鄧明文 謝江濤 張 森 段紹鑫 王宇航 單曉琳

1）中國新疆維吾爾自治區(qū) 841200 庫爾勒地震臺

2）中國成都 610041 四川省地震局

0 引言

對于地球背景噪聲的產(chǎn)生機制，國內(nèi)外目前主流觀點是，其來源主要是海洋，其次是大氣（特別是風(fēng)與地表的相互作用），再次是地震和火山，最后是人類活動。目前，地震計不僅能夠記錄到各種類型的地震波在地下介質(zhì)的傳播，也能記錄到外界條件（風(fēng)、海浪、人類活動等）所產(chǎn)生的微弱震動（地脈動）。隨著地震觀測技術(shù)的不斷發(fā)展，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量逐漸提升，微弱的地脈動也能被地震儀器所記錄，臺站背景噪聲源的識別能力得以提高。因此，整體分析噪聲來源和譜異常，可以有效評估臺站監(jiān)測能力，具有重要的實際意義。

Peterson（1993）收集了全球8 個臺網(wǎng)中75 個地震臺站的噪聲記錄，給出全球新高噪聲模型（new high noise model，簡寫為NHNM）和全球新低噪聲模型（new low noise model，簡寫為NLNM）。楊千里等（2019）利用Welch 平均周期法，對和田地震臺陣記錄的噪聲進行功率譜分析，認為噪聲功率譜密度隨季節(jié)變化顯著，具有周期性，且受采石場影響，譜密度曲線在頻段4—8 Hz 出現(xiàn)高頻尖刺。這為定量計算測震臺站臺基背景噪聲提供了可行途徑。何思源等（2019）利用成都地震臺測震資料，得出該臺2—4 Hz 頻段的背景噪聲為固有干擾，且背景噪聲水平于2011—2012 年陡增并達到峰值，認為背景噪聲水平變化主要由地質(zhì)構(gòu)造運動和臺站周邊城市擴建等引起，為分析臺站形成的噪聲異常提供參考。

若羌測震臺（下文簡稱若羌臺）屬國家無人值守測震臺，建臺時觀測場地環(huán)境地噪聲水平屬于Ⅰ級。近年來受人類活動影響，干擾持續(xù)增多，臺基噪聲水平發(fā)生了相應(yīng)變化。為此，筆者收集整理2009—2019 年若羌臺地震波形數(shù)據(jù)，采用噪聲功率譜密度（power spectral density，簡稱PSD），分析氣壓、人類活動、遠震和近震等引起的譜異常，結(jié)合概率密度函數(shù)（probability density function，簡稱PDF），總結(jié)該臺背景噪聲水平的變化規(guī)律，以期對本地區(qū)背景噪聲異常分析提供借鑒，為臺站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評估、本地區(qū)地震分析、臺址勘選等提供參考。

1 臺站概況及資料選取

1.1 臺站概況

若羌國家地震臺位于新疆若羌縣縣城以東53 km 處，海拔高度為1 390 m（圖1），場地氣候條件屬于大陸性荒漠干旱氣候，全年降水量極少，年溫差變化大，冬季最低溫度可達零下25℃以下。臺站位于米蘭河西岸近EW 向支溝內(nèi)，地處阿爾金山造山帶與塔里木地塊交匯部位，構(gòu)造上屬青藏亞板塊阿爾金強烈隆起區(qū)北緣。臺站以北為塔里木凹陷沉積區(qū)，以南為元古代地層及巖漿巖組成的中高山區(qū)。臺站附近發(fā)育江尕勒薩依斷裂，屬阿爾金斷裂帶次級斷裂。該臺站臺基巖性為變質(zhì)泥巖、砂巖，觀測山洞進深22 m，2009 年以來共架設(shè)2 套寬頻帶地震計，具體參數(shù)見表1。

圖1 若羌測震臺地理位置示意Fig.1 Schematic diagram of the geographic location of Ruoqiang Seismic Station

表1 2009 年以來若羌測震臺地震計參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Seismometer parameters of Ruoqiang Seismic Station since 2009

1.2 資料選取

選取若羌臺2009—2020 年共11 年的波形數(shù)據(jù)，在每天24 h 波形數(shù)據(jù)中截取無震、無明顯干擾、長度1 h 的記錄，得到4 984 個小時文件。對符合的波形數(shù)據(jù)進行分道處理，結(jié)合地震計靈敏度和數(shù)采轉(zhuǎn)換因子，計算得到地面運動的速度記錄，進行窗函數(shù)平滑處理及傅里葉變換，獲得各段功率譜估計。將速度功率譜轉(zhuǎn)換為加速度功率譜，利用地震計傳遞函數(shù)獲得實際地面運動，在進一步轉(zhuǎn)化為以dB 為單位的臺基加速度功率譜。然后將不同頻段的加速度功率譜進行概率統(tǒng)計，獲得臺基的概率密度函數(shù)。

2 方法原理

2.1 臺基噪聲功率譜密度（PSD）計算

采用Welch 平均周期法（Welch，1967），進行噪聲功率譜估計。設(shè)一離散信號x(n)的數(shù)據(jù)長度為N，分為L段（允許數(shù)據(jù)重疊），每一段為M，取x(n)進行傅里葉變換，得到，求取每段數(shù)據(jù)功率譜進行平均。每段數(shù)據(jù)均選用漢寧窗，以改善矩形窗邊瓣較大產(chǎn)生的譜失真。其中x(n)的功率譜密度可以表示為

2.2 臺基噪聲功率譜概率密度函數(shù)（PDF）計算

目前，功率譜概率密度函數(shù)（PDF）是對臺站噪聲水平整體評估的有效途徑之一，無需進行特殊事件（地震、儀器標定等）篩選，是對數(shù)據(jù)全時段的分析，能夠全面反映儀器的記錄狀態(tài)和能力。為了提高運算速率，將計算所得PSD 結(jié)果進行1/8 倍頻程間隔采樣，將各中心頻率功率值求平均。功率譜密度值在上端頻率fu與下端頻率fl之間進行平均，獲得中心頻率fc，可表示為

fu以1/8 倍頻程的功率窗口fu=fu×21/8增加，計算下一間隔平均功率，對于每一個中心頻率fc的概率密度函數(shù)，可以表示為

3 噪聲特征分析

通過瀏覽若羌臺大量PSD 曲線和PDF 圖，分析認為，譜異常主要受以下因素影響：①自然條件：氣壓變化；②人類活動：米蘭河水庫施工建設(shè)。結(jié)合顯著地震事件波形數(shù)據(jù)的PSD 曲線，總結(jié)若羌臺背景噪聲功率譜特征。

3.1 自然條件引起的譜異常

若羌縣屬大陸性荒漠干旱氣候，晝夜溫差較大，測震觀測長期受氣壓干擾影響。為了解若羌臺不同季節(jié)、不同頻段的功率譜變化情況，選取2009 年1 月11 日17 時（冬季）和2009 年7 月7 日5 時（夏季）記錄的測震數(shù)據(jù)，計算PSD，獲得功率譜密度曲線，結(jié)果見圖2，其中(a)圖表示冬季時段的PSD 和波形數(shù)據(jù)，(b)圖表示夏季時段的PSD 和波形數(shù)據(jù)。

由冬、夏季節(jié)2 個時段PSD 曲線對比可知，氣壓變化對EW 向和NS 向數(shù)據(jù)影響明顯，對UD 向影響不明顯。這是因為：①在氣壓的微弱作用下，觀測洞室被覆山體發(fā)生變形；②觀測洞室位于山體北坡，受夏季晝夜溫差大的影響，山體南坡形變大于北坡，垂直向耦合到水平向，使得水平向噪聲得到放大。由圖2(b)可見，在夏季，在小于0.1 Hz 長周期頻段內(nèi)，噪聲水平接近高噪聲模型（NHNM），在0.008—0.015 Hz 頻段，噪聲水平甚至高于NHNM。由圖2 中原始波形數(shù)據(jù)曲線可知，夏季水平向（EW 向、NS 向）噪聲水平明顯高于冬季。

圖2 氣壓變化影響下若羌臺冬夏季節(jié)測震數(shù)據(jù)功率譜對比Fig.2 Comparison of power spectral density of seismic data from Ruoqiang Seismic Station in winter and summer under the influence of atmospheric pressure

將2009 年無斷記數(shù)據(jù)PSD 曲線進行PDF 統(tǒng)計，獲得三分向功率譜概率密度圖（左側(cè)縱坐標代表功率譜密度噪聲值，右側(cè)縱坐標代表某一單位為1 dB 的頻率出現(xiàn)的概率，橫坐標為具體頻率），結(jié)果見圖3。由圖3 可見，水平向（NS、EW 向）長周期頻段噪聲水平在-150— -125 dB，垂直向（UD 向）噪聲水平相對收斂，集中在8 dB 左右；在高頻拐點后，三分向出現(xiàn)高頻異常干擾，應(yīng)為儀器自身影響所致。筆者認為，氣壓、氣溫變化導(dǎo)致水平向噪聲具有相同的變化幅度。

圖3 2009 年若羌臺功率譜概率密度Fig.3 Power spectrum probability density diagram of Ruoqiang Seismic Station in 2009

3.2 遠震記錄功率譜特征

選取若羌臺記錄的4 個遠震事件（地震參數(shù)見表2）進行功率譜計算，PSD 曲線見圖4，(a)、(b)、(c)、(d)圖所示地震對應(yīng)表2 中a、b、c、d 事件。4 個遠震事件波形功率譜變化均出現(xiàn)在長周期頻段，噪聲水平高于NHNM，拐點集中出現(xiàn)在-90— -80 dB，但PSD 曲線變化趨勢各異。

表2 遠震地震目錄Table 2 Catalog of teleseismic earthquakes

圖4 遠震記錄的功率譜特征對比Fig.4 Comparison of power spectrum characteristics of teleseismic records

事件a、b 長周期頻段集中在0.04—0.06 Hz，應(yīng)為長周期面波頻段。二者震中距相近，震源深度不同，分屬淺源地震和深源地震。在微震頻段0.2—2 Hz，事件a 的背景噪聲水平受地震的影響低于事件b，噪聲水平更接近NLNM，這是因為，深源地震事件b 體波發(fā)育，能量衰減緩慢，地震計可較為詳細地記錄到地震波形。事件a、d 均為淺源地震，但隨著震中距的增加，事件d 在頻率0.01 Hz 附近出現(xiàn)拐點，這是因為，該事件屬極遠震，面波發(fā)育，周期大，持續(xù)時間長，在0.2—2 Hz 頻段噪聲變化大，而事件a 則變化平穩(wěn)。在0.1—1 Hz 頻段，事件d 受震中距影響，體波衰減快，噪聲水平明顯低于事件a，接近NLNM。事件b、c 震源深度相近，震中距不同，由PSD 曲線可見，震中距增大，長周期拐點出現(xiàn)“左移”現(xiàn)象。在頻段0.1—1 Hz，事件c 的噪聲水平明顯高于事件d，這是因為，前者屬于深源地震，體波衰減慢，臺站記錄到該頻段波形數(shù)據(jù)噪聲水平較大。事件c、d 均屬于遠震，在頻段0.1—1 Hz 內(nèi)不產(chǎn)生面波。結(jié)合事件c、d 的背景噪聲水平，可知在微震頻段0.1—1 Hz，相較震中距而言，震源深度對背景噪聲水平變化的影響較大。

3.3 近震記錄功率譜特征

選取4 個中小近震事件（地震參數(shù)見表3）進行功率譜計算，結(jié)果見圖5，(a)、(b)、(c)、(d)圖對應(yīng)表3 中a、b、c、d 事件。由波形圖可見，近震事件a、b 的面波基本不發(fā)育，長周期頻段噪聲低，在頻段0.3—6 Hz，噪聲水平均高于NHNM，形態(tài)一致，表明此為近震引起噪聲水平變化的主要頻段。由事件a、c 的波形可見，事件a 較短周期體波發(fā)育，事件c較長周期面波發(fā)育，在PSD 圖上，起伏波動不一致。從整體看，不同近震記錄的功率譜特征相差不大，主要是因為，震中距較近，不同周期的震相發(fā)育不完全。

圖5 近震記錄功率譜特征對比Fig.5 Comparison of power spectrum characteristics of near earthquake records

表3 近震地震目錄Table 3 Catalog of near earthquakes

3.4 人類活動引起的譜異常

在2016 年底，距若羌臺約1 km 的米蘭河水庫建設(shè)完成并投入運營。選取該臺2009年和2018年2個平靜時段測震數(shù)據(jù)，利用快速傅里葉變換FFT，計算2 個時段UD向振幅譜，見圖6。由圖6 明顯可見：①受持續(xù)增加的人類活動影響，在頻段3 Hz 附近，與2009 年相比，2018 年背景噪聲水平明顯增高；②2018 年的頻譜數(shù)據(jù)在10 Hz 頻段附近出現(xiàn)高頻異常，屬新增噪聲干擾。筆者對若羌臺BBVS-60 地震計2015 年7 月—2016 年3 月架設(shè)期間的記錄數(shù)據(jù)進行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)無10 Hz頻段，表明此為后期某段時間形成的固有頻段，與儀器設(shè)備無關(guān)。

圖6 2009 年和2018 年平靜時段頻譜Fig.6 The spectrum of quiet periods in 2009 and 2018

筆者將2009—2019 年無斷記波形數(shù)據(jù)進行功率譜概率密度計算，獲得UD 向PDF 圖，見圖7。由每年的PDF 圖可知，在1—20 Hz 高頻段，2011—2016 年的噪聲水平明顯高于其他年份，2017 年之后趨于穩(wěn)定。據(jù)調(diào)查，2011—2016 年為米蘭河水庫施工時段，人類活動影響較大。在2012 年P(guān)DF 圖上，在高頻段可見曲線高于NHNM 噪聲模型并快速下降到高頻部分，結(jié)合同年噪聲PSD 曲線，發(fā)現(xiàn)該異常為水庫建設(shè)時施工爆破所致。由2017 年以后PDF 圖可見，在頻率10 Hz 附近出現(xiàn)“方形”拐點，而施工期間的大量PSD 曲線中并不存在該頻段。據(jù)悉，2017 年初米蘭河水庫投入運營并網(wǎng)發(fā)電，對若羌臺測震觀測造成固定干擾，由此形成此處譜異常，采用濾波方法剔除相應(yīng)頻段數(shù)據(jù)，即可獲得高質(zhì)量波形資料。

圖7 2009—2019 年若羌臺功率譜概率密度Fig.7 Power spectrum probability density diagram of Ruoqiang Seismic Station from 2009 to 2019

4 結(jié)論

筆者收集整理若羌測震臺2009—2019 年無斷記波形數(shù)據(jù)，計算并繪制PSD 和PDF 圖，分析該臺近年噪聲水平，得到以下認識：①若羌臺噪聲水平受氣壓影響顯著，其中水平向受影響顯著，應(yīng)為噪聲水平從垂直向耦合到水平向的結(jié)果；②若羌臺受持續(xù)增加的人類活動影響，背景噪聲水平不斷升高；③結(jié)合PDF 圖，10 Hz 頻段干擾是米蘭河水庫投入運營形成的固定干擾，與儀器設(shè)備無關(guān)聯(lián)性。

若羌臺地處阿爾金山和塔里木盆地交匯處，地廣人稀，臺基環(huán)境較好，是測震監(jiān)測臺網(wǎng)的重要組成部分。近年來受米蘭河水庫建設(shè)的影響，臺站環(huán)境地噪聲水平持續(xù)升高，形成固定干擾，使得該臺環(huán)境噪聲水平持續(xù)下降，應(yīng)合理改善觀測條件，保護地震臺基監(jiān)測環(huán)境。

文中計算PDF 采用的Matlab 程序由四川省地震局謝江濤工程師提供，圖1 繪制使用了GMT 軟件，在此一并表示感謝。