楊亞運(yùn)，傅卓，馬偉

(重慶市地震局，重慶 101147)

0 引 言

相關(guān)研究證實，隨著地震計擺放深度的增加，地面干擾尤其是高頻干擾的影響會相應(yīng)減小。對沉積層較厚的平原地區(qū)，短周期深井觀測可以有效降低背景噪聲，提高觀測系統(tǒng)的信噪比，獲得更多微弱的地球物理信息?；鶐r地區(qū)井下觀測也可有效減少高頻，即人為活動造成的噪聲干擾[1]。處于較深通道的地震計檢測到的信號和噪聲，均會受到一定程度的抑制，相互影響下，信噪比有提高的趨勢[2]。此外，不同深度的同類型地震計有效動態(tài)范圍存在差異，深井地震計有效動態(tài)范圍比地表地震計大20 %左右[3]?；谝陨嫌^點(diǎn)，同址布設(shè)的儀器深度改變，同一地震計檢測到的信號和噪聲會有相應(yīng)變化。國家烈度速報與預(yù)警工程項目實施期間，重慶地區(qū)部分臺站地震計坑較深，存在滲水、維護(hù)不便的問題，遂將原地震計坑改造為地表擺墩觀測。本文收集到重慶開縣臨江臺地震計墩改造前后的觀測數(shù)據(jù)，對比分析環(huán)境噪聲及有效觀測動態(tài)范圍的變化情況，以期探索更為合理的改造方案。

1 數(shù)據(jù)資料

重慶開縣臨江臺設(shè)計為地面觀測室，地震計置放于地面以下2.3 m深坑，臺基巖性為砂巖，雨季時地震計坑內(nèi)滲水嚴(yán)重，地震計多次被淹，經(jīng)防水處理無法從根本上解決存在的問題，國家烈度速報與預(yù)警工程項目實施期間，一次性澆筑加高地震計墩。改造前一周，布設(shè)流動觀測儀器進(jìn)行同址觀測(地震計周期2 s)，2020年3月17日進(jìn)行改造后，地震計墩高出地面60 cm(圖1)，新臺基完全凝固后，將原地震觀測設(shè)備和流動觀測儀器同時恢復(fù)觀測。本文主要基于流動觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，選取改造前后三個時段連續(xù)5天觀測數(shù)據(jù)記錄，晚上選取每日3時數(shù)據(jù)，白天選取每日15時數(shù)據(jù)。地震計墩澆筑前3月11～15日為第一組數(shù)據(jù)，表示為R1；澆筑后3月26～30日為第二組數(shù)據(jù)、4月10～14日為第三組數(shù)據(jù)，分別表示為R2和R3。

圖1 開縣臨江臺地震計墩改造前后(單位：mm)

2 分析方法

2.1 噪聲功率譜計算

噪聲功率譜是將噪聲信號的平均功率分成各個頻率分量所占有的成分，再按照頻率大小依次畫出各頻率分量所占的功率[4]。噪聲數(shù)據(jù)的處理主要通過對比噪聲功率譜密度來實現(xiàn)，對無明顯事件信號的噪聲數(shù)據(jù)段進(jìn)行去趨勢項處理后，計算地震計墩改造前后不同通道扣除儀器響應(yīng)后的噪聲功率譜密度分布，結(jié)果以PSD曲線呈現(xiàn)。臺基噪聲測試通常用臺站記錄的噪聲數(shù)據(jù)計算它的自功率譜密度，對穩(wěn)態(tài)隨機(jī)地震觀測數(shù)據(jù)，最常用的計算功率譜密度方法是離散傅里葉變換，即對觀測資料在有限時間范圍內(nèi)通過快速傅里葉變換進(jìn)行計算。隨機(jī)信號x(t)自相關(guān)函數(shù)為Rx(τ)，Rx(τ)傅里葉變換為

(1)

定義Sx(f)為x(t)的自功率譜密度，Sx(f)可理解為x(t)的平均功率相對于頻率的分布函數(shù)。自功率譜Sx(f)包含Rx(τ)的全部信息。因此，環(huán)境噪聲信號記錄中含有某種頻率成分，可以從自功率譜中看出。根據(jù)傅里葉逆變換可得

(2)

其中f為頻率，對周期時間序列x(t) 的有限范圍傅里葉變換可表示為

(3)

對穩(wěn)態(tài)隨機(jī)地震觀測數(shù)據(jù)中離散頻率值fk，傅里葉變換定義為

(4)

式中，fk=k/(NΔt)，其中k=1，2，3，……，N，Δt為采樣間隔(0.01 s)，N為截取時間段的采樣個數(shù)。根據(jù)維納—辛欽定理[5]，功率譜密度(PSD)定義為

(5)

2.2 噪聲rms值計算

均方根的定義是一段信號的振幅值取平方后，再求其在該時段內(nèi)的平均，然后求其平方根，利用地動噪聲的均方根值(rms)可以衡量臺站的背景噪聲水平[6]，使用rms值衡量噪聲水平的優(yōu)點(diǎn)在于，對來自不同噪聲源的噪聲可按照相同尺度進(jìn)行比較。臺站環(huán)境地噪聲rms值計算式為

(6)

其中P為速度功率譜密度或加速度功率譜譜；f0為分度倍頻程中心頻率；RBW為相對帶寬，RBW=(fu-fl)/f0，fu為相對帶寬的上限頻率，fl為相對帶寬的下限頻率。

2.3 有效動態(tài)范圍計算

地震臺站的觀測動態(tài)范圍，反映觀測儀器自身性能和環(huán)境地噪聲水平，動態(tài)范圍大小反映記錄地震信號的能力。由于臺站環(huán)境地噪聲與地震信號的疊加，使得儀器達(dá)不到設(shè)計的動態(tài)范圍[6]，只能達(dá)到有效測量的動態(tài)范圍D有效(單位：dB)，有效動態(tài)范圍D有效通過如下公式計算：

(7)

其中，VR為滿量程輸入電壓(V)，GC為數(shù)采實際工作時的增益，S為地震計的工作靈敏度，rms為地動噪聲的均方根值 (m/s)。

3 結(jié)果分析

3.1 噪聲功率譜計算結(jié)果分析

地震計墩改造后，地震觀測儀器放置位置相比之前升高2.9 m，臺基背景地噪聲水平會有一定變化。本文對地震計墩改造前后三組連續(xù)5個白天(15 時)和5個晚上(3 時)的數(shù)據(jù)(分別以R1、R2、R3表示)樣本段進(jìn)行計算，以便分別分析地震計墩改造前后東西、南北、垂直向噪聲的平均功率譜變化情況。原始記錄小時數(shù)據(jù)經(jīng)分道、去均值、去趨勢項等預(yù)處理后，進(jìn)行分段、加窗、傅立葉變換等，最后去除儀器響應(yīng)，獲得噪聲功率譜密度，再對每組數(shù)據(jù)小時值進(jìn)行均值計算，平滑處理后以PSD曲線形式呈現(xiàn)(圖2)。

圖2 地震計墩改造前后平均噪聲功率譜密度曲線

由圖2可見，1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)，改造后各分向噪聲水平有明顯增大，特別是高頻段噪聲變化較大；其中東西向平均地噪聲，在6～20 Hz頻帶范圍內(nèi)，無論白天或是晚上，都明顯高于改造前水平；南北向1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)各頻點(diǎn)噪聲變化不一致，改造后噪聲水平以增加為主，該分向白天和晚上在8 Hz附近，均存在噪聲水平變小的低值區(qū)，可能原因是該方向存在固定干擾源(正南方向高速公路，最近距離950 m)，地震計墩加高改造后，儀器接收到來自近場的噪聲強(qiáng)度有一定衰減，造成該頻點(diǎn)處的低值；垂直向改造前后地噪聲水平變化不明顯，其中晚上3時僅在5～10 Hz頻帶范圍內(nèi)，改造前相對較低，白天15時改造前后三組數(shù)據(jù)PSD曲線基本一致，證明垂直向受地震計墩改造影響較小。

為詳細(xì)分析改造后臺站環(huán)境地噪聲水平變化情況，列出第一組數(shù)據(jù)和第三組數(shù)據(jù)改造前后各頻點(diǎn)PSD差值(表1、2)。前后數(shù)據(jù)作差值分析，各分向晚上噪聲水平均低于白天，但在16 Hz和20 Hz高頻點(diǎn)附近，改造前后各分向均出現(xiàn)白天噪聲水平相對較低的情況，其中東西向白天比晚間低1.9～7 dB，南北向低1.1～2.8 dB，垂直向低2.3～8.9 dB，可能原因是白天近場高頻干擾疊加，高頻成分相互干涉，儀器最終接收的高頻信號減弱。

表1 晚上噪聲功率譜密度各頻點(diǎn)值比較

從表1可知，晚上1～5 Hz低頻段，東西向、垂直向噪聲水平改造前后變化較小，改造后噪聲水平增加頻段主要集中在6～20 Hz高頻段，其中東西向變化比垂直向更為明顯，最大增加9.4 dB，垂直向最大增加5.4 dB。南北向各頻點(diǎn)改造前后變化不一，在1 Hz、2 Hz、8 Hz、10 Hz、20 Hz幾個頻點(diǎn)附近，噪聲明顯增大，最大增加9.2 dB，在4 Hz、12 Hz、16 Hz頻點(diǎn)附近，改造后噪聲水平與改造前相當(dāng)，在8 Hz頻點(diǎn)處出現(xiàn)大幅降低。表明地震計墩改造后噪聲水平主要還是受到周圍環(huán)境噪聲影響。

從表2可知，東西向白天1～5 Hz低頻段，改造前后噪聲水平變化較小，10～20 Hz高頻段，改造后噪聲增大較為明顯；南北向則在2 Hz以下低頻段和6～10 Hz中頻段變化較大，2～5 Hz、12～16 Hz則幾乎無變化，20 Hz頻點(diǎn)附近又明顯增大；垂直向改造前后噪聲水平變化較小，其中4～5 Hz、10～16 Hz出現(xiàn)改造后噪聲水平相對略低于改造前水平的情況?？梢?，該臺站周圍一直存在固定的噪聲源，地震計墩改造后，東西向噪聲源大小、位置相對固定，噪聲水平以增大為主；南北向噪聲源處于動態(tài)變化，噪聲有疊加效應(yīng)，噪聲水平變化不一；因垂直向?qū)υ肼曉吹姆较虿幻舾校栽肼曀阶兓^小。

表2 白天噪聲功率譜密度各頻點(diǎn)值比較

3.2 噪聲rms值計算結(jié)果分析

根據(jù)《地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求：測震臺站》(GB/T 19531.1-2004)規(guī)定，臺基背景噪聲在1/3倍頻程1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)速度rms值作為評估地震臺站臺基類型的標(biāo)準(zhǔn)。選取第一組數(shù)據(jù)，根據(jù)PSD計算結(jié)果，分別計算白天15時和晚上3時的速度rms值，并取其平均值作為改造前該臺站的rms值，改造后選取第三組數(shù)據(jù)來計算，最終利用各測向所得值取平均后，作為衡量臺站地震計墩改造前后環(huán)境噪聲水平。

表3中分別選取白天、晚上的數(shù)據(jù)進(jìn)行改造前后速度rms值計算，改造前環(huán)境地噪聲Enl為5.78×10-8，根據(jù)環(huán)境地噪聲水平等級劃分規(guī)定，當(dāng)3.16×10-8m/s≤Enl< l.00 ×10-7m/s時，達(dá)到Ⅱ級環(huán)境地噪聲水平。改造后環(huán)境地噪聲Enl為9.43×10-8，這和改造前的臺站地噪聲水平等級一致。根據(jù)中國大陸背景地噪聲區(qū)域劃分，屬于C類地區(qū)的重慶，安放短周期數(shù)字地震儀的臺站，噪聲水平不大于Ⅲ級環(huán)境地噪聲即可?？梢?，改造后地震觀測儀器受到的環(huán)境干擾有所增大，但依然符合觀測規(guī)范要求。

表3 改造前后臺站環(huán)境噪聲rms值

3.3 有效動態(tài)范圍計算結(jié)果分析

選取第一組數(shù)據(jù)和第三組數(shù)據(jù)作為對比分析數(shù)據(jù)樣本，各頻點(diǎn)處的噪聲均方根值為三分向數(shù)據(jù)計算出的均值，得到有效觀測動態(tài)范圍反應(yīng)了改造前后儀器整體觀測情況，同時繪制改造前后白天(15時)和晚上(3時)的有效觀測動態(tài)范圍(圖3)。

圖3 擺墩改造前后有效動態(tài)范圍變化情況

結(jié)果表明，同一觀測儀器，改造前后高動態(tài)曲線一致(紅藍(lán)線重合，只與儀器自身動態(tài)范圍有關(guān))，僅在低動態(tài)曲線有所差異；晚上有效動態(tài)范圍明顯大于白天，說明晚上安靜時段噪聲干擾較少，干擾強(qiáng)度小，儀器觀測有效動態(tài)范圍更大，記錄信噪比更高。改造前后白天晚上有效動態(tài)范圍變化不一致，圖3a可見，改造后晚上實際觀測動態(tài)范圍，在1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)明顯收窄，頻率越高越明顯，最大減少10 dB；圖3b可見，改造后白天實際觀測動態(tài)范圍，在1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)反而略有增大，且各頻點(diǎn)的變化不盡相同。地震計墩改造對該臺站儀器觀測有所影響，但有效觀測效動態(tài)范圍前后整體變化不大。

4 建議和探討

鑒于地震計墩改造對地震觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，改造后地噪聲水平有所增大。建議在類似臺站改造中宜采用淺式半地下室觀測方案(圖4)，地震計墩澆筑到地面以下600 mm處(足夠放置地震計和保護(hù)罩)，地震計墩面以下300 mm各邊與坑壁間隔100 mm，使地震計實際放置位置變化較小(1.7 m)，滿足觀測需求同時，能避免潮濕滲水，方便下井維護(hù)。增加井蓋加以保護(hù)，能夠有效降低地震計墩改造帶來的影響，更利于今后加裝寬頻帶地震計觀測使用。

圖4 建議改造方案(單位：mm)

5 結(jié) 論

地震計墩改造后，對開縣臨江臺地噪聲水平造成一定影響，改造后同一儀器記錄結(jié)果表明，各分向噪聲變化不盡相同，東西向、南北向白天晚上噪聲均有明顯增大，特別在6～20 Hz頻段內(nèi)，垂直向晚上噪聲水平相對改造前有所增大，但幅度相對較小，白天噪聲水平改造前后幾乎無差別。地震計墩升高，儀器放置位置離地面更近，記錄到的環(huán)境噪聲水平相比改造前增加60 %，但仍然滿足Ⅱ類觀測臺站環(huán)境噪聲水平要求。從同一儀器白天、晚上有效動態(tài)范圍來看，改造前后基本一致。鑒于地震計墩改造對地震觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響，在類似臺站改造中建議采用淺式半地下室觀測方案，減少改造對地震觀測數(shù)據(jù)的影響。