靳源 李君 張佩 柴旭超

摘 ?要：利用IRIS研發(fā)的Ispaq工具，選擇陜西、寧夏兩地臺網43個測震臺站48H無震穩(wěn)定的連續(xù)波形記錄，計算出每個臺站的臺基背景噪聲功率譜，并繪制功率譜密度狀態(tài)曲線進行統(tǒng)計分析，結果表明：各臺網各臺站的臺基噪聲背景優(yōu)勢頻率具有不同的特征，有明顯差異。在人為噪聲影響較大的1～20Hz頻段內，陜西榆林臺、延安臺，寧夏鹽池臺、牛首山臺、香山臺、鹽池臺受影響較大，低值區(qū)出現(xiàn)在陜西安康臺、商南臺、商州臺、寧夏銀川臺。

關鍵詞：寧夏;陜西;測震臺網;數(shù)字臺站;背景噪聲;功率譜密度

中圖分類號：P315.78 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）32-0001-07

Abstract： Using the Ispaq tool developed by IRIS， the 48H seismic stable continuous waveform records of 43 seismic stations in Shaanxi and Ningxia provinces are selected， the background noise power spectrum of each station is calculated， and the power spectral density state curve is drawn for statistical analysis. The results show that the dominant frequency of the background noise of each network has different characteristics and obvious differences. In the 1～20Hz frequency band which is greatly affected by man-made noise， Shaanxi's Yulin Station and Yan'an Station， and Ningxia's Yanchi Station， Niushou Mountain Station， Xiangshan Station and Yanchi Station are greatly affected， and the low value areas appear in Shaanxi's Ankang Station， Shangnan Station and Shangzhou Station， as well as Ningxia's Yinchuan Station.

Keywords： Ningxia; Shaanxi; seismograph network; digital station; background noise; power spectral density

引言

本文使用美國地震學聯(lián)合研究會（IRIS）研發(fā)的Mustang服務中的數(shù)據(jù)質量管理（Ispaq）軟件，對陜西省測震臺網29個數(shù)字地震臺、寧夏回族自治區(qū)14個數(shù)字地震臺從2018年8月至2019年8月一年的地動噪聲功率譜密度值進行了計算，并對比了不同臺站的功率密度譜，對其臺基背景噪聲特征進行了分析。

1 臺站現(xiàn)狀

陜西省臺網始建于1953年，在國家“十五”中國數(shù)字地震觀測網絡項目實施后，陜西地震建成了包括1個測震臺網中心、31個測震臺站和7個流動測震臺站等組成的數(shù)字臺網（圖1）。其中包含超寬頻帶、甚寬頻帶、頻帶、短周期等多種觀測儀器，數(shù)據(jù)傳輸采用SDH等方式[1]。

寧夏數(shù)字地震臺網包含14個常規(guī)臺站和1個臺網中心。14個臺站分別是石嘴山、銀川、陶樂、靈武、牛首山、鹽池、同心、中衛(wèi)、香山、海原、固原、西吉、徑源和炭山。其中銀川、鹽池和固原屬于國家基本臺， 它們既是寧夏地震臺網子臺之一， 也是中國地震局地震臺網子臺。14個臺站分布在寧夏的銀川、銀北、銀南、固原等地區(qū)，臺網最大孔徑450km、有7個為有人值守臺站。各臺站與銀川地震臺網中心的數(shù)據(jù)傳輸主要采用擴頻微波、SDH光纜和衛(wèi)星通訊等方式。臺站所使用的主要儀器設備是甚寬帶和寬帶地震儀[2]。

2 方法原理

量化臺站臺基背景噪聲的標準方法是計算噪聲功率譜密度（PSD）。計算平穩(wěn)且隨機的地震數(shù)據(jù)的PSD最常用的方法有很多種，包括直接傅里葉變換方法[3]、Welch方法[4]、Cooley-Tukey方法[5]等等。在本次研究中所采用的方法是直接法，即通過對原始數(shù)據(jù)的有限范圍快速傅里葉變換（FFT）來計算PSD，具有較高的計算效率。

方便我們直觀的與地球低噪聲模型進行對比。

3 資料處理

為了對寧陜地區(qū)的臺基背景噪聲特征進行分析，使用美國地震學研究聯(lián)合會（IRIS）研發(fā)的Mustang服務中的數(shù)據(jù)質量管理（Ispaq）的軟件。

MUSTANG是IRIS開發(fā)的一種數(shù)據(jù)質量綜合保護系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)是為IRIS DMC操作而打造的，所以具有不可移植性。但是，MUSTANG系統(tǒng)的核心組件，即一套完整的數(shù)據(jù)評價指標計算器是開源的。因此，雖然MUSTANG系統(tǒng)本身的計算結果是存儲在數(shù)據(jù)庫，通過web服務提供給用戶，但Ispaq軟件的出現(xiàn)則恰恰是為了用戶可以在本地工作站中計算這些數(shù)據(jù)指標。

Ispaq是一個基于Python的客戶端，它允許地震數(shù)據(jù)研究者在本地工作站上使用與IRIS MUSTANG數(shù)據(jù)質量Web服務中的許多相同代碼來對數(shù)據(jù)質量進行計算。Ispaq提供了FDSN Web服務的選項，可直接從支持FDSN協(xié)議的數(shù)據(jù)中心檢索地震數(shù)據(jù)。另外也支持讀取用戶本地的miniseed格式的波形數(shù)據(jù)。這樣的好處就是無論是FDSN數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)，還是用戶自己的數(shù)據(jù)存儲，用戶都可以根據(jù)自己選擇的數(shù)據(jù)生成即時度量。

在本次研究中，對共45個數(shù)字地震臺臺基噪聲加速度功率譜密度值進行了計算，單位為分貝（dB），為了保證盡可能真實地反映每個臺站臺基噪聲的情況，在選取資料時，選取了每個臺站48H內無地震且干擾不嚴重的波形，通過Ispaq軟件的計算，最終計算出43個數(shù)字地震臺的功率譜值，并繪制出每個臺站的臺基噪聲功率譜密度曲線狀態(tài)圖。

4 噪聲功率譜分析

對所選資料進行處理計算后，得出陜西、寧夏數(shù)字測震臺網各子臺的功率譜，下面將兩地測震臺網各子臺臺基噪聲功率譜密度曲線形態(tài)分以下幾種情況分析。

4.1 無異常的臺站

從安康臺、漢中臺、藍田臺以及華陰臺等幾個臺站的臺基背景噪聲功率譜密度曲線圖上能夠明顯的看出，這幾個臺的功率譜密度曲線在20Hz～20s這個頻段內非常的貼近地球低噪聲模型（NLNM），因此為無異常的臺基背景噪聲功率譜形態(tài)（圖2）。

4.2 異常臺站

4.2.1 臺基噪聲大致正常，低頻段噪聲偏高的臺站

從寧夏的西吉臺、銀川臺以及陜西的漢中國家臺、華縣臺的臺基背景噪聲功率譜密度曲線圖上可以看出，這4個臺的臺基背景噪聲功率譜曲線形態(tài)呈現(xiàn)的是一個大致正常的狀態(tài)，但是在低頻段噪聲較正常的狀態(tài)更加的偏離低地球噪聲模型（NLNM）（圖3）。

4.2.2 臺基噪聲大致正常，高頻段噪聲偏高的臺站

固原臺、鹽池臺、牛首山臺、乾陵臺、銅川臺以及臨潼臺6個臺的臺基背景噪聲功率譜密度曲線圖上可以看到，臺站的臺基背景噪聲功率譜密度曲線形態(tài)大致正常，但在20Hz～1s這個高頻段區(qū)間噪聲明顯，貼近高地球背景噪聲模型（NHNM）（圖4）。

4.2.3 低頻段噪聲高過高地球背景噪聲模型的臺站

從寧夏的石嘴山臺、涇源臺、同心臺，陜西的略陽臺的臺基背景噪聲功率譜密度曲線形態(tài)上可以看出，這幾個臺的低頻段噪聲明顯異常，高于高地球背景噪聲模型（NHNM），據(jù)推斷出現(xiàn)該情況有可能是在臺站附近有固定的噪聲源干擾儀器，但也不排除是臺站所處的構造環(huán)境或者是固定場環(huán)境造成的（圖5）。

通過對兩個地區(qū)的測震臺網各臺基噪聲分析比較（圖6），發(fā)現(xiàn)各臺網各臺站的臺基噪聲背景優(yōu)勢頻率具有不同的特征，其中陜西省臺網中，臺基背景噪聲無異常的臺站占全部臺站的52%，低頻段噪聲高過高地球背景噪聲模型的臺站僅占4%，說明陜西省臺網的總體臺基背景噪聲水平表現(xiàn)的較為優(yōu)秀（圖7）。

而寧夏回族自治區(qū)臺網的臺基背景噪聲水平表現(xiàn)相對較差，本次采用計算得出的臺基背景噪聲功率譜密度曲線形態(tài)中，并未有無異常的臺站，且低頻段噪聲高過高地球背景噪聲模型的臺站占45%（圖7）。

5 背景噪聲分析

寧陜地區(qū)是青藏高原向大陸內部發(fā)展的最前緣地區(qū)，北接阿拉善地塊，東接鄂爾多斯盆地。青藏高原長期受到印度板塊與歐亞板塊的擠壓碰撞作用，導致其從晚新生代開始擁有十分強烈的構造變形，逆沖斷層、走滑斷層等遍布整個東北緣地區(qū)。

陜西省處于青藏高原東北緣的東部，鄂爾多斯盆地的西南部，與寧夏、甘肅相鄰，地勢南北高，中間低，北部與南部分別為與黃土高原區(qū)及秦巴山區(qū)，海拔較高。中部為關中平原地區(qū)。陜西臺網的數(shù)字臺站主要分布在中南部，其中南部秦巴山區(qū)因遠離關中平原，處于欠發(fā)達地區(qū)，受到環(huán)境噪聲影響較小。其中，安康臺、商南臺、商州臺最低可到-175dB;北部處于黃土高原地區(qū)，受礦產開采等人為原因影響，在1～20Hz頻段為人為噪聲的卓越周期呈現(xiàn)出較高的態(tài)勢，榆林臺、延安臺最高可到-110dB。中部地圖臺站主要分布在汾渭平原兩側，大部分臺站臺基背景噪聲無異常，部分臺站，如乾陵臺，可能受到乾陵景區(qū)影響;臨潼臺、銅川臺離相應的城區(qū)較近，人類活動對臺基背景噪聲的影響更為明顯，都在1～20Hz頻段表現(xiàn)得較差，高到-120dB，西安臺因為位于山洞中，因此即便離城市較近，但未表現(xiàn)出異常的臺基背景噪聲。

寧夏回族自治區(qū)總體來看處于相對穩(wěn)定板塊向活動板塊過渡的大地構造區(qū)域，傳統(tǒng)上將寧夏劃分為華北板塊西南緣和秦嶺-祁連褶皺活動帶兩大構造單元（以牛首山-羅山-固原斷裂為界）。其中中部地區(qū)鹽池臺、牛首山臺、香山臺在1～20Hz頻段噪聲變得尤為明顯，鹽池臺因為靠近城鎮(zhèn)人口密集地區(qū)，最高可到-110dB，牛首山臺、香山臺也因為人為活動可到-120dB。另外西吉臺，銀川臺因為架設在山洞的原因，受到人為因素干擾較小，最低可達-170dB。

6 結論

本文通過對陜西及寧夏兩地數(shù)字測震臺網共43個測震臺站48H內無震且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進行計算，計算了其臺基噪聲功率譜，并對其進行了統(tǒng)計分析，得到以下結論：

（1）陜西地區(qū)31個臺站分布較不均勻，呈現(xiàn)北少南多的情況，中南部地區(qū)臺站數(shù)量與質量滿足該地區(qū)的地震速報要求，但北部地區(qū)臺站分布較少且稀疏，可能對整個陜北地區(qū)的地震速報工作帶來一定的影響。

（2）寧夏臺網總體分布均勻，數(shù)量上基本可以滿足寧夏地區(qū)地震速報需求，但需要提高臺站儀器質量以獲得更高品質的觀測數(shù)據(jù)用于未來的地震觀測。

（3）兩個地區(qū)都有部分臺站低頻段噪聲干擾增強，高頻段干擾明顯的情況，功率譜曲線在高地頻段的差異明顯，還需進一步調查臺站臺基以及周邊干擾情況。

（4）應將臺站臺基噪聲分析作為日常工作，充分掌握臺站情況，時刻了解臺站噪聲水平，若臺站環(huán)境無異常，可及時判斷是否為儀器故障，進行維修。

（5）及時分析臺站臺基情況，為提高觀測數(shù)據(jù)質量提供充分的保護，如有需要，可以對略陽臺、涇源臺、石嘴山臺以及同心臺進行環(huán)境改造。

致謝：本研究使用了美國地震學研究聯(lián)合會（IRIS）研發(fā)的Mustang服務中的數(shù)據(jù)質量管理（Ispaq）的軟件，以及中國地震局第二監(jiān)測中心數(shù)據(jù)備份中心的連續(xù)波形觀測數(shù)據(jù)，在此表示感謝

參考文獻：

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[3]By D. E. McNamara， R.I. Boaz. Seismic Noise Analysis System Using Power Spectral Density Probability Density Functions： A Stand-Alone Software Package[J]. u.s.geological survey， 2006.

[4]邢曉晴，朱根民.功率譜估計中窗函數(shù)的選擇與算法分析[J].計算機時代，2018，000（002）：1-4.

[5]Tukey C J W. An Algorithm for the Machine Calculation of Complex Fourier Series[J]. Mathematics of Computation， 1965， 19（90）：297-301.