安 全 包 瑩 劉甜甜 郭延杰

1 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特市哲理木路80號，010080 2 赤峰地震監(jiān)測中心站，內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市紅山路，024000

測震臺站首要目標(biāo)是為地震研究、地震監(jiān)測和地震預(yù)警提供高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)，而這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要取決于臺站觀測設(shè)備性能和臺站觀測環(huán)境，其中臺站觀測環(huán)境背景噪聲是影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素之一。為降低測震臺站背景噪聲水平，提高觀測數(shù)據(jù)信噪比，在建設(shè)測震臺站前通常進(jìn)行臺址背景噪聲水平測試，并對臺址背景噪聲水平進(jìn)行定量評估[1]，最終選擇背景噪聲較合理的地區(qū)作為測震臺站擬建設(shè)地點(diǎn)。近年來，隨著城市化建設(shè)的快速推進(jìn)，傳統(tǒng)地表觀測測震臺站背景噪聲水平不斷升高，嚴(yán)重影響了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。為降低背景噪聲水平，國內(nèi)地震研究者提出了許多新的思路，如通過井下觀測、小波閾值濾波等方法壓制或過濾高頻背景噪聲[2-6]，或?qū)Φ卣鹩嬙黾颖卣謮褐频皖l背景噪聲等方法，都被廣泛應(yīng)用于測震臺站實(shí)際觀測工作中[7-10]。

測震臺站評估背景噪聲的方法主要包括功率譜密度(PSD)和功率譜概率密度(PDF)方法[11-12]，國內(nèi)也有很多利用PSD和PDF方法評估測震臺站背景噪聲的相關(guān)研究[13-15]，但大多停留在背景噪聲高頻段，且僅使用了1個臺站數(shù)據(jù)，樣本較少。本文主要通過對比分析赤峰臺和二連浩特臺同臺不同觀測方式間觀測數(shù)據(jù)加速度PSD值、相應(yīng)的PDF值及1～20 Hz頻段RMS值的差異特征，研究井下觀測壓制測震臺站背景噪聲特征，為今后井下測震臺站的建設(shè)及數(shù)據(jù)應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 臺站信息

赤峰臺和二連浩特臺均屬于國家測震臺，都配備了甚寬頻帶地震計，主要用于臺站所在區(qū)域近震和全球遠(yuǎn)震監(jiān)測，2臺儀器信息見表1。本文應(yīng)用赤峰臺2021-12井下和山洞觀測及二連浩特臺2021-04井下和地表觀測連續(xù)1個月的觀測數(shù)據(jù)，通過計算加速度PSD值和相應(yīng)的PDF值及1～20 Hz頻段RMS值，研究井下觀測壓制背景噪聲的特征。

表1 臺站信息

2 數(shù)據(jù)處理

本文主要通過以下幾個步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，詳細(xì)計算公式見文獻(xiàn)[1]。

1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。首先收集赤峰臺井下和山洞觀測、二連浩特臺井下和地表觀測各1個月的觀測數(shù)據(jù)，并將觀測數(shù)據(jù)分為小時段(采樣率100/s)，再將1 h數(shù)據(jù)段以50%重疊率分為42個記錄段，每個記錄段長度約為160 s。

2)數(shù)據(jù)預(yù)處理。利用去均值方法對每條記錄段數(shù)據(jù)進(jìn)行去長周期和去均值處理，以減少長周期對PSD估計的偏差，其余異常、地震等信息均保留在數(shù)據(jù)段中；每條記錄段數(shù)據(jù)扣除儀器響應(yīng)靈敏度，使其還原為地震動速度值。

3)加速度PSD計算。預(yù)處理后的記錄段數(shù)據(jù)經(jīng)過快速傅里葉變換，得到以頻率為自變量的速度PSD值，再將速度PSD值變換至加速度PSD值。為便于與全球高噪聲新模型(NHNM)及低噪聲新模型(NLNM)進(jìn)行對比分析，最終將加速度PSD值以dB為單位表示。

4)平滑處理。得到的加速度PSD值采用1/3倍頻程平滑處理，使加速度PSD值在對數(shù)坐標(biāo)上均勻分布。

5)PDF值計算。重復(fù)步驟1)～4)，得到每小時加速度PSD均值分布；依次得到2個臺站選取數(shù)據(jù)段PSD均值分布。以-200～-50 dB變化范圍、1 dB步長計算加速度PSD值及相應(yīng)PDF值；然后，以頻率為橫坐標(biāo)、PSD為縱坐標(biāo)、色塊顏色深淺繪制二維平面圖，得到PDF分布結(jié)果，不同色塊代表某頻點(diǎn)在一定PSD窗內(nèi)功率譜概率數(shù)。

6)背景噪聲速度均方根(RMS)值計算。在計算速度PSD值的基礎(chǔ)上根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的式(7)，調(diào)用速度PSD值計算1～20 Hz頻段三分向RMS均值。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 1～20 Hz頻段加速度PSD值分析

為分析井下觀測壓制高頻背景噪聲特征，分別計算了赤峰臺井下和山洞觀測垂直向及二連浩特臺井下和地表觀測南北向各1個月觀測數(shù)據(jù)中1～20 Hz頻段PSD平均值，并以X坐標(biāo)代表時間、Y坐標(biāo)代表頻率、Z坐標(biāo)代表最大PDF對應(yīng)PSD平均值，繪制PSD值時頻分布圖，以研究1～20 Hz頻段加速度PSD特征，具體見圖1。

圖1 1～20 Hz頻段加速度PSD值時變化分布Fig.1 The variation of accelerated PSD at 1—20 Hz frequency band

由圖1可看出，赤峰臺2～20 Hz頻段和二連浩特臺1～20 Hz頻段PSD值有較規(guī)律的高低變化特性，這與人類晝夜活動變化規(guī)律特性基本一致；由圖1(a)和1(b)可看出，赤峰臺井下觀測數(shù)據(jù)垂直向2～20 Hz頻段PSD值明顯低于山洞觀測，說明在2～20 Hz頻段井下觀測壓制背景噪聲效果顯著，尤其在9～20 Hz頻段井下觀測壓制背景噪聲效果突出；由圖1(c)和1(d)可看出，二連浩特臺井下觀測PSD值明顯低于地表觀測，再次說明在2～20 Hz頻段井下觀測壓制背景噪聲效果較突出，8～20 Hz頻段壓制效果最好。

3.2 1～20 Hz頻段RMS值特征分析

除使用PSD值來表示地震背景噪聲水平外，RMS值也是評估背景噪聲水平的方式之一[1]。為分析井下觀測壓制高頻背景噪聲效果，計算赤峰臺和二連浩特臺各1個月觀測數(shù)據(jù)三分向1～20 Hz頻段每天24 h的RMS平均值，并取三分向平均值，繪制RMS隨日變化分布，具體見圖2。

圖2 1～20 Hz頻段三分向RMS平均值日變化分布Fig.2 The RMS daily variation of three-channel at 1-20 Hz frequency band

由圖2(a)可看出，赤峰臺井下和山洞觀測數(shù)據(jù)1～20 Hz頻段三分向RMS平均值日變化均在0.5 dB以內(nèi)，說明該臺噪聲源較為穩(wěn)定；赤峰臺井下觀測相比于該臺地表觀測數(shù)據(jù)RMS平均值低4 dB左右，說明在1～20 Hz頻段井下觀測有效壓制了該臺背景噪聲。由圖2(b)可看出，二連浩特臺井下和地表觀測數(shù)據(jù)1～20 Hz頻段三分向RMS平均值日變化有一定升高趨勢，變化率在2.5 dB左右，井下觀測相比于地表觀測數(shù)據(jù)RMS平均值低2 dB左右，說明井下觀測有效壓制了該臺1～20 Hz頻段背景噪聲。由圖2可看出，赤峰臺井下觀測壓制1～20 Hz頻段背景噪聲的幅度大于二連浩特臺井下觀測，根據(jù)表1可知，這可能與赤峰臺井下地震計安裝深度深于二連浩特臺有關(guān)。

3.3 加速度PSD概率密度函數(shù)分析

圖3和4為赤峰臺和二連浩特臺1個月觀測數(shù)據(jù)加速度PSD概率密度函數(shù)(PDF)分布，圖中青色實(shí)線NHNM和NLNM分別表示全球高噪聲新模型和低噪聲新模型[10]，黑色實(shí)線(AVG)表示最大PDF對應(yīng)PSD平均值，紅色虛線MAX和MIN分別表示最大和最小PSD值，黃色實(shí)線分別表示PDF為10%與90%的PSD值。為更直觀地分析，將數(shù)據(jù)分成90～25 s、25 s～2 Hz、2～40 Hz三頻段，并對比分析井下和其他觀測數(shù)據(jù)各頻段加速度PSD概率密度函數(shù)分布的差異。

圖3 赤峰臺加速度PSD概率密度函數(shù)分布Fig.3 Probability density function distribution of acceleration PSD of Chifeng seismic station

對比圖3(a)和3(d)、圖4(a)和4(d)可看出，在低于25 s頻段，赤峰臺井下觀測最大PDF對應(yīng)PSD值(黑實(shí)線)低于該臺山洞觀測10 dB左右，二連浩特臺井下觀測最大PDF對應(yīng)PSD值相比該臺地表觀測低5 dB左右，說明在低于25 s頻段井下觀測有一定的壓制背景噪聲特征。對比圖3(b)和3(e)、圖4(b)和4(e)可看出，在25～16 s頻段，井下臺觀測數(shù)據(jù)最大PDF對應(yīng)PSD值略低于山洞及地表臺，在16 s～2 Hz頻段同一臺站不同觀測方式觀測數(shù)據(jù)最大PDF對應(yīng)PSD值一致性較高，說明在16 s～2 Hz頻段井下觀測不能壓制背景噪聲，地震工作者也可利用此特性，通過計算同臺井下和地表觀測數(shù)據(jù)與該頻段背景噪聲的相關(guān)性，檢測井下地震計方位角[16]。對比圖3(c)和3(f)、圖4(c)和4(f)可看出，在大于2 Hz頻段，同一臺站井下觀測方式最大PDF對應(yīng)的PSD值明顯低于該臺站其他(山洞、地表)觀測方式，說明井下觀測在大于2 Hz頻段壓制背景噪聲效果顯著。

圖4 二連浩特加速度PSD概率密度函數(shù)分布Fig.4 Probability density function distribution of acceleration PSD of Erenhot seismic station

由圖3和4可看出，赤峰臺和二連浩特臺井下觀測背景噪聲動態(tài)范圍比山洞及地表觀測小幾個dB到幾十個dB，說明井下觀測相對于地表和山洞觀測有縮小背景噪聲動態(tài)范圍的作用。

4 結(jié) 語

本文利用赤峰臺井下和山洞觀測及二連浩特臺井下和地表觀測測震數(shù)據(jù)，通過計算其加速度PSD值和相應(yīng)的PDF值及1～20 Hz頻段RMS值，分析了井下觀測壓制背景噪聲的特征，得到如下結(jié)論：

1)在大于2 Hz頻段，井下觀測相比于山洞和地表觀測壓制背景噪聲效果顯著，尤其在大于9 Hz頻段壓制背景噪聲效果突出，井下觀測壓制高頻背景噪聲效果與地震計安裝深度有關(guān)，安裝深度越深壓制效果越好；

2)在16 s～2 Hz頻段，井下、山洞、地表觀測測震臺站背景噪聲水平一致性較高，在該頻段井下觀測不能壓制背景噪聲；

3)在低于16 s頻段，井下觀測相比于山洞和地表觀測有一定的壓制背景噪聲效果；

4)井下觀測相比于地表和山洞觀測有縮小背景噪聲動態(tài)范圍的作用。

本文研究結(jié)果對于背景噪聲水平較高的地表及山洞臺站的重建、數(shù)據(jù)質(zhì)量提高和利用井下觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行地震分析及地震研究等有一定的參考意義。