郭德順， 陳建濤， 謝劍波， 葉春明

（1.廣東省地震局，廣東 廣州 510070；2.中國(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （籌），廣東 廣州 510070）

汕頭試驗(yàn)井地面與井下環(huán)境地噪聲對(duì)比測(cè)試分析

郭德順1，2，3， 陳建濤1，2，3， 謝劍波1，2，3， 葉春明1，2，3

（1.廣東省地震局，廣東 廣州 510070；2.中國(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （籌），廣東 廣州 510070）

試驗(yàn)井位于汕頭市衡山路，觀測(cè)系統(tǒng)為井下寬頻地震計(jì)TBG-60B和地面寬頻帶地震計(jì)TDV-60B，頻帶為60S～50 Hz，選取的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的井下觀測(cè)數(shù)據(jù)都是同一時(shí)間的，使用童汪練研究員的地噪聲分析軟件和MATLAB繪圖工具，研究臺(tái)站環(huán)境地噪聲隨觀測(cè)井深度的變化特征，得到井深與觀測(cè)地噪聲之間的對(duì)比關(guān)系，為井下地震臺(tái)站勘選和工程建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)地噪聲水平從覆蓋層進(jìn)入到基巖有很大變化，從強(qiáng)風(fēng)化層進(jìn)入到中微風(fēng)化層也有明顯變化，考慮鉆井建設(shè)成本和臺(tái)站建設(shè)地噪聲水平要求之間的綜合效益，在粵東地區(qū)典型的地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件，較佳的平衡點(diǎn)應(yīng)該是至少需要進(jìn)入完整中微風(fēng)化層基巖10 m。

環(huán)境地噪聲；地面與井下；寬頻帶地震計(jì)；汕頭試驗(yàn)井

0 引言

本試驗(yàn)項(xiàng)目屬于廣東省防震減災(zāi) “十二五”地震預(yù)警臺(tái)網(wǎng)建設(shè)的前期項(xiàng)目，位于汕頭市市中心，屬于干擾比較大的城市典型地區(qū)和粵東典型沉積層覆蓋地區(qū)。鉆了一個(gè)孔徑146 mm、井深200 m的測(cè)試井，同時(shí)在地表建設(shè)土層儀器墩；安裝寬頻帶地震計(jì)，井下安裝扣座式井下寬頻帶地震計(jì)，通過計(jì)算和對(duì)比不同深度下不同頻段地面與井下的地動(dòng)脈噪聲，獲得粵東地區(qū)典型地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下，噪聲隨觀測(cè)井深度的變化特征，給出準(zhǔn)確、科學(xué)、可靠的結(jié)論，為井下地震臺(tái)站工程建設(shè)及效益的最優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)井及其觀測(cè)系統(tǒng)概況

1.1 試驗(yàn)井概況

汕頭試驗(yàn)井由汕頭市粵東工程勘察院負(fù)責(zé)鉆井建設(shè)施工和地質(zhì)勘測(cè)，于2012年8月13日進(jìn)場(chǎng)施工，于2012年10月31日完成，鉆探深度為203.14 m，下管深度為200 m。試驗(yàn)井的地質(zhì)情況：第四系松散覆蓋層厚度為0～42.80 m，42.80～46.40 m為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，46.40～203.14 m以下為中微風(fēng)化花崗巖。

成井套管采用1Cr18Ni9Ti材質(zhì)不銹鋼管，外徑為146 mm，壁厚5～6 mm，套管連接處采用涂抹環(huán)氧樹臘，再纏繞生料帶進(jìn)行密封，以防止地下水滲入。下管后在管內(nèi)高壓注入高標(biāo)號(hào)（參合防水劑）的水泥漿翻漿至井口進(jìn)行固井。固井完成后的第4天進(jìn)行洗井，并吸干井內(nèi)殘漿。

經(jīng)專業(yè)單位北京港震有限公司檢測(cè)，汕頭試驗(yàn)井的井斜為2.1°，滿足成井井斜小于2.5°的設(shè)計(jì)要求。

地表觀測(cè)儀器墩按長(zhǎng)60 cm、寬60 cm、距離地面高度20 cm、誤差5%的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，完整接觸到原土層。要求先打入4根直徑20 mm，長(zhǎng)1.5 m的鋼筋，在60 cm×60 cm范圍內(nèi)均勻分布，表面留出約50 cm與儀器墩銜接，然后用強(qiáng)度等級(jí)不低于C30的素混凝土一次性澆注，振搗密實(shí)后抹平，表面無裂縫、蜂窩和麻面，墩面平整1°。擺墩面的四邊與地理東、南、西、北方位一致。擺墩不與任何建筑體相連；四周有隔震槽，隔震槽寬約0.1 m，深約0.3 m，槽底及四周采取防潮措施，槽內(nèi)充填防水材料。

1.2 觀測(cè)系統(tǒng)概況

測(cè)試儀器主要由數(shù)據(jù)采集器、井下寬頻帶地震計(jì)、地表寬頻帶地震計(jì)、電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)組成、測(cè)試儀器現(xiàn)場(chǎng)見圖1和表1。

圖1 井下擺與地面擺現(xiàn)場(chǎng)圖片F(xiàn)ig.1 The scene photograph of bore-hole seismometer and surface seismometer

按照數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)的要求，井下寬頻帶地震計(jì)選用TBG-60B，是集成井下寬頻帶地震儀和采集記錄器的一體化設(shè)備；地表對(duì)比觀測(cè)寬帶地震計(jì)頻帶寬度選用TDV-60B；數(shù)據(jù)采集器選用3通道數(shù)據(jù)采集器TDE-324CI。為保障觀測(cè)數(shù)據(jù)的安全和質(zhì)量，數(shù)據(jù)記錄方式采用現(xiàn)場(chǎng)本地存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸存儲(chǔ)兩種方式，現(xiàn)場(chǎng)本地存儲(chǔ)采用筆記本電腦與數(shù)據(jù)采集器通過RS232接口直接連接來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程采用VPN有線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，可以實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程儲(chǔ)存。供電采用交流轉(zhuǎn)直流輸出供電模式，接入交流220 V、50 Hz的市電，為防止市電中斷，選用2個(gè)100 AH蓄電池作備用供電電源。筆記本電腦用來現(xiàn)場(chǎng)檢查數(shù)據(jù)接收情況，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析。

表1 設(shè)備清單Table 1 The equipment list

2 地噪聲分析

2.1 數(shù)據(jù)選取

（1）按規(guī)范安裝好井下地震計(jì)和地表地震計(jì)[1]，數(shù)據(jù)采集器設(shè)置采樣率100 Hz，并對(duì)井下地震計(jì)和地表地震計(jì)分別做脈沖標(biāo)定和正弦波標(biāo)定，以確定整套設(shè)備是否有系統(tǒng)偏差。

（2）連續(xù)記錄地表地震計(jì)記錄的實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)，井下地震計(jì)在不同深度分別安裝好后，經(jīng)測(cè)試設(shè)備正常且穩(wěn)定后，再開始記錄其記錄的實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)。

（3）井下觀測(cè)數(shù)據(jù)選取深度分別為0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、42 m、43 m、44 m、45 m、46 m、48 m、50 m、65 m、80 m、120 m、150 m、199 m。其中深度在40 m至50 m之間進(jìn)行多次加密測(cè)試，這是因?yàn)檫@段深度是覆蓋土層轉(zhuǎn)變成強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中微風(fēng)化花崗巖的地方，需要進(jìn)行詳細(xì)研究。詳見表2。

表2 井下儀器測(cè)試記錄表Table 2 The test record table of bore-hole seismometer

（4）地面觀測(cè)數(shù)據(jù)選取與不同井深同一時(shí)間的測(cè)試數(shù)據(jù)，保證地面和其對(duì)應(yīng)的井下數(shù)據(jù)都是同一時(shí)段的。

（5）待井下寬頻帶地震計(jì)和地表寬帶地震計(jì)穩(wěn)定后，有效數(shù)據(jù)記錄長(zhǎng)度不少于4 h連續(xù)的波形數(shù)據(jù)；從中選取外界重大干擾事件比較少，沒有地震事件和爆破事件的1 h數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 計(jì)算方法

環(huán)境地噪聲值是指地面運(yùn)動(dòng)速度記錄的功率譜密度（PSD）在1～20 Hz頻帶范圍的均方根值（RMS值）[1]。使用童汪練研究員的地噪聲分析軟件和MATLAB繪圖工具，計(jì)算了地噪聲的功率譜密度和計(jì)算1～20 Hz頻率段的速度均方根RMS值[3-4]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 方位角校正

為了能夠正確科學(xué)的進(jìn)行地面噪聲和井下噪聲的對(duì)比計(jì)算，需要把地面擺與井下擺的方位角校正到一致。如表2，雖然在測(cè)試過程中提供了井下擺的等效方位角，但是地面擺的安裝由于使用地質(zhì)羅盤，受到環(huán)境干擾和精度不高等因素的影響，因此，地面擺的安裝并不嚴(yán)格符合地理北的方位角要求，不是絕對(duì)的地理北，而是有一定的誤差，所以，井下擺的等效方位角不等于地面擺與井下擺的實(shí)際方位角之差。

在測(cè)試期間，地面擺和井下擺都記錄到了2013年1月22日06時(shí)22分印尼蘇門答臘北部M6.0地震、2013年4月5日21時(shí)00分中俄交界M6.5地震和2013年4月6日12時(shí)42分印尼M7.0地震。根據(jù)方位角的相關(guān)性分析理論，有地震記錄的相關(guān)性比無地震記錄的相關(guān)性高很多，使用謝劍波等人的地震計(jì)方位角相關(guān)性分析方法[2]，得到地面擺與井下擺之間的實(shí)際方位角等于表2提供的等效方位角加上15°，由于地面擺的方位角一直保持不動(dòng)，僅需要對(duì)井下擺等效方位角之值加上15°，就能得到井下擺與地面擺的實(shí)際方位角之差。

對(duì)于不同深度的井下擺記錄到的數(shù)據(jù)，根據(jù)上述方法進(jìn)行校正，使得井下擺與地面擺的三分向方位角一致。

2.3.2 地噪聲水平評(píng)估方法根據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)范[1]，環(huán)境地噪聲水平分為五級(jí)：Ⅰ級(jí)環(huán)境地噪聲水平：Enl＜3.16×10-8m/s；

Ⅱ級(jí)環(huán)境地噪聲水平：3.16×10-8m/s≤Enl＜1.00×10-7m/s；

Ⅲ級(jí)環(huán)境地噪聲水平：1.00×10-7m/s≤Enl＜3.16×10-7m/s；

Ⅳ級(jí)環(huán)境地噪聲水平：3.16×10-7m/s≤Enl＜1.00×10-6m/s；

Ⅴ級(jí)環(huán)境地噪聲水平：1.00×10-6m/s≤Enl＜3.16×10-6m/s。

計(jì)算噪聲功率譜密度的時(shí)候，直接引用美國(guó)USGS的J.Peterson[3]及其所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，觀測(cè)和研究的全世界各地正常地球噪聲得到的地球高噪聲新模型NHNM和地球低噪聲新模型NLNM。

2.4 處理結(jié)果

圖2 地表與井下199 m白天17點(diǎn)時(shí)段的地動(dòng)脈時(shí)域記錄Fig.2 The earth pulsation time domain records of ground surface and 199 meters underground at 17:00

根據(jù)實(shí)驗(yàn)井的目的和有關(guān)規(guī)范[1]的相關(guān)要求，測(cè)試數(shù)據(jù)處理過程和結(jié)果見圖2、3、4、5和表3（圖件由于篇幅關(guān)系，只提供一部分）。

圖3 地表與井下199 m白天17點(diǎn)時(shí)段的功率譜密度圖Fig.3 The power spectral density chart of ground surface and 199 meters underground at 17:00

圖4 地表與井下199 m晚上22點(diǎn)時(shí)段的地動(dòng)脈時(shí)域記錄Fig.4 The earth pulsation time domain records of ground surface and 199 meters underground at 21:00

圖5 地表與井下199 m晚上22點(diǎn)時(shí)段的功率譜密度圖Fig.5 The power spectral density chart of ground surface and 199 meters underground at 21:00

（1）計(jì)算同一時(shí)段、不同深度的井下觀測(cè)噪聲和地表觀測(cè)噪聲的功率譜密度，得到相同時(shí)段的噪聲功率譜密度隨深度的變化情況，并將結(jié)果與NLNM和NHNM噪聲模型進(jìn)行比較，使用MATLAB軟件工具進(jìn)行圖形繪制[5]。

表3 1～20 Hz頻率段RMS值結(jié)果Table 3 The result of RMS value between 1～20 Hz frequency ranges

（2）計(jì)算1～20 Hz頻率段下，同一時(shí)段、不同深度的井下觀測(cè)噪聲和地表觀測(cè)噪聲的速度RMS值（m/s），得到同一頻率段下，相同時(shí)段的速度RMS值（m/s）隨深度的變化情況，并且根據(jù)地噪聲水平評(píng)估方法進(jìn)行等級(jí)劃分。

2.5 分析結(jié)果

（1）把同一時(shí)段、不同深度的井下地動(dòng)脈與地面地動(dòng)脈的速度RMS值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，使用MATLAB軟件工具進(jìn)行圖形繪制[5]，見圖6。

從圖6可以看出，井深0～30 m，井下RMS值降低不明顯；40～46 m，RMS值下降變化比較大，43 m和46 m的變化較明顯；48～150 m，RMS值下降不太明顯，199 m RMS值降低效果明顯。

地面RMS值都是大于Ⅴ類，當(dāng)井深進(jìn)入到松散覆蓋層時(shí)（0～43 m），井下RMS值基本在Ⅳ類以上，降低效果不明顯；當(dāng)井深進(jìn)入到強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（43～46 m），井下RMS值保持在Ⅲ類，下降變化明顯；進(jìn)入到中微風(fēng)化花崗巖（46～199 m），井下RMS值保持在Ⅱ到Ⅲ類，降低效果比較好；50～150 m，變化不大；199 m屬于Ⅰ類，變化明顯，噪聲最低。

（2）把地面和井下的三分向RMS值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，得到地面噪聲與井下噪聲的相比倍數(shù)，見圖7。

從圖7中可以很看出，隨著井深的增加而相比倍數(shù)一直在增加。0～40 m，相比倍數(shù)值變化不大，在10倍范圍內(nèi)；42～48 m一直有明顯的倍數(shù)增加變化，在20倍以上，其中，43 m處有較大變化；在井深50 m處，相比倍數(shù)值變化也較大，高達(dá)50～100倍之間；80～199 m，相比倍數(shù)100～300之間。特別指出，南北向相比倍數(shù)比其他方向都低，這是因?yàn)闇y(cè)試現(xiàn)場(chǎng)附近有一條南北走向的城市道路主干道，嚴(yán)重影響南北向的噪聲水平。垂直向倍數(shù)比其他方向高，說明井下垂直向的噪聲降低效果相對(duì)較好。

圖6 井下與地面速度RMS值計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.6 Computing result comparison of the speed RMS value between underground and ground surface

圖7 井下與地面噪聲相比倍數(shù)Fig.7 The noise compared multiple between underground and ground surface

當(dāng)井深進(jìn)入到松散覆蓋層時(shí)（42 m以下），井下噪聲降低不多，10倍以下；當(dāng)進(jìn)入到強(qiáng)花崗巖時(shí)（43～46 m），井下噪聲有較大的降低變化，倍數(shù)為幾十倍；當(dāng)進(jìn)入中微風(fēng)化花崗巖（48 m以上），噪聲降低效果比較好，倍數(shù)基本保持在50以上；井深120 m以上，倍數(shù)保持100以上，得到很好的噪聲水平。

綜上所述，考慮到鉆井深度和噪聲水平，當(dāng)進(jìn)入到中微風(fēng)化花崗巖10 m內(nèi)，即井深50 m左右，為本試驗(yàn)比較好的效益平衡點(diǎn)，井深50 m處可以達(dá)到Ⅱ類，噪聲降低50～100倍，噪聲水平比較低。

3 結(jié)論

（1）環(huán)境地噪聲降低效果，從覆蓋層進(jìn)入到基巖有很大變化，從強(qiáng)風(fēng)化層進(jìn)入到中微風(fēng)化層也有較大變化。因此，在粵東地區(qū)典型地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下，井下地震臺(tái)站建設(shè)必須至少鉆進(jìn)入到花崗巖的中微風(fēng)化層。據(jù)野外考察和地質(zhì)資料，粵東地區(qū)覆蓋土層平均40 m左右，所以一般需要鉆井40～50 m才能接觸到花崗巖。

（2）井深150～48 m處（即剛進(jìn)入中微風(fēng)化層）有明顯變化，但不是很大。因此，從鉆井建設(shè)成本和觀測(cè)信噪比之間的效益考慮，較佳的平衡點(diǎn)應(yīng)該是至少需要進(jìn)入完整中微風(fēng)化層10 m。

（3）進(jìn)入到完整中微風(fēng)化層10 m，噪聲可以降低到50～100倍。因此，勘選時(shí)候，地面噪聲1～20 HZ速度RMS值要求小于5.00×10-6（m/s），根據(jù)上述總結(jié)，井下噪聲1～20 Hz速度RMS值將小于1.00×10-7（m/s），可達(dá)到地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)II類[1]。

（4）地面活動(dòng)干擾對(duì)井下水平向影響較大，對(duì)井下垂直向影響相對(duì)較小。因此，勘選的時(shí)候，應(yīng)該避開地面大干擾源，即井下地震臺(tái)站周邊1公里不能有大型工廠、礦井、采石場(chǎng)、高速路、鐵路等。

[1]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 19531.1-2004地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求第1部分：測(cè)震[S].北京：地震出版社，2010.

[2]謝劍波.地震記錄的時(shí)間域反褶積、仿真及在地震計(jì)方位角相對(duì)測(cè)量中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)報(bào)，2014，57（1）：167-178.

[3]Peterson.J.Observation and Modelling of background Seismic Noise[J].Open File Report，U.S.G.S，1993：93-322.

[4]Peter Bormann.Seismic signals and noise，new manual of seismological observatory practice[M].GeoForschungsZentrum，2002：1-10.

[5]董霖.MATLAB使用詳解：基礎(chǔ)、開發(fā)及工程應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

The Comparison Test Analysis of Environment Seismic Noise on Ground Surface and Underground at Shantou Pilot Hole

GUO Deshun1，2，3，CHEN Jiantao1，2，3，XIE Jianbo1，2，3，YE Chunming1，2，3
（1.Earthquake Administration of Guangdong Province,Guangzhou 510070，China；2.Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology，CEA，Guangzhou 510070,China；3.Key Laboratory of Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Project,Guangzhou 510070，China）

The test well located in Hengshan road of Shantou，and the pilot hole observation system consist of the model TBG-60B bore-hole wide frequency seismometer and the model TDV-60B surface wide frequency seismometer with the frequency band of 60 s～50 Hz both.The authors have concluded the contrast relationship between the hole depth and the observation seismic noise through researching variation characteristics of station environment seismic noise with pilot hole depth by using the seismic noise analysis software belongs to Tong Wanglian and the MATLAB software on the premise of selecting the observation data between ground surface and underground corresponding to the same time,which supplied the basic data of seismic station exploration in underground and engineering construction.The results show that seismic noise level has significant change fromoverburden to bedrock and from strongly-weathered bed to intermediately-weathered bed also including weaklyweathered bed.The optimized equilibrium is to enter the whole intermediately-weathered bed and weaklyweathered bed 10 meters at least，considering the comprehensive benefit between the drilling construction cost and station construction seismic noise requirement in special geological structure conditions of east-area in Guangdong.

Environment seismic noise；Ground surface and underground；Wide frequency seismometer；Shantou pilot hole

X827

A

1001-8662（2014）03-0057-08

10.13512/j.hndz.2014.03.010

郭德順，陳建濤，謝劍波，等.汕頭試驗(yàn)井地面與井下環(huán)境地噪聲對(duì)比測(cè)試分析[J].華南地震，2014，34（3）：57-64.[GUO Deshun，CHEN Jiantao，XIE Jianbo，etal.The Comparison Test Analysis of Environment Seismic Noise on Ground Surface and Underground at Shantou Pilot Hole[J]. South china journal of seismology，2014，34（3）：57-64.]

2014-05-21

中國(guó)地震局地震行業(yè)科研專項(xiàng) （201208014）

郭德順 (1978-)，男，工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)管理、儀器維修維護(hù)工作.

E-mail：81677264@qq.com.