劉亞楠，劉保華，劉晨光，華清峰，顏文華

1.中國海洋大學海洋地球科學學院，青島 266100 2.自然資源部第一海洋研究所海洋地質(zhì)與成礦作用重點實驗室，青島 266061 3.青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室，青島 266061 4.國家深海基地管理中心，青島 266100 5.陜西省地震局，西安 710068

地震臺站的背景噪聲研究是地震學研究的一個重要課題[1-3]。Peterson選取了全球地震臺網(wǎng)中的75個地震臺，利用它們記錄的背景噪聲數(shù)據(jù)，構(gòu)建了著名的全球背景噪聲高值模型和低值模型[4]。Mcnamara和Buland在傳統(tǒng)的噪聲功率譜密度分析方法的基礎上提出了更全時段地分析地震臺站噪聲的概率密度函數(shù)統(tǒng)計分析方法[5]。自此，通過概率密度函數(shù)統(tǒng)計分析方法獲取臺站數(shù)據(jù)的功率譜密度的概率分布特征，并與全球背景噪聲新的高模型和低模型對比，已經(jīng)成為評估臺站周圍環(huán)境背景噪聲水平的最常用手段[6-9]。

南海東部次海盆一直是海洋地質(zhì)與地球物理研究的熱點地區(qū)[10-13]。然而，海域地震臺站的缺失導致天然地震學方法在此區(qū)域的應用一直存在很大的限制。例如，前人的研究多依賴南海周邊的海南島、呂宋島和中南半島上的陸基臺站接收到的遠場地震數(shù)據(jù)，故天然地震學手段的應用僅限于層析成像等方法[14-15]。而像接收函數(shù)分析、背景噪聲分析這樣依賴地震臺站近場接收數(shù)據(jù)的研究是無法開展的。海底地震儀的出現(xiàn)大大拓展了直接在深海大洋中進行天然地震觀測的能力[16-18]。海底地震儀在海床上記錄到的信號包括各種類型的地震信號、背景噪聲信號等。因此，海洋背景噪聲水平成為影響海底地震儀地震觀測質(zhì)量的一個重要因素[19]。了解海洋背景噪聲的分布特征對于評估地震觀測質(zhì)量及后續(xù)數(shù)據(jù)處理如何降低噪聲均具有重要指示意義。

國家海洋局第一海洋研究所和同濟大學共同實施了南海大規(guī)模的被動源海底地震儀臺陣長期觀測實驗。Liu等主要對臺站HY02的微震頻段的背景噪聲進行了概率密度函數(shù)統(tǒng)計分析，并將其眾數(shù)譜曲線與陸地和洋島臺站進行了對比[16]。Xiao等則利用部分數(shù)據(jù)對微震頻帶的背景噪聲進行了功率譜密度分析，并對其影響因素進行了討論[20]。可以看出上述研究分析均聚焦于背景噪聲的微震頻段，缺乏對其他頻段、其他臺站、特殊地震信號等的討論和對比。因此，本研究利用上述實驗的部分數(shù)據(jù)對南海的背景噪聲在全頻段進行了討論，并與其他臺站做了對比；同時對觀測過程中出現(xiàn)的地震以及其他信號的概率密度分布進行了歸納總結(jié)；最后研究了背景噪聲的時間變化規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)與方法

國家海洋局第一海洋研究所和同濟大學共同實施了南海第一次大規(guī)模的被動源海底地震儀長期觀測實驗。2012年4月，項目組利用國家自然科學基金船時共享計劃，由“東方紅2”科學考察船實施了海底地震儀布放航次。該實驗圍繞黃巖-珍貝海山鏈呈網(wǎng)狀布放了18臺海底地震儀，絕大多數(shù)臺站的布放水深超過了3 500 m。2013年4月，項目組利用廣東海洋大學的“天龍”科學考察船組織了回收航次，成功地回收了海底地震儀。

本研究利用了該實驗中的三臺海底地震儀的觀測數(shù)據(jù)（臺站編號：HY15、HY16、HY17），三臺海底地震儀的型號均為Guralp CMG-40T。布放位置均為殘留擴張脊北側(cè)，水深超過3 500 m（見圖1和表1）。臺站的間距約70 km。海底地震儀雖然在海底布放了一年的時間，但受電池容量的影響，它們的有效工作時間均只有兩百多天。

海底地震儀的三分量數(shù)據(jù)首先去儀器響應轉(zhuǎn)換為速度記錄。將連續(xù)的速度記錄分割為24 h的數(shù)據(jù)段；再分為長度為1 h的數(shù)據(jù)段，按照數(shù)據(jù)段的重合率為50%截取，這樣一天將有48段數(shù)據(jù)；再將1 h的數(shù)據(jù)段分成長度1 000 s的數(shù)據(jù)段，按照數(shù)據(jù)段的重合率為80%截取，由此1 h可以得到14段數(shù)據(jù)；對每小段數(shù)據(jù)去均值和線性趨勢，最后計算這一小段時間序列的速度功率譜密度。重復計算每小段的速度功率譜密度并取平均值，從而得到速度功率譜密度隨頻率的分布[7]。功率譜密度的計算過程如下。

周期時間序列g(shù)(t)的傅里葉變換可表示為：

其中，n為時間序列的長度，f為頻率。對于離散頻率值fk，可定義為:

Δt為 采樣間隔，N為截取時間段的采樣點數(shù)。功率譜密度定義為:

圖1 海底地震儀臺站分布圖紅色五角星代表海底地震儀布放位置，橙黃色雙虛線代表殘留擴張脊，粉色鋒線為馬尼拉俯沖帶。Fig.1 Location map of the stations The red stars represent OBS stations, orange double dotted lines represent extinct spreading ridges,the pink solid line with triangles represents the Manila subduction zone.

表1 南海東部次海盆臺站布放資料Table 1 The deployment data of OBS

為了對速度功率譜密度進行充分采樣，我們按照1/8倍頻程間隔對整個頻率周期進行重采樣處理。功率值在短周期Ts與 長周期Tl=2*Ts之間進行平均，對應的周期Tc為倍頻程內(nèi)的幾何平均值：

Ts按1/8倍頻程增加，Ts=Ts*21/8，用于計算下一個間隔的平均功率。重復這一過程，持續(xù)至原始資料時間序列長度最長的有效周期。為了便于后期與NHNM和NLNM進行對比分析，需要將速度功率譜密度轉(zhuǎn)化為加速度功率譜密度，并將加速度功率譜密度的單位轉(zhuǎn)變成分貝：

最后，以1 dB為步長進行概率統(tǒng)計，統(tǒng)計范圍為-200～-50 dB，Nf是 以f為中心頻率的所有功率譜密度的個數(shù)，Ndf是 頻率f處 功率譜密度在d～d+1dB范圍內(nèi)的個數(shù)，則 (f,d)處的概率密度為

由此統(tǒng)計所有的頻率，得到功率譜密度在-200～-50 dB上的分布。

2 背景噪聲特征

通過上述計算獲得了臺站HY15的三分量噪聲功率譜密度的概率密度函數(shù)分布圖，如圖2所示。直觀來看，在全頻帶范圍內(nèi)，兩水平分量的背景噪聲水平是要高于垂直分量的。造成這種差別的主要原因是，本研究所用海底地震儀的水平分量與海底的耦合程度受洋流或地形的影響較垂直分量差[21-23]。Guralp CMG-40T 型海底地震儀記錄的頻帶寬度為50 Hz～60 s，故將其頻帶寬度劃分為3個范圍來分析：高頻段（0.025～1 s，1～40 Hz）、微震段（1～20 s，0.05～1 Hz）、長周期段（20～50 s，0.02～0.05 Hz）。

在長周期低頻段，三分量的噪聲功率譜密度都呈現(xiàn)出一個明顯高于NHNM的寬緩的峰值，且兩個水平分量的水平明顯高于垂直分量。這一頻帶的噪聲主要受洋流和極低頻海浪的影響。洋流主要通過與海底地震儀相互作用產(chǎn)生噪聲，例如，其流過海底地震儀時會形成湍流從而影響水平分量。極低頻海浪會作用于海底，使之變形產(chǎn)生柔性噪聲從而影響垂直分量，而海底地震儀的傾斜又會使這些噪聲泄漏到水平分量中[24]。極低頻海浪產(chǎn)生的次重力波僅在波長大于水深h的頻率下才是顯著的：h=100 m時低于0.12 Hz，h=1 000 m時低于0.04 Hz，h=4 000 m 時低于 0.02 Hz[22]。

在微震段，0.07 Hz左右的單頻微震峰的主要成因與海浪和近岸淺水區(qū)的相互撞擊產(chǎn)生的地震能量有關(guān)，它的頻率與產(chǎn)生它的海浪的頻率相同，在遠離陸地的公海上較為微弱[5]。臺站HY15距離呂宋島的海岸線較近，故此頻率處的背景噪聲水平高于NHNM。在0.3 Hz左右高于NHNM的最大峰值被稱為雙頻微震峰，命名規(guī)則是因為它的觀測頻率兩倍于產(chǎn)生它的海浪的頻率。Longuet-Higgins解釋了其成因，沿相反方向傳播的等周期的海浪疊加而產(chǎn)生半個標準海浪波周期的重力駐波，靜止的重力波在水中引起擾動，這些擾動傳播到洋底就是雙頻微震噪聲[25]。雙頻微震噪聲有本地源（短周期，0.2～0.45 Hz）和遠源（長周期，0.085～0.2 Hz）[26-27]。本臺站在微震段以0.2 Hz為界，小于0.2 Hz的噪聲迅速降低意味著遠源雙頻微震的缺失，主要原因是南海作為一個封閉的邊緣海與產(chǎn)生遠源雙頻微震的太平洋的聯(lián)系較弱；大于0.2 Hz的雙頻微震噪聲呈現(xiàn)出大的峰值，這表明本地的海浪是產(chǎn)生微震的主要源頭。

圖2 臺站HY15的三分量背景噪聲功率譜密度的概率密度分布圖兩條藍色實線分別代表全球背景噪聲高值和全球背景噪聲低值；黑色實線代表眾數(shù)值。Fig.2 The PDF of station HY15 The two blue solid lines represent NHNM and NLNM.The black solid line represents the mode value.

在高頻段，背景噪聲水平處于NHNM和NLNM之間，在一個正常的水平范圍內(nèi)。高頻段的背景噪聲主要是人類活動引起的噪聲，例如公路、鐵路、工廠等產(chǎn)生的噪聲[7]，這些噪聲正是深海大洋中極度缺失的。

為了更好地分析南海東部次海盆的背景噪聲水平，將臺站HY15和與之距離較遠的臺站HY17進行了對比分析。由圖3可知，在全頻段上，臺站HY17與臺站HY15的背景噪聲水平相近，表明由海底地震儀得到的背景噪聲的覆蓋范圍是可以代表整個研究區(qū)的。但在一些頻率處，兩個臺站仍有微小的差異波動，例如長周期段和微震段。兩個臺站處于同一個研究區(qū)，故臺站所處的具體位置成為控制上述差異的主要因素。例如，臺站HY17相比臺站HY15距離海岸線更近，更容易受海浪拍擊海岸的影響；臺站HY17位于海山區(qū)，故相比于海盆區(qū)的臺站HY15，其崎嶇的海底地形會減弱海底洋流對海底地震儀的影響。

NHNM和NLNM是通過全球陸基地震臺站的數(shù)據(jù)得出的，故再選取中國內(nèi)陸的陜西安康臺進行對比分析。由圖4可知，安康臺三個分量的單頻微震噪聲呈現(xiàn)出明顯的峰值，雙頻微震的遠源噪聲也與NHNM和NLNM的峰值有較好的對應關(guān)系。在全頻帶上，安康臺三個分量的背景噪聲水平遠遠低于NHNM。本研究所用的海底地震儀與之相比，背景噪聲水平明顯偏高，差值最高可達80 dB。另外，海底地震儀的噪聲功率譜的變化幅度明顯寬于安康臺，安康臺的變化范圍僅在眾數(shù)譜線的上下10 dB內(nèi)。這都表明海底地震儀的環(huán)境噪聲要比陸基地震臺站復雜的多，海底地震儀記錄數(shù)據(jù)的質(zhì)量要比陸基地震臺站差的多。作為陸基固定地震臺的陜西安康臺，其選址、安裝、入網(wǎng)是有嚴格標準的。而海底地震儀布放位置的選擇往往只是考慮能否實現(xiàn)預期的科學目的，對于海底的觀測環(huán)境的選擇往往是無能為力的。

圖3 臺站HY17的三分量背景噪聲功率譜密度的概率密度分布圖兩條藍色實線分別代表全球背景噪聲高值和全球背景噪聲低值；黑色實線代表眾數(shù)值。Fig.3 The PDF of station HY17 The two blue solid lines represent NHNM and NLNM.The black solid line represents the mode value.

3 典型信號分析

圖4 安康臺的三分量背景噪聲功率譜密度的概率密度分布圖兩條藍色實線分別代表全球背景噪聲高值和全球背景噪聲低值；黑色實線代表眾數(shù)值。Fig.4 The PDF of station Ankang The two blue solid lines represent NHNM and NLNM.The black solid line represents the mode value.

傳統(tǒng)的功率譜密度分析方法是選擇一段沒有地震發(fā)生、沒有人文噪聲產(chǎn)生的平靜記錄來評估臺站的噪聲水平[4,28]。因此，所謂的合理選擇往往存在人為判斷因素，其結(jié)果應是局部時段有代表性的而不是全觀測周期的反映臺站的噪聲水平，例如，非周期性的（地震和人為噪聲）和周期性的（季節(jié)性的）突發(fā)干擾容易被人為剔除掉[6]。而上述概率密度函數(shù)分析方法在計算過程中不必排除地震等突發(fā)事件，不需要挑選連續(xù)平靜的噪聲記錄，而是將記錄到的連續(xù)時間信號進行統(tǒng)一處理，這些擾動將作為低概率事件存在于最后的統(tǒng)計分布中[7]。

Guralp CMG-40T OBS較寬的頻帶范圍使其記錄了不同周期范圍的信號。因此，我們篩選了一些典型的時間序列進行了分析討論。其中，圖5展示了屬于遠震事件的2012年8月14日發(fā)生于鄂霍茨克海的7.7級大地震，各個震相（P、S）可以清楚分辨；圖6展示了2012年10月8日發(fā)生于班達海的一個近震事件。另外，海底地震儀由于自身的原因也會產(chǎn)生一些特殊信號，如圖7所示，海底地震儀發(fā)生數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，波形被填充為零。

圖5 臺站HY16記錄到的三分量遠震事件波形地震事件為2012年8月14日鄂霍茨克海發(fā)生的7.7級大地震。Fig.5 The waveform of teleseismic of station HY16 This is a magnitude 7.7 earthquake occurred in Okhotsk Sea on August 14, 2012.

圖6 臺站HY17記錄到的三分量近震事件波形地震事件為2012年10月8日班達海發(fā)生的4級地震。Fig.6 The waveform of near earthquake of station HY17 This is a magnitude 4 earthquake occurred in Banda Sea on October 8, 2012.

圖7 臺站HY15記錄到的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象Fig.7 The data dropout signal of station HY15

由于上述波形示例的采樣點數(shù)較少，將計算過程的參數(shù)進行了調(diào)整以獲取正確的功率譜密度，用于揭示它們在整個概率密度分布中的位置。如圖8所示，遠震事件主要影響長周期低頻段和微震段，與之相反的是，近震事件主要影響高頻段。而數(shù)據(jù)丟失意味著沒有記錄任何噪聲，其噪聲水平在合理的范圍之內(nèi)，且功率譜的變化幅度較窄。

通過上一節(jié)的分析可知，海底地震儀的外部觀測環(huán)境是難以改變的，理想的濾波頻帶選擇成為數(shù)據(jù)降噪的唯一手段。因此，上述遠震、近震事件功率譜的概率分布的確定對于后續(xù)濾波處理具有重要指示意義。例如，依據(jù)遠震事件高于NHNM的頻帶范圍，可以確定用于分離遠震事件的帶通濾波器的頻率為0.02～0.15 Hz。另外，遠震、近震和數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象的出現(xiàn)在整個觀測周期內(nèi)屬于小概率發(fā)生事件，因此，其對整體的概率密度分布的影響是有限的，這對于數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查是具有重要意義的。例如，在不順序檢查所有記錄波形的情況下，如果海底地震儀觀測期內(nèi)整體的概率密度分布接近數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，是有理由懷疑此海底地震儀的數(shù)據(jù)記錄出現(xiàn)了故障。

4 時間變化特征

將觀測期內(nèi)每一天的噪聲功率譜密度按照日期順序排列，可以獲得臺站觀測期內(nèi)噪聲功率譜密度同時隨時間和頻率的變化圖。圖9展示了臺站HY15和HY17連續(xù)記錄了270多天的三分量功率譜密度時間圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，背景噪聲在高頻段幾乎不隨時間發(fā)生變化，而在微震段和長周期低頻段卻都顯示出很大的時間變化，例如，儒略日267天存在一個明顯的背景噪聲增大。這揭示出影響這種變化的因素并不是人文噪聲，而是一種可以導致海浪或者洋流發(fā)生擾動的自然因素。另外，這種時間變化的持續(xù)時間往往是一周左右，而兩次變化的間隔則長短不一。對比臺站HY15和HY17可知，兩個臺站的時間變化幾乎是同步發(fā)生的。從圖1可知，兩臺站的間距非常大，這揭示出造成這種變化的因素的影響范圍是非常巨大的。而在海洋中能夠造成這種時間變化尺度和空間影響范圍的自然因素只有臺風。南海是傳統(tǒng)的臺風區(qū)，當臺風影響南海或者過境南海的時候帶來的巨大風浪增大了背景噪聲水平。Xiao等基于南海海盆的海底地震儀臺站和周邊的陸上地震儀記錄的數(shù)據(jù)以及全球浪高模型，利用功率譜密度分析、相關(guān)分析和極化分析，對南海及其周邊地區(qū)的微地動噪音源進行了定位，對噪音的成分和傳播進行了約束[20]。他們的研究結(jié)果明確了臺風對于微震的影響，而本研究通過對背景噪聲時間變化特征的分析討論也將影響因素聚焦于臺風。

圖8 遠震事件、近震事件和數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象的功率譜密度的概率密度函數(shù)分布圖其中，上圖為遠震事件；中圖為近震事件；下圖代表數(shù)據(jù)丟失信號；兩條藍色實線分別代表全球背景噪聲高值和全球背景噪聲低值；黑色實線代表眾數(shù)值。Fig.8 The PDF of teleseismic, near earthquake and data dropout signal The top panel represents teleseismic, the middle panel represents near earthquake, the bottom panel represents data dropout signal.The two blue solid lines represent NHNM and NLNM.The black solid line represents the mode value.

5 結(jié)論

本研究基于南海東部次海盆的海底地震儀記錄的數(shù)據(jù)，利用功率譜密度分析方法、概率密度函數(shù)統(tǒng)計分析方法對南海東部次海盆的背景噪聲進行了研究和討論。

（1）布放于南海東部次海盆的海底地震儀的背景噪聲水平在微震段和長周期低頻段高于全球背景噪聲高值模型，在全頻段上高于陸基地震臺的背景噪聲水平，這揭示出海底地震儀記錄數(shù)據(jù)質(zhì)量較陸基地震臺站的數(shù)據(jù)質(zhì)量差。

（2）受背景噪聲的影響，遠震事件的優(yōu)勢頻帶主要為長周期低頻段和微震段，近震事件的優(yōu)勢頻帶則為高頻段，數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象則表現(xiàn)為其功率譜密度位于全球背景噪聲高、低值模型之間，這對數(shù)據(jù)的降噪處理、數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析提供了重要指示。

（3）南海東部次海盆的背景噪聲在微震段和長周期低頻段具有明顯的時間變化特征，此變化的持續(xù)時間、間隔和空間影響范圍揭示出臺風是造成這一時間變化現(xiàn)象的主要原因。

致謝：感謝在被動源海底地震儀探測實驗的布放航次和回收航次給予幫助的單位和個人。

圖9 臺站HY15和HY17的背景噪聲功率譜密度的時間變化圖其中上面3幅圖為臺站HY15，下面3幅圖為臺站HY17，從左到右分別為垂直分量、水平分量1、水平分量2。Fig.9 The map of time variation of PSD of background nose.The above three maps are results of station HY15 From left to right, they are vertical component, horizontal component 1 and horizontal component 2 respectively.The following three pictures are results of station HY17.