張小艷，趙 星，熊 峰，王旭東，郭 雷，胡 煒

（1. 內(nèi)蒙古地震臺, 呼和浩特 010010；2. 呼和浩特地震監(jiān)測中心站, 呼和浩特 010010）

0 引言

定點地傾斜連續(xù)觀測主要監(jiān)測地殼形變相對運動變化和固體潮汐的動態(tài)變化，能較靈敏地反映地殼物性變化，服務(wù)于中短和短臨階段的地震前兆監(jiān)測[1-3]。但地傾斜觀測過程中，不可避免地受到各種因素的干擾，增加了震兆識別的難度，所以總結(jié)認識干擾信號的特征對震兆異常的甄別尤為重要[4-5]。

功率譜密度（Power Spectrum Density, PSD）分析方法在頻域內(nèi)對信號進行定量分析，描述了單位頻率內(nèi)信號的功率值，是研究噪聲的重要手段[6-7]。目前，PSD分析方法常用來研究地震儀和重力儀的背景噪聲水平[8-15]。趙瑩研究了VP垂直擺觀測背景的功率譜密度特征和全臺網(wǎng)垂直擺傾斜儀的背景噪聲水平，將PSD分析方法應(yīng)用于分析地傾斜觀測儀器的背景噪聲特征[16-17]。

干擾信號通常會引起噪聲功率譜異常，并且不同的干擾信號在頻域中會表現(xiàn)出不同特性。本文采用功率譜密度（PSD）分析方法，對內(nèi)蒙古地區(qū)地傾斜觀測資料的正常觀測背景和受到自然環(huán)境（大風(fēng)、降雨、氣壓）干擾、震擾的噪聲功率譜進行對比分析，以進一步認識本區(qū)域地傾斜觀測的正常背景和主要干擾信號的功率譜密度特征，為本區(qū)域地傾斜觀測的震兆識別提供更加客觀的背景參考。

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

定點地傾斜觀測數(shù)據(jù)一般由固體潮、線性趨勢和背景噪聲3部分組成[16]，故需對觀測數(shù)據(jù)先進行預(yù)處理，以凸顯背景噪聲信號，便于對其進行功率譜密度估計。本文利用小波分解頻段逐次分半的特性，采用db4小波基函數(shù)，對分鐘采樣數(shù)據(jù)采用10階小波分解，對秒采樣數(shù)據(jù)采用16階小波分解以扣除觀測數(shù)據(jù)的日波、半日波、1/4日波等固體潮信息，并對線性趨勢進行剔除（因趨勢項中含有低頻信息，故后文中進行降雨干擾分析時，預(yù)處理未進行線性趨勢的剔除）。

1.2 功率譜密度PSD計算

本文采用Welch方法，即改進的平均周期圖法對信號進行功率譜密度估計，將長度為N的地傾斜觀測數(shù)據(jù)分成L段（允許有重疊），每一段長度為M，并采用漢寧窗進行預(yù)處理以減少頻率泄露、增加頻峰寬度[18]，然后分別求取每一段的功率譜密度進行平均來獲得整段數(shù)據(jù)的功率譜密度。如果信號為x(n)，則每一段的功率譜為：

2 正常日變的功率譜密度特征

內(nèi)蒙古地傾斜觀測儀器有SSQ-2I水平擺、DSQ水管傾斜儀和VP垂直擺，其中水平擺和水管傾斜儀是分鐘采樣，垂直擺是秒采樣。不同采樣率的地傾斜觀測數(shù)據(jù)，其對應(yīng)的PSD結(jié)果會有一定的不同。故本文主要以水管傾斜儀和VP垂直擺的觀測數(shù)據(jù)為例來分析不同采樣率的地傾斜觀測資料在正常日變情況下的功率譜密度特征。

分別選取包頭臺水管傾斜儀NS分量2018年6月25—29日分鐘值數(shù)據(jù)和烏加河臺VP垂直擺EW分量2020年4月7—10日秒值數(shù)據(jù)進行分析，該時間段內(nèi)2套儀器運行正常，且未受到任何干擾因素影響（圖1a、1c）。

由功率譜密度分析結(jié)果圖1b、1d可看出，分鐘值觀測數(shù)據(jù)的PSD結(jié)果所反映的頻率最大能達到8.3 mHz，分布在這一頻段的背景噪聲源主要有局部大氣作用（小于2 mHz）、Hum信號（2～7 mHz）和Rayleigh波（7～30 mHz）[19]；秒值觀測數(shù)據(jù)的PSD結(jié)果則反映的最大頻率能達到0.5 Hz，較分采樣觀測數(shù)據(jù)可多獲得8.3 mHz～0.5 Hz頻段的高頻信息，故除了可記錄到上文所述的背景噪聲源之外，還記錄到了2類地脈動信號，即第一類地脈動噪聲（10～20 s）和第二類地脈動噪聲（5～10 s）。趙瑩分析的小廟臺秒值VP垂直擺在正常日變狀態(tài)下的PSD結(jié)果中第二類地脈動噪聲的能量要大于第一類地脈動噪聲[16]，但本文中VP垂直擺2類地脈動噪聲的能量未有顯著差異，2類地脈動噪聲的產(chǎn)生機制同海洋有很大關(guān)系[20]，故該現(xiàn)象的不一致可能與地域位置有關(guān)。

圖1 地傾斜儀器正常日變的PSD分析結(jié)果

綜合2套儀器的正常日變PSD分析結(jié)果，在正常未受到干擾的情況下，地傾斜儀器各自每日的PSD分析結(jié)果變化不大，每日PSD曲線基本重合，形態(tài)保持一致。

3 不同干擾信號的功率譜密度特征

內(nèi)蒙古地區(qū)地傾斜觀測中常見干擾有自然環(huán)境（大風(fēng)、降雨、氣壓）干擾和地震波影響。因秒采樣數(shù)據(jù)較分采樣數(shù)據(jù)可獲得更豐富的頻段信息，故針對不同的干擾信號，重點選取了VP垂直擺典型的秒值觀測數(shù)據(jù)進行PSD分析，以總結(jié)地傾斜觀測資料受到不同干擾因素影響時的功率譜密度特征。

3.1 自然環(huán)境干擾

1）大風(fēng)干擾

在實際觀測中，呼和浩特臺VP垂直擺易受大風(fēng)干擾。選取該臺站VP垂直擺EW分量2020年11月23—26日、NS分量2017年3月17—21日秒值觀測數(shù)據(jù)。其中，在EW分量2020年11月24日2時至11月25日5時、NS分量2017年3月19日14時23分至3月20日9時40分時段，因受大風(fēng)影響，觀測曲線出現(xiàn)毛刺、曲線加粗，其他時段觀測曲線正常。因連續(xù)繪制多天數(shù)據(jù)會導(dǎo)致干擾部分體現(xiàn)不明顯，故原始數(shù)據(jù)圖中僅選取部分數(shù)據(jù)進行展示（圖2a、2c）。

大風(fēng)干擾PSD分析結(jié)果見圖2b、2d。其中，紅色線代表大風(fēng)干擾日的PSD結(jié)果；藍色線為干擾日前后平靜日的PSD結(jié)果。從圖2b、2d可看出，自10?3Hz開始，VP垂直擺干擾日的PSD值較平靜日出現(xiàn)大幅增加，在0.2 Hz處形成一個小尖峰，并且圖2b中干擾日的PSD值在該頻率處較平靜日的增幅達到最大，在低頻段內(nèi)干擾日的PSD結(jié)果與正常時段基本一致。

圖2 呼和浩特臺垂直擺大風(fēng)干擾PSD分析結(jié)果

故大風(fēng)干擾的PSD分析結(jié)果表明，大風(fēng)干擾主要表現(xiàn)為一種高頻干擾，造成影響頻段內(nèi)PSD值較正常時段顯著增大。對于秒值數(shù)據(jù)，因影響頻段包含了第2類地脈動頻段，故大風(fēng)干擾會造成第2類地脈動噪聲信號能量的顯著增加，并表現(xiàn)為干擾日的PSD曲線在0.2 Hz處有一小尖峰。

2）降雨干擾

呼和浩特臺VP垂直擺存在明顯的季節(jié)性降雨干擾，選取該臺站VP垂直擺NS分量2019年9月9—13日和EW分量2019年8月18—21日秒值觀測數(shù)據(jù)。其中，在NS分量觀測數(shù)據(jù)2019年9月11日14時4分至22時44分、EW分量觀測數(shù)據(jù)2019年8月19日20時50分至8月20日3時45分時段內(nèi)，因強降雨導(dǎo)致觀測曲線發(fā)生趨勢改變，加速下降（圖3a、3c）。

降雨干擾PSD分析結(jié)果見圖3b、3d。其中紅色線、綠色線表示降雨干擾日的PSD結(jié)果，圖3d中紅色線為2019年8月19日的PSD曲線、綠色線為2019年8月20日的PSD曲線，藍色線為干擾日前后平靜日的PSD結(jié)果。

由圖3b、3d可看出：①VP垂直擺觀測數(shù)據(jù)受降雨干擾時，全頻段的PSD值均出現(xiàn)了較明顯的增大現(xiàn)象；②在低于10?4Hz頻段內(nèi)，2019年9月11日、2019年8月19日干擾日的PSD值要明顯高于平靜日，最大增幅均約為10 dB/Hz，2019年8月20日干擾日的PSD值較平靜日變化不顯著；③在0.01～0.10 Hz頻段內(nèi)，降雨干擾日的PSD值均要明顯高于平靜日，且相比于同頻段內(nèi)平靜日的PSD值，最大增幅均約為10 dB/Hz。圖3d中VP垂直擺觀測數(shù)據(jù)在2019年8月19日因強降雨導(dǎo)致觀測曲線發(fā)生快速下降，曲線整體變化幅度較大、變化速率較快，而2019年8月20日降雨影響基本結(jié)束，觀測曲線處于恢復(fù)階段，變化速率減緩，變化幅度與日變幅度相差不大，故在低頻段內(nèi)，2019年8月20日的PSD曲線較平靜日PSD變化不明顯。

圖3 呼和臺垂直擺降雨干擾PSD分析結(jié)果

由VP垂直擺受降雨干擾的PSD分析結(jié)果可知，降雨干擾主要影響的是低頻段，即在低于10?4Hz頻段內(nèi)，干擾日的背景噪聲較平靜日增大最為明顯，并且降雨干擾還會產(chǎn)生一定的高頻干擾，即在0.01～0.10 Hz頻段內(nèi)PSD值也出現(xiàn)了明顯增大，因降雨干擾常伴有刮風(fēng)現(xiàn)象，故可能與該因素有關(guān)。

3）氣壓干擾

烏加河臺VP垂直擺易受氣壓干擾，分別選取烏加河臺VP垂直擺NS分量2018年7月14—18日和EW分量2020年8月7—10日秒值觀測數(shù)據(jù)。其中VP垂直擺NS分量2018年7月17日16時30分至22時50分和EW分量2020年8月7日15時50分至17時30分、2020年8月8日16時30分至19時30分因氣壓驟變出現(xiàn)固體潮畸變。因連續(xù)繪制多天觀測數(shù)據(jù)會導(dǎo)致干擾部分體現(xiàn)不明顯，故原始數(shù)據(jù)圖中僅選取部分數(shù)據(jù)進行展示（圖4a、4c）。

氣壓干擾PSD分析結(jié)果見圖4b、4d。其中，紅色線、綠色線表示氣壓干擾日的PSD分析結(jié)果，且圖4d中紅色線為2020年8月7日的PSD曲線、綠色線為2020年8月8日的PSD曲線，藍色線均為平靜日的PSD結(jié)果。

圖4 烏加河臺垂直擺氣壓干擾PSD分析結(jié)果

由圖4b、4d可看出，在10?4～10?3Hz頻段、0.01～0.10 Hz頻段內(nèi)，氣壓干擾日的PSD值明顯高于平靜日，最大變幅約為10 dB/Hz，且2020年8月7日的氣壓干擾還造成了第二類地脈動信號能量的明顯增加。因氣壓驟變的時候可能伴有大風(fēng)，故會引起第二類地脈動信號能量增加，其他頻段，干擾日與平靜日的PSD曲線基本變化一致。

通過PSD分析，氣壓干擾對地傾斜觀測數(shù)據(jù)主要影響的是10?4～10?3Hz、0.01～0.10 Hz兩個頻段，在受影響頻段內(nèi)會造成PSD值較正常時段顯著升高，并對于秒值觀測數(shù)據(jù)氣壓干擾還可能引起第二類地脈動信號能量的增加。

3.2 地震波影響

地傾斜儀器受地震波影響時，大部分儀器能記錄到顯著地震的同震響應(yīng)，而秒采樣的地傾斜儀器記錄到的同震響應(yīng)更為明顯，同震變化形態(tài)多為突跳、階躍等。

分別選取烏加河臺VP垂直擺EW分量2019年12月13—17日和2020年6月25—28日的秒值觀測數(shù)據(jù)進行分析。其中，VP垂直擺在2019年12月15日記錄到了菲律賓棉蘭老島M6.8地震（圖5a）；在2020年6月25日記錄到了日本本州東岸近海M5.9地震、在2020年6月26日記錄到了新疆于田M6.4地震（圖6a）。具體同震響應(yīng)參數(shù)見表1。

表1 同震響應(yīng)參數(shù)

地震波影響的PSD分析結(jié)果見圖5b和圖6b。其中，紅色線、綠色線表示地震日的PSD結(jié)果，且圖6b中綠色線為2020年6月25日的PSD曲線、紅色線為2020年6月26日的PSD曲線，藍色線為地震日前后平靜日的PSD結(jié)果。

由圖5b、圖6b可看出：① 在大于10?4Hz頻段內(nèi)，2019年12月15日菲律賓棉蘭老島M6.8地震造成VP垂直擺當(dāng)日的PSD值較平靜日明顯增大，PSD最大變幅約為40 dB/Hz；② 2020年6月25日日本本州東岸近海M5.9地震造成VP垂直擺在大于10?2Hz頻段內(nèi)，地震日的PSD值顯著增大，最大變幅約為15 dB/Hz，其他頻段表現(xiàn)不明顯；③2020年6月26日新疆于田M6.4地震，造成VP垂直擺在大于10?3Hz頻段內(nèi)，地震日的PSD要顯著高于平靜日，最大變幅約為25 dB/Hz；④ 對比M6.8地震、M6.4地震及M5.9地震的PSD分析結(jié)果，M6.8地震影響的頻段范圍和PSD最大變幅均要大于M6.4地震，M6.4地震影響的頻段范圍和PSD最大變幅均要大于M5.9地震；⑤在影響頻段內(nèi)，地震日的PSD曲線較平靜日出現(xiàn)了多條明顯的縱向線狀區(qū)域。

圖5 菲律賓棉蘭老島M6.8震擾PSD分析結(jié)果

圖6 日本本州東岸近海M5.9和新疆于田M6.4震擾PSD分析結(jié)果

地震波影響的PSD分析結(jié)果表明，地震波會引起觀測數(shù)據(jù)的背景噪聲較平靜日明顯增大，并表現(xiàn)為影響頻段內(nèi)會出現(xiàn)多條明顯的縱向線狀區(qū)域。同時，不同地震波對地傾斜儀器背景噪聲影響的幅度和頻帶范圍存在一定的差別。對比3個地震的同震響應(yīng)參數(shù)，VP垂直擺記錄的地震波最大振幅越大、持續(xù)時間越長，地震波對背景噪聲影響的幅度和頻帶范圍越大，即背景噪聲的增大幅度和影響頻段范圍與觀測儀器記錄的地震波最大振幅、持續(xù)時間存在一定的正比關(guān)系。

4 結(jié)論

本文采用功率譜密度分析方法，對內(nèi)蒙古地區(qū)地傾斜觀測資料的正常觀測背景及秒采樣觀測數(shù)據(jù)受大風(fēng)、降雨、氣壓干擾及震擾的典型觀測數(shù)據(jù)進行分析，得到以下結(jié)論。

1）在正常日變情況下，分采樣地傾斜觀測數(shù)據(jù)的PSD分析結(jié)果所能記錄的頻率最大為8.3 mHz，而秒采樣數(shù)據(jù)PSD分析結(jié)果所記錄的最大頻率為0.5 Hz，故秒采樣數(shù)據(jù)較分采樣數(shù)據(jù)可記錄到更多的高頻背景噪聲信號。未受到任何干擾的情況下，地傾斜儀器每日的PSD分析結(jié)果基本一致。

2）大風(fēng)干擾主要影響頻段大于10?3Hz ，表現(xiàn)為影響頻段內(nèi)干擾日的背景噪聲明顯高于平靜日，并且對于秒采樣數(shù)據(jù)，大風(fēng)干擾會造成第二類地脈動噪聲信號能量顯著增加。

3）降雨干擾主要影響頻段低于10?4Hz ，表現(xiàn)為影響頻段內(nèi)干擾日的背景噪聲較平靜日增大最為明顯，并且降雨干擾對秒采樣數(shù)據(jù)在0.01～0.10 Hz頻段還會產(chǎn)生一定的高頻影響。

4）氣壓干擾主要影響有兩個頻段，分別為10?4～10?3Hz和0.01～0.10 Hz ，在影響頻段內(nèi)干擾日的PSD值要明顯高于平靜日。并且，氣壓干擾可能會引起秒采樣數(shù)據(jù)的第二類地脈動噪聲信號能量明顯增加。

5）地震波會造成觀測數(shù)據(jù)的背景噪聲較平靜日出現(xiàn)顯著增大，主要表現(xiàn)為影響頻段內(nèi)PSD曲線出現(xiàn)多條明顯的縱向線狀區(qū)域，該表現(xiàn)形態(tài)與大風(fēng)、降雨及氣壓干擾的PSD變化形態(tài)表現(xiàn)不同。并且，地震波對地傾斜觀測數(shù)據(jù)背景噪聲影響的頻段范圍和變化幅度與觀測儀器記錄到的地震波最大振幅、持續(xù)時間成正比關(guān)系。