劉孝峰，樊曉春，鄭建華，侯躍偉

(1.南京市地震監(jiān)測預(yù)警中心，江蘇 南京 210019；2.南京市地震局，江蘇 南京 210019)

運用數(shù)字地震觀測系統(tǒng)獲取寬頻帶、大動態(tài)范圍、高分辨率及低失真度的數(shù)字地震記錄，可以進行地震速報，測定不同震源模型下的各種運動學(xué)與動力學(xué)參數(shù)，為進一步研究地震學(xué)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。影響地震記錄的因素有震源機制、地震波傳播路徑、臺址及觀測系統(tǒng)(楊晶瓊等，2005)。目前，震源機制和地震波傳播路徑對地震記錄產(chǎn)生的影響尚無法控制和改變，但可以通過選擇優(yōu)良的臺址和觀測儀器，降低觀測系統(tǒng)的噪聲水平，從而提高臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力和獲取更高質(zhì)量的地震波。臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力通常依賴于地震觀測臺站的背景噪聲水平，由于地表噪聲的存在，使得地震計對微小信號的監(jiān)測能力減弱。在數(shù)字地震觀測系統(tǒng)實時記錄中，包含了地震信號、系統(tǒng)故障引起的各種失真信號、臺站周圍的環(huán)境噪聲等信息，實時連續(xù)記錄的信號反映了地震觀測系統(tǒng)的運行狀態(tài)(王俊等，2009)。市屬臺站作為省測震臺網(wǎng)的補充，與省屬臺站、國家臺相比，專業(yè)技術(shù)力量欠缺，也缺少通過功率譜概率密度函數(shù)和地基噪聲水平等方法來評價市屬臺站觀測系統(tǒng)，因此有必要加強對市屬臺站的管理。本文通過計算南京市市屬臺站的背景噪聲功率譜概率密度函數(shù)分布和臺基噪聲水平，動態(tài)了解臺站數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量、觀測系統(tǒng)健康狀況和臺站觀測環(huán)境變化情況，以期提高臺站的管理水平。

1 臺網(wǎng)概況

南京市位于長江下游中部地區(qū)，東接長江三角洲，南靠寧鎮(zhèn)丘陵，西倚皖贛山區(qū)，北連江淮平原。地貌特征屬寧鎮(zhèn)揚丘陵地區(qū)，以低山緩崗為主，平均海拔8.9 m。南京測震臺網(wǎng)跨度南北約150 km，中部東西寬50～70 km，南北兩端東西寬約30 km，平均臺間距30.5 km，最大臺站間距為57 km。該臺網(wǎng)于2003年5月正式運行，由六合臺、浦口臺、江寧臺、溧水臺和高淳臺5個測震臺站和1個臺網(wǎng)中心組成。各測震臺主要采用CMG-3ESPC-60地震計和CMG-DM24數(shù)據(jù)采集器，2015年7月六合測震臺更換為BBVS-120地震計和EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器，所有臺站均通過電信2M光纖專線接入測震臺網(wǎng)中心，并配備4G無線網(wǎng)絡(luò)作備用傳輸。另外，南京市測震臺網(wǎng)接入安徽嘉山、含山、滁州、馬鞍山、涇縣、江蘇盱眙臺、鎮(zhèn)江臺、金壇臺和溧陽臺等9個測震臺。

2 計算方法

背景噪聲計算通常會去掉或歸一化處理記錄波形中的地震信號、數(shù)據(jù)記錄間躍、限幅、尖峰、脈沖標定(Campillo et al，2003；McNamara et al，2004)。最新的研究表明這些信號相對于低水平的背景噪聲是低概率的事件，對臺站的背景噪聲水平評價時，這些信號是非常有用的，其概率值的大小可以用來評價地震觀測系統(tǒng)的運行狀態(tài)和記錄數(shù)據(jù)的質(zhì)量(王俊等，2013)。功率譜概率密度函數(shù)用來描述數(shù)據(jù)記錄中各種信號的功率譜在各個頻率點上的概率分布情況，由于每一條數(shù)據(jù)記錄信號反映了觀測系統(tǒng)在某一特定時刻的狀態(tài)，其記錄過程具有唯一性，說明信號出現(xiàn)的頻率值代表了臺站觀測系統(tǒng)運行中的狀態(tài)，因此可以利用功率譜概率密度函數(shù)來評價臺站觀測系統(tǒng)的運行狀態(tài)。本文選取南京市市屬臺站2016～2018年的連續(xù)波形為樣本，分別計算臺基噪聲水平和功率概率密度函數(shù)。

以地震臺站各通道每小時的連續(xù)波形為樣本，計算臺基噪聲水平的步驟如下(王俊等，2013)：(1)去除數(shù)據(jù)中的線性趨勢；(2)對每條計算樣本進行分段，并按50%進行重疊，每段的長度L為327.68 s；(3)采用WELCH方法計算每段信號的功率譜密度。此外，為了最大限度地減小重疊后“頻譜泄露”效應(yīng)，并增加頻峰的寬度，采用漢寧窗(hanning)函數(shù)來提高頻譜的分辨率；(4)取各段信號功率譜的平均值作為整段計算樣本的功率譜值，并在頻域里扣除儀器響應(yīng)；(5)在全頻帶內(nèi)，對每一條功率譜密度，以1/8倍頻為單位間隔滑動計算平均值，即將在短拐角周期Ts和長拐角周期TL=2×Ts內(nèi)的平均功率譜值，賦給幾何中心周期Tc：

(1)

式中：Ts按1/8倍頻增加，即Ts=Ts×21/8，頻率范圍為90 s～35 Hz。(6)對于某一給定中心頻點，在某一時間段內(nèi)，各種記錄信號的功率譜密度(PSD)值在1 dB單元間隔內(nèi)的概率(PDF)可用下式表示：

P(Tc)=Np(Tc)/N(Tc)(-60 dB

(2)

(7)臺站環(huán)境背景噪聲水平的均方根值(RMS)，根據(jù)Bromann(2012)提出的下式進行計算：

αRMS={R×(fu-f1)}1/2=(P×f0×RBW)1/2

(3)

式中P為matlab計算的雙邊功率譜密度，RBW=(fu-f1)/f0為相對帶寬，f0為分度倍頻程中心頻率，fu為分度倍頻程上限頻率，f1為分度倍頻程下限頻率。

3 臺基背景噪聲分析

計算2017年10月南京市地震臺網(wǎng)所屬臺站臺基背景噪聲水平，用背景噪聲的加速度功率譜(PSD)的概率密度函數(shù)(PDF)分布圖來表示臺基噪聲水平，有效頻段范圍為90 s～35 Hz。圖1是高淳臺2017年10月3分向的加速度功率譜的概率密度函數(shù)分布圖。表1是南京市地震臺網(wǎng)所屬臺站3分向的詳細結(jié)果，各分向的RMS值取其所有結(jié)果的中值。計算結(jié)果顯示：2017年10月各臺站噪聲水平整體上在1.63E-08 m/s至1.82E-07 m/s之間，其中Ⅲ類噪聲水平臺站為浦口臺和六合臺，Ⅱ類噪聲水平臺站為江寧臺和溧水臺，高淳臺為Ⅰ類噪聲水平臺站。六合臺因鉆孔應(yīng)變施工，導(dǎo)致六合臺背景噪聲水平上升。

表1 2017年10月南京市地震臺站的臺基背景噪聲水平

圖1 2017年10月高淳臺加速度功率譜的概率密度函數(shù)分布圖

分別計算2016年、2017年、2018年南京市地震臺網(wǎng)所屬臺站臺基背景噪聲水平，2016年臺站背景噪聲水平整體上在5.537491E-09 m/s至1.966863E-07 m/s之間，2017年在3.251138E-10 m/s至2.491527E-07 m/s之間，2018年在1.251134E-08 m/s至2.69275E-07 m/s之間，就整體水平來看，2017年與2018年臺站背景噪聲水平整體高于2016年。南京市地震臺網(wǎng)所屬臺站2016～2018年每月的臺基背景噪聲水平見圖2。經(jīng)研究分析：高淳臺2017年除2月、6月、12月因地震計故障外，常年為Ⅰ類噪聲水平臺站；江寧臺位于區(qū)中心山洞內(nèi)，臺站背景噪聲水平穩(wěn)定，2017年臺基背景噪聲水平高于2016年，2017年8月明顯上升，疑是更換地震計導(dǎo)致，總體為Ⅱ類噪聲水平臺站；六合臺2017年、2018年臺基背景噪聲水平高于2016年，主要是受周邊修路、石子廠的影響，尤其是2017年9～11月期間，臺站周邊鉆孔應(yīng)變施工導(dǎo)致臺基背景噪聲水平明顯上升，2018年全年除10月份周邊施工減少為Ⅰ類，其他時間全部為Ⅱ類噪聲水平臺站，六合臺總體為Ⅱ類噪聲水平臺站；溧水臺2017年與2018年臺基背景噪聲水平整體高于2016年，因臺站500 m外開挖東廬山興建溧水觀音寺導(dǎo)致；浦口臺位于區(qū)中心鬧市區(qū)，常年受干擾，為Ⅲ類噪聲水平臺站數(shù)；南京臺為國家基準臺，作為參照，常年為Ⅱ類噪聲水平臺站。

圖2 臺基噪聲分平劃分

4 臺基背景噪聲分析及應(yīng)用

4.1 監(jiān)控臺站觀測環(huán)境的應(yīng)用

公眾和相關(guān)部門更多地關(guān)注地震監(jiān)測預(yù)報結(jié)果，但是對地震觀測環(huán)境保護工作認識不足，在過去20余年間南京市地震觀測環(huán)境遭受了較強的破壞(樊曉春等，2016)。由于南京市地震臺站較遠、位置較偏，難以及時監(jiān)控到觀測環(huán)境是否受到干擾影響，為此地震主管部門對觀測環(huán)境保護常常是“事后”執(zhí)法，其監(jiān)督執(zhí)法往往陷于被動地位。近年來南京地區(qū)有感地震常發(fā)，周邊地區(qū)發(fā)生多次破壞性地震，保護觀測環(huán)境顯得尤為重要，通過臺基背景噪聲水平監(jiān)控地震觀測環(huán)境，緩解無人值守臺站不能及時監(jiān)控的問題。南京市各臺站的環(huán)境狀況見表2，其中除浦口臺為有人值守的臺站外，其他臺站均為無人值守臺站。

表2 南京市地震臺站統(tǒng)計

(1)溧水觀音寺施工。溧水觀音寺位于南京市溧水區(qū)東蘆山主峰西北側(cè)山腰處，距溧水地震臺約500 m。該寺為雞鳴寺下院，是江蘇省和南京市政府批準重點建設(shè)的寺廟，2000年開始興建。2017年建設(shè)速度加快，開挖山體、修路、主體施工，導(dǎo)致施工期間地震臺基背景噪聲上升。圖3為溧水臺2017年1～12月臺基背景噪聲水平，可以看出1～3月背景噪聲數(shù)據(jù)較大，通過實地巡檢發(fā)現(xiàn)，1～3月該寺施工建設(shè)強度最大，與背景噪聲數(shù)據(jù)結(jié)果吻合。

(2)六合臺體應(yīng)變施工。六合臺位于南京市六合區(qū)冶山鎮(zhèn)冶山林場內(nèi)，附近冶山鐵礦已停產(chǎn)，該礦周圍仍偶爾有爆破開采石頭，2017年6月因石子廠等小企業(yè)經(jīng)常有未經(jīng)正式許可爆破開挖山體、周邊修高速公路引起臺基背景噪聲有所上升。2017年9月15日至11月5日六合臺鉆孔應(yīng)變觀測項目在原址附近施工，導(dǎo)致六合臺臺基背景噪聲上升，如圖4所示。表3為鉆孔應(yīng)變9月15～19日白天鉆孔應(yīng)變施工和晚上00:00-04:00無干擾下的背景噪聲對比。另外，通過實時觀察臺網(wǎng)中心的地脈動記錄波形，發(fā)現(xiàn)掃描時間為6 s的窗口也難以直觀識別施工干擾，但通過六合臺BHN和BHZ分向的加速度功率譜的概率密度函數(shù)分布圖(見圖5)，看到2017年10月1～31日，共740條功率譜結(jié)果顯示，存在1個頻率約為10 Hz的干擾源。

表3 六合臺的臺基背景噪聲

圖3 2017年1～12月溧水臺東西向臺基背景噪聲水平

圖4 2017年6～12月六合臺東西向臺基背景噪聲水平

圖5 2017年10月六合臺BHN和BHZ分向的加速度功率譜的概率密度函數(shù)分布圖

4.2 監(jiān)控地震觀測系統(tǒng)健康狀態(tài)的應(yīng)用

地震觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄中的階躍、某些瞬態(tài)變化、故障引起的信號失真(記錄中疊加了高頻電流信號等)、通信鏈路短時中斷及特點頻率的環(huán)境干擾等，臺站維護人員通常難以及時發(fā)現(xiàn)。本文中的計算方法對記錄信號的最小分辨率約為0.0122 Hz，可以清晰直觀辨別記錄信號中細微差異(王俊等，2013)。圖6為高淳臺2017年1月5～7日的BHZ分向的加速度功率譜的概率密度函數(shù)分布圖，呈斜線形，與正常的噪聲概率密度分布不同，BHE和BHN分向與BHZ類似。圖7為 2017年1月高淳臺部分背景噪聲示意圖，通過對比江寧臺1月5～7日的三分向記錄的連續(xù)波形，三個分向基本一樣，難以直觀發(fā)現(xiàn)BHZ分向的記錄有異常，后經(jīng)江蘇省地震局儀器維修人員確定為地震計故障。2017年2月更換新CMG-3ESPC-60地震計后，高淳臺噪聲概率密度分布函數(shù)恢復(fù)正常。

圖6 2017年1月高淳臺BHZ的加速度功率譜的概率密度函數(shù)分布圖

圖7 2017年1月高淳臺部分背景噪聲示意圖

2017年6月23日高淳臺工作人員發(fā)現(xiàn)地震計靠擺，標定結(jié)果顯示BHE和BHN異常，但通過查看高淳臺的加速度功率譜的概率密度函數(shù)分布，發(fā)現(xiàn)2017年6月14～15日BHE和BHZ分向的加速度功率譜的概率密度函數(shù)分布圖(見圖8)呈斜線形，與1月份地震計故障相似，表明地震計即將或已經(jīng)出現(xiàn)故障。2018年2月4日六合臺地震計靠擺，查看六合臺的加速度功率譜的概率密度函數(shù)分布，發(fā)現(xiàn)2018年2月3～6日BHE和BHN分向的加速度功率譜的概率密度函數(shù)分布圖(見圖9)存在異常，表明地震計即將或已經(jīng)出現(xiàn)故障，與上述分析結(jié)果一致。因此通過對實時記錄的噪聲水平進行監(jiān)控和分析，可以及時監(jiān)控到地震觀測系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

圖8 2017年6月高淳臺BHE和BHN分向的加速度功率譜的概率密度函數(shù)分布圖

圖9 2018年2月六合臺BHE和BHN分向的加速度功率譜的概率密度函數(shù)分布圖

5 結(jié)論

通過對南京市測震臺網(wǎng)臺站背景噪聲水平的計算與分析，可以及時地監(jiān)控地震觀測環(huán)境的變化情況，進一步分析了溧水、六合等臺站觀測環(huán)境的變化及其原因，有效解決了無人值守臺站不能及時監(jiān)控觀測環(huán)境變化的問題。利用實時記錄的背景噪聲水平來監(jiān)控地震觀測系統(tǒng)“健康”狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)了高淳臺2次、六合臺1次地震計故障，可以幫助系統(tǒng)維護人員及時地發(fā)現(xiàn)觀測系統(tǒng)中的故障信號，縮短儀器故障的修復(fù)時間，確保觀測系統(tǒng)的高效運行。南京測震臺網(wǎng)作為區(qū)域性臺網(wǎng)，所屬臺站均為市屬臺站，承擔南京及其周邊地區(qū)地震速報任務(wù)，與省屬臺站相比，專業(yè)水平有差距，通過對臺站背景噪聲水平的分析，可以進一步提高市屬臺的監(jiān)測能力，對動態(tài)了解臺站數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量、監(jiān)控臺站觀測環(huán)境的變化以及地震觀測系統(tǒng)健康狀態(tài)具有一定的參考意義。