唐 浩 李鴻庭 白曉川 馬 瑞

1 寧夏回族自治區(qū)地震局，銀川市北京東路244號(hào)，750001

臺(tái)站的背景噪聲是影響地震觀測(cè)質(zhì)量的重要因素之一。為盡可能排除背景噪聲的影響，提高觀測(cè)信噪比，從上世紀(jì)70年代開始，許多國家先后開展了井下地震觀測(cè)研究，井深從數(shù)百米逐步發(fā)展到1 km，甚至達(dá)到4 km以下，并建立了深井長(zhǎng)期觀測(cè)站[1]。我國井下地震觀測(cè)研究最初是通過對(duì)井下短周期儀器的研制和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)進(jìn)行的，井深一般在200～480 m[2]。實(shí)驗(yàn)證明，在沉積層較厚的平原地區(qū)，深井短周期觀測(cè)可有效降低背景噪聲，提高觀測(cè)系統(tǒng)的信噪比，獲得更多微弱的地球物理信息[3]。

目前，已有的研究大多是對(duì)臺(tái)站背景噪聲模型開展不同周期范圍內(nèi)噪聲特征的分析，而針對(duì)地表與井下噪聲水平的定量化對(duì)比研究較少。本文通過在臺(tái)站地表架設(shè)不同型號(hào)的地震計(jì)，與井下地震計(jì)進(jìn)行同步觀測(cè)，研究井下與地表臺(tái)站觀測(cè)背景噪聲的異同。通過計(jì)算背景噪聲功率譜密度，對(duì)比井下與地表觀測(cè)儀器記錄背景噪聲的基本特征，分析不同類型地震計(jì)記錄地震波形的異同及背景噪聲與觀測(cè)臺(tái)基深度、儀器類型之間的關(guān)系，為臺(tái)站觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的升級(jí)改造和建設(shè)提供依據(jù)。

1 觀測(cè)條件及儀器參數(shù)

陶樂地震臺(tái)地處寧夏中北部的平羅縣陶樂鎮(zhèn)，為井下短周期觀測(cè)臺(tái)站，觀測(cè)井口位于臺(tái)站觀測(cè)室外，套管外徑146 mm、內(nèi)徑136 mm，井口套管高出地面約30 cm。井口坐標(biāo)為38.80°N、106.69°E，海拔為1 101.6 m，觀測(cè)井深度300 m，地震計(jì)安裝深度為243 m。2018-12井下地震計(jì)更換為GL-S2B井下短周期地震計(jì)，數(shù)據(jù)采集器為3通道EDAS-24GN，儀器采用卡壁式底座安裝，井傾斜度小于2°。臺(tái)站地表架設(shè)地震計(jì)型號(hào)為BBVS-60寬頻帶和GL-PS2一體化短周期地震儀，寬頻帶地震計(jì)連接數(shù)采為3通道EDAS-24GN；GL-PS2一體化地震儀為24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。3種型號(hào)地震計(jì)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 3種地震計(jì)的主要參數(shù)

2020-06-25～07-09在陶樂臺(tái)觀測(cè)室儀器墩上架設(shè)BBVS-60寬頻帶地震計(jì)和GL-PS2短周期地震儀，與井下GL-S2B短周期地震計(jì)同步觀測(cè)運(yùn)行15 d。

2 背景噪聲對(duì)比分析

臺(tái)站背景噪聲水平與儀器自噪聲、環(huán)境噪聲等有著密切關(guān)系。圖1為3種型號(hào)地震計(jì)在2020-07-02 01:00～02:00記錄的三分向原始時(shí)域波形。

從圖1可以看出，地表寬頻帶地震計(jì)和短周期地震儀記錄的背景噪聲波形形態(tài)和變化幅度具有較高的相似性，記錄到的外部干擾信息較多。與地表地震計(jì)相比，井下地震計(jì)記錄的背景噪聲波形形態(tài)也較一致，但振幅明顯減小，說明井下觀測(cè)可有效降低來自地表的各種干擾信息的影響。

圖1 原始時(shí)域波形(01:00～02:00)Fig.1 Original time domain waveform at 01:00 to 02:00

圖2為3種型號(hào)地震計(jì)2020-07-02 14:00～15:00記錄的三分向原始時(shí)域波形。對(duì)比圖1和2可以發(fā)現(xiàn)，14:00～15:00的背景噪聲明顯高于01:00～02:00，且振幅明顯增大，干擾頻次明顯增多，說明夜間背景噪聲小于白天的背景噪聲。

圖2 原始時(shí)域波形(14:00～15:00)Fig.2 Original time domain waveform at 14:00 to 15:00

為進(jìn)一步分析不同類型地震計(jì)在不同時(shí)段記錄的背景噪聲特性，對(duì)背景噪聲進(jìn)行定量分析。背景噪聲功率譜密度(PSD)是定量描述臺(tái)站背景噪聲的重要參數(shù)，在臺(tái)站背景噪聲水平評(píng)價(jià)中有廣泛應(yīng)用[4]。本文選取2020-07-01～07-03連續(xù)72 h數(shù)據(jù)(該時(shí)段沒有地震發(fā)生)為樣本，對(duì)3種型號(hào)地震計(jì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲PSD計(jì)算，得到3種型號(hào)地震計(jì)背景噪聲PSD曲線及1～20 Hz頻段各倍頻程帶寬的RMS平均值(單位m/s)。圖3為3種型號(hào)地震計(jì)的PSD曲線。

為對(duì)背景噪聲特征進(jìn)行定量分析，有學(xué)者提出全球地震背景噪聲模型，包括新低噪聲模型(NLNM)與新高噪聲模型(NHNM)[5-6]。由圖3可以看出，地表寬頻帶地震計(jì)在5～9 Hz頻段出現(xiàn)峰值，且EW、NS分向的峰值高于NHNM；地表短周期地震儀在4～9 Hz頻段出現(xiàn)峰值，且EW、UD分向峰值高于NHNM；而井下短周期地震計(jì)在2～4 Hz頻段出現(xiàn)峰值，且EW分向峰值高于NHNM。3種型號(hào)地震計(jì)記錄的噪聲在0.1～50 Hz頻段PSD曲線變化的定量化描述如表2所示。

圖3 3種型號(hào)地震計(jì)記錄的噪聲PSD曲線Fig.3 PSD curves of noise recorded by three types of seismometers

表2 3種型號(hào)地震計(jì)記錄噪聲PSD曲線變化的定量化描述

通過對(duì)比3種型號(hào)地震計(jì)的背景噪聲PSD曲線發(fā)現(xiàn)，井下地震計(jì)記錄的噪聲低于地表地震計(jì)，在4～50 Hz頻段尤其明顯。從PSD計(jì)算結(jié)果來看，井下地震計(jì)在4～10 Hz頻段降噪最為明顯，比地表地震計(jì)噪聲低約30 dB；而在10～50 Hz頻段，比地表地震計(jì)噪聲低約20 dB。

為進(jìn)一步分析臺(tái)站背景噪聲的日變特性，將3種型號(hào)地震計(jì)三分向1～20 Hz頻段倍頻程帶寬的RMS平均值繪制在同一坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4所示。

圖4 3種型號(hào)地震計(jì)三分向1～20 Hz頻段平均RMS值變化曲線Fig.4 Variation curve of average RMS value of three types of seismometers in 1-20 Hz frequency band

從圖4可以看出，地表寬頻帶地震計(jì)與短周期地震儀的三分向RMS值在變化形態(tài)上具有很好的時(shí)域同步特征，地表寬頻帶地震計(jì)記錄的噪聲RMS值比短周期地震儀記錄的噪聲RMS值高約3.7%，這與地震計(jì)的自噪聲有關(guān)。

對(duì)比井下地震計(jì)與地表地震計(jì)記錄的三分向噪聲RMS值發(fā)現(xiàn)，地表地震計(jì)EW和NS分向噪聲的RMS值是井下地震計(jì)相應(yīng)分向的25倍左右，UD分向噪聲的RMS值是井下地震計(jì)UD分向的10倍左右。根據(jù)《GB/T19531.1-2004地震臺(tái)站臺(tái)基噪聲評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)》，若井下臺(tái)噪聲評(píng)價(jià)為Ⅲ類臺(tái)基，則地表臺(tái)為Ⅳ類臺(tái)基，井下觀測(cè)方式可有效降低臺(tái)站地表觀測(cè)的背景噪聲，從而提高臺(tái)站的地震監(jiān)測(cè)能力。

從3種型號(hào)地震計(jì)三分向在1～20 Hz頻段內(nèi)RMS平均值變化曲線可以看出，臺(tái)站背景噪聲具有清晰的日變規(guī)律，23:00至次日06:00背景噪聲值較小，06:00～23:00背景噪聲值較大；06:00以后噪聲越來越大，19:00以后噪聲越來越小。背景噪聲變化與人類活動(dòng)規(guī)律非常吻合，說明人類活動(dòng)是距離鬧市較近臺(tái)站背景噪聲的主要來源。

3 記錄地震事件對(duì)比分析

在觀測(cè)運(yùn)行期間，3種型號(hào)地震計(jì)記錄到6次典型地震。本文以2020-06-29內(nèi)蒙古阿拉善左旗ML3.1地震為例，對(duì)3種型號(hào)地震計(jì)記錄的近震波形進(jìn)行對(duì)比分析。從圖5可以看出，3種型號(hào)地震計(jì)記錄的近震波形十分清晰，震相易于識(shí)別。經(jīng)過數(shù)據(jù)相關(guān)性分析[7]發(fā)現(xiàn)，地表架設(shè)寬頻帶地震計(jì)與短周期地震儀記錄的波形高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.95以上；井下地震計(jì)與地表地震計(jì)記錄的波形相關(guān)性較低，相關(guān)系數(shù)僅為0.2左右。

為進(jìn)一步分析，對(duì)3種型號(hào)地震計(jì)記錄的地震波形進(jìn)行震源譜分析，圖6為各地震計(jì)三分向地震波頻譜。從圖6可以看出，記錄的近震波能量主要集中在2～15 Hz范圍內(nèi)，3種型號(hào)地震計(jì)記錄的地震波均在3～6 Hz頻段出現(xiàn)第1個(gè)峰值，地表地震計(jì)在9～12 Hz頻段出現(xiàn)第2個(gè)峰值，井下地震計(jì)則在6～8 Hz頻段出現(xiàn)第2個(gè)峰值。3種型號(hào)地震計(jì)記錄的近震震源譜變化趨勢(shì)較為相似，通過與地震發(fā)生時(shí)段平穩(wěn)期的噪聲水平對(duì)比發(fā)現(xiàn)，地表地震計(jì)記錄的近震在7～12 Hz頻段受干擾較為嚴(yán)重。

圖5 近震原始波形Fig.5 Original waveform of near earthquake

圖6 地震波頻譜Fig.6 Seismic wave spectrum

選取2020-06-26新疆于田MS6.8地震對(duì)3種型號(hào)地震計(jì)記錄的遠(yuǎn)震波形進(jìn)行對(duì)比分析。圖7為3種型號(hào)地震計(jì)記錄的遠(yuǎn)震原始波形，可以看出，地表寬頻帶地震計(jì)與井下短周期地震計(jì)對(duì)遠(yuǎn)震的記錄較為清晰，震相也易識(shí)別，但地表短周期地震儀對(duì)遠(yuǎn)震的記錄較差，波形嚴(yán)重失真，震相不易識(shí)別。對(duì)原始地震波形進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，地表寬頻帶地震計(jì)與短周期地震儀的遠(yuǎn)震波形相關(guān)系數(shù)為0.3左右，井下短周期地震計(jì)與地表寬頻帶地震計(jì)的遠(yuǎn)震波形相關(guān)系數(shù)為0.4左右，井下短周期地震計(jì)與地表短周期地震儀的遠(yuǎn)震波形相關(guān)系數(shù)為0.2左右。顯然，地表寬頻帶地震計(jì)和井下短周期地震計(jì)對(duì)遠(yuǎn)震的記錄較好。

圖7 遠(yuǎn)震原始波形Fig.7 Original waveform of teleseismic

圖8為3種型號(hào)地震計(jì)記錄的于田MS6.8遠(yuǎn)震頻譜曲線，可以看出，遠(yuǎn)震波能量主要分布在0.01～1 Hz范圍內(nèi)，而地表地震計(jì)和井下地震計(jì)在5～7 Hz頻帶出現(xiàn)2次峰值，10～12 Hz頻帶出現(xiàn)3次峰值，但峰值依次衰減。通過與地震發(fā)生時(shí)段平穩(wěn)期的噪聲水平進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與井下地震計(jì)相比，地表地震計(jì)對(duì)于遠(yuǎn)震的干擾信號(hào)主要在4～7 Hz范圍，其來源仍是周邊地面的人類活動(dòng)。

圖8 遠(yuǎn)震頻譜Fig.8 Teleseismic spectrum

4 結(jié) 語

分析發(fā)現(xiàn)，臺(tái)站背景噪聲具有明顯的日變規(guī)律，采用井下觀測(cè)可有效減少人類活動(dòng)對(duì)臺(tái)站背景噪聲的影響。對(duì)比3種不同型號(hào)地震計(jì)的記錄數(shù)據(jù)，分析計(jì)算臺(tái)站背景噪聲功率譜密度發(fā)現(xiàn)，地表地震計(jì)的背景噪聲在4～50 Hz頻段明顯高于井下地震計(jì)，在4～10 Hz頻段最為明顯，井下地震計(jì)降噪達(dá)30 dB左右，而在10～50 Hz頻段，降噪大約在20 dB左右。

在近震記錄中，3種型號(hào)地震計(jì)的地震波形在形態(tài)上具有較好的一致性，波形振幅與相位存在較好的相似性，震相辨識(shí)不會(huì)有太大困擾。而在遠(yuǎn)震記錄中，地表寬頻帶地震計(jì)與井下短周期地震計(jì)的記錄較為清晰，震相也易識(shí)別；而地表短周期地震儀記錄的波形存在較大噪聲干擾，波形振幅和相位不清晰，震相難以辨識(shí)。與井下地震計(jì)相比，地表地震計(jì)記錄的近震波形在7～12 Hz頻段受干擾較嚴(yán)重，而遠(yuǎn)震波形在4～7 Hz頻段受干擾較嚴(yán)重，因此在進(jìn)行波形震相分析時(shí)需區(qū)別對(duì)待和處理。