圖8d中0T8、0S8、1T3、0S9）.檢測到的環(huán)型振型信噪比大多高于球型振型,這是因為本次地震為走滑型地震,因此激發(fā)的環(huán)型振型要比其他類型的地震更加明顯.表1給出了地下和地表觀測到的簡正模信噪比，可以看出除0S6外的其他模態(tài)在地下的信噪比均高于地表的.另一方面,除自由振蕩頻率外,地表和地下均觀測到了大量密集排列的尖峰信號（或者噪聲）,且地表強度明顯高于地下,初步判定這些尖峰信號（噪聲）為數(shù)據(jù)處理中未完全識別改正的打樁或其他地表施工引起的噪聲,且隨著深度的增加而得到了有效的衰減和抑制,這與前文重力儀在該頻段的背景噪聲對比分析結果相符.大氣效應是1 mHz以下地球自由振蕩參數(shù)估計最主要的干擾因素（Widmer et al.,1992）,下一步需在地表和地下都安裝高精度的連續(xù)氣壓測量儀器,為數(shù)據(jù)分析提供氣壓改正,提高自由振蕩簡正振型的信噪比.另外地表施工等干擾噪聲也會一定程度影響地下的觀測,因此淮南深地實驗室建成后附近應當盡量減少人為因素的影響.

表1 地表和地下觀測的簡正模信噪比Table 1 Signal to Noise Ratio of normal modes observed at the surface and the underground

3 結論與討論

本研究聯(lián)合寬頻地震儀和重力儀在淮南深地實驗室數(shù)月的連續(xù)觀測資料,獲得了超寬頻帶（0.0001～50 Hz）深地背景噪聲.結果表明,總體上地下背景噪聲低于地表,且低頻段差異較小而高頻段差異顯著,支持了背景噪聲以面波為主隨深度增加而衰減、衰減量隨頻率增加而減小的已有觀點.另外用大地震激發(fā)的地球自由振蕩信號進行應用驗證,獲得地下地震儀觀測到比地表更高信噪比的自由振蕩簡正振型,進一步驗證了深部地下環(huán)境對地球物理信號探測和精確檢測的優(yōu)越性.

但是背景噪聲分析過程中也存在一些問題,例如由于地下坑道內(nèi)空氣流動,導致在0.01～0.1 Hz地下背景噪聲高于地表記錄且出現(xiàn)峰值；地表周期性施工等干擾造成0.01 Hz附近的地表和地下背景噪聲能量均出現(xiàn)突跳,且1 mHz以下地球自由振蕩頻段出現(xiàn)大量密集的尖峰信號（或噪聲）.針對坑道內(nèi)空氣流動影響，可以把地震儀布置在封閉硐室內(nèi)部，避免空氣流動對地震0.01～0.1Hz頻段內(nèi)觀測信號的影響.這些觀測和研究結果為后續(xù)深地觀測研究提供了重要借鑒,也為深地科學和實驗室建設提供了重要依據(jù).

此外由于淮南深地實驗場尚處于基礎建設階段,觀測條件十分簡陋,例如缺少溫度/濕度控制設備、無觀測水泥墩、間歇性斷電等,導致地下觀測資料質(zhì)量欠佳,特別是重力數(shù)據(jù)連續(xù)性較差.因此需要指出的是,研究所給出的地下背景噪聲僅為初步結果,還不足以準確反映深部地下的觀測環(huán)境,因此深部地下觀測環(huán)境的“超靜”特點有待隨著觀測條件的完善會更加突顯.盡管國內(nèi)深井地震觀測已經(jīng)較為成熟,然而深井高精度地震與重力聯(lián)合觀測尚處于空白階段,特別是國內(nèi)目前還沒有類似的低噪聲超靜重力觀測地下實驗室.Rosat 等（2018）對法國LSBB（Labortoire Souterrain à Bas Bruit）深地實驗室（500 m）的地下高精度超導重力儀觀測結果進行了分析，證明地下超靜環(huán)境使該臺站超導重力儀觀測質(zhì)量超過了目前世界上觀測精度最高的一批臺站，而超導重力觀測背景噪聲水平更是優(yōu)于彈簧重力儀觀測高達2個以上數(shù)量級.近年來國產(chǎn)重力儀器的研制取得了許多重要的進展,淮南深地實驗場的建立將為重力儀儀器標定與比對提供良好觀測平臺,深地“超靜”觀測環(huán)境也有望對未來利用高精度觀測儀器（如超導重力儀）開展地球深部結構構造和微弱重力信號探測起到無法替代的關鍵作用.

致謝感謝軍事科學院國防工程研究院、淮河能源（集團）股份有限公司對本次深部地下觀測提供了諸多便利條件,感謝中國地質(zhì)大學（北京）王赟教授在觀測過程中和本文撰寫中給予的幫助,也感謝參加了此次現(xiàn)場實驗工作的諸多師生.