張劍鋒 張 錄 周康云 候塞因·賽麥提 木巴拉克·江布爾拜

1）中國(guó)新疆維吾爾自治區(qū) 841000 庫(kù)爾勒地震監(jiān)測(cè)中心站

2）中國(guó)新疆維吾爾自治區(qū) 839000 哈密地震監(jiān)測(cè)中心站

0 引言

臺(tái)基噪聲是數(shù)字化地震臺(tái)站建設(shè)的重要科學(xué)參數(shù)，可以反映臺(tái)基自身基礎(chǔ)條件，且與臺(tái)站周邊環(huán)境變化直接相關(guān)。工程建設(shè)、交通運(yùn)輸、人為活動(dòng)等均會(huì)引起地面的輕微顫動(dòng)，干擾并影響地震觀測(cè)效果，限制地震臺(tái)站觀測(cè)能力的提高，即使高靈敏度觀測(cè)儀器也不能清晰記錄小于臺(tái)站背景噪聲的微小信號(hào)。因此，研究地震觀測(cè)臺(tái)站的背景噪聲及其隨頻率的分布，對(duì)于地震觀測(cè)具有重要意義（許可等，2015）。

前人對(duì)臺(tái)站背景噪聲研究多為省級(jí)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)整體分析比對(duì)，如：何彥等（2006）介紹了新疆測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)字地震臺(tái)儀器的配置，對(duì)新疆23 個(gè)數(shù)字地震臺(tái)站臺(tái)基噪聲進(jìn)行分析計(jì)算；鄧明文等（2021）計(jì)算了若羌測(cè)震臺(tái)11 年的噪聲水平變化，得出該臺(tái)10 Hz 附近出現(xiàn)的高頻異常為米蘭河水庫(kù)運(yùn)行固有干擾的結(jié)論。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地震臺(tái)站周邊環(huán)境發(fā)生了較大改變，如巴里坤測(cè)震臺(tái)，自2018 年起，臺(tái)站周邊開(kāi)始建設(shè)G7 與G575 高速公路，施工地點(diǎn)距巴里坤觀測(cè)點(diǎn)直線距離分別為2.0 km 和1.2 km，2021 年高速公路通車運(yùn)行。當(dāng)前臺(tái)基噪聲水平與臺(tái)站勘選階段存在明顯差異，利用Welch 算法，基于巴里坤測(cè)震臺(tái)2017—2021 年波形記錄，計(jì)算并分析該臺(tái)臺(tái)基噪聲水平變化，可為臺(tái)站人員了解本臺(tái)監(jiān)測(cè)環(huán)境變化提供幫助，同時(shí)為新疆測(cè)震臺(tái)網(wǎng)積累地震臺(tái)站背景噪聲數(shù)據(jù)。

1 巴里坤測(cè)震臺(tái)概況

巴里坤測(cè)震臺(tái)位于新疆維吾爾自治區(qū)巴里坤縣大河鎮(zhèn)，海拔1 734 m，構(gòu)造上處于西伯利亞板塊和準(zhǔn)噶爾—哈薩克斯坦板塊結(jié)合部（圖1），臺(tái)基巖性為石炭紀(jì)花崗巖。巴里坤測(cè)震臺(tái)屬國(guó)家級(jí)地震臺(tái)，于2002 年建成并投入使用，承擔(dān)著整個(gè)東疆片區(qū)的地震監(jiān)測(cè)任務(wù)。自正式觀測(cè)以來(lái)，先后架設(shè)573 短周期地震儀、FBS-3 型寬頻帶數(shù)字地震儀，2003 年9 月起采用CTS-1E 寬頻帶地震計(jì)（地震計(jì)各項(xiàng)性能參數(shù)見(jiàn)表1）進(jìn)行觀測(cè)。該臺(tái)觀測(cè)山洞縱深18 m，洞頂覆蓋層厚11 m，洞內(nèi)年均溫度8 ℃，年變化小于0.3 ℃，濕度約77%，洞體周圍無(wú)明顯干擾源。目前觀測(cè)站內(nèi)配備測(cè)震儀器1 套、形變儀器1 套、輔助觀測(cè)儀器1 套。

圖1 巴里坤測(cè)震臺(tái)位置示意Fig.1 Location map of Barkol Seismic Station

表1 CTS-1E 地震計(jì)參數(shù)Table 1 Parameters of CTS-1E seismometer

2 計(jì)算原理

臺(tái)基背景噪聲測(cè)試不屬于地震儀參數(shù)測(cè)定范疇，但在實(shí)際工作中，臺(tái)基噪聲資料是勘選臺(tái)址、評(píng)估臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境、評(píng)估臺(tái)站記錄質(zhì)量的重要依據(jù)。臺(tái)基噪聲測(cè)試通常用臺(tái)站記錄的噪聲數(shù)據(jù)計(jì)算其自功率譜密度，并按特定帶寬計(jì)算噪聲（速度或加速度）有效值 RMS（萬(wàn)永革，2012）。目前，地震噪聲處理方法已較為成熟，主要方法為用f(t)表示時(shí)間函數(shù)在頻率尺度上每單位的位移量，F(xiàn)(ω)表示地震數(shù)據(jù)信號(hào)，二者之間互為自相關(guān)函數(shù)，運(yùn)用傅里葉直接變換法，有

RMS 值為脈動(dòng)噪聲的均方根值，可以衡量臺(tái)基的背景噪聲水平，計(jì)算公式為：

式中，P為加速度或速度功率譜密度，f0為分度倍程中心頻率，RBW 為相對(duì)帶寬。RBW計(jì)算公式為

式中，fi與fu分別為相對(duì)帶寬的下限頻率和上限頻率，其中n為二進(jìn)制倍頻程分，m為十進(jìn)制倍頻程分。臺(tái)站的觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍反映了觀測(cè)儀器本身的性能和臺(tái)基環(huán)境干擾背景水平，有效動(dòng)態(tài)范圍反映了記錄地震信號(hào)的最大能力（何彥等，2006）。計(jì)算公式為

式中，U為輸入電壓，K為數(shù)采實(shí)際工作增益值，S為地震計(jì)工作靈敏度，D為地震信號(hào)有限觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍值。

本研究使用童汪練研發(fā)軟件（基于Welch 方法），利用巴里坤測(cè)震臺(tái)數(shù)字地震儀零極點(diǎn)和增益參數(shù)，計(jì)算臺(tái)基噪聲功率譜密度。

3 背景噪聲特征分析

本文主要選取了巴里坤測(cè)震臺(tái)2017—2021 年共5 年的波形數(shù)據(jù)，在24 h 文件中截取無(wú)震、無(wú)明顯干擾波形，共計(jì)約2 000 h 文件。同時(shí)為更準(zhǔn)確計(jì)算巴里坤測(cè)震臺(tái)背景噪聲各項(xiàng)參數(shù)，本文選取數(shù)據(jù)為原始噪聲信號(hào)，長(zhǎng)為3 600 s，觀測(cè)數(shù)據(jù)格式為*.dat 。通過(guò)計(jì)算地脈動(dòng)噪聲功率譜、地動(dòng)噪聲有效 RMS 值等地脈動(dòng)參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)臺(tái)站的背景噪聲特征變化規(guī)律。

3.1 背景噪聲年變特征分析

取巴里坤測(cè)震臺(tái)2017—2021 年每月1—20 Hz 垂直向臺(tái)基背景噪聲均方根值（RMS），以年尺度對(duì)比分析臺(tái)基噪聲年變趨勢(shì)特征，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2 可見(jiàn)：2017—2018 年，巴里坤測(cè)震臺(tái)背景噪聲RMS 值處于較平穩(wěn)狀態(tài)；2018 年起，受G7 與G575 高速公路施工中大型機(jī)械作業(yè)和人為干擾，該臺(tái)臺(tái)基背景噪聲RMS 值升高，2019 年10 月達(dá)最高值，數(shù)值為25.1×10-8m/s；2021 年，受高速公路通車交通工具的干擾，該臺(tái)整體噪聲均值高于2017 年，表明高速公路通車對(duì)巴里坤測(cè)震臺(tái)的干擾客觀存在，且呈逐年上升趨勢(shì)。同時(shí)可見(jiàn)，該臺(tái)背景噪聲RMS 值在每年5—10 月普遍高于其他月份，冬季噪聲水平最低，主要原因是，每年5—10 月氣溫變化明顯，山體的溫差變化劇烈，導(dǎo)致山體發(fā)生微弱傾斜，進(jìn)一步影響了臺(tái)基背景噪聲水平（鄧明文等，2021）。

圖2 巴里坤臺(tái)背景噪聲年變趨勢(shì)Fig.2 Annual variation trend of background noise at Barkol Seismic Station

3.2 干擾分析

通過(guò)觀察巴里坤測(cè)震臺(tái)PSD 曲線及分析RMS 值可以發(fā)現(xiàn)，噪聲譜異常主要受以下因素影響：①氣壓變化造成的干擾；②高速公路通行后所對(duì)應(yīng)的人為干擾。針對(duì)以上干擾，本文分別選取了同一天內(nèi)氣壓變化劇烈的小時(shí)文件與氣壓正常的小時(shí)文件進(jìn)行了分析對(duì)比，同時(shí)選取了2021 年高速公路車輛通行后，日間、與夜間RMS 差值與2017 年無(wú)車輛通行時(shí)段進(jìn)行了分析研究。

3.2.1 氣壓變化對(duì)臺(tái)基背景噪聲的影響。巴里坤縣地處新疆東北部，屬大陸性干旱氣候，是典型的邊境高寒縣，晝夜氣溫變化劇烈，巴里坤測(cè)震臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)受氣壓干擾影響較大。為直觀分析氣壓所造成的功率譜變化，選取2017 年12 月8 日該臺(tái)記錄的波形數(shù)據(jù)，計(jì)算噪聲功率譜密度（PSD），繪制功率譜密度曲線，直觀分析氣壓干擾對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。圖3 中(a)圖為正常時(shí)段波形數(shù)據(jù)，(b)圖為受氣壓干擾影響較大時(shí)段的PSD 和波形數(shù)據(jù)，(c)圖為該日氣壓整點(diǎn)值數(shù)據(jù)，其中9—14 時(shí)為氣壓快速上升時(shí)段，后緩慢恢復(fù)，16—24 時(shí)為氣壓正常時(shí)段。由圖3(b)可知：氣壓變化對(duì)功率譜干擾明顯，左側(cè)圖中UD為垂直分向，NS、EW 為水平分向，垂直分向數(shù)據(jù)在0.001—0.002 Hz 頻段內(nèi)，噪聲水平超過(guò)地球高噪聲模型，且遠(yuǎn)高于水平分向；與(a)圖所示正常時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，水平分量噪聲值變化幅度較大，這是因?yàn)?，在氣壓變化影響下，觀測(cè)洞室被覆山體發(fā)生變形，從而導(dǎo)致背景噪聲發(fā)生變化。因此，在日常運(yùn)維工作中，需密切關(guān)注觀測(cè)室密閉性，盡可能減少人為活動(dòng)造成的氣壓變化。

圖3 氣壓變化對(duì)2017 年12 月8 日巴里坤測(cè)震臺(tái)測(cè)震數(shù)據(jù)的影響(a)正常時(shí)段數(shù)據(jù)；(b)氣壓干擾變化；(c)氣壓變化Fig.3 Influence of air pressure changes on the seismic data of Barkol Seismic Station on December 8,2017

3.2.2 高速公路通行對(duì)臺(tái)基背景噪聲的影響。選取巴里坤測(cè)震臺(tái)2017年（高速公路通行前）、2021年（高速公路通行）波形數(shù)據(jù)，逐月計(jì)算垂直分量2—5時(shí)（夜間）及11—13時(shí)（日間）1—20 Hz 頻帶地動(dòng)噪聲均方根（RMS）及其差值，對(duì)比分析高速公路施工前后的臺(tái)基噪聲變化，結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 2017 年垂直向環(huán)境地噪聲RMS（1—20 Hz）Table 2 RMS of ground motion noise of vertical environment in 2017 (1-20 Hz)單位：10-8 m/s

表3 2021 年垂直環(huán)境地噪聲RMS（1—20 Hz）Table 3 RMS of ground motion noise of vertical environment in 2021(1-20 Hz)單位：10-8 m/s

由表2、表3 可知：2017 年該臺(tái)地噪聲日夜差值不大，變化率較小，說(shuō)明臺(tái)站周邊觀測(cè)環(huán)境干擾較小，整體數(shù)據(jù)質(zhì)量較高；2021 年G7 高速公路通車，日間RMS 值明顯增大，且夏季高于冬季，日夜差值整體變化率增大，與周邊環(huán)境變化吻合，證明觀測(cè)環(huán)境的改變?cè)斐闪伺_(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。

據(jù)中國(guó)數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)址勘選標(biāo)準(zhǔn)（在1—20 Hz 內(nèi)，地動(dòng)噪聲RMS 值≤3.16×10-8m/s符合Ⅰ類臺(tái)站要求，3.16×10-8m/s≤RMS值≤1.0×10-7m/s符合Ⅱ類臺(tái)站要求），巴里坤測(cè)震臺(tái)臺(tái)基噪聲值在2017 年均屬于“Ⅰ類臺(tái)基噪聲水平”，而在2021 年5—10 月日間僅達(dá)到“Ⅱ類臺(tái)基噪聲水平”（表2，表3）。

2017 年與2021 年該臺(tái)日間與夜間地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，在1—20 Hz 范圍內(nèi)，2017 年日間、夜間地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線平穩(wěn)，且位于全球地震背景噪聲模型的新高噪聲模型（NHNM）和新低噪聲模型（NLNM）之間；2021 年高速公路通車，對(duì)該臺(tái)數(shù)據(jù)造成固有干擾，表現(xiàn)在：在車輛主要通行時(shí)段，即對(duì)應(yīng)頻段2.5—10 Hz（人類活動(dòng)主要頻段）附近出現(xiàn)小幅峰值，衰減較快。

圖4 巴里坤測(cè)震臺(tái)日間與夜間地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線(a)2017 年；(b)2021 年Fig.4 Power spectral density curves of daytime and nighttime ground motion noise at Barkol Seismic Station

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2017 年、2021 年巴里坤測(cè)震臺(tái)測(cè)震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)一致，但觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量有所下降。由于背景噪聲增大，臺(tái)站實(shí)際觀測(cè)范圍減小，造成有效記錄的地震數(shù)量逐年遞減。

3.3 地震波形記錄的功率譜特征

選取2019年10月27日新疆烏什縣M5.0地震、2022年1月8日青海門源縣M6.9地震、2019年8月4日日本東岸M6.2地震和2021年12月30日班達(dá)海M7.5地震，將4個(gè)地震事件，按震中距大小以a、b、c、d 進(jìn)行編號(hào)，地震參數(shù)見(jiàn)表4，波形記錄及功率譜曲線見(jiàn)圖5。

表4 地震目錄Table 4 Earthquake catalog

由圖5 可見(jiàn)：①事件a 地震強(qiáng)度低，面波發(fā)育不顯著，PSD 曲線峰值約-90 dB，能量集中在1—20 Hz 頻段；②事件b 與事件a 震中距接近，但其能量明顯較強(qiáng)，由PSD 曲線可知，高頻異常持續(xù)至0.5 Hz，峰值達(dá)-70 dB，頻帶整體變寬；③事件c 發(fā)生在日本本州東岸，震中距大于事件a、b，對(duì)比可知，隨著震中距增大，高頻異常左移，頻帶整體變窄，在0.01 Hz 頻點(diǎn)處出現(xiàn)拐點(diǎn)；④事件d 為深源地震，震源深度達(dá)200 km，在0.01—5.0 Hz頻段，噪聲水平高于NHNM，拐點(diǎn)出現(xiàn)在-80 dB，與震中距相差不大的事件c 對(duì)比，體波衰減慢，在1—3 Hz 頻段，噪聲水平明顯較高。

圖5 地震記錄功譜率特征對(duì)比(a) 2019 年10 月27 日新疆烏什縣M 5.0 地震；(b) 2022 年1 月8 日青海門源縣M 6.9 地震；(c) 2019 年8 月4 日日本東岸M 6.2 地震；(d) 2021 年12 月30 日班達(dá)海M 7.5 地震Fig.5 Comparison of power spectral characteristics of seismic records

由4 個(gè)地震事件的整體對(duì)比結(jié)果可知，譜變化趨勢(shì)形態(tài)不同，但長(zhǎng)周期頻段均高于NHNM，拐點(diǎn)普遍出現(xiàn)在-90— -70 dB 之間，且震中距、震源深度不同，對(duì)背景噪聲水平的影響也不同，相較震中距而言，震源深度對(duì)數(shù)據(jù)記錄的譜分析結(jié)果影響較大。

4 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算巴里坤測(cè)震臺(tái)2017—2021 年波形數(shù)據(jù)臺(tái)基噪聲并繪制PSD 圖，可以得到以下結(jié)論：①巴里坤測(cè)震臺(tái)在2017 年臺(tái)基噪聲值屬于國(guó)家Ⅰ類臺(tái)基噪聲水平，2018 年在G7高速公路施工后噪聲水平整體呈趨勢(shì)上升狀態(tài)，且夏季高于冬季；②2021 年G7 高速公路車輛通行后，與2017 年日間、夜間噪聲值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)車輛通行后噪聲值增大，說(shuō)明高速公路車輛通行對(duì)巴里坤測(cè)震臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響是客觀存在的，而在頻率2.5 Hz 上下的觀測(cè)數(shù)據(jù)異常，應(yīng)為高速公路交通所致固有干擾；③結(jié)合PSD 圖可以發(fā)現(xiàn)，巴里坤測(cè)震臺(tái)測(cè)震數(shù)據(jù)受氣壓影響顯著，其中垂直分向干擾明顯，因此在日常運(yùn)維中，要盡量保證觀測(cè)站點(diǎn)溫度恒定，減小氣流擾動(dòng)，保障低噪聲觀測(cè)環(huán)境，以減少外界因素對(duì)地震計(jì)記錄數(shù)據(jù)的影響。

人為干擾、環(huán)境變化、儀器工作參數(shù)設(shè)置的變動(dòng)，均會(huì)對(duì)測(cè)震觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，背景噪聲計(jì)算可作為測(cè)震臺(tái)站日常工作的一部分，及時(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)觀測(cè)環(huán)境變化，為提升測(cè)震觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量打下基礎(chǔ)。