鄧明文， 段紹鑫， 劉青山， 張小飛， 李姍姍

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局庫爾勒地震臺, 新疆 庫爾勒 841200)

受各種因素(如風、潮汐、海浪、交通運輸、人和動物的活動等)影響，地球表面總是存在微小的顫動，它們對地震觀測造成干擾進而影響地震觀測的質量，通常稱這些干擾為地噪聲或環(huán)境背景噪聲[1]。無論技術手段如何提高，都無法避免它被地震儀器記錄到。因此，研究測震臺臺基噪聲特征隨時間變化規(guī)律對提高觀測質量至關重要。國內(nèi)外科研人員對背景噪聲方面均有研究，早在1993年，USGS發(fā)布了全球75個地震臺站的正常地球背景噪聲功率譜分析結果，繪制地球高噪聲模型(NHNM)和地球低噪聲模型(NLNM)，即通常所稱的Peterson模型[2-3]。楊千里等[4]利用Welch平均周期法對和田臺陣的噪聲樣本進行功率譜分析,獲得的噪聲功率譜密度隨季節(jié)變化顯著,具有周期性，受采石場影響譜密度曲線在4～8 Hz出現(xiàn)高頻尖刺。何思源等[5]利用成都地震臺測震資料得出成都地震臺背景噪聲2～4 Hz為固有干擾的結論；背景噪聲水平于2011～2012年陡增并達到峰值，其變化主要由地質構造運動和臺站周邊城市擴建引起。劉洋君等[6]利用臺基位移噪聲分析灘坑水庫的地震監(jiān)測能力，獲得水庫周邊的地震監(jiān)測震級下限。若羌測震臺東南方向的米蘭河水庫大壩于2011年4月開工建設，2014年8月30日順利截流，2015年12月10日正式下閘蓄水，在2017年竣工并投入使用，最大壩高83 m，正常庫水位高程1 445 m，總庫容4 128萬m3。本文中采用平均周期法(Welch算法)，對2009～2019年若羌測震記錄到的波形數(shù)據(jù)計算，得到若羌測震臺背景噪聲隨時間的變化特征，進一步分析米蘭河水庫施工建設對其的影響，獲得的認識對人類建設施工活動和蓄水水庫對地震臺噪聲背景的影響有一定意義，為以后勘選臺站避免相關影響具有實際意義[7-10]。

1 臺站概況

若羌測震臺距若羌縣城東側60 km，位于阿爾金山褶皺山系與塔里木盆地的交匯處，大地構造上屬于青藏亞板塊阿爾金強烈隆起區(qū)北緣，北部為塔里木凹陷沉積區(qū)，南部為元古代地層及巖漿巖組成的中高山區(qū)。臺址附近發(fā)育江尕勒薩依斷裂帶(為阿爾金斷裂帶北部的分支斷裂)，構造線總體走向北東。臺基巖性為元古代灰綠、灰褐色變質泥巖、砂巖。巖石發(fā)育多組節(jié)理與片理，巖石破碎，完整性較差，山洞進深22 m。投入使用經(jīng)臺基噪聲水平測試結果顯示，為Ⅰ級環(huán)境地噪聲水平。2009年以來臺站儀器架設情況見表1。

2 研究方法

2.1 計算臺基噪聲功率譜密度

采用Welch平均周期法對噪聲進行功率譜估計[11-12]，即把一長度為N的數(shù)據(jù)分成L段(允許每段數(shù)據(jù)重疊部分)，每一段長度為M，分別求取每段功率譜，然后進行平均，每段數(shù)據(jù)使用漢寧窗口，改善了由于矩形窗邊瓣較大產(chǎn)生的譜失真。離散信號x(n)的功率譜密度，

(1)

式中，U為歸一化因子，d(n)是漢寧窗口,Δf為尼奎斯特頻率。

這幾段的平均功率譜，

(2)

2.2 NHNM和NHLM

Peterson收集全球8個臺網(wǎng)中的75個地震臺站記錄到的12 000條噪聲記錄，并從中篩選出2 000條平靜時段的噪聲記錄，計算其相應的PSD，得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)。該模型成為評估臺站噪聲水平的重要參考依據(jù)，并廣泛應用于臺站的噪聲水平對比分析。

2.3 數(shù)據(jù)選取和處理

為了能夠獲取背景噪聲水平數(shù)據(jù)，從每隔3天的24 h文件中選取無震且相對平靜的4個1 h波形數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)斷記和干擾較大等情況出現(xiàn)，則往后順延一天，以此類推，共收集到4 898個波形數(shù)據(jù)。計算數(shù)字地震儀的背景噪聲功率譜密度，共計算獲得三分向的14 694條PSD曲線，總結2009～2019年若羌測震臺背景噪聲水平變化特征。

3 背景噪聲特征分析

3.1 背景噪聲年變特征

為更好獲取臺基噪聲的年變特征，按月為單位，將每月計算的臺基噪聲有效值(RMS)進行平均，再以年為尺度進行對比分析，繪制若羌臺1～20 Hz頻段垂直向臺基噪聲有效值變化趨勢圖(圖1)，圖中缺數(shù)部分為2015年7月～2016年3月，原因是更換地震計BBVS-60。米蘭河水庫施工建設期間的年平均背景噪聲有效值高于其他時間段數(shù)倍至數(shù)十倍，其中2015年達到最大值，這是由于施工期間人類活動和機械作業(yè)造成的。剔除米蘭河水庫建設的影響時段，若羌臺垂直向臺基噪聲有效值變化由2009年0.66×10-8m/s增加到2019年3.53×10-8m/s，整體呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢，主要由頻繁的人類活動干擾引發(fā)。將2009～2011年、2017～2019年的數(shù)據(jù)按月平均臺基噪聲有效值，繪制若羌臺垂直向臺基噪聲有效值年變時序圖(圖2)。2009～2011年整體噪聲水平低于2017～2019年，前時段年變平順，而后時段有明顯的季節(jié)性。在3～5月和9～10月的噪聲水平要高于其他月份，冬季的噪聲水平最低，主要原因是上述的高值時段屬于氣溫變化明顯的時段，引起山體溫差變化劇烈，造成山體微弱傾斜，進一步影響噪聲水平。冬季的溫差變化不明顯，噪聲水平平穩(wěn)。

圖1 2009～2019年若羌臺垂直向臺基噪聲有效值變化趨勢圖

圖2 若羌臺垂直向臺基噪聲有效值年變時序圖

3.2 自然因素引起的噪聲變化

氣壓、氣溫和風等因素對臺基噪聲水平影響的頻段為長周期頻段，若羌臺的洞室位于山體南面，長周期受自然因素影響表現(xiàn)明顯。這是由于氣壓不均勻和溫度的熱膨脹效應，造成山體的微弱傾斜。圖3中選取受自然因素影響明顯的兩個時段做噪聲功率譜對比，圖3a和圖3b中在長周期頻段三分向較為接近，波形數(shù)據(jù)無明顯的波動；圖3c和圖3d中水平向的噪聲明顯高于垂直向，甚至部分頻段已經(jīng)超出了地球高噪聲模型，水平向波形數(shù)據(jù)波動幅度較大。這是由于山體的傾斜，重力耦合到水平方向，對水平向的影響要大于垂直向。微震頻段0.125～1 Hz的噪聲水平是受海浪作用產(chǎn)生。圖3a和圖3c在該頻段上的噪聲具有一致性，均表現(xiàn)為變化平緩，無明顯起伏，接近地球低噪聲模型，同時水平向的噪聲水平要優(yōu)于垂直向。因為若羌臺地處內(nèi)陸地區(qū)，遠離海洋，在微震頻段表現(xiàn)不明顯。

圖3 自然因素噪聲功率譜對比圖

3.3 水庫施工建設引起的噪聲變化

選取水庫施工期間的2012年12月15日爆破波形數(shù)據(jù)以及正常運行2014年7月28日的波形數(shù)據(jù)，做功率譜計算。7～13時和15～20時屬于水庫施工時間段，其他時間段為休息時間段。從施工時間段功率譜上來看，在2～10 Hz頻段內(nèi)，施工期間噪聲水平高于圖5b中平靜時間段，2.5 和3.5 Hz附近出現(xiàn)高頻峰值，這是人類活動引起的主要頻段。若羌臺同時也記錄到大量的水庫建設施工爆破波形數(shù)據(jù)圖(圖4d)，爆破事件持續(xù)約9 s，S波衰減極快。從其功率譜圖上來看，主要影響是在短周期上，在4～20 Hz高頻段有明顯的起伏波動，這是由于地表爆破能量釋放時間短，距離監(jiān)測點較近引起的。

圖4 水庫施工和爆破功率譜對比圖

收集水庫施工建設完成前后的兩個時段2009年1月26日4時和2018年2月27日5時。從圖5功率譜對比圖來看，長周期頻段和微震頻段PSD起伏形態(tài)相近，各分向相差不大。兩個時段高頻拐點有所不同，2009年的高頻拐點在8 Hz，2018年的高頻拐點在10.5 Hz，米蘭河水庫投入運營后，頻繁的人類活動使得背景噪聲高頻段范圍增大，出現(xiàn)高頻拐點“右遷移”的現(xiàn)象。在3～10 Hz頻段，2018年噪聲水平高于2009年，尤其在10 Hz出現(xiàn)噪聲峰值。

圖5 水庫建設完成前后功率譜對比圖

對2009年以來10 Hz進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)米蘭河水庫施工建設期間，10 Hz頻段噪聲水平與2009年同處在-144 dB左右。之后在2017年1、2月該頻段急劇升高，達到-112 dB，隨后降低到-120 dB趨于穩(wěn)定(圖6)。2015年7月～2016年若羌臺架設BBVS60地震計，并統(tǒng)計了10 Hz的噪聲水平。結果發(fā)現(xiàn)，施工期間，CTS-1和BBVS60兩套儀器在10 Hz頻段均處于較低水平，接近NLNM，表明該頻段的出現(xiàn)與地震計無直接聯(lián)系。上述噪聲異常時段為水庫投入運營并網(wǎng)發(fā)電時段，因此，10 Hz頻段的噪聲與水庫建設施工無關，是水庫建設完成后形成的固有頻段，對監(jiān)測水庫周邊的高頻信號異常帶來一定的影響。

圖6 若羌臺垂直向10 Hz背景噪聲趨勢圖

4 結 語

人類活動頻繁增加，若羌臺背景噪聲水平由2009年0.66×10-8m/s增加到2019年3.53×10-8m/s，接近Ⅰ級環(huán)境地噪聲水平上限。米蘭河水庫施工建設期間造成若羌臺觀測質量下降，主要影響頻段為2～10 Hz，極大的影響了該臺的地震監(jiān)測能力。通過對10 Hz的噪聲分析，表明該頻段是水庫投入運營后形成的，與施工期間無關聯(lián)性，且是持續(xù)存在的固有頻段，可能與水庫發(fā)電機組有關。米蘭河水庫的建設有利于當?shù)氐乃Y源合理利用，兼顧工業(yè)水量發(fā)電、旅游等方面效益。對于若羌測震臺的地震監(jiān)測能力影響是雙重的，一方面能夠為監(jiān)測因水庫帶來的微震提供了有力的數(shù)據(jù)支持，另一方面影響臺站的監(jiān)測能力。在今后更長一段時間里，受米蘭河水庫4 128萬m3庫容量重力影響，周邊將產(chǎn)生微弱的地表形變，進而影響若羌臺的臺基環(huán)境，這是合理提高觀測質量，保護地震觀測環(huán)境所要考慮的問題。