安 全，趙艷紅，蘇日亞，學 峰，宋曉燕

（內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局監(jiān)測中心，呼和浩特 010010）

0 引言

內(nèi)蒙古地震局地震預警與烈度速報項目現(xiàn)已進入土建、儀器安裝階段，隨著該項目的建設與投入使用，今后地震監(jiān)測臺網(wǎng)的主要任務將是地震預警、地震烈度速報、地震監(jiān)測及地震研究，這些任務的實現(xiàn)均依賴于地震臺網(wǎng)臺站觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)質量高低與臺站布局是否合理直接影響到上述臺網(wǎng)工作的質量，而背景噪聲是影響地震觀測數(shù)據(jù)質量高低的主要因素。為提高臺站觀測數(shù)據(jù)質量，臺站建設前進行臺站勘選，目的主要是為了降低背景噪聲，提高數(shù)據(jù)使用效能。因此對臺站背景噪聲水平進行實時分析、掌握觀測動態(tài)范圍是十分必要的。

地震觀測環(huán)境背景噪聲影響臺站的觀測能力和地震波觀測動態(tài)范圍。背景噪聲越大，從地震記錄中識別小地震事件越難，振幅低于臺站背景噪聲的地震波形將被淹沒在背景噪聲中而無法識別,即背景噪聲越大，監(jiān)測小地震事件的能力越弱，觀測動態(tài)范圍越小。地球表面，總是存在著微小的振動，例如風、寒潮、海浪、交通運輸、人和動物的活動等，都會引起地表微微顫動，它們對地震觀測造成干擾而影響地震觀測的效果，通常稱這些干擾為地震噪聲（地噪聲）或環(huán)境背景噪聲，有時也稱為地脈動。短周期的臺站背景噪聲有其天然的原因，如風、湍急的水流等，另一個主要來源是人類活動，如大型機械、公路和鐵路交通等。在長周期段，水平向噪聲比垂直向噪聲要大的多，這主要是由于傾斜產(chǎn)生的，傾斜可以由交通、風、日照和當?shù)卮髿鈮毫ζ鸱餥1]。

Peterson 等人通過對全球正常背景噪聲功率譜（PSD）的研究，給出了全球低噪聲新模型（NLNM）和高噪聲新模型（NHNM）[2]，已被廣泛應用于地震臺站噪聲水平評價；McNamara 等提出了地震噪聲功率譜 概率密度函數(shù)（Probability Density Function，PDF）方法[3]，可用于臺站噪聲水平和波形質量的測定， 并 在GSN（ Global Seismographic NetWork）與ANSS（Advanced National Seismic System）等臺網(wǎng)應用于日常儀器工作檢測。目前PDF 方法被美國地質調查局國家信息中心（USGS National Earthquake Information Center）、IRIS 數(shù)據(jù)管理中心以及新西蘭地震臺網(wǎng)用于地震臺站背景噪聲水平評價，也被用于美國[4]、意大利[5]、新西蘭[6]、倫敦中部地區(qū)[7]的地震環(huán)境噪聲特征分析。福建省地震局2008 年應用PDF 方法自動處理地震臺站勘選數(shù)據(jù)，2010 年應用PDF 方法檢測了地震儀器系統(tǒng)工作狀態(tài)，2017 年應用PDF 方法開展實時波形數(shù)據(jù)質量自動監(jiān)控[8-10]；2013 年江蘇省地震局結合JOPENS 系統(tǒng)，利用Matlab平臺研發(fā)了運用PDF 方法自動計算背景噪聲，從而實現(xiàn)了對數(shù)字地震臺網(wǎng)觀測系統(tǒng)健康狀態(tài)以及背景噪聲源準實時監(jiān)控[11]；2007 年河北省地震局分析了數(shù)字地震臺網(wǎng)子臺地動噪聲水平[12]；2009 年天津測震臺網(wǎng)分析了子臺地脈動[13]；2019 年北京測震臺網(wǎng)分析了臺基背景噪聲特征[14]。本文應用PDF 方法，計算了內(nèi)蒙古現(xiàn)運行48 個測震臺站0.01～20 Hz頻帶范圍內(nèi)的功率譜密度（PSD）和1～20 Hz 頻帶范圍內(nèi)噪聲均方根（RMS）值，定量分析了內(nèi)蒙古區(qū)域背景噪聲水平。

1 內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)現(xiàn)狀概述

內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)包括48 個測震臺站（圖1）和1 個臺網(wǎng)中心，其中寬頻帶記錄臺站31 個，甚寬頻帶記錄臺站15 個，超寬頻帶記錄臺2 個；地面臺26 個，山洞臺20 個，井下臺2 個；平均臺間距為160 km；臺站分別配置了港震公司生產(chǎn)的EDAS-24IP、EDAS-24GN、CMG-DM24 數(shù)據(jù)采集器；配置的地震計型號有：30 個臺配置BBVS-60 地震計、1 個臺配置BBVS-60DBH 井下地震計、8 個臺配置BBVS-120 地震計、3 個臺配置CTS-1 地震計、1 個臺配置CTS-1EF 地 震 計、2 個 臺 配 置ITC-120A 地 震 計、2 個臺配置JCZ-1T 地震計、1 個臺配置GL-S120B井下地震計。為了更好地監(jiān)測省界地震，從周邊8 個省接入了62 個臺站數(shù)據(jù)。最終，內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)共匯集、處理110 個臺站數(shù)據(jù)。

圖1 內(nèi)蒙古測震臺站分布圖

2 原理和方法

2.1 數(shù)據(jù)預處理

從內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)JOPENS 系統(tǒng)流服務器讀取原始波形后，進行預處理。對波形數(shù)據(jù)進行去均值、去長周期成分，并將原始波形分段。前人對于噪聲的研究中，多數(shù)會將觀測系統(tǒng)的瞬態(tài)變化、儀器毛刺（如數(shù)據(jù)記錄階躍、限幅、尖峰、標定）等信號去除。本文在數(shù)據(jù)處理過程中，使用McNamara等[3]提出的PDF 方法，該方法認為上述信號出現(xiàn)的概率相對純粹的背景噪聲是小概率事件，計算中的連續(xù)波形數(shù)據(jù)可以不全是純粹的背景噪聲，而上述信號也將被包含在里面，從而可以更科學地評估臺站的噪聲特性。

2.2 功率譜密度的計算

對周期時間序列 y(t)的有限范圍傅里葉變換可表示為

式中： Tr為 時間序列段長度， f為頻率。

對離散頻率值 fk，傅里葉變換定義為

式中：fk=k/（NΔt），其中k=1, 2, 3，···，N-1；Δt 為采樣間隔（0.01 s），N=Tr/Δt 為截取時間段的采樣點數(shù)。

根據(jù)維納-辛欽定理，功率譜密度（PSD）定義為

將速度PSD 值轉換為加速度PSD，采用以下公式

需要扣除儀器傳遞函數(shù)影響，以反映真實地動噪聲物理量值

式中： PSDα(f)為真實地面運動加速度功率譜。

2.3 平滑處理

為了得到PSD，在頻域對數(shù)坐標中呈等間隔采樣，本文采用1/3 倍頻積分作為平滑處理：

式中： fl=2?1/6fc為 低頻拐角頻率； fh=21/6fc為 高頻拐角頻率；n 為介于二者之間頻率 f 的個數(shù)。由（6）式得到中心頻率 fc的 PS Dα(f) 平 均值 PS Dα(fc)。作為 fc的 加速度功率譜密度的PSD 值，中心頻率 fc以1/9 倍頻程為增加步長，即下一個中心頻率 fc=21/9fc，重新計算相應的 fl和 fh； 然后將新的 fl和 fh之間的PSD 值平均值作為下一個中心頻率 fc的PSD 取值。這樣，在 fc的取值范圍0.02～40 Hz 內(nèi)，每個記錄段的PSD 值隨頻率變化情況可由在對數(shù)坐標系呈等間隔采樣的中心頻率的PSD 值來表示。

2.4 概率密度函數(shù)計算

每個中心頻率 fc的PSD 概率密度函數(shù)為：

式中： Nfc為 fc的 頻點的記錄段總數(shù)； NPfc為 fc的頻點的PSD 值落在某PSD 取值范圍內(nèi)的記錄段個數(shù)，在本研究中PSD 窗長與步長都取1 dB，變化范圍為-200～-50 dB。然后，以頻率為橫坐標、以PSD 為縱坐標、以 PPSD(fc)色塊顏色深淺繪制三維平面圖，得到功率譜概率密度函數(shù)（PDF）分布圖，不同色塊代表某頻點在一定PSD 窗內(nèi)功率譜概率數(shù)。

臺站環(huán)境背景噪聲水平的速度均方根值（RMS），根據(jù)Bormann[15]提出的下式進行計算，

式中： RBW=(fh?fl)/fc為相對寬度。

3 噪聲特征分析

以內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)JOPENS 系統(tǒng)為基礎，以波形數(shù)據(jù)質量分析軟件（Continuous Wave Quality Look，簡稱CWQL）為支撐[11]，從JOPENS 系統(tǒng)mysql 數(shù)據(jù)庫實時讀取48 個臺站參數(shù)，從流服務獲取48 個臺站實時數(shù)據(jù)，準實時自動繪制各臺站各通道PSD 值和PDF 圖；計算1～20 Hz 頻段背景噪聲水平速度均方根（RMS）值，并存儲結果；從結果中讀取2020 年5 月1—7 日7 天結果數(shù)據(jù)，從中挑選三分向RMS 平均值最低和最高各8 個臺站，再從16 個臺站中挑選相對高噪聲和低噪聲各4 個臺垂直向（BHZ）和南北向（BHN）PDF 圖進行噪聲特征分析。

3.1 RMS 值計算

統(tǒng)計了內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)48 個測震臺站信息，取2020 年5 月1—7 日連續(xù)7 天觀測數(shù)據(jù)三分向中1～20 Hz 頻段背景噪聲，計算其速度均方根（RMS）值，并將三分向RMS 平均值由低到高排序（表1）。

3.2 PDF 圖分析

表1 48 個臺站2020 年5 月1—7 日1～20 Hz 頻段RMS（m/s）值

續(xù)表1

圖2 四個高噪聲臺南北向（BHN）和垂直向（BHZ）PDF 圖

圖3 4 個低噪聲臺南北向（BHN）和垂直向（BHZ）PDF 圖

從表1 中挑選RMS 值較高和較低的臺各4 個，畫出該8 個臺南北向和垂直向PDF 圖（圖2～3），并進行噪聲特征分析。其中，圖2 為相對高噪聲臺南北向和垂直向PDF 圖；圖3 為相對低噪聲臺南北向和垂直向PDF 圖。

由圖2 和表1 可知：

1）該4 個高噪聲臺，在1 Hz 以上的頻段各臺站兩分向PSD 圖形狀和幅度基本一致，幅度明顯有個臺階性的上升，并接近全球高噪聲模型NHNM，個別臺站甚至高出該模型，PDF 值也比較集中在一定數(shù)值范圍，通過Google Earth 地圖輸入對應臺站經(jīng)緯度，查看臺站附近較大村莊、縣級以上公路等干擾源距離，發(fā)現(xiàn)該頻段隨著臺站與干擾源距離由遠到近，PSD 值拐角頻率由低頻到高頻方向移動；

2）在低頻段，地面臺站南北向和垂直向PSD 值有一定的差距，南北向PSD 值明顯高于垂直向值，而山洞和井下臺2 分向PSD 值基本一致，這與地面臺恒溫、恒濕效果不如山洞臺好有關，而清水河臺雖然觀測方式為山洞，但低頻段受影響明顯大于赤峰臺，這是由于清水河臺山洞深度（8 m）不夠深造成的。

由圖3 和表1 可知：

1）低噪聲臺在整個頻段PSD 值較平穩(wěn)，沒有像高噪聲臺那么大的幅值段，PDF 值較集中，只有烏力吉和額肯呼都格臺南北向低頻段和烏加河臺兩分向2～5 Hz 段及額肯呼都格臺2～4 Hz 段幅度偏高一些，這是因為烏力吉和額肯呼都格臺屬于地面觀測，低頻段南北向受溫度和濕度影響造成的，而烏加河臺2～5 Hz 段及額肯呼都格臺2～4 Hz 段是因為受較遠處的公路影響造成的，且受影響有限；

2）相較于高噪聲臺PDF 圖，并通過Google Earth 地圖查看臺站周圍環(huán)境可知，低噪聲臺站距離村落及縣級以上公路至少1 km 以上，而大部分高噪聲臺站距離村落和縣級以上公路較近，基本在0.5 km以內(nèi)。

4 結論

通過計算內(nèi)蒙古自治區(qū)現(xiàn)運行48 個測震臺站0.01～20 Hz 頻帶范圍內(nèi)的功率譜密度和1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)噪聲均方根值，定量分析內(nèi)蒙古區(qū)域背景噪聲水平，得出以下結論。

1）參照GB/T 19531.1—2004《地震臺站觀測環(huán)境技術要求第1 部分：測震》，內(nèi)蒙古地區(qū)臺站背景噪聲水平較好，在1～20 Hz 段臺站最低平均噪聲水平為2.06×10-9，屬于Ⅰ類噪聲水平；臺站最高平均噪聲為7.49×10-8，屬于Ⅱ類噪聲水平。內(nèi)蒙古區(qū)域48 個臺站中，平均噪聲水平屬于Ⅰ類的臺站有45 個，Ⅱ類3 個。

2）內(nèi)蒙古地區(qū)高噪聲臺站主要受交通和人為活動影響，其中受交通影響大于人為活動；

3）內(nèi)蒙古地區(qū)低噪聲臺站主要分布在距離村落和交通較遠的偏遠地區(qū)；

4）內(nèi)蒙古地區(qū)山洞臺站在低頻段受溫度和濕度影響要比地面臺小很多，山洞越深受影響越?。?/p>

5）內(nèi)蒙古地區(qū)地面臺水平向噪聲水平要比垂直向受溫度和濕度影響大。