姜 博，胡寶慧，常金龍，張 浩，教智浡

（鶴崗地震臺，黑龍江 鶴崗 154101）

0 引言

鶴崗地震臺創(chuàng)建于1972年5 月，臺基巖性為花崗巖，海拔高程188.3m。地處黑龍江省小興安嶺東北麓，位于郯廬斷裂北延（依蘭—伊通地塹） 西緣，位于依舒斷裂、青黑山斷裂和黑龍江斷裂的三角形區(qū)域構(gòu)造單元內(nèi)[3]。測震系統(tǒng)于1974年1 月正式觀測，屬于國家測震Ⅱ類臺站，2004年臺站測震觀測系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字化改造，先后投入觀測的設(shè)備有573（65） 型地震計(jì)、DD-1 （DK-1） 型地震計(jì)、FBS-3A 型地震計(jì)及CTS-1E 型地震計(jì)。2007年開始使用的地震監(jiān)測設(shè)備為CTS-lE 型甚寬頻帶地震計(jì)及EDAS-24GN 數(shù)據(jù)采集器，地震計(jì)頻帶帶寬為50Hz-120s，觀測采樣率為100Hz，至今已保存了大量的數(shù)字觀測記錄。

十多年來隨著臺站周邊城市化建設(shè)水平的提高，大量的工廠、道路、樓房在臺站周邊出現(xiàn)，觀測環(huán)境受到了很大的影響；自然環(huán)境的變化對觀測儀器也產(chǎn)生了較大影響，包括：儀器自噪聲、山洞植被、山洞濕度、降雨等，這些干擾因素都會被地震計(jì)記錄，增大臺站觀測的噪聲；背景地噪聲還會隨著季節(jié)、時(shí)間而不斷變化。

因此，本文研究目的在于臺站建設(shè)之初，除了在勘選階段進(jìn)行了臺基地動(dòng)噪聲水平測試以外，平時(shí)就沒有定期對臺站的背景噪聲進(jìn)行測試，所以工作人員在完成臺站監(jiān)測任務(wù)的同時(shí)，也要把測試臺站臺基的地動(dòng)背景噪聲納入日常工作任務(wù)中，確保臺站測震觀測資料的質(zhì)量，為科研提供可靠的分析數(shù)據(jù)。

1 分析原理

1.1 功率譜密度計(jì)算

為了更好的研究臺站的背景噪聲特征，研究人員計(jì)算出臺站的各項(xiàng)參數(shù)，原理如下：

臺站功率譜密度計(jì)算目的有兩個(gè)，一是對有限數(shù)據(jù)給出信號、隨機(jī)過程的頻率成分分布的描述；二是頻域內(nèi)提取淹沒在噪聲中有用信息的分析方法[1]。

地震數(shù)據(jù)信號 Χ（t）的自相關(guān)函數(shù)為Rx（τ），Rx（τ）的Fourier 變換為：

則定義Sx（f）為Χ（t）的自功率譜密度或稱為自功率譜。

實(shí)測地脈動(dòng)速度值計(jì)算公式為[2]：

式中，V 為實(shí)測地脈動(dòng)速度值（m/s），N為實(shí)際記錄背景噪聲值（counts），U 為輸入峰值電壓（v），K 為數(shù)據(jù)采集器實(shí)際工作時(shí)的增益，S 為地震計(jì)工作靈敏度（v·s/m），R 為儀器分辨率 （counts）。

脈動(dòng)噪聲的均方根：

RMS 值為脈動(dòng)噪聲的均方根值，可以衡量臺基的背景噪聲水平，其中：

V 為實(shí)測地脈動(dòng)速度值（m/s），Vi為某點(diǎn)實(shí)測地脈動(dòng)速度值（m/s）。

1.2 動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算

臺站的地動(dòng)觀測動(dòng)態(tài)范圍，反映了觀測儀器本身的性能和臺基環(huán)境干擾背景的水平，有效動(dòng)態(tài)范圍大小反映記錄地震信號的最大能力[4]。計(jì)算公式為：

式中，RMS 值為脈動(dòng)噪聲的均方根值，U為輸入峰值電壓（單位V），K 為數(shù)據(jù)采集器實(shí)際工作時(shí)的增益，S 為地震計(jì)工作靈敏度（單位 v·s/m），為儀器的有效因子。

2 數(shù)據(jù)整理

本文重點(diǎn)對鶴崗臺的背景噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，通過計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出了臺站近十年的背景噪聲變化特征情況，首先選取了鶴崗臺2008、2009、2018、2019年四個(gè)時(shí)間段01 月 01 日 0 點(diǎn)與 01 月 01 日 12 點(diǎn)無地震無干擾的三分項(xiàng)數(shù)據(jù)，共計(jì)24 組數(shù)據(jù)，通過計(jì)算地脈動(dòng)噪聲功率譜、觀測動(dòng)態(tài)范圍、地動(dòng)噪聲有效RMS 值等地脈動(dòng)參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)臺站的背景噪聲特征變化規(guī)律，所以選取數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)要注意以下幾個(gè)方面，如表1 所示。

表1 各年01 月01 日0 點(diǎn)、12 點(diǎn)數(shù)據(jù)目錄

（1） 為了研究近十年鶴崗臺背景噪聲隨時(shí)間的變化，選取2008、2009、2018、2019年相同日期內(nèi)的01 月01 日00 點(diǎn)與12 點(diǎn)且無地震及其他干擾的數(shù)據(jù)，對南北、東西、垂直三個(gè)分向的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算；

（2） 2008、2009年觀測系統(tǒng)包括：CTS-1E型地震計(jì)及 EDAS-24L6 型數(shù)采，觀測數(shù)據(jù)格式為 *.dat，2018、2019年觀測系統(tǒng)包括：CTS-1E 型地震計(jì)及 EDAS-24GN 型數(shù)采，觀測數(shù)據(jù)格式為*.seed；

（3） 為了更準(zhǔn)確的計(jì)算出鶴崗臺背景噪聲的各項(xiàng)參數(shù)，本文選取的數(shù)據(jù)為無地震干擾數(shù)據(jù)且沒有進(jìn)行濾波處理，保留了原始的背景噪聲信號，計(jì)算長度為3600s。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 地動(dòng)背景噪聲

本文運(yùn)用中國地震局童汪練老師研制開發(fā)的基于PWelch 方法的計(jì)算軟件，對每年的各組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，可得到各年觀測數(shù)據(jù)的三分項(xiàng)地動(dòng)噪聲RMS 值，通過對比各年數(shù)據(jù)的差值我們可以發(fā)現(xiàn)（表2）：

（1） 2008、2009年 0 點(diǎn)與 12 點(diǎn)相比各個(gè)分量背景噪聲值變化相對較小，RMS 值各分項(xiàng)差別不大，2008、2009年三分量的變化率較小，白天與夜間變化RMS 值變化較小，說明十年前臺站周邊觀測環(huán)境干擾較小，數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量很好；

（2） 2018、2019年 0 點(diǎn)與 12 點(diǎn)同期相比三分項(xiàng)的RMS 值差值較大，2018、2019年EW分量與UD、NS 分量的變化較大，白天較夜晚變化較大，因?yàn)橛^測環(huán)境變化，受到干擾的因素較多，也與儀器本身的電子元件老化有關(guān)，所以導(dǎo)致臺站觀測質(zhì)量下降；

（3） 2008vs2018年及 2009vs2019年三個(gè)分項(xiàng)RMS 值變化率變化較為明顯，EW 分量變化不明顯，但是其中UD、NS 分量變化率較大為130%左右，尤其NS 分量變化率已經(jīng)達(dá)到270%左右，經(jīng)與省局監(jiān)測中心計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，與本文計(jì)算結(jié)果保持一致，因此臺站在經(jīng)過十年的觀測后，工作人員應(yīng)該需要注意臺站背景噪聲增大，數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量下降等問題，需要及時(shí)解決。

表2 各年地動(dòng)噪聲平均RMS 值數(shù)據(jù)對比

運(yùn)用計(jì)算程序?qū)Ω鹘M數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，生成了2008vs2018年及2009vs2019年兩組地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線圖（本文只展示了2009vs2019年的地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線圖），如圖1-2 所示，通過對2008vs2018年及2009vs 2019年兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)臺站的地動(dòng)背景噪聲變化特征如下：

（1） 在 10Hz～50Hz 頻段內(nèi)，各年的地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線因?yàn)槭窃谧畲箢l段內(nèi)，所以繪制出來的曲線最粗，通過對比可以看到2018、2019年高頻曲線出現(xiàn)了毛刺較多，應(yīng)該是由于山洞硐室內(nèi)的觀測環(huán)境變化及觀測儀器的老化造成的；

（2） 在10Hz-1s 頻段內(nèi)，各年的地脈動(dòng)噪聲功率譜密度曲線在較高的頻段內(nèi)，繪制的曲線也較粗，2019年的曲線在此頻段內(nèi)出現(xiàn)的突跳峰值最大，所以該頻段受到干擾最為嚴(yán)重，尤其是2009年較2019年在4～9Hz 頻段內(nèi)，噪聲功率譜密度曲線不斷出現(xiàn)毛刺及突跳，證明觀測系統(tǒng)在此頻段內(nèi)受高頻干擾最嚴(yán)重，比如礦震、采石場爆破、過往車輛等高頻干擾；

（3） 在1Hz-10s 頻段內(nèi)，各年的地脈動(dòng)噪聲功率譜密度曲線較為平滑，其中2019年UD分量在9～10s 頻段內(nèi)曲線不平滑，波動(dòng)較大，應(yīng)該是受到周邊觀測環(huán)境變化的干擾，比如：大風(fēng)、降雨等低頻干擾，其余每年的各分量曲線大體走向基本一致，噪聲功率譜密度曲線變化不大，基本在此頻段內(nèi)保持一致；

（4） 在10Hz-120s 頻段內(nèi)，由于頻率較低，曲線繪制很清晰，地動(dòng)噪聲水平較高，各年的噪聲在此頻段內(nèi)差異較大，特別2009年vs 2019年差異較大，曲線明顯不同，由于地震計(jì)為甚寬頻帶型地震計(jì)，能很好的記錄低頻、長周期的地脈動(dòng)及各種噪聲，所以主要影響觀測變化的主要是觀測環(huán)境的變化引起的，臺站周邊的干擾源隨著十年的發(fā)展不斷增多，導(dǎo)致觀測質(zhì)量下降；

（5） 如圖 3，2008vs2018年及 2009vs2019年地動(dòng)噪聲波形圖所示，可以看出功率譜密度均介于NLNM 和NHNM 之間，但是整體背景噪聲值偏低，2018、2019年比2008、2009年已經(jīng)超出下限值。

圖1 2009年地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線Fig.1 Power spectrum density curve of geodynamic noise in 2009

圖2 2019年地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線Fig.2 Power spectrum density curve of geodynamic noise in 2019

圖3 各年地動(dòng)噪聲波形圖Fig.3 Geodynamic noise waveform for each year

3.2 動(dòng)態(tài)觀測范圍

通過程序計(jì)算可以得到臺站各年的觀測動(dòng)態(tài)范圍數(shù)據(jù)，如圖4-5 所示，2008vs2018年及2009vs2019年兩組數(shù)據(jù)對比可以看出，隨著時(shí)間的推移臺站整體的觀測動(dòng)態(tài)范圍在下降，變化特征如下：

（1） 在 1～5Hz 范圍內(nèi)所對應(yīng)的觀測動(dòng)態(tài)范圍數(shù)據(jù)2009年與2019年相差較小，2008年與2018年的變化較大；

（2） 5Hz 對應(yīng)的觀測動(dòng)態(tài)范圍 2018年較2008年數(shù)據(jù)相差最大，最大變化量達(dá)到了30dB，在此頻段內(nèi)主要是觀測環(huán)境的變化引起的；

（3） 在0.02Hz 處動(dòng)態(tài)范圍一致性較好，各年所對應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍最大差值未超過5dB，說明在低頻段，受干擾不大；

（4） 在 10Hz、20Hz 處 2008 及 2018年觀測動(dòng)態(tài)范圍相對下降平穩(wěn)，2009 及2019年變化的相對較大；

（5） 2008、2009年相較于 2018、2019年的觀測動(dòng)態(tài)范圍整體趨勢與地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線結(jié)果保持一致，臺站整體觀測質(zhì)量都有所下降，由于背景噪聲增大，臺站的實(shí)際觀測范圍在減小，白天較夜晚的觀測范圍在減小，所以臺站能有效記錄的地震在逐年遞減。

圖4 2008、2018年觀測動(dòng)態(tài)范圍對比圖Fig.4 Contrast map of observational dynamic range in 2008 and 2018

4 存在的問題

目前，鶴崗臺地震觀測設(shè)備的觀測動(dòng)態(tài)范圍雖然還在觀測標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，符合國家臺網(wǎng)中心Ⅱ類觀測標(biāo)準(zhǔn)，但是臺站設(shè)備整體的動(dòng)態(tài)觀測范圍能力下降較多。

通過 2018、2019年和2008、2009年的地動(dòng)背景噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行對比我們發(fā)現(xiàn)，臺站的背景噪聲增大，觀測動(dòng)態(tài)范圍下降，這樣不僅反映了周圍觀測環(huán)境變化對臺站觀測造成的影響，也反映了儀器自身需要進(jìn)行維修維護(hù)，盡量減小對臺站地震觀測的質(zhì)量影響，所以對背景噪聲的分析需要引起工作人員足夠重視。

因此，我們要把分析背景噪聲水平作為臺站日常工作的一部分，可以每月或者半年計(jì)算一次，并對結(jié)果進(jìn)行對比分析。當(dāng)臺站背景噪聲水平發(fā)生明顯變化時(shí)，我們可以懷疑周圍觀測環(huán)境變化，也可以懷疑地震儀器出現(xiàn)故障，是很好的檢驗(yàn)儀器觀測狀態(tài)的一種手段，可以及時(shí)提醒工作人員對設(shè)備進(jìn)行維修維護(hù)。這樣我們可以積累更多的臺站背景噪聲及臺站觀測環(huán)境變化的資料，為提高臺站觀測質(zhì)量提供參考數(shù)據(jù)，為推動(dòng)保護(hù)臺站觀測環(huán)境起到積極作用。

圖5 2009、2019年動(dòng)態(tài)范圍對比圖Fig.5 Contrast map of observational dynamic range in 2009 and 2019

5 結(jié)論與討論

本文通過對鶴崗臺背景噪聲的功率譜密度及觀測動(dòng)態(tài)范圍的分析計(jì)算，并對計(jì)算的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以了解到鶴崗臺背景噪聲的特征情況及對應(yīng)的干擾情況，總結(jié)了以下幾點(diǎn)特征與大家共同討論：

（1） 2008、2009年及 2018、2019年三分項(xiàng)的地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線一致性較好，曲線形態(tài)基本相同，功率譜密度曲線均介于NLNM 和 NHNM 之間。但是 2018、2019年的功率譜密度曲線整體偏低，地動(dòng)噪聲RMS 值增大，應(yīng)該是觀測山洞受山體水系影響溫濕度變化較大，山體植被受季節(jié)性影響對觀測也有很大影響，如連續(xù)降雨會讓山洞觀測環(huán)境變得潮濕等，白天較夜晚RMS 值變化較大，說明臺站周邊干擾增大；

（2） 在 4～9Hz 頻段內(nèi)，2018、2019年背景噪聲地動(dòng)功率譜密度曲線突跳增加，毛刺較多，說明背景噪聲在此頻段內(nèi)變化較大，在10～120s 低頻段內(nèi)，各年背景噪聲變化差異不大，說明低頻干擾較?。?/p>

（3） 在 10～50Hz 高頻段內(nèi)，2018、2019年受到干擾較為嚴(yán)重，因?yàn)榕_站周邊的觀測環(huán)境隨著城市發(fā)展的變化，周邊新增的居民樓、工廠、采石場及道路施工維修等，對觀測影響很大，如爆破、施工車輛等高頻干擾；

（4） 隨著時(shí)間的推移，十年來臺站觀測動(dòng)態(tài)范圍整體下降，臺站記錄到的地震也逐年下降，主要原因是由于環(huán)境干擾，背景噪聲增大，以及儀器自身各個(gè)電子原件老化所致，需要臺站工作人員給予足夠的重視，需要定期對地震觀測設(shè)備進(jìn)行維修維護(hù)，以保證臺站的觀測質(zhì)量。