李坤林 王林松,2 馬 險 謝 揚 朱明濤

1 中國地質大學(武漢) 地球物理與空間信息學院,武漢市魯磨路388號,430074 2 地球內部多尺度成像湖北省重點實驗室,武漢市魯磨路388號,430074 3 中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院,武漢市徐東大街340號,430077

由于不同區(qū)域地質構造的差異,各臺站的背景噪聲各不相同[1],同一區(qū)域不同頻段的背景噪聲也有所不同[2]。研究gPhone重力儀在不同頻段內的噪聲水平,可為臺站選址、掌握儀器性能、校正儀器、判斷儀器近期是否具有檢測地震簡正模及微弱地球動力學信號的能力等諸多科學問題提供重要參考。

2020-01新冠疫情(COVID-19)爆發(fā),武漢持續(xù)封城近80 d,人類活動明顯降低,使武漢地區(qū)整體背景噪聲發(fā)生變化。基于此,本文利用中國地質大學(武漢)gPhone重力儀(SN:094)在2016～2020年(2018-04～09數據缺失)的實驗室數據,研究其背景噪聲水平,分析2020年武漢封城前后背景噪聲的動態(tài)變化情況。

1 數據處理及方法原理

1.1 數據處理

將每日的原始秒采樣重力觀測數據作為一個獨立的文件進行處理。具體步驟如下:

1)基于WDD 模型[3]對觀測數據進行理論固體潮改正,采用 Schwiderski 模型[4]進行海潮負荷效應改正,得到重力潮汐殘差。

2)選取單系數大氣重力導納值-0.3 μGal/mbar計算大氣負荷的重力效應改正,得到經氣壓改正的重力潮汐殘差:

δgair=-α(p-pn)

(1)

式中,α為氣壓導納值,p為臺站實測氣壓值,pn為臺站實測的平均氣壓。

3)低階多項式不能完全消除由潮汐和儀器漂移產生的剩余低頻信號[5],而使用9階多項式不僅可以解決上述問題,還可以在1 d的重力數據中很好地模擬出4次振蕩(以6 h為周期)。因此,為改正儀器漂移并消除殘余潮汐信號,從經氣壓改正的重力潮汐殘差中減去與之擬合的9階多項式,得到最終的重力殘差信號。

需要說明的是,利用 gPhone 重力儀進行連續(xù)觀測時會受到外界因素(如地震活動、地下水變化)和內部因素(如儀器故障、校準系統(tǒng)升級)等影響,使觀測數據出現(xiàn)地震擾動、階躍、尖峰、間斷等干擾。在計算噪聲等級的過程中,無需使用Tsoft軟件對這些信號進行修正:一方面,依靠自動處理完全消除這些信號是不可靠(如階躍)或沒有意義的(如間斷),并且會人為增加噪聲(如地震擾動)[5];另一方面,瞬態(tài)信號不僅有益于評價臺站性能,還可以通過簡化數據的處理流程減少計算功率譜密度PSD的時間,顯著提高工作效率[6]。此外,本研究以地震平靜期的重力數據為基礎,將研究期間gPhone重力儀監(jiān)測到的M>5.5的重力文件篩除,再對其他重力數據進行后續(xù)處理。

1.2 方法原理

1)計算每日最終重力殘差信號的均方根RMS,并選取每年RMS最小的 5 d代表此年背景噪聲最平靜的時間[5]。

2)對最平靜5 d的重力殘差信號進行傅里葉變換,獲取振幅譜,并計算5 d的平均功率譜密度PSDmean。設重力殘差信號為f(j) ,j=1,2,…,N,則信號的振幅譜s(k)為:

(2)

式中,N為采樣點總數,i為虛數單位。

信號的PSD及一定頻率范圍內的PSDmean可寫為:

(3)

(4)

式中,Δt為采樣率,k1和k2分別為所選取頻率范圍的上下限,M為所選取頻率范圍的樣本數。

3)計算地震噪聲等級SNM和亞地震噪聲震級SSNM。SNM是衡量地震頻段背景噪聲水平的指標,根據200～600 s區(qū)間的平均功率譜求得:

SNM=lgPSDmean+0.5

(5)

同樣,可以選定1～6 h的波段計算SSNM。

2 2016～2020年噪聲水平

2.1 周期性噪聲水平

將研究期間每日最終重力殘差信號的RMS作為評價噪聲水平的指標,研究gPhone重力儀2016～2020年噪聲水平的時間序列(圖1)。 結果表明, gPhone重力儀的平均噪聲水平約為28±17 μGal;噪聲水平時間序列呈明顯的季節(jié)性變化,春夏交替時期(5月中旬)最小,秋冬季節(jié)(9月至次年2月)較大。上述結論與北半球海洋活動季節(jié)性特征一致。

圖1 2016～2020年噪聲水平時間序列及擬合結果Fig.1 Noise level time series and fitting results from 2016 to 2020

2.2 每年最平靜5 d的PSD特征

根據RMS選取gPhone重力儀2016～2020年每年最平靜的5 d(表1),將對應頻段內的PSDmean作為噪聲水平估計(圖2)。由圖2可見:1)秒采樣數據PSD結果最大能反映到0.5 Hz,這一頻段內的背景噪聲主要包括大氣活動噪聲(<3 mHz )、地球嗡鳴信號(3～17 mHz)及地脈動噪聲信號[1,7],且第2類地脈動(0.1～0.5 Hz)噪聲的能量相較于第1類地脈動(0.05～0.1 Hz)更大,說明gPhone重力儀對短周期的響應更敏感。2)地震頻段內,2016～2020年的PSD結果均遠高于NLNM曲線,2016～2018年結果較為接近,2019年和2020年結果整體一致性較好,但略高于前3 a。亞地震頻段內,2019年PSD結果最大,2016年最小。3)由圖2(a)可見,在2019年重力PSD中,約0.01 Hz處存在一個強烈峰值,在2018年記錄中也可觀察到類似峰值,該峰值是儀器彈簧傳感器的共振信號。由于其噪聲水平在其他方面非常低,因此本文仍選擇將產生該尖峰的重力數據作為最平靜數據之一。

表1 2016～2020年每年最平靜5 d計算結果

圖2 2016～2020年每年最平靜5 d的重力PSDFig.2 The gravity PSD of the 5 quietest days from 2016 to 2020

2.3 噪聲等級

依據Banka等[5]的方法計算gPhone重力儀2016～2020年的SNM與SSNM(圖3)。由圖3可見,SNM的范圍為3.500～4.278,其中2016年和2017年基本一致,且低于其他年份,2019年最高;SSNM的范圍為4.456～6.136,2016年最低,2019年最高。gPhone重力儀位于城市中,其噪聲水平高于位于地下室和山洞的gPhone重力儀[9],說明城市人為干擾是gPhone噪聲水平增加的主要貢獻之一[10]。

NLNM為計算地震頻段背景噪聲提供零值參考,其SNM = 0;亞地震頻段以頻率10-4 Hz(2.8 h)對應值3.3為參考[8]圖3 SNM與SSNM計算結果Fig.3 Calculation results of SNM and SSNM

3 武漢封城前后背景噪聲動態(tài)變化

3.1 SNM日變化情況

不同頻帶的噪聲水平之間具有高度的線性相關性,因此在進行噪聲水平分析時,只估計一個頻率范圍內的噪聲水平即可[11]。不同于Banka等[5]的方法只計算得到每年的SNM值,本文直接計算研究期間每日地震頻段的噪聲水平(圖4),研究SNM值的日變化情況,以探究2020年武漢封城前后背景噪聲的動態(tài)變化。

圖4 2016～2020年SNM值的日變化情況Fig.4 Variations of the daily SNM values from 2016 to 2020

從現(xiàn)有最長時間序列的SNM日變化值看出,地震頻段噪聲幅度穩(wěn)定在1σ內,說明gPhone重力儀的噪聲水平多年來相對穩(wěn)定。但SNM值在2020年初期一定連續(xù)時間內明顯低于3.684(2018-10～2020-12 SNM日變化值的mean-1σ)。與表1對比發(fā)現(xiàn),2020年最平靜5 d的日期并未處于封城期間。圖3中2020年SNM值為4.075,高于封城期間SNM值,說明依據計算整個頻段RMS選取的平靜期并不一定是 SNM 最小的時間[2,12]。

進一步對低值區(qū)域進行局部分析可知, 除2020-02-15(臺灣花蓮發(fā)生M5.4地震)外,2020-01-23～04-21的 SNM均不高于3.684。此時間范圍與武漢的封城時間一致:2020-01-23封城,2020-02-10全市范圍所有住宅小區(qū)實行封閉管理,2020-04-08武漢市解除離漢離鄂管控通道,2020-04-22公共交通全面有序恢復運營。說明在此極為安靜的情況下,gPhone重力儀背景噪聲處于較低水平。該動態(tài)變化實時反映了人類活動程度對臺站噪聲水平的影響。

3.2 背景噪聲頻譜特征

為進一步分析2020年武漢封城期間因人類活動受限導致的噪聲水平動態(tài)時頻變化,采用短時傅里葉變換方法分析2020-01-23～04-21重力殘差信號的時變規(guī)律。通常情況下,背景噪聲主要由周圍環(huán)境噪聲和儀器設備噪聲2個部分組成,且環(huán)境噪聲比儀器噪聲更高[9]。為減少儀器噪聲對結果的影響,將2019年和2020年相同時間段進行對比,計算2 a同期重力殘差信號在0.5～500 mHz頻段內的頻譜變化(圖5)。

圖5 2019年和2020年同期噪聲水平時頻分析Fig.5 Time-frequency analysis of noise level in the same period of 2019 and 2020

由圖可見,2019年和2020年同期均可清楚識別到具有較高噪聲的水平條紋, 8～14 mHz頻率范圍內存在明顯的高噪聲,且冬季較大,進入春季后逐漸降低。此頻率范圍對應于圖2中的凸起,為地球嗡鳴信號,其激發(fā)與海洋活動有關[13]。此外,在頻率超過100 mHz處也可觀察到來自海洋的高頻噪聲,屬于第2類地脈動信號。2019年白天噪聲水平較高,夜間較低,可清楚識別出垂直條紋;2020年同期難以識別出明顯的日夜差異,說明疫情防控政策的實施導致白天人類活動受限,其噪聲變化與安靜夜間處于同一水平。時頻分析結果進一步表明,gPhone環(huán)境噪聲水平取決于周圍的人類活動,2020年封城期間環(huán)境噪聲水平明顯低于2019年同期。

4 結 語

1)中國地質大學(武漢)gPhone重力儀的背景噪聲水平呈明顯的季節(jié)性變化,春夏交替時期(5月中旬)達到最小值,秋冬季節(jié)(9月至次年2月)較大;

2)gPhone重力儀2016～2020年的SNM范圍為3.500～4.278,SSNM范圍為4.456～6.136,噪聲較高;

3)2020年武漢封城期間,gPhone重力儀背景噪聲水平較2019年同期驟減,直至2020-04-22武漢全面恢復公共交通才恢復到以往水平。

本文結果對研究臺站及其周邊人類活動對重力儀環(huán)境噪聲水平的影響具有一定的參考價值。