孫路強 柳艷麗 劉文兵 卞真付 崔曉峰

（天津市地震局，天津 300201）

沉積層地震觀測噪聲的對比試驗1

孫路強 柳艷麗 劉文兵 卞真付 崔曉峰

（天津市地震局，天津 300201）

天津地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，其中大部分地區(qū)被新生代沉積物深度覆蓋，地勢以平原和洼地為主，北部有少量低山丘陵，平原約占93%。因此，天津市測震臺網(wǎng)地震觀測臺站除薊縣臺有基巖出露臺外，其余臺站均為井下地震觀測。而井下地震計維修價格昂貴且不易維修，同時還面臨著由于井下電纜損毀，地震計無法回收等問題。為此，天津市測震臺網(wǎng)一直在尋找一種可替代現(xiàn)有井下觀測的新方式，以應(yīng)對深覆蓋層地震觀測存在的問題。本文通過地震觀測，完成了一地多臺基情況下臺基噪聲的對比試驗，得到了很好的對比結(jié)果。該方法適合在其它類似天津這樣沉積層較厚的地區(qū)推廣使用，可達到簡化地震計安裝、降低設(shè)備維護成本和方便維護的目的。

測震臺網(wǎng) 井下地震計 背景噪聲 對比試驗

引言

噪聲是影響地震觀測質(zhì)量的主要因素之一，地震觀測臺站的一個重要挑戰(zhàn)就是通過改善臺基處理和地震計安裝方式，降低噪聲水平，以便提高觀測質(zhì)量。以天津測震臺網(wǎng)為例，為了展開沉積層地震觀測噪聲對比試驗，天津市測震臺網(wǎng)組成了首都圈數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)的子網(wǎng)，由31個測震臺站組成。其中“九五”期間建設(shè)臺站28個，“十五”期間建設(shè)臺站3個，平均臺間距為30.6km，監(jiān)測能力達到ML1.0—1.5級。由于天津地區(qū)新生代松散覆蓋層平均厚度在3.5km，很難找到合適的基巖部分建設(shè)臺站，因此，除薊縣地震觀測臺為基巖地表臺外，其余地震觀測臺均為井下地震觀測。而對于井下地震觀測儀器維護人員來說，由于臺站建設(shè)成本高，面臨著儀器維修維護困難等不利因素，所以天津市測震臺網(wǎng)一直在探究一種新的臺基選擇方案來替代現(xiàn)有的井下觀測。為此，在天津青光地震臺進行了1次多種臺基情況下的噪聲值對比試驗，本文對此次噪聲值對比試驗進行了研究和分析，以供學(xué)者們借鑒。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國地質(zhì)調(diào)查局阿爾伯克基地震實驗室曾開展過噪聲特征分析研究，定量分析了全球75個固定地震臺站的地震背景噪聲功率譜密度，得到了全球地震背景噪聲模型（葛洪魁等，2013）。其模型主要包括：新高噪聲模型（NHNM）和新低噪聲模型（NLNM），并提出了用概率密度函數(shù)統(tǒng)計分析地震觀測臺站噪聲水平方法，該方法被應(yīng)用于觀測中進行質(zhì)量控制。同時，國內(nèi)也有利用不同地址條件和環(huán)境噪聲的地點，進行不同臺基條件和環(huán)境噪聲的對比試驗，但由于存在觀測場地條件可比性和儀器一致性等方面的不足，因此使得該規(guī)律僅為統(tǒng)計性的。

2 實驗觀測系統(tǒng)

本次的實驗系統(tǒng)由3個流動臺站、1個固定臺站和1個中心數(shù)據(jù)匯集點組成。表1列出了臺站設(shè)備的使用情況。其中，L1201架設(shè)于青光地震臺院內(nèi)，周圍無特定強干擾源；L1202架設(shè)于青光地震臺GNSS觀測墩上，該觀測墩深入地下部分為20m；L1203架設(shè)于青光地震臺站地下5m處的地下室內(nèi)。采用GPS統(tǒng)一授時，其觀測數(shù)據(jù)通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)匯集于中心的JOPENS0.5.2系統(tǒng)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲、在線處理等功能。除提供本中心的數(shù)據(jù)處理外，該系統(tǒng)還可將數(shù)據(jù)實時上傳至臺網(wǎng)中心數(shù)據(jù)庫中，參與更多井下臺進行數(shù)據(jù)對比。

表1 臺站設(shè)備使用情況Table 1 Equipment Being used in the study

3 臺站架設(shè)

L1201架設(shè)于青光地震觀測臺水泥路面上，為了避免高溫對地震計工作的影響，技術(shù)人員架設(shè)帳篷，避免太陽光對地震計的直接照射，同時圈定以L1201設(shè)備為中心，面積25m2的警戒區(qū)域，禁止非實驗人員的進入；L1202架設(shè)于GNSS觀測基墩上，該基墩基礎(chǔ)深入地下20m處，寬8cm環(huán)布隔震槽內(nèi)填細沙（圖1）；L1203架設(shè)于臺站半地下儲藏室內(nèi)，地震計放置位置距離地面8m；QIG臺為原有井下地震觀測臺。通過上述“一地四點”的臺站架設(shè)方案，來考量井下觀測、普通場地、較深臺基處理以及地下室4種情況下場地背景噪聲情況，從而判斷何種臺基更接近或優(yōu)于現(xiàn)有的井下觀測（郭若瑾，2003）。

4 實驗結(jié)果分析

4.1 臺站地動噪聲RMS值計算

地震計的工作原理是將數(shù)字電壓值轉(zhuǎn)化為實際計算中所使用的速度值（蔣樂群等，1997；許康生等，2001），其計算公式為：

式中，v為地脈動速度值；V0為模擬輸入電壓峰值；N為記錄背景噪聲數(shù)字數(shù)；R為儀器分辨率；Gm為數(shù)采工作增益；S1為地震計工作靈敏度。

圖1 L1202放置基墩構(gòu)造情況與地震計架設(shè)位置Fig. 1 The piers structure and seismometer location

以地脈動的有效值（RMS）來衡量臺站的噪聲水平，可以表征整個觀測頻帶的噪聲水平，用該值衡量噪聲水平能夠?qū)碜圆煌肼曉吹脑肼暟赐怀叨冗M行比較（岳秀俠等，2009；裴曉等，2012）。

地動噪聲均方根值按下式進行計算：

式中，n為測量次數(shù)；vi為某一點實際測得的地動速度值；為實際測得的地動速度均值。

實驗具體結(jié)果如表2所示。

表2 試驗系統(tǒng)各臺站RMS均方根值Table 2 The RMS parameters of the test station

從噪聲功率譜密度曲線（圖2）可以看出，在高頻部分觀測點均受到不同程度的干擾，地表觀測未做臺基處理的噪聲值比NHNM（新高噪聲模型值）高30dB；地面經(jīng)過基墩處理臺站和地下室觀測臺站觀測值均比NHNM高20dB；井下觀測基本與NHNM值相當，但也能看出存在外部噪聲干擾，此類干擾在黃土覆蓋層地區(qū)是不可避免的，只能采取措施盡可能減小干擾。

圖2 臺基噪聲功率譜密度曲線Fig. 2 PSD of the background noise

4.2 實驗結(jié)果比較

從實驗結(jié)果可以看出，L1202與L1203臺基情況達到了《地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求》中的Ⅳ級環(huán)境噪聲水平，而井下觀測臺QIG為Ⅳ級觀測環(huán)境，L1201為Ⅴ級觀測環(huán)境。井下地震觀測的最大好處是躲開了地面噪聲干擾，以便改善地震波形記錄的信噪比，可提高觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。隨著深度的增加噪聲明顯減小，特別是與地面相比，噪聲水平減小的幅度相當大。同時，從實驗結(jié)果還可以看出，井下觀測效果最優(yōu)，達到了井下觀測躲避噪聲的效果，與L1202和L1203結(jié)果一樣達到了Ⅳ級觀測環(huán)境，能夠滿足地震觀測的目的。

5 結(jié)束語

通過沉積層地震觀測噪聲對比試驗，能夠看出井下地震觀測能夠更好地阻隔外部干擾，減少人為噪聲、微震噪聲以及自然噪聲對地震觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。同時，從實驗結(jié)果還可以看出，通過一定程度的臺基處理后，地表觀測同樣能夠達到接近井下觀測的效果。因此，在其它類似天津這樣沉積層較厚的地區(qū)可以推廣本文使用的方法，該方法可簡化地震計的安裝，降低設(shè)備維護成本，達到方便維護的目的。致謝：在試驗系統(tǒng)架設(shè)的過程中，得到了天津市地震局聶永安研究員的指導(dǎo)，以及監(jiān)測預(yù)報處崔曉峰和青光地震臺王小平、王云泉的幫助，在此表示衷心的感謝！

郭若瑾，韓新民，趙永慶，2003．橡膠隔震支座建筑結(jié)構(gòu)脈動觀測與減震性能分析．地震研究，26（2）：201—207．

葛洪魁，陳海潮，歐陽飚等，2013．流動地震觀測背景噪聲的臺基響應(yīng)．地球物理學(xué)報，56（3）：857—868．

蔣樂群，葉建慶，劉學(xué)軍，1997．麗江大研鎮(zhèn)震災(zāi)分布和地脈動測量結(jié)果之間的相關(guān)性．地震研究，20（1）：125—131．

裴曉，尹繼堯，楊庭春，2012．上海遙測臺網(wǎng)各類型臺基背景噪聲分析．地球物理學(xué)進展，27（5）：1897—1903．

許康生，李秋紅，李英，2001．大地震前近臺背景噪聲的頻譜分析．西北地震學(xué)報，34（2）：150—153．

岳秀俠，楊躍文，栗連弟等，2009．天津測震臺網(wǎng)子臺地脈動分析與應(yīng)用．華北地震科學(xué)，27（4）：36—40．

Application of Ambient Seismic Noise Contrast Experiment in Underground Observation

Sun Luqiang，Liu Yanli，Liu Wenbing，Bian Zhenfu and Cui Xiaofeng

（Earthquake Administration of Tianjin Municipality，Tianjin 300201，China）

Tianjin area is covered by the thick Cenozoic sediments，with complicated geological structure，and plain and depression in topography．The plain occupies about ninety-three percent of the total area．As the results，all stations in Tianjin seismic network are underground observation except Jixian station．Since The borehole seismometer is expensive and difficult to maintain，We search the new way which may replace the underground observation．Some preliminary results in the testing system of ambient seismic noise contrast test are reported in this paper．

Seismic network；Borehole seismometer；Ambient seismic noise；Contrast test

孫路強，柳艷麗，劉文兵，卞真付，崔曉峰，2014．沉積層地震觀測噪聲的對比試驗．震災(zāi)防御技術(shù)，9（4）：932—936．

10.11899/zzfy20140422

地震科技星火計劃（XH14002Y）、天津地震背景場探測工程測震臺網(wǎng)分項和天津地震局內(nèi)科研（20141001）共同資助

2013-12-30

孫路強，男，生于1985年。工程師。主要從事地震速報、編目、系統(tǒng)運行以及軟件研發(fā)工作。E-mail：lqsun850330@163.com