楊亞運　汪建　傅卓　張巡

摘要重慶地區(qū)3個地震臺站經(jīng)改造后，臺基類型由深坑觀測改變?yōu)榈乇碛^測。分別計算3個臺站改造前后的噪聲功率譜密度（ PSD）及相應(yīng)的概率密度函數(shù)（ PDF），通過噪聲功率譜平均噪聲曲線，評估3個臺站臺基背景噪聲變化情況。計算結(jié)果表明，3個改造臺站環(huán)境噪聲水平有所增加，尤其在2 Hz 以上的頻段，其中合川云門臺（ YUM）最大增加9 dB，開縣臨江臺（ LIJ）最大增加10 dB，忠縣善廣臺（ SHG）最大增加4 dB。目前，3個臺站1—20 Hz 頻帶范圍內(nèi)環(huán)境噪聲水平仍符合觀測規(guī)范要求，但改變臺基觀測方式后，傳感器接收到人為干擾噪聲信號更豐富。因此，開展地震臺站建設(shè)、改造施工要慎重改變臺基觀測方式。

關(guān)鍵詞重慶地區(qū)；噪聲功率譜密度；概率密度函數(shù)；環(huán)境噪聲水平

中圖分類號： P315.61文獻標識碼： A文章編號：2096-7780（2023）06-0241-10

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-152

Influence analysis of observation mode for seismic station on background noise

Yang Yayun，Wang Jian，F(xiàn)u Zhuo，Zhang Xun

（Chongqing Earthquake Agency， Chongqing 401147， China）

Abstract ThreeseismicstationsinChongqingareahavebeenreconstructed. And the typeof station base is changedfrom deep pit observation tosurfaceobservation. The PSDand PDFof the threestations beforeandafter reconstruction were calculated respectively，and the noise power spectrum is used to average the noise curve to evaluate the background noise variation of the three stations. The calculation results show that，the environmental noise level of the three reconstructed stations still increased，especially for frequency bands above 2 Hz. The maximum increase of PSD is 9 dB at YUM station，10 dB at LIJ station，and 4 dB at SHG station. But the overall environmental noise level between 1—20 Hzbandsof thethreestationsstillmeetstherequirementsof theobservationspecifications. However，after changing the observation mode of the station base，the components of the noisesignal received by the station changesignificantly，especially the human activity related noise. So when we carry out the construction and reconstruction of seismic stations，it is necessary to carefully change the observation mode of the station base.

KeywordsChongqing area; noise power spectral density; probability density function; ambient noise level

引言

地震計墩（以下簡稱擺墩）主要是放置地震傳感器，觀測地震動現(xiàn)象的必要硬件設(shè)施。地震臺站觀測方式主要包括：地表擺墩觀測、地下室擺墩觀測、山洞擺墩觀測及井下鉆孔觀測。由于特殊地質(zhì)環(huán)境條件，有的地區(qū)風化層或泥巖層較厚，采取深坑擺墩觀測也是可行的方式。作為傳播地震動信息的載體，擺墩的深度、硬度、甚至形狀對傳感器接收地震動信息都有一定的影響。如何準確評估因改變臺基觀測方式造成觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量變化，是值得深入研究的問題[1]。大量研究表明深坑擺墩臺站比地面臺基臺站地噪聲水平低，且深井觀測臺站數(shù)據(jù)信噪比要高得多。井下觀測隨著井深度的增加，地面干擾尤其是高頻人為干擾的影響會相應(yīng)減小。增加臺基的深度能夠有效降低各種環(huán)境噪聲中的地面高頻段擾動，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量[2]。本文從另一個角度，通過對比臺基位置相對升高的情況下，分析儀器記錄數(shù)據(jù)噪聲水平的變化，探討改變臺基觀測方式對臺站背景噪聲的影響。

1 地震計墩改造概況

重慶地區(qū)有3個深坑型測震觀測臺站，具體位置如圖1所示，臺基巖性均為砂巖，早期建設(shè)臺站擺墩位于數(shù)米深處，地震計日常維護十分不便，特別是雨季易出現(xiàn)滲水，極大影響到地震計正常運行。在國家預(yù)警工程項目實施期間，根據(jù) DB/T 60—2015《地震臺站建設(shè)規(guī)范：地震烈度速報與預(yù)警臺站》相關(guān)技術(shù)要求，對臺站進行了擺墩加高技術(shù)改造處理，將原擺墩清除、打毛、清洗后，一次性整體澆筑出地面。

3個臺站均使用短周期數(shù)字地震計觀測，改造后安裝地震計水平向未改變，垂直向位置相對抬升，其他觀測條件與改造前基本一致（表1）。其中：合川云門臺（臺站代碼 YUM）抬升3.5 m，忠縣善廣臺（臺站代碼 SHG）升高4.3 m，開縣臨江臺（臺站代碼 LIJ）抬升2.9 m。為評估改造后的3個臺站擺墩質(zhì)量，選擇墊江新民臺（臺站代碼 XIM）作為參考臺站，臺站安裝地面寬頻帶地震計，觀測環(huán)境較為穩(wěn)定，背景噪聲干擾小，與3個改造臺站的相對距離基本相當，且4個臺站數(shù)據(jù)采集器均為100 Hz 的采樣率，觀測房內(nèi)布局和相關(guān)設(shè)施條件基本相同。

2 觀測數(shù)據(jù)和處理方法

臺站環(huán)境噪聲是影響地震觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素之一。從重慶測震臺網(wǎng)獲取3個改造臺站和1個參考臺站的2019—2021年每月一天的地脈動噪聲數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)受干擾盡量小，選取每天夜間安靜時段2小時數(shù)據(jù)作為計算樣本，每個臺站每年共有24小時觀測數(shù)據(jù)。采用 McNamara 等[3]提出應(yīng)用概率密度函數(shù)（ PDF）方法進行地噪聲功率譜密度（ PSD）值計算。

該方法的主要思路是：將原始波形數(shù)據(jù)分為 n 個記錄段，采用與 Peterson 相同的方法[4]計算每個記錄段 PSD 值，使用1/8倍頻程的頻率間隔對每個記錄段 PSD 曲線進行平滑；然后，計算 PSD 值落在某一個頻點某一功率窗內(nèi)的記錄段數(shù)目，以該記錄段數(shù)目與總記錄段數(shù)目 n 的比值作為該頻點該功率窗的 PSD 概率密度函數(shù)的取值[5-6]。PDF 噪聲分析方法在計算過程中不必排除地震等突發(fā)事件，不需要挑選連續(xù)平靜記錄，而是將這些偶然事件統(tǒng)一進行處理，這些擾動將作為低概率事件存在于PDF中，不會影響對高概率水平的環(huán)境地震噪聲水平的評估。因此，PDF 結(jié)果能較好地估計臺站背景噪聲水平的變化特性。

2.1 噪聲功率譜密度（ PSD）計算[7-8]

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。為了減少對長周期功率譜估計的偏差，需對波形數(shù)據(jù)進行去均值、去長周期成份處理。為了減少有限長度數(shù)據(jù)序列進行快速傅里葉變換（FFT 變換）時造成的頻率滲漏，需將正弦—余弦窗函數(shù)應(yīng)用于記錄段數(shù)據(jù)序列，使數(shù)據(jù)段兩端平滑地衰減至零。需要注意的是，最后計算出來的 PSD 值需要補償應(yīng)用窗函數(shù)所造成的功率值的減小。

（2）速度功率譜密度值計算。采用 FFT 變換把原始數(shù)據(jù)變換為以頻率為自變量的函數(shù)Y（f），然后計算每個頻點的功率譜密度Pv （f）：

式中，N 為采樣點個數(shù)；Δt為采樣時間間隔。

（3）扣除儀器響應(yīng)。為了得到地動噪聲的物理量值，即速度值，需要對功率譜Pv （f）進行儀器響應(yīng)校正：

式中，H （f）為儀器的傳遞函數(shù)。

（4）加速度功率譜密度計算。為了與全球標準低噪聲模型（ NLNM）和全球標準高噪聲模型（ NHNM）進行比較，將公式（2）轉(zhuǎn)換為加速度功率譜密度PSDa：

（5）平滑處理。為了得到 PSD 值在頻率對數(shù)坐標中呈等間隔采樣，本文采用1/3倍頻程積分對每條記錄的功率譜密度做平滑處理：

式中，fl為低頻拐角頻率，fh為高頻拐角頻率，n 為介于二者之間頻率f 的個數(shù)，中心頻率fc 以1/9倍頻程為增加步長。

2.2 功率譜概率密度函數(shù)（ PDF）計算[9-10]

所有記錄段 PSD 值計算結(jié)束后，以1 dB 為間隔將?200—?50 dB 范圍的功率劃分成連續(xù)的功率窗，統(tǒng)計每個頻點的 PSD 值落在對應(yīng)功率窗內(nèi)的記錄段個數(shù)，然后根據(jù)概率密度函數(shù)公式計算該頻點處各個功率窗的概率：

式中，NPfc為在中心頻率fc處落在某一功率窗的記錄段個數(shù)，Nfc為總記錄段個數(shù)，PPSD （fc ）為fc 頻點處某一功率窗的概率。

3 噪聲計算結(jié)果分析

由于3個臺站擺墩改造時間不盡相同，其中 YUM 臺于2019年12月13日改造，恰好在年底，以 XIM 臺作為參考臺站，分別計算2個臺站2019年、2020年、2021年的功率譜概率密度函數(shù)，進行年度對比分析。LIJ 臺、SHG 臺則以改造時間為節(jié)點，分別計算改造前和改造后的功率譜概率密度函數(shù)，進行改造前后的對比分析。

3.1 不同年份噪聲對比分析

基于選取的原始噪聲數(shù)據(jù)，計算得到 XIM 臺和 YUM 臺垂直向加速度功率譜概率密度函數(shù)圖（圖2），在圖中繪制了 NHNM 與 NLNM 的加速度 PSD 值連線（青色實線）、最大（ MAX）與最?。?MIN）PSD 值連線（紅色虛線）、累計概率密度為10%與90%的 PSD 值連線（黃色實線）以及平均概率密度（ AVG）PSD 值連線（黑色實線），其中各頻點最大概率 PSD 值就是該臺各頻點地震噪聲 PSD 的估計值，右側(cè)色標表示的是 PSD 值在該頻段處出現(xiàn)的概率。本文數(shù)據(jù)均選取夜間干擾最少時段數(shù)據(jù)進行計算，平均概率密度（ AVG）PSD 值最能反映臺站的背景噪聲水平。因此，在后面的分析中我們提取 AVG 代表各臺站的平均噪聲水平[9]。

圖2a、2c、2e 為XIM 臺垂直分向功率譜概率密度函數(shù)分布圖。由圖可知，2019年、2020年、2021年觀測頻段內(nèi)各頻點噪聲出現(xiàn)概率大體一致，整體 PSD 值概率隨頻率變化形態(tài)較一致，未明顯增大或減小，說明該臺站環(huán)境噪聲水平較為穩(wěn)定。已有研究表明[11]高頻（5—40 Hz）和短周期（1 s—5 Hz）環(huán)境噪聲主要是由人類活動（交通、工業(yè)等）引起的，部分也可能是由自然界因素引起的。XIM 臺3年的高頻和短周期頻帶內(nèi)，環(huán)境噪聲 PSD 值概率分布較為一致，在1 Hz 頻段左右，3年均存在噪聲低值區(qū)，這與全球噪聲模型中噪聲隨頻率的變化形態(tài)較為一致；1—3 Hz 頻段內(nèi)，最大概率噪聲 PSD 值從?160 dB 增加到?140 dB 左右，也比較貼合噪聲模型變化形態(tài)；3 Hz 以上的高頻段，噪聲水平維持在?140—?150 dB 之間，但在20 Hz左右出現(xiàn)噪聲高值區(qū)，特別是2019年和2020年功率譜概率密度函數(shù)分布圖一致性較高，說明該臺站環(huán)境噪聲水平較穩(wěn)定。

YUM 臺作為擺墩改造臺站之一，在2019年底完成改造后，2020年、2021年功率譜密度概率密度函數(shù)分布圖，表現(xiàn)出與2019年不一樣的特征（圖2b、2d、2f），最大（ MAX）與最?。?MIN）PSD 值概率分布區(qū)間范圍更大，累計概率密度為10%與90%的 PSD 值分布區(qū)間范圍也明顯有所擴大。2 Hz 以下的頻段，3年噪聲 PSD 值概率密度分布較為一致，穩(wěn)定在?140 dB 左右；但在2—10 Hz 范圍內(nèi)，從緩慢上升、均勻分布，變?yōu)榍€上升、不均勻分布；10—20 Hz 頻段，由集中變得離散；20 Hz 以上頻段 PSD 值概率密度分布概率值明顯降低，說明臺基噪聲源成份有所改變。整體來看，該臺站2020年、2021年噪聲功率譜概率密度函數(shù)分布圖中 PSD 值大于?130 dB 的概率，相比2019年有明顯增加，說明地震計墩改造影響了該臺站背景噪聲水平。

3.2 各年份平均噪聲對比分析

為進一步說明地震計墩改造確實影響臺站噪聲水平。從 XIM 臺、YUM 臺各分向功率譜概率密度函數(shù)分布圖中，提取平均概率密度（ AVG）PSD 值，作為衡量改造前后臺站平均噪聲水平的均值（圖3）。從不同年份平均噪聲功率譜曲線可以看出，XIM 臺各分向3年的 PSD 曲線形態(tài)基本一致，特別是兩個水平分向基本重合，僅在低頻段部分頻點表現(xiàn)出年度差異。而垂直分向（UD）2019年 PSD 曲線更靠近地球高噪聲模型，表明2019年 UD 分向環(huán)境噪聲略大于2020年和2021年，可見該臺站環(huán)境噪聲水平是有所降低的。一般寬頻帶地震計能夠清晰記錄微震噪聲，即在1—10 s 和10—20 s 有2個峰值分別稱之為次級微震和主微震，其形成機制是海洋波與海底或海岸帶的非線性作用引起海底壓力脈動[12]，XIM 臺垂直分向微震噪聲形態(tài)較為一致，但2020年、2021年相比2019年微震噪聲水平有所降低，而高頻段（5—40 Hz）和短周期段（1 s—5 Hz）僅有1 dB 左右的小幅下降。

YUM 臺3個分向2020年和2021年 PSD 曲線高度一致（圖3b、3d、3f），但與2019年 PSD 曲線形態(tài)差異較大。其中 EW 向在4 Hz 以上頻段，噪聲水平明顯增加，最大增加幅度為9 dB，但2—3 Hz 頻點出現(xiàn)噪聲相對減小的異?，F(xiàn)象。NS 向3年噪聲 PSD 曲線變化不明顯，相比2019年，后兩年僅在20 Hz 以上頻段表現(xiàn)出噪聲略有增大的跡象，且最大增加幅度僅有2 dB，但同樣在2—3 Hz 頻點出現(xiàn)噪聲減小的異?，F(xiàn)象，可能原因是2020年后東西方向近場固定干擾源消失。相比2019年，UD 向噪聲變化也較明顯，后兩年 PSD 曲線在整個觀測頻段內(nèi)，都表現(xiàn)出噪聲增大現(xiàn)象，尤其在6 Hz 以上頻段更明顯，最大增加幅度為9 dB，這說明地震計墩改造引起 YUM 臺背景噪聲水平變大。

綜上可知，YUM 臺擺墩改造后 EW 向、UD 向平均噪聲 PSD 曲線在高頻段均出現(xiàn)噪聲增大現(xiàn)象，而未進行改造的 XIM 臺，水平向3年噪聲 PSD 曲線基本一致，UD 向2020年和2021年均略低于2019年。表明 YUM 臺擺墩改造后，地震計更容易記錄到臺站周圍環(huán)境中人為噪聲干擾。其中 NS 向變化不明顯的原因可能是該方向存在固定干擾源。

3.3 擺墩改造前后噪聲對比分析

在開展 LIJ 臺、SHG 臺站分析時，以改造日期為節(jié)點，分2個時段進行功率譜概率密度函數(shù)計算，對比改造前（Before）和改造后（After）的噪聲水平變化情況。

圖4為 LIJ 臺各分向擺墩改造前后功率譜概率密度函數(shù)分布圖。改造前3分向 PSD 概率分布特征及形態(tài)基本一致，2 Hz 以下頻段 PSD 概率分布集中，2 Hz 以上頻段較離散，累計概率密度為10%和90%的 PSD 值連線區(qū)間內(nèi)，動態(tài)范圍最大為30 dB；改造后該臺站各分向 PSD 概率分布形態(tài)也基本一致，但整個觀測頻段內(nèi)的表現(xiàn)相對收斂集中，2—5 Hz 頻段內(nèi)的 PSD 概率分布分叉現(xiàn)象均消失，動態(tài)范圍最大為24 dB。此外，改造后該臺站最大 PSD 值連線明顯向上移動，不同頻點 PSD 值概率分布表現(xiàn)出一定的差異性，特別是10 Hz 以上的高頻段，PSD 值大于?130 dB 以上的概率高于改造前。說明該臺站在擺墩改造后，噪聲干擾頻段和干擾大小均有明顯變化。

圖5為 SHG 臺各分向改造前后功率譜概率密度函數(shù)分布圖。改造前該臺站各分向 PSD 概率分布特征及形態(tài)差異較大，2 Hz 以下頻段各分向 PSD 概率分布均勻、平坦、收斂，10 Hz 以上頻段較雜亂，累計概率密度10%與90%的 PSD 值連線區(qū)間內(nèi)，動態(tài)范圍最大分別為：NS 向11 dB、EW 向12 dB、UD 向16 dB，且 EW 向和 UD 向存在明顯 PSD 概率分布低值區(qū)。改造后各分向與改造前 PSD 概率分布形態(tài)大體對應(yīng)，NS 向8Hz 左右高值區(qū)依然存在，EW 向4—6 Hz 起伏變化形態(tài)對應(yīng)較好，UD 向3 Hz 頻點高值基本一致，但各分向10 Hz 以上頻段 PSD 譜概率分布趨于集中。除 NS 向外，動態(tài)范圍相比之前均收窄2 dB。此外，改造后最大 PSD 值連線略有上移，說明改造后該臺站噪聲水平有所增大。

3.4 擺墩改造前后平均噪聲對比分析

為進一步定量分析擺墩改造后噪聲水平變化情況，從 LIJ 臺、SHG 臺功率譜概率密度函數(shù)結(jié)果中，提取平均概率密度（ AVG）PSD 值，作為衡量改造前后臺站平均噪聲水平，分別比較2個臺站改造前后 PSD 曲線形態(tài)特征，更能有效評估噪聲水平變化情況。

對比 LIJ 臺各分向改造前后平均噪聲功率譜曲線（圖6a、6c、6d）可見，改造后各分向 PSD 曲線明顯更靠近地球高噪聲曲線，說明擺墩改造后該臺站整體噪聲水平依然增大。EW 向從1 Hz 頻點左右開始改造后的噪聲水平均高于改造前，最大增加幅度達到10 dB，其中11—15 Hz 和20—25 Hz 兩個頻段變化最明顯；NS 向2 Hz 以上頻帶范圍內(nèi)改造前噪聲水平均高于改造后，最大增加4 dB，在20 Hz 頻點附近；UD 向在整個觀測頻帶范圍內(nèi)，都表現(xiàn)為改造后噪聲更大，但4 Hz 左右出現(xiàn)噪聲變化幅度收窄，之后逐步增大，8 Hz 以上頻段噪聲增大最為明顯，最大增加幅度為11 dB。

圖6b、6d、6f 為 SHG 臺改造前后3分向平均噪聲功率譜曲線，可見不同分向改造后噪聲變化不盡相同，其中 EW 向在觀測頻帶范圍內(nèi)，整體噪聲略有增加，最大噪聲變化頻點在14 Hz 左右，幅度為8 dB，但在20—23 Hz 幾個頻點，出現(xiàn)小幅下降的異?，F(xiàn)象；NS 向噪聲 PSD 曲線變化不明顯，多個頻點出現(xiàn)噪聲降低的情況，20 Hz 頻點附近變化最大，但增加幅度僅有4 dB；UD 向觀測頻帶范圍內(nèi)，改造后噪聲水平以增加為主，有部分頻點變化不明顯，幅度相比 EW 向較小，變化最大在14 Hz 和30 Hz 頻點附近，幅度為6 dB。

綜上可知，YUM 臺、LIJ 臺和 SHG 臺擺墩改造后，整體噪聲水平均有所增大，但各分向增加的幅度不同，不同頻點 PSD 值變化也有所不同。3個臺站改造后 PSD 概率分布仍然處于 NHNM 與 NLNM 之間的范圍內(nèi)，因此背景噪聲水平仍然符合規(guī)范要求。

4 結(jié)論

（1）參考臺站 XIM 臺和改造臺站 YUM 臺，2019年、2020年和2021年噪聲功率譜概率密度函數(shù)計算結(jié)果表明，YUM 臺擺墩改造后，2020年和2021年噪聲水平明顯高于2019年，說明該臺站背景噪聲受到臺基觀測形式改變的影響。

（2）3個臺站擺墩改造后，背景噪聲水平均出現(xiàn)增大現(xiàn)象，但噪聲變化的頻點和增加幅度不盡相同，且不同分向噪聲變化也不一致。LIJ 臺改造后各分向噪聲水平均有所增加，在20 Hz頻點處3分向增加幅度最大，其中 EW 向最大增加10 dB。YUM 臺改造后 NS 向噪聲變化不明顯，EW 向和 UD 向在6 Hz 以上頻段均表現(xiàn)為增加，最大幅度為9 dB。SHG 臺 NS 向噪聲主要頻點表現(xiàn)出小幅下降，EW 向和UD 向噪聲水平總體增大，最大增加幅度為6 dB。各臺站觀測環(huán)境有所不同，可能是造成噪聲變化有差異的原因：LIJ 臺正南向有一條高速公路，YUM 臺正南向約50 m 處同樣也有一條省級公路，存在長期固定干擾源，擺墩改造后，2個臺站 NS 向噪聲水平變化幅度均較小；SHG 臺位于景區(qū)內(nèi)，周圍人為活動干擾較少，擺墩改造后接收到的環(huán)境噪聲信號未明顯增加或減少，所以噪聲水平變化不明顯。

（3）LIJ 臺、YUM 臺、SHG 臺擺墩改造后，地震計更容易接收到周圍人為噪聲信號，但2020年和2021年 PSD 概率分布整體介于 NHNM 與 NLNM 之間，表明擺墩改造雖然造成部分頻點噪聲增大，但仍然滿足短周期數(shù)字地震計的觀測要求。

致謝

感謝福建省地震局巫立華老師提供噪聲分析軟件，感謝審稿老師提出的寶貴修改建議！

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