王 良 王杰民 李 鉑 吳 雙 李小晗

（中國濟南 250014 山東省地震局）

0 引言

2004年山東測震臺網開始建設，于2007年通過驗收并投入使用，其包括1個臺網中心和40個參評測震臺。數字地震臺網大大提高了山東省地震監(jiān)測能力，推動了地震儀器由模擬到數字的改革，將數據處理、遠程通訊、數字信號存儲及傳輸等現代化技術手段融合在一起，優(yōu)化并提高了分析處理地震事件的效率和質量。但是，1個臺網的監(jiān)測能力不僅取決于臺網儀器的性能，還取決于各子臺環(huán)境地噪聲水平。因此，在臺址選取時要計算臺基噪聲功率譜密度，并根據GB/T19531.1—2004《地震臺站觀測環(huán)境技術要求》（中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2004）對臺站的環(huán)境背景噪聲進行評級。對于運行中的臺站，要定期測定臺基背景噪聲，通過累計的歷史噪聲數據來評估臺站觀測環(huán)境的變化，以便及時了解各子臺地震監(jiān)測能力的變化，并作出相應的調整。本文通過計算山東地震臺網各子臺的臺基噪聲水平，分析了各區(qū)域子臺噪聲等級不同的原因，對各類臺基和設備進行直觀評價，旨在為測震臺網的正常運行提供參考實據。

1 子臺概況及新變更臺站

山東數字測震臺網由1個臺網中心和40個參評測震臺組成，其中，4個為國家數字測震臺，36個為區(qū)域數字測震臺，覆蓋范圍涵蓋了山東全部16地市，2020年新增棲霞臺、平邑臺、巴山臺等3個區(qū)域地震臺站參加國家區(qū)域測震臺網評比工作，原東營地震臺、臨朐地震臺、濟陽地震臺因深井擺損壞、難以維護等原因不再參與全國評比。此次參評臺站的更換，保證了山東省參評臺站的運行率，提高了山東測震臺網的地震監(jiān)測水平。

圖1 山東省測震臺網參評臺站分布Fig.1 Distribution of appraised seismic stations in the Shandong Digital Seismic Network

山東數字測震臺網40個子臺中，有34個為地面基巖臺基（花崗巖、砂頁巖、灰?guī)r），主要采用北京港震儀器設備有限公司生產的BBVS-60/120寬頻帶地震計；6個位于松散沉積土質地區(qū)，配備FSS-2B/GL-S2B短周期井下地震計，數據采集器主要采用港震公司生產的EDAS-24GN/24IP數據采集器。臺站信號及數據主要通過光纖或3G/4G網卡連通的路由器傳輸至山東省地震局測震臺網中心進行相應的分析處理。

2 資料選取

雖然山東各子臺站均符合相關技術要求，但為保證長年的觀測質量，仍需每年4月、10月2次對山東測震臺網全部參評臺站進行臺基背景噪聲的測算，隨機從每個臺站選取 1 h無震、無重大干擾的波形數據，計算背景噪聲均方根RMS值、有效測量動態(tài)范圍和噪聲功率概率密度譜，并進行臺基分類及噪聲概率密度譜分析。本文通過選取山東測震臺網40個子臺剔除地震等重大干擾后的波形數據，對各臺站臺基噪聲水平進行分析，利用Welch方法計算噪聲功率譜密度（PSD），進而計算地震臺臺基1—20 Hz頻段地動噪聲均方根值（RMS）和有效動態(tài)觀測范圍，依照GB/T19531.1—2004《地震臺站觀測環(huán)境技術要求》（中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2004）對計算結果進行分析，以判斷各臺站是否符合觀測要求。

3 臺基背景噪聲計算

3.1 有效動態(tài)觀測范圍

數字地震計所直接記錄的數據是counts值，在實際計算中，需要將此電壓值轉化為地動速度（單位：m/s）?？筛鶕率竭M行轉換

其中，v為地動速度，單位：m/s；N為實際記錄電流值，單位：counts；UF為數采模擬輸入的滿幅電壓值，單位：V；R為儀器分辨率，單位：counts；S為地震計工作靈敏度，單位：V·s/m；G為數采的實際工作增益。

實際使用1—20 Hz頻段地動噪聲均方根值（RMS）來衡量各子臺臺基背景噪聲水平。計算公式如下

式中，Ui為實際測量某點速度值，單位：m/s；v為速度均值，單位：m/s；n為實際測量的點數。

臺站的有效動態(tài)觀測范圍，在觀測儀器自身性能不變的情況下，反映了臺基環(huán)境背景噪聲水平，有效動態(tài)測量范圍計算公式為

3.2 臺基噪聲功率譜密度

功率譜表示隨機信號的頻率成分以及各成分的相對強弱，功率譜估計就是基于有限長度的數據來計算功率譜。功率譜估計有周期圖法、自相關法和參數模型法。在地震觀測臺站臺基噪聲功率譜密度估計中，通常使用Welch方法，該方法實際為改進的周期圖法。Welch方法首先將輸入數據分段，對每一數據段應用窗函數加權，計算周期圖，對分段周期圖進行平均得到功率譜。臺基噪聲功率譜一般轉換為加速度功率譜表示。繪圖時需將速度功率譜，經傳遞函數校正后轉化為加速度功率譜，并繪制NLNM（地球低噪聲新模型）、NHNM（地球高噪聲新模型）曲線作為參考。

通過選取并計算2021年4月山東各子臺無地震波形事件的無明顯干擾的1 h數據，并計算其1—20 Hz的RMS值后，將所得結果與2020年計算結果進行比較，繪制出山東測震臺網各子臺的噪聲等級分布圖（圖2）。根據臺基地動噪聲分類標準GB/T19531.1—2004《地震臺站觀測環(huán)境技術要求》（中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2004），按1—20 Hz觀測頻段（表1），將山東測震臺網40個參評測震臺站的臺基地動噪聲水平劃分為5類：Ⅰ類臺基噪聲水平為 Enl＜3.16×10-8m/s，有長島地震臺、萊陽地震臺、龍口地震臺、梁山地震臺、棲霞地震臺、榮成地震臺、乳山地震臺、郯城地震臺、泰安地震臺、鄒城地震臺；Ⅱ類臺基噪聲水平為3.16×10-8m/s≤Enl＜1.00×10-7m/s，有安丘地震臺、北隍城地震臺、朝連島地震臺、蒼山地震臺、海陽地震臺、嘉祥地震臺、莒縣地震臺、臨沭地震臺、萊州地震臺、牛嵐地震臺、平邑地震臺地震臺、日照地震臺、商河地震臺、濰坊地震臺、威海地震臺、五蓮地震臺、新泰地震臺、沂水地震臺、煙臺地震臺、諸城地震臺、周村地震臺；Ⅲ類臺基噪聲水平為1.00×10-7m/s≤Enl＜3.16×10-7m/s，有成武地震臺、獨山島地震臺、德州地震臺、監(jiān)測中心臺、莒南地震臺、文登地震臺；Ⅳ類臺基噪聲水平為3.16×10-7m/s≤Enl＜1.00×10-6m/s，有大山地震臺、聊城地震臺、青島地震臺；Ⅴ類臺基噪聲水平為1.00×10-6m/s≤Enl＜3.16×10-6m/s。

表1 山東省測震臺網數字地震臺1—20 Hz范圍內RMS值和觀測動態(tài)范圍Table1 RMS values and dynamic observational dynamic ranges in the frequency band ofwithin 1-20 Hz of digital seismic stations of the Shandong Seismic Network

圖2 山東測震臺網參評臺站臺基噪聲水平Fig.2 Three-dimensional schematic diagram of the background noise level of Shandong Seismic Network

圖3為山東省地質圖。由圖2、圖3可見，不同臺站臺基噪聲水平具有不同特征，部分臺站，如大山地震臺(DSH)，地貌為玄武巖（屬于質地較軟的火山巖），噪聲水平相對較高；在魯西北及魯西南地區(qū)，因地質構造為平原土質層，故使用深井擺，如德州地震臺(DZH)、聊城地震臺(LCH)、成武地震臺(CHW)，臺基噪聲也較大；在魯中及魯東沿海地區(qū)，地貌多為較硬的基巖，故多采用普通擺，這也能保證較低的臺基噪聲水平。此外，莒南地震臺(JUN)噪聲較大是附近施工干擾所致；青島地震臺(QID)、監(jiān)測中心臺(JCZ)所處地帶為鬧市區(qū)且靠近馬路，人類活動頻繁；文登地震臺(WED)附近有1個水庫，故噪聲較大。圖4列舉了較有代表性的莒南地震臺（JUN）、大山地震臺（DSH）、德州地震臺（DZH）、青島地震臺（QID）的PSD（噪聲功率譜密度）圖，以便直觀展示不同干擾因素下噪聲水平的變化。

圖3 山東省地質圖（改自張永清等，2019）Fig.3 Geological map of Shandong Province (changed from Zhang et al,2019)

圖4 山東測震臺網噪聲功率譜密度示例（a）莒南地震臺（BBVS-60測定）；（b）大山地震臺（BBVS-60測定）；（c）德州地震臺（FSS-3DBH測定）；（d）青島地震臺（CTS-1測定）Fig.4 Examples of background noise power spectral density curves of Shandong Seismic Network

4 結論

通過對山東數字測震臺網參評地震臺站背景噪聲的計算和分析，得到背景噪聲均方根RMS值、有效測量動態(tài)范圍，再按照噪聲水平進行分類，分析各臺站噪聲功率概率密度譜的概率事件與臺站背景噪聲間的關系，得到以下結論。

（1）按照地震臺站觀測環(huán)境技術要求，山東數字測震臺網40個參評臺站中的大多數臺站達到Ⅱ類臺及以上標準，這些臺站臺基噪聲水平較低，有效測量動態(tài)范圍較大，可滿足地震觀測的需求，組成了一張有效的地震監(jiān)測網絡。

（2）山東測震臺網不同參評臺站臺基噪聲水平具有不同特征，有部分臺站，如莒南地震臺、監(jiān)測中心臺，地貌為花崗巖，噪聲水平相對較高；德州地震臺、聊城地震臺、成武地震臺，為深井擺臺站，臺基噪聲水平普遍較大，這與一般選擇沉積層厚、噪聲較大的平原區(qū)建設井下臺站有關；此外，文登地震臺附近有1個總庫容2.8億m2的水庫，存在干擾；由于青島地震臺建成時間較早，目前臺站位于鬧市區(qū)且臨近馬路，土層較松散，因而噪聲水平較高。

5 結束語

通過分析不同臺站背景噪聲水平較低的原因，可以掌握臺站觀測環(huán)境的變化情況，及時發(fā)現并改正臺站運行中出現的問題：①對于地震觀測設備問題，可及時對設備進行維修更換；②對于環(huán)境變化問題，若為人為因素（施工、改造等）所致，爭取盡快協(xié)調處理，若為影響較大且短期無法解決的自然因素所致，有條件時可申請變更重要觀測臺站，以保證良好的地震觀測環(huán)境，為地震監(jiān)測預報工作提供有力支撐。