立凱 秦磊 曾智 孫雷

（中國江蘇 222061 連云港地震臺）

0 引言

連云港地震臺屬于國家臺。目前，連云港地震臺有BBVS-120、CTS-1 型2 套測震儀器，其中，CTS-1 型地震計已運行十幾年，BBVS-120 型地震計經過多次更新、更換，截至2019 年，BBVS-120 型地震計已在網運行約3 年。本研究通過對連云港地震臺相鄰臺基上同時運行的2 套觀測系統(tǒng)進行觀測系統(tǒng)性能分析，包括計算2 套儀器臺基噪聲功率譜密度、處理分析正弦波和脈沖標定數(shù)據、分析對比典型近遠震震級等，對2 套觀測系統(tǒng)的性能差異及原因進行探討，以期為今后地震監(jiān)測工作提供一定的數(shù)據支持（段紹鑫等，2019）。

1 觀測環(huán)境與儀器參數(shù)

連云港地震臺始建于1976 年，位于江蘇省東北部連云港臺山麓，海拔高程約30 m，該臺臺基基巖完整，儀器放大倍率高，觀測環(huán)境好，能有效監(jiān)測100 km 范圍內的ML≥1.0 地震，對黃海海域及山東北部地區(qū)的地震活動也有一定的監(jiān)測能力。臺站所處區(qū)域在大地構造分區(qū)中隸屬揚子斷塊與華北斷塊之間的蘇北—魯南塊體；南以嘉山—響水斷裂為界，西與郯廬斷裂帶為鄰，東瀕黃海。臺站附近主要斷裂為NE 向猴嘴—南城斷裂、新河—桑墟斷裂，地形受構造控制明顯。臺址基巖屬前寒武系云臺山組中段，巖性為花崗片麻巖。巖層走向NE—SW，傾向SE，傾角約35°（國家地震局科技監(jiān)測司，1990）。連云港地震臺測震觀測儀器基本信息見表1。

表1 連云港地震臺觀測儀器設備及參數(shù)Table 1 The parameters for contrast observations at Lianyungang Seicmic Station

2 臺基噪聲功率譜

2.1 功率譜分析計算方法

近年來，隨著地震觀測技術和計算機技術的不斷進步，臺基噪聲水平的分析已成為評估地震臺站運行質量的重要技術指標，對1 個地區(qū)臺基噪聲水平的正確評估和全面了解成為進一步改善地震觀測質量的重要環(huán)節(jié)。臺基噪聲水平是以背景噪聲的加速度功率譜（PSD）的概率密度函數(shù)（PDF）來表示的，基本計算方法：以各臺站3 個分向每小時的連續(xù)記錄數(shù)據為樣本，首先采用WELCH 方法在全頻段內計算信號的加速度功率譜，再按1/8 倍頻為單位間隔滑動計算每條樣本的平均功率譜。在實際運用中，為了提高功率譜估計的精度，采用WELCH 方法，它包括對信號重疊分段、加窗函數(shù)和FFT 算法等。

2.2 數(shù)據的選取與處理結果

選取2019 年5 月1 日1:00—2:00 的BBVS-120、CTS-1 型地震計1 h 波形數(shù)據作為數(shù)據樣本。選取較安靜時段的資料可以避開一些不必要的干擾，并保證所選取的時間段沒有地震事件，對2 套儀器進行同一時間段的噪聲功率譜計算。對地震連續(xù)記錄數(shù)據進行分道計算繪制出噪聲功率譜密度曲線和計算噪聲的結果，并繪制BBVS-120、CTS-1 型觀測系統(tǒng)的噪聲功率譜密度曲線?；居嬎惴椒ㄈ缦拢孩僖耘_站3 個分向每小時的連續(xù)記錄數(shù)據為樣本，首先進行去除記錄數(shù)據中的線性趨勢、去均值等處理，將每小時計算樣本分成13 段，為盡量降低噪聲PSD 的方差,每段數(shù)據之間重合率取50%；②用FFT 方法計算每段功率譜PSD，再根據儀器的傳遞函數(shù)在頻域里扣除儀器響應，最后的每小時功率譜密度值是由13 段功率譜密度值取平均值后得到的，這種方法最大程度地減少了重疊后“頻譜泄露”效應，增加了頻峰的寬度；③將計算得到的PSD 再按1/8 倍頻為單位間隔滑動地計算每條樣本的平均功率譜，為了與全球新高模型(NHNM)、新低模型（NLNM）進行對比，將功率譜密度值換算成dB 為單位的數(shù)值進行繪圖分析（立凱等，2021）。

2.3 噪聲功率譜的分析

圖1 分別為CTS-1、BBVS-120 型地震計的三分向地動噪聲功率譜密度曲線對比圖。由圖1 可見，連云港地震臺2 套儀器都在地球低噪聲新模型（NLNM）和地球高噪聲新模型（NHNM）之間，說明2 套儀器的背景噪聲都滿足觀測要求。根據數(shù)字地震測震臺站觀測技術規(guī)范要求，規(guī)定臺基背景噪聲在1—20 Hz 頻帶范圍內的地動速度噪聲RMS 值作為臺址勘選的評估標準，2 套儀器所得結果均符合Ⅰ類臺基標準，即RMS ＜3.16×10-8m/s，計算結果詳見表2。由圖1 還可見，在低頻段0.1Hz 以下頻段，2 套儀器的噪聲功率譜密度曲線差別不大，BBVS-120 型略優(yōu)于CTS-1 型地震計，表明2 臺儀器對遠震的記錄相差不大；在0.1—1.0 Hz 頻段，2 套儀器的差別不大，幾乎一致，因為此頻段主要反映的是微震帶動特征，主要體現(xiàn)的是海洋噪聲水平；在1—20 Hz 頻帶范圍內，CTS-1 型地震計的噪聲略高于BBVS-120 型，2 套儀器的垂直向噪聲均優(yōu)于水平向，NS 向噪聲比其他分向大的主要原因是連云港地震臺背靠大山，在其北面100 m 處有1 條公路，車輛和人員活動的干擾造成NS 向噪聲比其他分向偏大，整體上2 套儀器的噪聲水平都較穩(wěn)定，說明連云港地震臺臺基噪聲水平較好，周圍環(huán)境和人為干擾較小，這為今后2 套儀器并行處理地震數(shù)據提供了良好條件。

圖1 2019 年5 月1 日1:00—2:00 連云港地震臺地動噪聲功率譜密度（a）CTS-1 型；（b）BBVS-120 型Fig.1 Comparison of noise power spectral curves of CTS-1 and BBVS-120 seismometers

表2 噪聲功率譜計算結果Table 2 Calculation results of noise power spectrum

3 標定信號的處理與分析

3.1 脈沖標定

隨著時間的推移和周圍環(huán)境的變化與干擾，地震計的性能會逐漸變化，因此地震計需要定期進行脈沖標定來檢驗地震計是否運行正常，參數(shù)是否符合規(guī)范要求，脈沖標定是檢查地震計是否正常工作的有效手段之一。通過對記錄的脈沖波形進行分析，可以掌握儀器所處的工作狀況，較全面了解儀器長期工作中參數(shù)的穩(wěn)定性，并可據其進行一些儀器性能方面的研究。對連云港地震臺2 套儀器2019 年1 月脈沖標定數(shù)據進行處理和分析的結果如表3 所示。

表3 地震計脈沖標定結果Table 3 Pulse calibration results of seismometers

由表3 可見，2 套地震計變化率都滿足小于5%的系統(tǒng)標定要求。但是CTS-1 型垂直向的阻尼變化率達到了4.5%，手動鎖擺開擺之后并沒有改善，推測應為系統(tǒng)運行時間較長，擺房夏季濕度較大，里面的電路板霉變，需要開擺更換維修，但目前臺站不具備此條件，有待以后繼續(xù)跟蹤分析。由2 套地震計2019 年1 月脈沖結果可知，由于CTS-1 型地震計老化較嚴重，其靈敏度變化率較大。BBVS-120 型地震計的靈敏度變化率一直較穩(wěn)定，故目前臺站主要使用BBVS-120 型地震計，CTS-1 型地震計為備用儀器，以提高連云港地震臺連續(xù)記錄觀測質量。

3.2 正弦標定

對連云港地震臺BBVS-120、CTS-1 型地震計進行靈敏度正弦標定，BBVS-120 型正弦標定頻點有12 個，CTS-1 型的正弦標定頻點有3 個，表4 為靈敏度正弦標定結果。由表4 可見，2 套儀器運行情況均良好，結果符合規(guī)范要求。

表4 地震計正弦標定結果Table 4 Sinusoidal calibration results of seismometers

4 近震、遠震震級對比

通過對連云港地震臺BBVS-120、CTS-1 型地震計的近遠震進行對比分析發(fā)現(xiàn)（表5、6），總體來說，2 套地震計運行狀態(tài)都較好，在記錄近震和遠震震級大小方面2 套儀器的差別不大，但是2 套儀器都存在一定的誤差，故震級矯正需要大量的震例進行統(tǒng)計分析，以建立連云港地震臺的震級校正值，解決震級偏大偏小的問題。

表5 近震震級對比Table 5 Comparison of magnitudes of near earthquakes

表6 遠震震級對比Table 6 Comparison of magnitudes of teleseismic events

5 結論

通過對連云港地震臺BBVS-120、CTS-1 型地震計參數(shù)進行對比分析發(fā)現(xiàn)，2 套儀器運行狀態(tài)都較好，均能滿足臺站日常觀測運行要求；2 套儀器背景噪聲功率譜均滿足國家Ⅰ類臺站的要求，正弦標定、脈沖標定結果均符合國家地震臺網觀測要求；2 套儀器在記錄近震、遠震震級方面差別不大，都存在一定的誤差?？傊?，BBVS-120、CTS-1 型地震計都有較好的運行質量和穩(wěn)定性。在今后的臺站觀測工作中，需進一步改善地震計的觀測環(huán)境，提高2 套儀器的觀測精度。