江蘇溧陽測震臺(tái)抗干擾措施效能分析

胡米東，宮 杰，毛華鋒，陳啟林，王 皓，張 杰，霍雨佳，黃 群

（江蘇省溧陽地震臺(tái)，江蘇溧陽 213332）

地球科學(xué)是以觀測為基礎(chǔ)的研究科學(xué)，觀測資料的準(zhǔn)確性直接決定科研與應(yīng)用的成效（徐紀(jì)人等，2009）。由于地表各類噪聲的影響，地震數(shù)據(jù)的使用效能往往大大降低，地震計(jì)對微小信號(hào)的檢測能力大大減弱（雷棟等，2006）。如何提高觀測數(shù)據(jù)信噪比成為觀測研究中最重要的課題之一（徐紀(jì)人等，2006）。在地震監(jiān)測中，降低信號(hào)噪聲的各種抗干擾措施被廣泛研究和使用。夏忠等（2005）對FHD質(zhì)子磁力儀的探頭及信號(hào)輸入通道、分量線圈、供電系統(tǒng)、通信線路、儀器電路、儀器控制軟件進(jìn)行全方位抗干擾設(shè)計(jì)。李曉鵬等（2011）開展地電阻率深井觀測系統(tǒng)對地面已知干擾源的抗干擾能力測試。王莉森等（2017）在灤縣地震臺(tái)布設(shè)地磁場井下觀測系統(tǒng)，檢驗(yàn)井下觀測的抗干擾效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，地磁場井下觀測可抑制近距離鐵磁性物質(zhì)干擾，但無法抑制直流供電干擾。崔慶谷等（2008）認(rèn)為通過改進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性來提高儀器的“噪聲免疫力”是解決當(dāng)前重力、地傾斜儀器環(huán)境干擾問題的重要途徑。專家學(xué)者為降低地震數(shù)據(jù)噪聲水平，對各類不同噪聲進(jìn)行研究和定量分析，并提出抗干擾措施。

溧陽測震臺(tái)（簡稱溧陽臺(tái)）地處江蘇省溧陽市，位于蘇、浙、皖三省交界處，受郯廬斷裂帶、茅山斷裂帶及其它斷裂帶影響，在地質(zhì)構(gòu)造上處于新華夏系NNE向茅山大斷裂與NWW 向活動(dòng)斷裂交匯部位。2010年7月溧陽臺(tái)開始進(jìn)行井下測震觀測，井深83 m，地震計(jì)采用掛壁方式固定在井下71 m 處，安裝BBVS．60DBH 地震計(jì)和EDAS-24GN數(shù)采儀。溧陽臺(tái)屬于C類地區(qū)臺(tái)站，且臺(tái)站觀測環(huán)境達(dá)Ⅰ級(jí)環(huán)境地噪聲水平。2016年6月長山路開工建設(shè)，2018年1月通車，道路最近處距溧陽臺(tái)測震井60 m，胡米東等（2022）對長山路通車對溧陽臺(tái)觀測環(huán)境的影響進(jìn)行了定量分析，發(fā)現(xiàn)長山路通車后臺(tái)站背景噪聲水平增大，功率譜曲線高頻段值增大且形態(tài)離散，震中距250 km范圍內(nèi)M1．0～1．9地震監(jiān)測能力降低。為保障溧陽臺(tái)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，降低因長山路通車給溧陽測震臺(tái)造成的干擾，采取了安裝新井下測震觀測系統(tǒng)和在道路上設(shè)置限速限重標(biāo)識(shí)2項(xiàng)抗干擾措施。本文收集了2項(xiàng)抗干擾措施實(shí)施前后的測震波形數(shù)據(jù)和地震目錄，通過臺(tái)基背景噪聲、功率譜密度曲線和地震監(jiān)測能力3個(gè)指標(biāo)，分析以上2項(xiàng)抗干擾措施的效能，同時(shí)為其他觀測臺(tái)提供參考。

1 抗干擾措施

1．1 設(shè)置限速限重標(biāo)識(shí)

茅玉泉（1987）車輛振動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明：車輛運(yùn)行造成的振動(dòng)頻率譜頻帶較寬，最大振動(dòng)頻率集中在2．5～5 Hz和10～15 Hz；車速提高會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)頻率提高，汽車滿載比空載引起的振動(dòng)幅度大50%至100%，因此重型車輛引起振動(dòng)幅度比小汽車大得多。車速由10 km／h提高至60 km／h，地面振動(dòng)幅度增加200%。汽車重量和車速與地面振動(dòng)幅度成正比。為降低車輛對觀測環(huán)境影響，交管部門2018年6月在長山路溧陽臺(tái)路段兩端設(shè)置限速80 km／h和限制中重型載貨汽車通行標(biāo)識(shí)。

1．2 安裝新井下測震觀測系統(tǒng)

為保障溧陽臺(tái)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，專家論證后決定在溧陽臺(tái)內(nèi)選新址開鉆觀測井。新測震井距長山路160 m，鉆井2018年6月完工，井深208 m，套管深度208 m，套管外徑為146 mm、內(nèi)徑為136 mm。2019年5月完成了儀器安裝調(diào)試，安裝了BBVS．60DBH 地震計(jì)和EDAS-24GN數(shù)采儀，地震計(jì)采用底座式安裝，底座安裝深度203 m，底座位置處斜度0．791°。

2 效能分析

兩項(xiàng)抗干擾措施均已實(shí)施一段時(shí)間，有必要進(jìn)行效能分析，以便提高觀測數(shù)據(jù)信噪比。

2．1 設(shè)置限速限重標(biāo)識(shí)效能分析

2018年1月長山路通車，溧陽臺(tái)路段視野開闊，車速較快，速度100 km／h以上車輛較多，少數(shù)車輛超過120 km／h。各類重型貨運(yùn)卡車數(shù)量較多，白天一般20輛／h以上。2018年6月交管部門在長山路溧陽測震臺(tái)路段設(shè)置限速標(biāo)識(shí)和限重標(biāo)識(shí)。

分別選取設(shè)置限速限重標(biāo)識(shí)前后老測震觀測系統(tǒng)一個(gè)月數(shù)據(jù)為樣本，通過對比兩個(gè)月臺(tái)站背景噪聲值及功率譜密度曲線，定量分析設(shè)置限速限重標(biāo)識(shí)措施效能。為使計(jì)算結(jié)果更客觀，在考慮觀測設(shè)備一致（2019年4月地震計(jì)損壞）、樣本月份一致和強(qiáng)遠(yuǎn)震發(fā)生少等因素后，選取2018年3月（設(shè)置限速限重標(biāo)識(shí)前）和2019年3月（設(shè)置限速限重標(biāo)識(shí)后）溧陽臺(tái)測震連續(xù)數(shù)據(jù)為樣本。經(jīng)計(jì)算得出設(shè)置限速限重標(biāo)識(shí)前后的臺(tái)站背景噪聲（圖1）和背景噪聲功率譜密度曲線（圖2）。

圖1 2018年3月（a）和2019年3月（b）溧陽臺(tái)背景噪聲RMS小時(shí)值分布圖

從圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)老測震觀測系統(tǒng)2018年3月的RMS值主要集中在2．133×10-8m／s，2019年3月的RMS值主要集中在1．573×10-8m／s，說明了2018年3月至2019年3月觀測系統(tǒng)的背景噪聲明顯下降。2018年3月和2019年3月各頻段噪聲功率譜曲線展布在NLNM 和NHNM 之間（圖2），表明設(shè)置限速限重標(biāo)識(shí)前后溧陽臺(tái)觀測環(huán)境符合基本監(jiān)測要求。2018年3月功率譜密度曲線中低頻段整體形態(tài)和2019年3月的較類似，曲線分布形態(tài)較窄，功率譜密度曲線值變化范圍較小，說明中低頻度段干擾源相對固定。2018年3月功率譜密度曲線高頻段（＞1．0 Hz）整體形態(tài)和2019年3月差異較大，2018年3月功率譜密度曲線分布離散，5～20 Hz頻段功率譜離散明顯，部分頻段功率譜差值達(dá)10 dB；2019年3月功率譜密度曲線高頻段分布集中，離散程度低于2018年3月，同一頻段功率譜差值在3～4 dB以內(nèi)。這表明在人為干擾的高頻段，2018年3月溧陽臺(tái)周邊干擾類型較多，干擾強(qiáng)度有差別，分析認(rèn)為與不同重量和速度重型車輛通行引起不同頻段的干擾有關(guān)。2019年3月溧陽臺(tái)周邊干擾明顯減少。綜合以上分析表明設(shè)置限速限重標(biāo)識(shí)對降低長山路通車對溧陽臺(tái)觀測環(huán)境干擾是有效的。

圖2 2018年3月（a）與2019年3月（b）溧陽臺(tái)背景噪聲功率譜密度曲線

2．2 新井下測震觀測系統(tǒng)抗干擾效能分析

溧陽臺(tái)新井下測震觀測系統(tǒng)于2019年5月正式安裝運(yùn)行。通過對比新井與老井臺(tái)基背景噪聲值、功率譜密度曲線和地震監(jiān)測能力3個(gè)指標(biāo)定量分析新觀測系統(tǒng)的抗干擾效能。

（1）臺(tái)基背景噪聲對比分析。新井觀測系統(tǒng)輸出．dat格式數(shù)據(jù)，統(tǒng)一使用童汪練噪聲功率譜密度測定軟件計(jì)算新老兩套井下觀測系統(tǒng)的臺(tái)基背景噪聲值。選取2020年11月1日00時(shí)至2020年11月2日23時(shí)2天48小時(shí)測震連續(xù)波形數(shù)據(jù)為樣本。通過計(jì)算1～20 Hz的臺(tái)基背景噪聲發(fā)現(xiàn)老井觀測系統(tǒng)臺(tái)基噪聲水平優(yōu)于新井觀測系統(tǒng)（圖3）。老井觀測系統(tǒng)垂直向兩天平均臺(tái)基噪聲1．982×10-8m／s，根據(jù)《地震臺(tái)站觀測環(huán)境技術(shù)要求》（GB／T19531．1—2004），臺(tái)站觀測環(huán)境達(dá)Ⅰ級(jí)環(huán)境地噪聲水平。這兩天新井觀測系統(tǒng)的平均臺(tái)基噪聲為3．286×10-8m／s，噪聲水平高于老井觀測系統(tǒng)，觀測環(huán)境達(dá)Ⅱ級(jí)環(huán)境地噪聲水平。

圖3 圖3 2020年11月1～2日新（a）老（b）兩套井下測震系統(tǒng)臺(tái)基噪聲小時(shí)值圖

（2）功率譜對比分析。選取2020年11月1日00時(shí)至2020年11月2日23時(shí)2天觀測系統(tǒng)的垂直向連續(xù)數(shù)據(jù)為樣本，使用童汪練噪聲功率譜密度測定軟件計(jì)算兩套井下觀測系統(tǒng)功率譜密度曲線（圖4）。從圖4中可發(fā)現(xiàn)：雖然兩套觀測系統(tǒng)各頻段功率譜值均展布在皮特森模型噪聲低高值包絡(luò)線NLNM 和NHNM 之間，但高頻段（＞1．0 Hz）有明顯差異，同一頻段新觀測系統(tǒng)功率譜值分布更離散，表明新觀測系統(tǒng)在＞1．0 Hz頻段干擾比老系統(tǒng)大。

圖4 新（a）老（b）兩套井下測震系統(tǒng)功率譜密度曲線圖

（3）地震監(jiān)測能力對比分析。兩套測震觀測系統(tǒng)在同一時(shí)間段內(nèi)的地震監(jiān)測能力是反映觀測設(shè)備及觀測環(huán)境優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。2019年7月1日至2020年12月31日期間，兩套觀測系統(tǒng)均使用BBVS．60DBH 地震計(jì)和EDAS-24GN數(shù)采儀，系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果正常，兩套設(shè)備未出現(xiàn)故障。因此選取2019年7月1日至2020年12月31日溧陽臺(tái)兩套測震觀測系統(tǒng)地震記錄數(shù)據(jù)為樣本（數(shù)據(jù)來源：溧陽測震臺(tái)2019-2020年地震觀測報(bào)告），以溧陽臺(tái)為圓心，250 km為半徑，對比兩套系統(tǒng)的地震記錄情況（表1）。

從表1可看出：（1）兩套觀測系統(tǒng)對震中距250 km 內(nèi)M1．0 以下和M3．0及以上地震監(jiān)測能力相同；震中距0～100 km 內(nèi)M2．0～2．9地震和震中距0～50 km內(nèi)M1．0～1．9地震記錄數(shù)量相同。（2）老觀測系統(tǒng)在震中距250 km 內(nèi)的監(jiān)測能力優(yōu)于或等于新觀測系統(tǒng)。（3）兩套觀測系統(tǒng)監(jiān)測能力差距主要表現(xiàn)在震中距100～200 km 對M1．0～2．9地震的監(jiān)測。例如震中距100～150 km 內(nèi)，老觀測系統(tǒng)記錄到M1．0～1．9地震30次，新觀測系統(tǒng)記錄到M1．0～1．9地震20次；老觀測系統(tǒng)記錄到M2．0～2．9地震32次，新觀測系統(tǒng)記錄到M2．0～2．9地震24次。在同一震級(jí)段內(nèi)，隨著震中距的增加，新觀測系統(tǒng)監(jiān)測能力較老系統(tǒng)的監(jiān)測能力下降更快；在同一震中距內(nèi)，隨著震級(jí)的降低，新觀測系統(tǒng)的監(jiān)測能力下降也更快。

表1 2019年7月至2020年12月溧陽臺(tái)兩套井下測震觀測系統(tǒng)地震記錄對比

（4）新觀測系統(tǒng)效能較低的原因分析。新測震觀測系統(tǒng)的臺(tái)基噪聲、功率譜值和地震監(jiān)測能力3個(gè)指標(biāo)均低于老觀測系統(tǒng)的指標(biāo)，這表明老觀測系統(tǒng)觀測質(zhì)量優(yōu)于新觀測系統(tǒng)。盡管新地震計(jì)安裝深度（203 m）大于老地震計(jì)的安裝深度（71 m），新測震井位置與長山路的距離（160 m）較老測震井距長山路的距離（60 m）更遠(yuǎn)，但新測震井的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量卻更低，分析認(rèn)為主要原因可能是觀測設(shè)備質(zhì)量和安裝工藝。井下地震計(jì)的安裝專業(yè)性很強(qiáng)，對安裝人員的專業(yè)素質(zhì)要求很高（胡米東等，2009）。對比兩套觀測系統(tǒng)記錄同一地震波形發(fā)現(xiàn)，老觀測系統(tǒng)Sg波衰減平穩(wěn)，而新觀測系統(tǒng)Sg波衰減中多次出現(xiàn)高振幅干擾波形，該現(xiàn)象垂直向較明顯。很多地震波形中均出現(xiàn)該現(xiàn)象。地震波形中包含眾多信息，不乏各種干擾，這些干擾對震相識(shí)別與分析造成干擾（何思源等，2020）。分析認(rèn)為，地震計(jì)固定和密封故障導(dǎo)致記錄受干擾可能性較高。

3 結(jié)論

通過計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn)，溧陽臺(tái)新井下測震觀測系統(tǒng)臺(tái)基噪聲水平、功率譜值和地震監(jiān)測能力3個(gè)指標(biāo)質(zhì)量均低于老觀測系統(tǒng)。新井距長山路更遠(yuǎn)，地震計(jì)安裝位置更深，但觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量不如老井。根據(jù)觀測波形對比分析，懷疑觀測設(shè)備質(zhì)量和安裝工藝是導(dǎo)致監(jiān)測質(zhì)量一般的原因。具體原因有待進(jìn)一步調(diào)查和研究。設(shè)置限速限重標(biāo)識(shí)后，溧陽臺(tái)臺(tái)基噪聲和功率譜值均有明顯改善，可見該措施對降低長山路對溧陽臺(tái)觀測環(huán)境干擾是有效的。