安祥宇，趙 倩，王承偉，梁一婧

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

遼寧新建臺站勘選過程概述及結(jié)果分析

安祥宇，趙 倩，王承偉，梁一婧

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

利用地震臺址勘選中得到的觀測數(shù)據(jù)，計(jì)算勘選臺站的地脈動背景噪聲RMS值，噪聲功率譜密度等數(shù)據(jù)，通過結(jié)果分析得到了各個臺站的環(huán)境噪聲水平和臺基等級分類情況，為正式建設(shè)臺站提供數(shù)據(jù)支持。

地震臺站勘選；地脈動背景噪聲；RMS值

0 引言

《國家地震烈度速報與預(yù)警工程》項(xiàng)目遼寧省地震局新建基準(zhǔn)站勘選任務(wù)已經(jīng)完成，本次勘選獲得33個測點(diǎn)的大量觀測數(shù)據(jù)，并對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了科學(xué)的分析獲得了豐碩成果。臺址勘選是臺站建設(shè)的最關(guān)鍵的步驟，臺基質(zhì)量的優(yōu)劣，直接關(guān)系到以后地震記錄質(zhì)量。因此對勘選出的臺基質(zhì)量評價和分類，對整個勘選工作進(jìn)行總結(jié)非常重要。

1 基準(zhǔn)臺場址勘選

1.1 地震計(jì)及數(shù)據(jù)采集器技術(shù)指標(biāo)

地震計(jì)使用的是北京港震機(jī)電技術(shù)有限公司BBVS-60型號寬頻帶地震計(jì)。該地震計(jì)為三分向一體力平衡電子反饋，位移換能傳感器。機(jī)械自振周期4s，等效自振周期60s，頻帶寬度：60s-40Hz，速度響應(yīng)平坦，動態(tài)范圍＞ 140dB（5Hz），儀器自身噪聲低于最小噪聲模型NLNM（30s-4Hz），工作環(huán)境：-20℃～ +50℃。測試用地震計(jì)工作周圍約60秒，阻尼約0.7，輸出電壓靈敏度約2000（V·s/m）。

數(shù)據(jù)采集器使用的是北京港震機(jī)電技術(shù)有限公司EDAS-24GN/6型號地震數(shù)據(jù)采集器，6通道、24位AD，非線性失真度＜-110dB（采樣率為50Hz時），動態(tài)范圍大于130dB，時間服務(wù)精度達(dá)0.1ms，供電電壓范圍直流9～18V，工作溫度范圍-5～+55，功耗4瓦，配置8G存儲卡，電壓轉(zhuǎn)換因子：1.192μV/count。

野外勘選過程中，觀測數(shù)據(jù)存儲在數(shù)采內(nèi)部存儲器中，通過數(shù)據(jù)采集器控制軟件edas-gnsms-2.0下載數(shù)采存儲器中的分小時的觀測數(shù)據(jù)，也可以通過edas-gn-sms-2.0軟件對數(shù)采實(shí)時觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

1.2 臺站勘選步驟介紹

勘選小組嚴(yán)格按照《測震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求》上的規(guī)定實(shí)施每個臺站的勘選，臺址勘選基本過程可以分為場址初勘、現(xiàn)場踏勘、場地測試、臺址確定4個步驟。場址初勘基本上是圖上作業(yè)，在地質(zhì)圖、地形圖、交通圖上給出預(yù)選點(diǎn)位?，F(xiàn)場踏勘是根據(jù)預(yù)選點(diǎn)位再進(jìn)查看場地條件，調(diào)查干擾背景，了解當(dāng)?shù)匚磥戆l(fā)展規(guī)劃避免出現(xiàn)新的干擾源，除去以上因素還要考察供電、日常維護(hù)、數(shù)據(jù)通信、安全保障狀況，并記錄下踏勘點(diǎn)位的基巖巖性、地形地貌特征。場地測試是儀器測試，在踏勘確定的點(diǎn)位架設(shè)儀器進(jìn)行連續(xù)48小時記錄，場地測試觀測系統(tǒng)構(gòu)如圖1所示。臺址確定是對連續(xù)48小時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如果計(jì)算結(jié)果達(dá)到《測震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求第一部分：測震（GBT19531.1-2004）》的要求，就可以確定該點(diǎn)位測震臺站建設(shè)點(diǎn)位。

圖1 觀測系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 The diagram of observation system structure

對于48小時的連續(xù)記錄，一般要在正式記錄開始之前要對儀器進(jìn)行一次脈沖標(biāo)定，以確定儀器系統(tǒng)穩(wěn)定，工作正常。除去標(biāo)定的一個小時，之后的2小時數(shù)據(jù)要進(jìn)行數(shù)據(jù)波形檢查，查看是否有在踏勘時未能發(fā)現(xiàn)的固定干擾源，并將這2小時數(shù)據(jù)先進(jìn)行一次數(shù)據(jù)分析處理，按要求如果計(jì)算結(jié)果滿足Enl＜1.00×10-7m/s，則判斷本測點(diǎn)可以作為正式記錄測試場地，否則要更換其他位置觀測。

1.3 勘選設(shè)備防護(hù)

本次勘選除去按正常要求對地震計(jì)加蓋防風(fēng)和防雨罩以外，針對在實(shí)際觀測中遇到的較大溫差對寬頻帶地震計(jì)的影響導(dǎo)致儀器靠擺的現(xiàn)象做了特殊處理，遼寧局本次勘選是3月初進(jìn)行的，該時間段遼寧各地區(qū)都存在較大溫差的情況，夜間山區(qū)溫度在零下10℃左右，而白天溫度又能達(dá)到10℃以上，這樣晝夜溫差能到20℃左右。本次野外勘選使用的地震計(jì)是BBVS-60型寬頻帶地震計(jì)，BBVS-60型地震計(jì)無需調(diào)零的溫差范圍在15℃左右，若地震計(jì)零點(diǎn)漂移過大而不采取調(diào)零措施，地震計(jì)很可能靠擺，寬頻帶地震計(jì)靠擺之后就失去了對地面運(yùn)動的記錄能力。以燈塔市雞冠山鄉(xiāng)劉家堡臺為例，圖2為劉家堡臺臺基地動噪聲RMS小時值（1～20Hz），圖中可以看出在第一天的22點(diǎn)和23點(diǎn)垂直向無計(jì)算結(jié)果，實(shí)則這2個小時為地震計(jì)靠擺，已經(jīng)無法記錄到任何地脈動信息。發(fā)現(xiàn)該問題之后，野外勘選人員在第二天中午14點(diǎn)給擺體加裝了一件保溫罩子（圖3），在第二天夜間22點(diǎn)和23點(diǎn)就未出現(xiàn)靠擺現(xiàn)象，并且垂直向RMS值正常，效果明顯。

圖2 劉家堡臺臺基地動噪聲RMS小時值（1-20Hz）Fig.2 RMS value per hour of platform noise in Liu jia pu station（1-20Hz）

圖3 地震計(jì)保溫罩Fig.3 Seismometer insulation cover

2 觀測數(shù)據(jù)整理

2.1 天然地震事件整理分析

通過人機(jī)交互使用數(shù)采自帶軟件找出每個測點(diǎn)在測試期間記錄到天然地震事件，并針對記錄到的到時查得該條地震的三要素，測試期間清晰的地震記錄是高品質(zhì)臺基的有利佐證。本次野外勘選33個臺站，其中有27個臺站記錄到天然地震事件（表1），有6個臺站未有地震記錄。以海城市孤山鎮(zhèn)西腰村臺為例，該臺在連續(xù)48小時記錄中，共記錄到本地微震14條，遠(yuǎn)震2條，這證明了該測點(diǎn)具備良好的臺基水平，同時這14條地震均是遼寧臺網(wǎng)現(xiàn)有臺站未能記錄到的事件，這個測點(diǎn)的選擇有效的提高了遼寧老震區(qū)的監(jiān)測能力（圖4）。

圖4 西腰村臺記錄到本地微震記錄Fig.4 The microearthquake recorded by Xi Yao station

表1 勘選期間記錄的地震事件

2.2 勘選期間典型干擾記錄

本次野外觀測獲得了大量的觀測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)檢查也發(fā)現(xiàn)了多種不同干擾記錄。圖5人員到測點(diǎn)附近走動，圖6汽車行進(jìn)的振動波，圖7為觀測人員在西腰臺取數(shù)時發(fā)現(xiàn)的戰(zhàn)斗機(jī)飛過的音爆干擾，圖8觀測人員在給擺體上保溫罩燈塔臺記錄，人員走動和汽車行進(jìn)振動是野外測點(diǎn)常見的干擾，也是現(xiàn)有已建成的臺站常見的干擾，而西腰臺記錄到的戰(zhàn)斗機(jī)音爆干擾是少有的干擾記錄，是重要的數(shù)據(jù)資源，證明了我們的野外觀測設(shè)備是可以記錄到音波干擾的。

圖5 西腰臺記錄人員到測點(diǎn)附近活動干擾Fig.5 Human disturbance curve recorded by Xiyao station

圖6 西腰臺到記錄汽車通過干擾Fig.6 Car passing disturbance curve recorded by Xiyao station

圖7 西腰臺到記錄戰(zhàn)斗機(jī)音爆干擾Fig.7 Fighter sonic boom disturbance curve recorded by Xiyao station

圖8 劉家堡臺記錄到的觀測人員給擺體套保溫罩產(chǎn)生的干擾Fig.8 The disturbing curve recorded by Liujiapu station

2.3 干擾數(shù)據(jù)預(yù)處理

野外觀測數(shù)據(jù)通常會記錄到各種干擾信息，這些明顯干擾數(shù)據(jù)對最終的場地噪聲計(jì)算是有影響的。通常場地地脈動測試結(jié)束后，應(yīng)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性分析，剔除其中偶發(fā)性干擾，剔除后每小時內(nèi)的有效記錄時間不應(yīng)少于40分鐘［5］。并統(tǒng)計(jì)非天然地震事件發(fā)生頻度N（次數(shù)/小時）和非天然地震事件持續(xù)時間占記錄時間的百分比R（%）。如果N＜0.05且R＜0.5%，則評估為干擾少；0.05＜N＜0.2且R＜0.5%，或N＜0.05且R＜1%則評估為干擾一般（可以接受）；如果N＞0.2或R＞1%，則評估為干擾嚴(yán)重，對于干擾嚴(yán)重的測點(diǎn)應(yīng)查明原因，如預(yù)期無好轉(zhuǎn)則需要另擇地選臺，對干擾不嚴(yán)重的，應(yīng)將包括地震和非天然地震事件段數(shù)據(jù)截除，并用同樣長度的后段無事件噪聲波形數(shù)據(jù)予以填充。本次勘選在進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理時將人在測點(diǎn)附近走動干擾、汽車通過測點(diǎn)附近振動干擾及其他偶發(fā)干擾一般統(tǒng)計(jì)為非天然地震事件持續(xù)時間占記錄時間的百分比R（%），而爆破時間通常統(tǒng)計(jì)為非天然地震事件發(fā)生頻度N（次數(shù)/小時）。

3 觀測資料處理方法

3.1 計(jì)算公式及方法

數(shù)字地震記錄系統(tǒng)記錄下來的數(shù)據(jù)是Counts數(shù)，在計(jì)算中首先要把Counts數(shù)轉(zhuǎn)換為地脈動速度值，公式如下：

式中為實(shí)測地脈動速度值（m/s）；N為實(shí)際記錄的噪聲Counts值；K為數(shù)據(jù)采集器A/D轉(zhuǎn)換因子（V/Counts）；G為數(shù)據(jù)采集器前放增益；S為地震計(jì)電壓靈敏度（V/m .s-1）［1］。

地脈動噪聲的均方根值（RMS值）是衡量臺址背景噪聲水平的重要標(biāo)準(zhǔn)，RMS值的計(jì)算公式：

Vi為某采樣點(diǎn)的地脈動速度值（m/s）。

以城子坦鎮(zhèn)崖底村臺為例，給出臺基地動噪聲RMS小時值（1～20Hz）（圖9）。

圖9 崖底村臺臺基地動噪聲RMS小時值（1～20Hz）Fig.9 RMS value per hour of platform noise in Ya Di station（1～20Hz）

圖9顯示崖底村測試臺基1～20Hz地動噪聲RMS小時值分小時變化情況。從柱狀圖分布狀態(tài)來看，白天高夜間低，符合正常規(guī)律。由圖可以看出并未出現(xiàn)明顯較大峰值，說明測點(diǎn)附近沒有明顯干擾源。崖底村1～20Hz地動噪聲RMS小時值/三分向的平均值是：UD 1.91556e-008， EW 1.82929e-008， NS 1.9894e-008。根據(jù)《測震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求》崖底村地震臺符合Ⅱ 類臺基背景噪聲水平。

3.2 噪聲功率譜計(jì)算

對于一個具有實(shí)數(shù)的自變量t的函數(shù)f（t）做積分

以崖底村臺為例，給出2016年03月21日21時垂直向功率譜密度曲線圖（圖10）和1～20 Hz的1/3倍頻程各頻段地脈動噪聲RMS均值及功率譜密度均值（表2）

圖10 崖底村臺1小時功率譜密度曲線（NHNM全球高噪聲新模型，NLNM全球低噪聲新模型）Fig.10 1hour power spectral density curve in YaDi station（NHNM:New globle high noise model，NLNM:New globle low noise model）

表2 1～20 Hz的1/3倍頻程各頻段地脈動噪聲RMS均值及功率譜密度均值

4 各勘選臺站RMS值及分類

4.1 分類方法

觀測場地地噪聲水平主要影響測震臺站監(jiān)測能力。0.05～1Hz頻段的噪聲主要來源于海洋，隨著地震臺站離海洋的距離增大而逐漸衰減；而頻率高于1Hz的短周期頻段噪聲主要源自于人類活動、風(fēng)、河流等自然因素影響，不同場址的短周期噪聲水平可能差別很大。中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，《測震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求第1部分：測震（GBT19531.1-2004）》（GB/T 19531.1－2004）文件中規(guī)定，根據(jù)1～20Hz頻段的地噪聲水平將環(huán)境地噪聲水平分為5級［4］：

——Ⅰ級環(huán)境地噪聲水平:Enl＜3.16×10-8

——Ⅱ級環(huán)境地噪聲水平:3.16×10-8≤Enl＜1.00×10-7

——Ⅲ級環(huán)境地噪聲水平:1.00×10-7≤Enl＜3.16×10-7

——Ⅳ級環(huán)境地噪聲水平:3.16×10-7≤Enl＜1.00×10-6

——Ⅴ級環(huán)境地噪聲水平:1.00×10-6≤Enl＜3.16×10-6

4.2 分類結(jié)果及說明

本次勘選，每個測點(diǎn)都獲得大量數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析處理得到了每個臺基的平均RMS值，按照《地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求第1部分：測震》中規(guī)定，符合Ⅰ類臺基噪聲水平：Enl＜3.16×10-8的臺站8個，Ⅱ類臺基噪聲水平:3.16×10-8≤Enl＜1.00×10-7的臺站21個，Ⅲ類臺基噪聲水平:1.00×10-7≤Enl＜3.16×10-7的臺站4個。

從結(jié)果上分析可以看出，遼寧省地震局預(yù)警項(xiàng)目新建基準(zhǔn)臺建成后，大部分能達(dá)到Ⅱ類或Ⅱ類以上臺站，部分臺站在擺房建成后記錄效果會更加優(yōu)于測試結(jié)果，由此說明本次遼寧省地震局《國家地震烈度速報與預(yù)警工程》項(xiàng)目新建基準(zhǔn)站野外勘選工作是以較高水平完成的。但是野外臺基測試是一個復(fù)雜的過程，容易受到多種因素干擾：① 野外架設(shè)地震計(jì)，本身的防護(hù)就達(dá)不到地震計(jì)在擺房中的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是寬頻帶地震計(jì)更加容易受到外界環(huán)境變化的影響，如大風(fēng)、氣壓變化、晝夜溫差等，一般野外觀測時地震計(jì)未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)就開始觀測，這導(dǎo)致儀器本身也存在系統(tǒng)偏差，綜合多種因素影響會導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)有較大偏差，所以野外觀測結(jié)果只能具有參考意義，而不能作為評估臺基質(zhì)量的定性依據(jù)。② 測點(diǎn)附近環(huán)境的是隨時間變化而改變的，如新的工程項(xiàng)目建設(shè)、新礦山開發(fā)等，這些外界因素的改變會影響到臺基質(zhì)量，野外勘選測試結(jié)果只是代表了測試期間的環(huán)境噪聲水平，在臺站建設(shè)并正式運(yùn)行之后，使用實(shí)時觀測的連續(xù)波形記錄進(jìn)行臺基質(zhì)量分析，所得到的結(jié)果或許跟勘選測試結(jié)果有較大出入。

表3 勘選臺站RMS值及分類結(jié)果

5 討論

此次臺基噪聲水平分析的數(shù)據(jù)是來自臺址勘選的48小時連續(xù)觀測記錄，由于野外觀測受環(huán)境變化、人為因素干擾、儀器系統(tǒng)偏差干擾，此次臺基質(zhì)量分析是對《國家地震烈度速報與預(yù)警工程》項(xiàng)目遼寧省地震局新建基準(zhǔn)站野外勘選工作的一個總結(jié)，也是對勘選點(diǎn)位場地環(huán)境噪聲的粗略估算，為臺站的正式建設(shè)給出參考意見，不能做為臺基質(zhì)量評估的定性結(jié)果。臺站正式建成后會減少環(huán)境、人為、儀器系統(tǒng)等因素影響，此時使用臺站連續(xù)觀測數(shù)據(jù)再進(jìn)行臺基質(zhì)量分析，結(jié)果應(yīng)該是更加優(yōu)于勘選期間的測試結(jié)果。另外，由于臺站外界環(huán)境不斷的變化，臺站在建成后也要定期做臺基質(zhì)量評估，以便及時發(fā)現(xiàn)臺站場地環(huán)境的變化，做出應(yīng)對措施，保證臺站觀測質(zhì)量。

［1］ 吳永權(quán)，林偉，何壽清.廣東省“十五"項(xiàng)目測震臺站臺址勘選結(jié)果分析［J］.地震地磁觀測研究，2（28）：90-95.

［2］ 巴特著，鄭治真等譯，朱傳鎮(zhèn)校.地球物理學(xué)中的譜分析［M］.北京：地震出版社，1978.

［3］ 陳祥熊，陳文明，江燕等.福建數(shù)字地震臺網(wǎng)臺址背景噪聲分析［J］.地震地磁觀測與研究，1998.19（5）：13-21.

［4］ 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求第一部分：測震》（GB/T 19531.1－2004）。

［5］ 中華人民共和國地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地震臺站建設(shè)規(guī)范地震烈度速報與預(yù)警臺站》（DB/T 60-2015）。

OVERVIEW OF NEW STATION EXPLORATING PROCEDURE AND RESULT ANALYSIS

AN Xiang-yu，ZHAO Qian，WANG Cheng-wei，LIANG Yi-jing

（Earthquake Administration of Liaoning Province，Liaoning Shenyang 110034，China）

By using data getted from exploration，we calculated noise root-mean-square （RMS）value of ground motion and power spectral density.Though results analysising，stations are classified different level，and these results are used to provide for nomal construction.

station exploration； background noise； RMS value

P315.78

A DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.03.014

1674-8565（2016）03-0074-08

2016-06-06

2016-07-28

安祥宇（1986-），遼寧省大連市人，畢業(yè)于防災(zāi)科技學(xué)院，助理工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測相關(guān)工作。E-mail:79806763@qq.com