胡米東，毛華鋒，陳啟林，王皓，張杰，霍雨佳，黃群

(江蘇省溧陽地震臺，江蘇 溧陽 213332)

0 引 言

地震科學以觀測為基礎，觀測資料的準確性直接決定了科研與應用的成效[1]。由于地表各類噪聲的影響，地震計對微小信號的檢測能力大大減弱，往往導致地震數(shù)據(jù)的使用效能降低[2]。如何提高觀測數(shù)據(jù)信噪比成為觀測研究中最重要的課題[3]。因此對各類不同噪聲的理解以及定量分析成為降低地震數(shù)據(jù)噪聲水平的重要環(huán)節(jié)[4]。近年來，地震臺站臺基噪聲作為評判臺站觀測環(huán)境重要指標被廣泛研究，同時臺基噪聲已也成為分析研究地下介質波速的有效數(shù)據(jù)。測震臺站記錄的臺基噪聲數(shù)據(jù)包含臺基背景振動噪聲、臺站環(huán)境溫度等因素的干擾、觀測儀器自身噪聲[5]。臺站周邊行駛的車輛會對臺基背景振動噪聲產生影響，進而影響監(jiān)測質量而被重視和研究。人文噪聲(公路、鐵路、管道等引起)和風噪聲是臺基背景振動噪聲高頻段(>0.3 Hz)的主要成分。臺基背景振動噪聲與風暴、海浪之間的關系被很多國內外學者廣泛地研究過。Bertlli指出Galieo Pendulum 信號記錄與氣壓低點之間的關系，并建議考慮沿海的海浪影響[6]。1993年，美國USGS給出地球高噪聲新模型NHNM和地球低噪聲新模型NLNM，被稱為皮特森模型，目前該全球噪聲模型成為全球測震臺站臺基噪聲功率譜的參考依據(jù)。

1 溧陽測震臺和長山路概述

溧陽臺位于下?lián)P子坳陷區(qū)太湖隆起，深部構造為多層結構，周邊存在郯廬斷裂帶和茅山斷裂帶。臺站距1974年溧陽M5.5地震和1979年溧陽M6.0地震震中18 km，對茅山斷裂帶地震活動具有重要監(jiān)測作用。2010年7月溧陽臺開始井下觀測，井深83 m，地震計固定在井下71m處(圖1)，配置港震公司BBVS.60DBH地震計和EDAS-24GN數(shù)采。按照我國大陸背景地噪聲區(qū)域劃分，溧陽臺屬于C類地區(qū)。根據(jù)GB/T 19531.1-2004《地震臺站觀測環(huán)境技術要求》，臺站觀測環(huán)境達Ⅰ級環(huán)境地噪聲水平[7]。

圖1 溧陽臺測震井剖面圖2 溧陽臺測震井與長山路位置示意圖

隨著城市發(fā)展，2016年6月臺站附近“長山路”一級公路工程開工建設。路基最近處距溧陽臺測震井60 m(圖2)。長山路全長9.152 km，路基寬33.5 m，雙向六車道，設計時速100 km/h，2018年1月通車。長山路建設通車，溧陽臺周邊觀測環(huán)境出現(xiàn)重大變化，有必要就長山路對溧陽臺觀測環(huán)境造成的影響進行定量分析研究。利用溧陽臺2015年3月和2018年3月測震觀測數(shù)據(jù)，計算RMS值評估背景噪聲水平。結合概率密度函數(shù)方法，繪制功率譜密度曲線圖，以溧陽臺為圓心，確定研究區(qū)域，對區(qū)域內道路施工前和道路通車后地震記錄情況進行對比，全面定量分析長山路對溧陽臺觀測環(huán)境影響。

2 噪聲功率譜計算方法和數(shù)據(jù)處理

一般認為地震臺站背景噪聲信號統(tǒng)計特性不隨時間變化而變化，可認為平穩(wěn)隨機信號。根據(jù)隨機過程理論，通常用概率統(tǒng)計方法來描述隨機信號。平穩(wěn)隨機信號在時間上是無限的，其能力也是無限的，本身的傅里葉變換也不存在，但其功率卻是有限的。平穩(wěn)隨機信號的功率譜反應了信號的功率在頻率上的分布密度，也稱功率譜密度。功率譜密度物理含義就是隨機信號功率在頻率上的分布密度，是一個統(tǒng)計平均的頻譜特征。

2.1 計算方法

根據(jù)其求解的方法，其數(shù)學定義如下。

設有限長時間系列x(n)(0≤N-1)的傅立葉變換為：

(1)

在測震臺站臺基噪聲功率譜估計中，常使用Welch方法，該方法為改進的周期圖法。它包括對信號重疊分段、加窗函數(shù)和FFT算法等，其步驟如下：

(2)

①輸入數(shù)據(jù)分段

(i= 0 ，1 ，…，k- 1 )

②對一數(shù)據(jù)段應用窗函數(shù)進行加權

(3)

③計算周期圖

(4)

(5)

④對分段周期圖進行平均得到功率譜

(6)

使用Welch方法時，對分段數(shù)據(jù)使用窗函數(shù)，降低FFT計算的頻譜泄露，對各個分段周期圖進行平均，降低FFT譜分析結果抖動，降低譜分析結果標準差。同時，使用Welch方法時數(shù)據(jù)分段數(shù)量越多時，計算結果的方差越小；數(shù)據(jù)分段的長度越長，頻譜分辨率越高。

根據(jù)上述方法計算每段噪聲樣本功率譜，為減少統(tǒng)計數(shù)據(jù)量，使用1/8倍頻程帶寬將功率譜覆蓋頻帶劃分為若干個子頻帶，在全頻段內以1/8倍頻為單位間隔計算平均功率譜。具體方法為把短拐角周期(高頻)TS和長拐角周期TL=2×TS內的平均功率譜值，賦給幾何中心周期 TC(TC=sqct(TS×TL))，隨后TS按1/8倍頻增加，直至所需頻率。

2.2 數(shù)據(jù)處理

部分研究者在噪聲研究過程中，剔除部分隨機信號和人為信號，例如觀測系統(tǒng)的瞬態(tài)變化、脈沖標定、限幅、尖峰等因素產生的毛刺信號，期望計算結果更準確。而Daniel和 Raymond提出的功率譜密度概率函數(shù)方法認為上述隨機信號和人為信號出現(xiàn)的概率相對平靜背景噪聲是小概率事件，允許計算中連續(xù)波形數(shù)據(jù)不全是平靜背景噪聲，因此本次計算不剔除含有上述信號的數(shù)據(jù)。

為使計算結果客觀反映長山路通車對溧陽臺背景噪聲影響，選擇2015年3月(長山路施工前)和2018年3月(長山路通車后)連續(xù)波形數(shù)據(jù)為計算樣本，分白天(08時～17時)和夜間(00時～06時)兩個時段。為消除連續(xù)數(shù)據(jù)波形中強震導致的信號影響，選擇連續(xù)波形中以下數(shù)據(jù)：(1)臺站震中距70°范圍內，24 h內未發(fā)生M6.0以上地震的連續(xù)波形數(shù)據(jù)；(2)臺站震中距20°范圍內，12 h內未發(fā)生M5.0以上地震的連續(xù)波形數(shù)據(jù)；(3)臺站震中距15°范圍內，3 h內未發(fā)生M4.0以上地震的連續(xù)波形數(shù)據(jù)。對樣本波形數(shù)據(jù)去零漂處理，利用上述計算方法，計算臺站功率譜值。

3 計算結果和分析

3.1 噪聲水平Enl結果和分析

經(jīng)計算2015年3月和2018年3月溧陽臺地噪聲水平Enl值如表1。對比發(fā)現(xiàn)，2018年3月三分向Enl值較2015年3月有一定程度升高，其中垂直向變化最大。2015年3月和2018年3月白天時段差值達1.116×10-8m/s ；南北向和東西向變化幅度略小。通車后三分向地噪聲水平均升高，說明長山路通車對臺站背景噪聲造成一定影響。

表1 溧陽臺臺基背景噪聲

3.2 噪聲功率譜計算結果與分析

對2015年3月和2018年3月各時段溧陽臺垂直向噪聲功率譜和臺站背景噪聲值計算繪圖(圖3、4)。

圖3 2018年3月與2015年3月不同時段背景噪聲功率譜密度曲線

圖4 2018年3月與2015年3月不同時段臺站背景噪聲值分布

(1) 2015年3月和2018年3月各時段噪聲功率譜密度曲線都展布在皮特森模型噪聲低高值包絡線NLNM和NHNM之間，處于合理噪聲水平，道路施工前和道路通車后溧陽臺觀測環(huán)境均符合基本監(jiān)測要求，但通車對觀測環(huán)境造成較大影響(圖3a、3d)。

(2) 根據(jù)圖3a、3b、4a和4b對比分析，可看出2018年3月長山路通車后，人文噪聲占主導的高頻段(>1.0 Hz)白天功率譜值高于夜間，二者功率譜最大差值5 dB。白天時段臺站背景噪聲水平明顯高于夜間，說明人類活動白天比夜間明顯活躍。同時受車輛等人類活動影響，白天高頻段功率譜曲線和背景噪聲值分布更離散、分布范圍更寬，說明白天干擾類型較多。其他頻段二者基本相當，變化較小。

(3)2015年3月溧陽臺白天和夜間功率譜密度曲線形態(tài)與2018年3月類似，白天高頻段(>1.0 Hz)功率譜值高于夜間，二者功率譜最大差值5 dB。白天時段臺站背景噪聲水平略高于夜間，說明長山路通車前臺站周邊也存在少量人類活動干擾，且白天比夜間頻繁，同時白天功率譜曲線高頻段分布更離散。其他頻段二者基本相當，變化較小。夜間功率譜曲線高頻段和背景噪聲值分布集中，表明干擾類型相對單一。

(4)2015年3月夜間較2018年3月夜間各頻段功率譜值和臺站背景噪聲值更低，高頻段(>1.0 Hz)突出，二者功率譜最大差值7 dB。隨著社會發(fā)展，人類夜間活動逐漸頻繁。夜間長山路仍有車輛通行或者臺站周邊人類活動，導致2018年3月夜間時段功率譜值高頻段和臺站背景噪聲比2015年3月夜間更高。2018年3月夜間各頻段功率譜曲線和臺站背景噪聲值更離散，表明干擾類型是多樣化的。

(5) 2015年3月白天與2018年3月白天相比各頻段功率譜值更低，高頻段(>1.0 Hz)表現(xiàn)突出，功率譜最大差值10 dB，功率譜差值和臺站背景噪聲差值均是所有對比中最大的。2018年3月白天5～20 Hz頻段功率譜值處于高值狀態(tài)，主要是長山路車輛通行特別是重型卡車通行導致。受環(huán)境變化影響，2018年3月白天各頻段功率譜曲線和臺站背景噪聲值分布更離散、分布范圍更寬，表明通車后臺站周邊人類干擾活動明顯增多，干擾類型多樣化，認為與不同類型車輛通行造成不同類型干擾有關。

對臺站背景噪聲的監(jiān)測和計算可及時發(fā)現(xiàn)觀測儀器運行狀態(tài)和臺站周邊觀測環(huán)境變化。利用功率譜密度曲線能反映背景噪聲時序性變化規(guī)律，對查找和排除噪聲源，提高臺站觀測資料質量有重要意義[8]。

4 地震記錄情況與分析

4.1 地震數(shù)據(jù)來源及計算情況

測震臺站地震記錄情況變化是反應測震觀測系統(tǒng)及觀測環(huán)境變化的一項重要指標。2015年1月～2019年3月期間，溧陽臺測震觀測使用港震B(yǎng)BVS.60DBH井下地震計和EDAS-24GN數(shù)采，系統(tǒng)標定結果正常。2016年6月長山路開始施工，2018年1月通車，因此選取2015年1月～2016年3月溧陽臺正式觀測報告(根據(jù)溧陽臺地震計記錄的地震情況編寫該報告)中地震記錄數(shù)據(jù)為道路施工前樣本數(shù)據(jù)，2018年1月～2019年3月溧陽臺正式觀測報告中地震記錄數(shù)據(jù)為道路通車后樣本數(shù)據(jù)(2019年4月臺站內工人施工不當導致地震計損壞，因此無法選取更長時間樣本數(shù)據(jù))，研究范圍內江蘇及鄰區(qū)地震數(shù)據(jù)下載于全國地震目錄系統(tǒng)統(tǒng)一正式目錄(http://10.5.160.18/console/index.action)。以溧陽臺為圓心，250 km為半徑，對比溧陽臺正式觀測報告和全國地震目錄系統(tǒng)地震記錄情況。

表2 2015年1月～2016年3月正式目錄與溧陽臺記錄對比

表3 2018年1月～2019年3月正式目錄與溧陽臺記錄對比表

4.2 計算結果和分析

(1)道路施工前和道路通車后，溧陽臺對250 km震中距范圍內3級以上地震均有較強監(jiān)測能力，各震中距內3級以上地震記錄率均100%。2.0～2.9級地震監(jiān)測能力也較好，施工前150 km范圍內2.0～2.9級地震記錄率100%，150～250 km范圍內接近50%。道路通車后100 km范圍內地震記錄率100%，100～150 km范圍內監(jiān)測能力有所下降，150～250 km范圍內接近50%。

(2)溧陽臺對50 km震中距范圍外0.9級以下地震監(jiān)測能力較差，道路施工前和道路通車后共32次0.9級以下地震，僅道路施工前記錄到1次。

(3)道路施工前和道路通車后，溧陽臺監(jiān)測能力變化主要體現(xiàn)在250 km震中距范圍內1.0～1.9級地震監(jiān)測上。施工前50～100 km震中距范圍內1.0～1.9級地震13次，記錄12次，記錄率92%；通車后記錄率67%，下降25 %。施工前100～150 km震中距范圍內1.0～1.9級地震12次，記錄7次，記錄率58%；通車后記錄率24%，下降33%。施工前150～200 km震中距范圍內1.0～1.9級地震13次，記錄5次，記錄率38%；通車后記錄率10%，下降28%。因此車輛通行對臺站50～250 km震中距內1.0～1.9級地震監(jiān)測造成較大影響。分析認為車輛干擾造成臺站背景噪聲明顯增大，工作人員無法從背景波形中分辨和識別震級偏小的地震波形。

5 抗干擾措施

準確的監(jiān)測資料依賴于良好的監(jiān)測設施和觀測環(huán)境[9]。地震臺站任務之一是保護好臺站觀測環(huán)境，提供準確、及時、連續(xù)、可靠的地震觀測資料[10]。針對長山路通車對地震監(jiān)測造成的影響，地震管理部門與溧陽當?shù)卣e極協(xié)商，決定采取以下抗干擾措施。

5.1 采用深井觀測

車輛干擾作為人文噪聲的一種類型，以面波形式傳播衰減較快，因此可以通過深井、山洞觀測方式來減少人文噪聲。近多年觀測表明，井下觀測與地面觀測相比觀測精度能提高1～2個數(shù)量級。人文噪聲頻率特征主要依賴于與干擾源的距離。通過測試得知普通卡車在離測點20 m處地方經(jīng)過可產生5～10 Hz左右噪聲干擾，比安靜時記錄的功率譜要高30 dB左右。為此在臺站內重新開鉆一口深度208 m的測震井，配置BBVS.60DBH地震計和EDAS-24GN數(shù)采，地震計固定在井下203 m處，測震井與長山路距離160 m。

圖5 長山路溧陽臺路段設置的限速限重型車輛標識

5.2 設置限速限重型車輛標識

由于車輛運輸中引起的振動頻率譜頻帶較寬，汽車引起最大振動頻率密集在2.5～5 Hz,亦有相當數(shù)量出現(xiàn)在10～15 Hz，其頻率變化隨汽車車速增大略有提高，空車略高于滿載車，遠處頻率有所降低。地面振動幅度與汽車重量和車速成正相關關系，汽車滿載一般比空載引起的振動大50 %～100 %?？ㄜ囓囁儆?0 km/h提高至60 km/h，地面振動幅度將增加200 %。交管部門在長山路溧陽測震臺路段設置限速80 km/h和限制中、重型載貨汽車通行標識 (圖5)。

6 總 結

長山路修建通車對溧陽測震臺觀測環(huán)境造成一定影響，臺站背景噪聲東西向、南北向和垂直向均出現(xiàn)增大，其中垂直向變化最大。臺站臺基噪聲功率譜密度曲線高頻段(>1.0 Hz)白天和夜間均出現(xiàn)變化，其中白天變化明顯，功率譜曲線分布離散。臺站地震監(jiān)測能力下降，特別是震中距50～50 km范圍內1.0～1.9級地震監(jiān)測能力明顯下降。為保護觀測環(huán)境、保障觀測數(shù)據(jù)質量，臺站開鉆新深井，架設設備并行觀測。交管部門在長山路溧陽臺路段兩端設置限速限重標識兩項抗干擾措施，兩項抗干擾措施效能可進一步定量分析和研究。