立 凱，陳 浩，張 朋，曾 智，盧 永，何奕成，瞿 旻

（1. 連云港地震臺(tái)，江蘇 連云港 222061；2. 灌云地震臺(tái)，江蘇 連云港 222200；3. 江蘇省地震局，南京 210014）

0 引言

地震臺(tái)站背景噪聲一直受到國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的重視，隨著地震觀測(cè)臺(tái)站的數(shù)字化改造，臺(tái)基噪聲水平分析已經(jīng)成為評(píng)估地震臺(tái)站運(yùn)行質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)之一，也是對(duì)一個(gè)地區(qū)地震噪聲水平的正確評(píng)估和全面了解以及成為進(jìn)一步改善地震觀測(cè)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)能力主要受到臺(tái)站噪聲水平的影響，因此對(duì)臺(tái)站背景噪聲水平的正確評(píng)估顯得尤為重要。

美國(guó)專(zhuān)家J.Peterson研究了全球范圍75個(gè)不同地區(qū)的功率譜噪聲，得到公認(rèn)的地球低噪聲新模型（new low noise model，縮寫(xiě)為NLNM）和地球高噪聲新模型（new high noise model，縮寫(xiě)為NHNM）[1]，廣泛應(yīng)用于地震臺(tái)站環(huán)境背景噪聲的評(píng)估。Peterson用來(lái)建立地球噪聲模型選取的地震數(shù)據(jù)大約有12 000條波形數(shù)據(jù)，但是最終使用的只有2 000條。其中10 000條數(shù)據(jù)因?yàn)槠渲邪卣稹?biāo)定、爆破等信息最終沒(méi)有參與處理，這樣數(shù)據(jù)的處理過(guò)程多少都會(huì)受到一點(diǎn)人為篩選數(shù)據(jù)的影響。為了排除人為篩選數(shù)據(jù)的影響，對(duì)數(shù)據(jù)波形直接進(jìn)行處理，McNamara等[2-3]進(jìn)一步發(fā)展了Peterson的地球噪聲模型估算方法，通過(guò)計(jì)算大量功率譜密度曲線（power spectral density，縮寫(xiě)為PSD）的概率密度函數(shù)（probability density function，縮寫(xiě)為 PDF）分布統(tǒng)計(jì)方法，更為全面地反映臺(tái)站的背景噪聲特征。背景噪聲概率密度函數(shù)（PDF）計(jì)算方法是直接使用連續(xù)波形，并沒(méi)有去除同震變化等一些情況，所以PDF計(jì)算背景噪聲可以同時(shí)得到許多信息，例如地震波的信號(hào)、觀測(cè)系統(tǒng)的變化情況、儀器的標(biāo)定信息、儀器的干擾情況等等。目前很多臺(tái)網(wǎng)都是用PDF來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控地震計(jì)的儀器變化情況。

背景噪聲有一定的地域性，不同地區(qū)的噪聲都存在一定的差異，因此對(duì)一個(gè)地區(qū)的背景噪聲特征進(jìn)行分析顯得尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)很多專(zhuān)家學(xué)者都對(duì)局部地區(qū)的噪聲特征進(jìn)行研究，如華北地區(qū)[4]、中國(guó)大陸地區(qū)[5]、福建地區(qū)[6]等等，這些地區(qū)都有各自的地域特性。江蘇省地處沿海發(fā)達(dá)地區(qū)，城市發(fā)展人為因素和各種自然環(huán)境的干擾對(duì)地震計(jì)的影響都值得深入研究?！笆濉币?guī)劃以來(lái)江蘇臺(tái)網(wǎng)新增很多臺(tái)站，對(duì)目前江蘇省臺(tái)站進(jìn)行全面的背景噪聲分析研究是非常有意義的工作。本文擬對(duì)江蘇省寬頻帶臺(tái)站記錄的2019年全年波形數(shù)據(jù)進(jìn)行PSD和PDF分析，以了解不同臺(tái)站的背景噪聲日變化特征、江蘇地區(qū)的地域噪聲特性，對(duì)江蘇省臺(tái)站背景噪聲特征進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

1 江蘇臺(tái)網(wǎng)概況

江蘇省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)由1個(gè)省級(jí)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中心和75個(gè)數(shù)字測(cè)震臺(tái)站組成，其中國(guó)家級(jí)臺(tái)站3個(gè)，省級(jí)區(qū)域臺(tái)站57個(gè)，市縣級(jí)地震臺(tái)15個(gè)；按觀測(cè)方式分，井下臺(tái)站31個(gè)，地面臺(tái)站44個(gè)。圖1給出了江蘇省所屬測(cè)震臺(tái)站的分布情況，平均密度約為7.3臺(tái)/萬(wàn)km2，平均臺(tái)間距約為28 km；蘇南、蘇北地區(qū)臺(tái)站稍密，蘇中沿海地區(qū)因松散沉積覆蓋層較厚，以井下臺(tái)站為主，臺(tái)站也相對(duì)稀疏。地面觀測(cè)設(shè)備大部分采用的是CMG-3ESPC-60寬頻帶地震計(jì)和CMG-DM24數(shù)據(jù)采集器，井下觀測(cè)設(shè)備大部分采用的是GL-S60B寬頻帶地震計(jì)和EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器。江蘇省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站信號(hào)的傳輸方式以光纖SDH為主，僅前三島臺(tái)（海島臺(tái)）采用衛(wèi)星傳輸。15個(gè)臺(tái)站的信號(hào)直接傳輸?shù)轿挥谀暇┑慕K省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中心，其余臺(tái)站的信號(hào)先傳至當(dāng)?shù)厥械卣鹁中畔⒐?jié)點(diǎn)，再集中傳至省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中心。

2 數(shù)據(jù)和處理方法

提取2019年江蘇省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)75個(gè)數(shù)字測(cè)震臺(tái)站的連續(xù)波形記錄，每個(gè)臺(tái)站每天一個(gè)文件，數(shù)據(jù)格式為SEED文件；然后將SEED文件轉(zhuǎn)換成sac文件格式，提取相應(yīng)的參數(shù)文件。對(duì)2019年全年的數(shù)據(jù)進(jìn)行背景噪聲的加速度功率譜（PSD）和概率密度函數(shù)（PDF）計(jì)算，參照McNamara的背景噪聲數(shù)據(jù)處理方法，本文利用的基本計(jì)算方法如下：

1）以各臺(tái)站3個(gè)分向每小時(shí)的連續(xù)記錄數(shù)據(jù)為樣本，首先去除記錄數(shù)據(jù)中的線性趨勢(shì)和去均值等處理，將每小時(shí)計(jì)算樣本分成13段，為盡量降低噪聲PSD的方差，每段數(shù)據(jù)之間重合率取50%；

2）計(jì)算每段功率譜PSD，用FFT方法計(jì)算出每段功率譜值，再根據(jù)儀器的傳遞函數(shù)在頻域里扣除儀器響應(yīng)，最后得出每小時(shí)的功率譜密度值是由13段功率譜密度值平均得到，這種方法最大程度地減少了重疊后“頻譜泄露”效應(yīng)，增加了頻峰的寬度；

3）將計(jì)算得到的PSD再按1/8倍頻為單位、間隔滑動(dòng)地計(jì)算每條樣本的平均功率譜，為了和全球新高模型（NHNM）和新低模型（NLNM）進(jìn)行對(duì)比，需要將功率譜密度值換算成dB為單位的數(shù)值；

4）計(jì)算得到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)各周期的PSD在不同時(shí)間內(nèi)取某一數(shù)值的概率，即為該時(shí)段對(duì)應(yīng)的PDF，然后在-200～-80 dB 范圍內(nèi)以1 dB單位間隔計(jì)算出各頻率點(diǎn)上的分布概率。

3 江蘇測(cè)震臺(tái)網(wǎng)背景噪聲分析

本文臺(tái)基噪聲水平是用背景噪聲的加速度功率譜（PSD）的概率密度函數(shù)（PDF）分布圖來(lái)表示，有效頻段范圍為90 s～35 Hz。結(jié)果中的色標(biāo)代表臺(tái)站背景噪聲水平隨頻率分布的概率值，顏色越紅表示記錄信號(hào)在此頻點(diǎn)處的概率值越大；黃色曲線表示概率分布為80%的位置。因臺(tái)站眾多，所以選擇連云港地震臺(tái)為例做概率密度函數(shù)分布圖。由2019年江蘇省地震臺(tái)網(wǎng)連云港地震臺(tái)三分向加速度功率譜的概率密度函數(shù)分布圖（圖2）可以看出，連云港臺(tái)的臺(tái)基環(huán)境比較好，噪聲水平在NLNM和NHNM之間。

圖2 連云港地震臺(tái)2019年概率密度函數(shù)分布圖

為了更好地觀察江蘇省全省臺(tái)站的噪聲情況，筆者選取2019年夜間安靜的一小時(shí)作為分析數(shù)據(jù)。選取的時(shí)候排除有發(fā)生地震的時(shí)間段、含有大的干擾信息時(shí)間段等，繪制出全省75個(gè)臺(tái)站垂直向噪聲功率譜曲線圖（圖3）。計(jì)算結(jié)果顯示：除去3個(gè)因故障而無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算噪聲水平的臺(tái)站外，其余臺(tái)站的噪聲水平整體上在NLNM和NHNM之間，說(shuō)明江蘇省測(cè)震臺(tái)站臺(tái)基環(huán)境都較好。

由于臺(tái)站所處的環(huán)境不同，臺(tái)基條件也不同，所以高頻噪聲的形態(tài)各異，但是對(duì)于全球所有的臺(tái)站幾乎都有一個(gè)共同點(diǎn)特征，就是微震帶。微震帶主要是1～20 s周期范圍內(nèi)，幾乎全球所有的寬頻帶臺(tái)站都會(huì)觀測(cè)到2個(gè)峰值，就是主微震帶和次微震帶。10～20 s周期的峰值稱(chēng)為主微震帶，它一般認(rèn)為是深海重力波與海底的相互作用產(chǎn)生的[7]；次微震帶主要是5～10 s周期范圍內(nèi)，次微震帶的主要噪聲可能是由于海水拍打海岸所造成的噪聲。微震噪聲其主要成分為Rayleigh和Love面波，也包含一定的體波成分[8]，微震噪聲主要集中在全球幾個(gè)海洋活動(dòng)強(qiáng)烈的海岸線區(qū)域，深海區(qū)域中的強(qiáng)烈風(fēng)暴活動(dòng)也可能引起微震噪聲[9]。微震噪聲在全球的地震觀測(cè)臺(tái)站中穩(wěn)定存在，隨著海洋的活動(dòng)出現(xiàn)規(guī)律性季節(jié)變化[10]。更長(zhǎng)周期（60～300 s）的背景噪聲常被稱(chēng)為地球的嗡鳴（Earth hum），地球嗡鳴主要是海洋次重力波與固體地球的相互作用產(chǎn)生[11]。通過(guò)對(duì)江蘇省臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站的垂直向噪聲功率曲線（圖3）分析可以看出，江蘇省大部分臺(tái)站都在低噪聲新模型（NLNM）和地球高噪聲新模型（NHNM）之間，說(shuō)明大部分臺(tái)站的背景噪聲都滿足觀測(cè)要求；還可以看出微震頻段內(nèi)觀測(cè)到2個(gè)不同大小的峰值，分別對(duì)應(yīng)的就是0.05～0.1Hz的主微震帶和0.1～1 Hz的次微震帶。江蘇地處沿海，海浪干擾也是沿海地區(qū)的主要干擾因素，越靠近海岸近的臺(tái)站干擾越明顯，越往內(nèi)陸地區(qū)受到的干擾就逐漸降低[5]。

圖3 江蘇臺(tái)網(wǎng)數(shù)字地震臺(tái)垂直向噪聲功率譜曲線

“十五”規(guī)劃建設(shè)以來(lái)，江蘇新增臺(tái)站較多，布局也更加合理，臺(tái)站密度也較高。為了更為直觀地觀察江蘇省背景噪聲特征情況，基于全省75個(gè)臺(tái)站2019年的PSD計(jì)算結(jié)果，將得到的1～20 Hz的RMS值轉(zhuǎn)換成dB值后在0.05°×0.05°的網(wǎng)格進(jìn)行插值，得到以地形為函數(shù)的背景噪聲水平圖（圖4）。從圖4中可以看出，江蘇省噪聲水平高值在江蘇中南部地區(qū)，江蘇南部地區(qū)為經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)地區(qū)，人口稠密，基礎(chǔ)建設(shè)等干擾因素較多，所以造成的噪聲相對(duì)較大。江蘇中部地區(qū)因?yàn)槭艿降刭|(zhì)環(huán)境原因，基本采用的是深井觀測(cè)，因?yàn)橹饕撬缮⒌某练e層，更容易受到海洋潮汐的影響，同時(shí)沉積層對(duì)噪聲有一定的放大作用，所以深井觀測(cè)的臺(tái)站基本以二類(lèi)臺(tái)站為主。江蘇北部地區(qū)主要都是基巖臺(tái)站，臺(tái)站選址比較好，同時(shí)相對(duì)于南部地區(qū)人員和基礎(chǔ)建設(shè)也相對(duì)較少，所以江蘇北部地區(qū)主要以一類(lèi)臺(tái)站為主。圖4中因?yàn)榻K周邊及黃海海域沒(méi)有臺(tái)站參與繪圖，所以對(duì)江蘇周邊地區(qū)的可信度要相對(duì)低一點(diǎn)。

圖4 江蘇省測(cè)震臺(tái)站1～20 Hz背景噪聲dB值

4 部分臺(tái)站背景噪聲特性分析

江蘇省測(cè)震臺(tái)站一共有75個(gè)臺(tái)站，參加國(guó)家局評(píng)比資料的是42個(gè)臺(tái)站，針對(duì)這42個(gè)臺(tái)站的背景噪聲情況做一個(gè)統(tǒng)計(jì)分析。以江蘇省參加國(guó)家局評(píng)比的42個(gè)臺(tái)站作為主要研究對(duì)象，提取各臺(tái)站3個(gè)分向每小時(shí)的連續(xù)記錄數(shù)據(jù)為樣本，對(duì)2019年全年的數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜密度函數(shù)計(jì)算，各分向的RMS值取其所有結(jié)果的中值。表1統(tǒng)計(jì)了江蘇省參加國(guó)家局評(píng)比的42個(gè)臺(tái)站的觀測(cè)儀器、三分向RMS值、噪聲級(jí)別分類(lèi)、臺(tái)基類(lèi)型。

表1 江蘇省部分測(cè)震臺(tái)站的臺(tái)基背景噪聲水平（參加國(guó)家局評(píng)比臺(tái)站）

根據(jù)數(shù)字地震測(cè)震臺(tái)觀測(cè)計(jì)算規(guī)范要求，規(guī)定了臺(tái)基背景噪聲在1～20 Hz頻帶范圍的地動(dòng)速度噪聲RMS值作為臺(tái)址勘選的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。共分為5類(lèi)臺(tái)基（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），具體的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為Ⅰ類(lèi)臺(tái)基噪聲水平RMS＜3.16×10-8m/s；Ⅱ類(lèi)臺(tái)基噪聲水平3.16×10-8m/s≤RMS＜1.00×10-7m/s；Ⅲ類(lèi)臺(tái)基 噪 聲 水 平1.00×10-7m/s≤RMS＜3.16×10-7m/s；Ⅳ類(lèi)臺(tái)基噪聲水平3.16×10-7m/s≤RMS＜1.00×10-6m/s；Ⅴ類(lèi)臺(tái)基噪聲水平1.00×10-6m/s≤RMS＜3.16×10-6m/s。通過(guò)對(duì)42個(gè)臺(tái)站的噪聲功率譜分析，一類(lèi)噪聲有10個(gè)臺(tái)，二類(lèi)噪聲有24個(gè)臺(tái)，三類(lèi)噪聲8個(gè)臺(tái)，江蘇省參評(píng)臺(tái)站主要以二類(lèi)噪聲為主。通過(guò)對(duì)江蘇省20個(gè)臺(tái)站CMG-3ESPC-60地震計(jì)噪聲的RMS值分析結(jié)果來(lái)看，CMG-3ESPC-60地震計(jì)噪聲的分類(lèi)Ⅰ類(lèi)噪聲的臺(tái)站有東海、贛榆、高淳、灌云、邳州、徐州、盱眙，Ⅱ類(lèi)噪聲的臺(tái)站有常熟、鎮(zhèn)江、江寧、金壇、泗洪、宿遷、無(wú)錫、新沂、徐圩、溧水，Ⅲ類(lèi)噪聲的臺(tái)站有常州、浦口、靖江；從地形上來(lái)看Ⅰ類(lèi)噪聲的臺(tái)站主要集中在江蘇北部地區(qū)，Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)噪聲主要集中在江蘇南部地區(qū)。江蘇中部地區(qū)井下地震計(jì)主要為GL-S60B地震計(jì)，主要原因是江蘇中東部區(qū)域地質(zhì)條件主要為松散的沉積巖，覆蓋層較厚難以找到合適的基巖臺(tái)基，所以都采用深井地震計(jì)來(lái)觀測(cè)。從深井的臺(tái)站RMS值來(lái)看，中部地區(qū)的噪聲水平明顯比江蘇北部的噪聲高，主要以二類(lèi)和三類(lèi)噪聲為主，分析其原因主要是因?yàn)橹胁康貐^(qū)覆蓋層較厚，有可能對(duì)噪聲有一定的放大效應(yīng)。

為了能更為客觀地反映江蘇省臺(tái)站的背景噪聲水平，也為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文選取了2019年6—7月近2個(gè)月的數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，截取42個(gè)臺(tái)站的連續(xù)波形記錄作為計(jì)算的樣本。在選取樣本數(shù)據(jù)時(shí)遵循以下幾種原則：①為了消除地震信號(hào)對(duì)計(jì)算背景噪聲的影響，選取波形中無(wú)記錄地震的波形文件；②選取2019年6—7月每天白天時(shí)段（11—14時(shí)）和夜晚時(shí)段（0—4時(shí)）的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析；③為了更好地體現(xiàn)噪聲值的準(zhǔn)確性，盡量排除人為選擇帶來(lái)的干擾，數(shù)據(jù)在取均值時(shí)剔除2個(gè)最大值和最小值。隨后將選取出來(lái)的數(shù)據(jù)做必要的處理之后，利用計(jì)算噪聲功率譜的方法，分別對(duì)所有臺(tái)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)計(jì)算。最后在按照臺(tái)站白天時(shí)段和夜晚時(shí)段進(jìn)行平均計(jì)算，得出每個(gè)臺(tái)站白天時(shí)段和夜晚時(shí)段的RMS平均值和觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍dB值進(jìn)行對(duì)比分析，繪制動(dòng)態(tài)范圍dB對(duì)比圖（圖5），同時(shí)將得到的白天和夜晚的RMS值做差值繪制臺(tái)站對(duì)比圖（圖6）。

通過(guò)對(duì)42個(gè)臺(tái)站白天和晚上平均地動(dòng)噪聲值做對(duì)比分析（圖5）可知，對(duì)于大部分地面臺(tái)站在2～16 Hz頻段夜晚的噪聲都比白天低，這個(gè)頻段的噪聲主要是由人為噪聲引起的干擾源，說(shuō)明高頻的噪聲主要和人類(lèi)活動(dòng)有關(guān)。而地下觀測(cè)臺(tái)站，動(dòng)態(tài)觀測(cè)范圍白天和夜晚的差距則相對(duì)較小，基本在5 dB以下，說(shuō)明井下地震計(jì)可以有效避免人為噪聲所帶來(lái)的影響。同時(shí)為了更好地觀察臺(tái)站背景噪聲在白天與黑夜的差別，將白天與黑夜的RMS值轉(zhuǎn)換成噪聲dB值，然后將白天和夜晚的dB差值在0.05°×0.05°的網(wǎng)格中進(jìn)行插值（圖6）?？梢钥闯霭滋炫c黑夜差值大的臺(tái)站主要集中在江蘇常熟、昆山、南通等長(zhǎng)三角區(qū)域，另外浦口差值也相對(duì)較大，這些地區(qū)主要是經(jīng)濟(jì)建設(shè)、人為活動(dòng)頻繁、基礎(chǔ)建設(shè)等。江蘇中部和北部地區(qū)差值相對(duì)較小，基本差值在5 dB左右，其原因?yàn)榻K中部地區(qū)主要采用的是深井觀測(cè)，可以有效地減小人為噪聲?？傮w上來(lái)看，江蘇地區(qū)白天和黑夜的差值都在10 dB以下，選臺(tái)都較為合理。但隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，許多臺(tái)站的觀測(cè)環(huán)境都在受到破壞，環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為臺(tái)站工作中非常重要的環(huán)節(jié)。圖6中因?yàn)榕_(tái)站稀少，僅對(duì)臺(tái)站做對(duì)比分析參考，臺(tái)站周邊的可信度相對(duì)較低。

圖5 江蘇省42個(gè)臺(tái)站垂直向平均有效測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍dB值白天和夜晚對(duì)比圖

圖6 江蘇省42個(gè)臺(tái)站垂直向2～16 Hz白天（11—14時(shí)）與夜晚（0—4時(shí)）dB差值

5 結(jié)論

基于江蘇省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)75個(gè)測(cè)震臺(tái)2019年全年資料做噪聲功率譜分析，進(jìn)行噪聲特征及噪聲級(jí)別分類(lèi)分析，并且通過(guò)噪聲統(tǒng)計(jì)分析得出以下結(jié)論。

1）江蘇省幾乎所有臺(tái)站的噪聲功率譜曲線整體上在NLNM和NHNM之間，說(shuō)明江蘇省測(cè)震臺(tái)站臺(tái)基環(huán)境都較好，可以明顯地觀察到主微震帶和

次微震帶的2個(gè)峰值。

2）通過(guò)對(duì)2019年江蘇省75個(gè)測(cè)震臺(tái)站噪聲功率譜分析，除去部分臺(tái)站因?yàn)楣收显驔](méi)法準(zhǔn)確計(jì)算，Ⅰ類(lèi)噪聲水平臺(tái)站數(shù)為20個(gè)，Ⅱ類(lèi)噪聲水平臺(tái)站數(shù)為39個(gè)，Ⅲ類(lèi)噪聲水平臺(tái)站數(shù)為13個(gè)。整體上來(lái)看，Ⅱ、Ⅲ類(lèi)噪聲主要集中在江蘇中南部地區(qū)，Ⅰ類(lèi)噪聲主要集中在江蘇北部地區(qū)。

3）通過(guò)對(duì)部分臺(tái)站日變化情況的統(tǒng)計(jì)分析表明，在1～20 Hz頻段內(nèi)，白天的背景噪聲要明顯高于夜晚的背景噪聲，這也說(shuō)明高頻噪聲主要是人類(lèi)活動(dòng)所造成；井下地震計(jì)白天和夜晚的噪聲差別很小，說(shuō)明井下地震計(jì)可以很好地避免人為活動(dòng)所帶來(lái)的干擾。江蘇地區(qū)背景噪聲白天與黑夜差值較大的地區(qū)主要集中在江蘇常熟、昆山、南通等長(zhǎng)三角區(qū)域，其主要原因?yàn)榛A(chǔ)建設(shè)與人為活動(dòng)較為頻繁。除了個(gè)別地區(qū)以外，部分臺(tái)站的白天與黑夜噪聲差值基本上在10 dB以下。