摘要：在梳理分析成都地震監(jiān)測(cè)中心站超寬頻帶地震計(jì)JCZ-1T記錄的測(cè)震資料時(shí)發(fā)現(xiàn)，資料中存在低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)。 本文中利用水電站沖閘實(shí)驗(yàn)與低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)波形實(shí)時(shí)形態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，證明了低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)與臺(tái)站附近水電站沖閘作業(yè)存在直接關(guān)聯(lián)性，并且從實(shí)驗(yàn)中得到影響低頻長(zhǎng)周期波形形態(tài)變化的兩個(gè)重要因素分別為沖閘時(shí)間以及沖閘規(guī)模。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)實(shí)際反應(yīng)的是水電站沖閘時(shí)水位和水流量從發(fā)生急劇變化到逐步恢復(fù)平靜的“振蕩”過程。

關(guān)鍵詞： 超寬頻帶地震計(jì)； 低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)； 背景噪聲； 水電站沖閘

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2024.03.010

在實(shí)際觀測(cè)中，由于儀器故障產(chǎn)生的各種失真信號(hào)以及環(huán)境噪聲等干擾信息會(huì)導(dǎo)致地震數(shù)據(jù)質(zhì)量受到影響，進(jìn)而對(duì)于震相的分析與識(shí)別造成干擾，直接影響地震定位精度 ［1-2］。USGS發(fā)布了全球75個(gè)地震臺(tái)站的正常地球背景噪聲功率譜分析結(jié)果，繪制地球高噪聲模型（NHNM） 和地球低噪聲模型（NLNM），即Peterson模型［3-4］。許可等［5］ 通過功率譜計(jì)算及統(tǒng)計(jì)分析，得出天津地區(qū)的背景噪聲特征。楊千里等［6］通過對(duì)和田臺(tái)陣的噪聲樣本進(jìn)行功率譜分析，發(fā)現(xiàn)受采石場(chǎng)影響譜密度曲線在4～8 Hz會(huì)出現(xiàn)高頻的尖刺。鄧明文等［7］對(duì)比分析米蘭河水庫(kù)在施工以及建成后若羌測(cè)震臺(tái)臺(tái)基噪聲的變化，發(fā)現(xiàn)米蘭河水庫(kù)建設(shè)施工期間對(duì)臺(tái)基噪聲影響的頻段主要集中在高頻段 2～10 Hz，施工完成后水庫(kù)形成10 Hz的固有頻段峰值。劉洋君等［8］利用臺(tái)基位移噪聲分析灘坑水庫(kù)的地震監(jiān)測(cè)能力，獲得水庫(kù)周邊的地震監(jiān)測(cè)震級(jí)下限。尹亮等在研究中指出地震記錄中低頻波的產(chǎn)生和傳播與地應(yīng)力的變化與調(diào)整有關(guān)，蘊(yùn)涵著不均勻介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)、介質(zhì)力學(xué)參數(shù)量及其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的物理學(xué)信息，具有重要的研究和開發(fā)價(jià)值［9］。研究地震記錄中存在的長(zhǎng)周期信號(hào)主要困難是缺少對(duì)這類信號(hào)的系統(tǒng)觀測(cè)，缺乏更多觀測(cè)實(shí)例和觀測(cè)信息［10］。英國(guó)海洋學(xué)家Languet-Higgins在1950年提出了著名的海浪波動(dòng)非線性干涉理論［11］，用海浪駐波解釋海洋引起的地脈動(dòng)現(xiàn)象。胡小剛和郝曉光認(rèn)為部分臺(tái)站記錄到低頻地脈動(dòng)的主要原因也是海浪，并通過研究得到了沿海及內(nèi)陸地區(qū)低頻地脈動(dòng)信號(hào)的振幅變化與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和行動(dòng)路徑的關(guān)系［12］，尹亮等在后續(xù)研究沿海及內(nèi)陸地區(qū)低頻地脈動(dòng)信號(hào)的振幅及頻譜變化的過程中也得出相似的結(jié)論［13］。成都地震監(jiān)測(cè)中心站在對(duì)超寬頻帶地震計(jì)JCZ-1T記錄的測(cè)震資料進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，資料中除已證實(shí)存在的 2～4 Hz固有干擾［14］，還發(fā)現(xiàn)凌晨5時(shí)至6時(shí)的時(shí)間段內(nèi)水平分向所記錄的低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)。由于低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)只存在于固定時(shí)段內(nèi)，因此首先考慮人為因素的可能性，臺(tái)站附近固定時(shí)間作業(yè)單位便是重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。本研究將結(jié)合相關(guān)核實(shí)工作確定干擾源，并分析引發(fā)低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)形態(tài)變化的主要因素，探究低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)制原理。

1 低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)的特征分析

1.1 低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)在三分向的形態(tài)

依托超寬頻帶地震計(jì)JCZ-1T記錄的地震數(shù)據(jù)，對(duì)低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)進(jìn)行初步研究，發(fā)現(xiàn)水平分向受到的影響最為明顯（圖1a、1b），垂直分向上未發(fā)現(xiàn)明顯反應(yīng)（圖1c），或與垂直分向背景噪聲有關(guān)。將2021年3月9—15日每日凌晨1時(shí)至2時(shí)、3時(shí)至4時(shí)、5時(shí)至6時(shí)3個(gè)相對(duì)平靜時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算（表1）。結(jié)果顯示，NS向和EW向雖然存在一定差異，但屬于同一噪聲水平線。而UD向明顯大于NS向、EW向。對(duì)比3月13日凌晨1時(shí)波形的UD向、NS向和EW向背景噪聲曲線表明，UD向的背景噪聲在1～10 Hz頻段明顯大于EW向、NS向（圖2）。為了探究低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)是否在UD分向上存在反應(yīng)，對(duì)圖1（c）中波形的UD分向運(yùn)用最優(yōu)小波基選擇法結(jié)合低通濾波器進(jìn)行處理［15］。結(jié)果顯示，低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)在UD向的確存在反應(yīng)，只是由于被UD分向中的高頻干擾所掩蓋（圖1d）。UD分向的低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)雖然整體形態(tài)與EW分向相似（圖1b、1d），但幅值大小明顯不及EW分向和NS分向，且波形形態(tài)比較粗糙，因此不宜作為主要研究的分向。在后續(xù)研究中我們著重研究NS分向和EW分向。

1.2 低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)與儀器設(shè)備的相關(guān)性

2019年6月成都地震監(jiān)測(cè)中心站先后短期架設(shè)過3臺(tái)不同類型地震計(jì)，因此一段時(shí)間內(nèi)擺墩上共有4臺(tái)不同類型的地震計(jì)同時(shí)記錄數(shù)據(jù)，這也為本次研究提供了寶貴的研究資料。為了排查該波動(dòng)是否由儀器設(shè)備所引發(fā)，將成都地震監(jiān)測(cè)中心站2019年6月期間輔助觀測(cè)另外3臺(tái)地震計(jì)記錄的波形與JCZ-1T進(jìn)行對(duì)比。這3臺(tái)地震計(jì)分別是超寬頻帶地震計(jì)ITC-F360、甚寬頻帶地震計(jì)ITC-120以及甚寬頻帶地震計(jì)BBVS-120。其中ITC-F360地震計(jì)與JCZ-1T地震計(jì)測(cè)量帶寬同為360 s至50 Hz，ITC-120地震計(jì)與BBVS-120的測(cè)量帶寬同為120 s至50 Hz。地震計(jì)波形對(duì)比結(jié)果顯示，JCZ-1T與其他3臺(tái)地震計(jì)均在同一時(shí)間記錄到低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)（圖3），這也排除了儀器設(shè)備引起該低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)的可能性。由于只有JCZ-1T記錄到1 400 s附近的低頻波動(dòng)，且在后續(xù)觀察中再未發(fā)現(xiàn)類似情況，結(jié)合JCZ-1T在2019年6月10日至12日進(jìn)行過維修的事實(shí)，判斷是由于JCZ-1T維修后儀器自身偶然引發(fā)的。連續(xù)3天對(duì)05時(shí)至06時(shí)的波形研究發(fā)現(xiàn)，低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)每日的形態(tài)、觸發(fā)時(shí)間并不完全一致（圖4）。側(cè)面說明干擾源的觸發(fā)狀態(tài)并不恒定，推測(cè)干擾源或存在人工介入才會(huì)造成不同時(shí)間低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)形態(tài)、觸發(fā)時(shí)間有所差異。

2 低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)干擾源的確定

整理成都地震監(jiān)測(cè)中心站歷史數(shù)據(jù)資料發(fā)現(xiàn)記錄到的低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)時(shí)間可追溯到2002 年，距今長(zhǎng)達(dá) 20年，這也直接排除了附近短期性工程類施工建設(shè)的可能性。經(jīng)過多次實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，臺(tái)站附近有一個(gè)羅漢橋水電站，始建于1997年，2000年左右開始正式使用。內(nèi)部水閘3道閘門，總寬 8 m。經(jīng)與該水電站工作人員了解，每日凌晨5時(shí)至6時(shí)水電站會(huì)進(jìn)行“沖閘”，“沖閘”過程中3道閘門依次開啟及關(guān)閉，目的是通過快速流動(dòng)的河水帶走河道內(nèi)沉積的雜物，達(dá)到清理河道的效果。因此羅漢橋水電站“沖閘”作業(yè)在時(shí)間上與低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)產(chǎn)生時(shí)間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此確認(rèn)羅漢橋水電站作為低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)干擾源的研究目標(biāo)。為了確定并驗(yàn)證干擾源，經(jīng)與羅漢橋水電站負(fù)責(zé)人溝通，我們于2023年4月24日13時(shí)04—17分進(jìn)行了兩次“沖閘”實(shí)驗(yàn)，16時(shí)12分進(jìn)行了第3次“沖閘”實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)顯示，這3次實(shí)驗(yàn)均在波形上產(chǎn)生了低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)，且“沖閘”開始時(shí)間與波形上低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)起始時(shí)間形成了對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過對(duì)4月24日凌晨5—6時(shí)低頻長(zhǎng)周期波形以及4月24日13時(shí)連續(xù)兩次“沖閘”實(shí)驗(yàn)波形進(jìn)行時(shí)頻分析（圖5），結(jié)果顯示連續(xù)兩次“沖閘”實(shí)驗(yàn)波形與凌晨5時(shí)至6時(shí)低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)的低頻信號(hào)頻率范圍、低頻信號(hào)匯集形態(tài)、核心低頻信號(hào)匯集的頻率范圍及時(shí)間長(zhǎng)度均呈現(xiàn)高度一致。由此證明低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)的產(chǎn)生是由于羅漢橋水電站“沖閘”引發(fā)的。

3 低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)影響因素

3.1 水位和水流量的影響

首先需要探討水位和水流量影響波形形態(tài)的邏輯。當(dāng)3個(gè)閘門依次開啟時(shí)，由于水流量逐步加大，水位呈逐漸下降的趨勢(shì)。當(dāng)3個(gè)閘門完全開啟時(shí)，水流量最大，則水位下降速度最快。隨后3個(gè)閘門依次關(guān)閉時(shí)，水位下降速度逐漸減緩。當(dāng)3個(gè)閘門完全關(guān)閉時(shí)，水流量最小，水位應(yīng)為最低，隨后逐步上升直至恢復(fù)。若低頻長(zhǎng)周期波形形態(tài)受水位變化影響，則3個(gè)閘門完全關(guān)閉時(shí)應(yīng)達(dá)到波形的峰值或谷值；若低頻長(zhǎng)周期波形形態(tài)受水流量影響，則在3個(gè)閘門完全開啟時(shí)間應(yīng)達(dá)到波形的峰值或谷值。從3次實(shí)驗(yàn)的低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)形態(tài)來看，3個(gè)閘門完全關(guān)閉時(shí)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)以及完全開啟時(shí)間節(jié)點(diǎn)并不存在峰值或谷值，并且在3道閘門完全關(guān)閉后，波形形態(tài)依然在延續(xù)變化（圖6、7）。這表明低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)形態(tài)與水位或水流量并非單純的線性關(guān)系。

如表2所示，第1次至第3次實(shí)驗(yàn)過程中均開啟3道閘門，這3道閘門開啟時(shí)間依次增大，水位的下降量和水流量的也隨之增大。其中，第2次實(shí)驗(yàn)比第1次增幅較小，第3次實(shí)驗(yàn)則增幅最大。第2次和第1次實(shí)驗(yàn)的波形形態(tài)及幅值基本一致，第2次實(shí)驗(yàn)的波形僅周期稍大于第1次實(shí)驗(yàn)。第3次實(shí)驗(yàn)中波形周期和形態(tài)較前兩次實(shí)驗(yàn)發(fā)生了較大改變，其中波形周期明顯增大。說明水位和水流量對(duì)低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)形態(tài)影響具有復(fù)雜性，并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

3.2 閘門開啟數(shù)量的影響

為研究閘門開啟數(shù)量對(duì)低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)形態(tài)的影響，2023年4月26日進(jìn)行了第4次和第5次實(shí)驗(yàn)（表3）。第4次實(shí)驗(yàn)只開啟1道閘門，第5次實(shí)驗(yàn)只開啟2道閘門，保證閘門完全開啟的持續(xù)時(shí)間基本一致，其產(chǎn)生的低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)如圖8所示。僅開啟1道閘門時(shí)，低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)整體幅值、周期較小，存在1個(gè)波峰，波谷并不顯著。而開啟2道閘門時(shí)，低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)整體幅值、周期更大，出現(xiàn)2個(gè)顯著的波峰和1個(gè)波谷，但第2個(gè)波峰幅值相對(duì)衰減。而前3次實(shí)驗(yàn)均可以發(fā)現(xiàn)3個(gè)顯著波峰和2個(gè)波谷，其幅值同樣呈現(xiàn)逐步衰減的趨勢(shì)（圖8）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，閘門開啟數(shù)量能夠改變波形形態(tài)。

從激發(fā)的低頻信號(hào)強(qiáng)度來看（圖9、10），低頻信號(hào)強(qiáng)度與低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)的變化形態(tài)相關(guān)，低頻信號(hào)強(qiáng)度在前半個(gè)周期最為聚集，后半周期較弱，隨后在波形轉(zhuǎn)為平靜的過程中逐漸衰減。當(dāng)僅開啟1道閘門時(shí)，低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)整體幅值、周期較小，所激發(fā)的低頻信號(hào)強(qiáng)度最弱，衰減速度最快。開啟2道閘門時(shí)，前半周期的幅值以及激發(fā)的低頻信號(hào)強(qiáng)度相較開啟3道閘門時(shí)的前半周期基本一致，但后半周期的幅值及低頻信號(hào)強(qiáng)度則相對(duì)較弱，衰減速度也相對(duì)稍快。但開啟2道閘門時(shí)其實(shí)已能激發(fā)絕大部分的低頻信號(hào)強(qiáng)度，第3道閘門所貢獻(xiàn)的低頻信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)有限，由于開啟一道閘門所激發(fā)的低頻信號(hào)強(qiáng)度較弱，說明開啟第2道閘門所激發(fā)了的低頻信號(hào)強(qiáng)度占比最大。由于實(shí)驗(yàn)所采取的3道閘門開啟順序均為從左至右依次開啟，證明位于中間位置的閘門對(duì)于低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)的影響最大，兩邊的閘門影響次之。

4 結(jié)束語

本次研究首先通過“沖閘”實(shí)驗(yàn)確定低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)的產(chǎn)生原因，隨后分析水位、水流量以及閘門開啟數(shù)量的變化對(duì)波形形態(tài)的影響并以此作為低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)產(chǎn)生原理的判斷依據(jù)。根據(jù)這5次“沖閘”實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，可認(rèn)為“沖閘”時(shí)打破了原有的穩(wěn)定狀態(tài)，依次開啟和關(guān)閉3道閘門的過程造成水位和水流的劇烈“振蕩”，而當(dāng)閘門完全關(guān)閉時(shí)水位和水流依然處于“振蕩”狀態(tài)，但會(huì)隨著時(shí)間逐漸恢復(fù)平靜，水位和水流同樣也恢復(fù)到“沖閘”前的狀態(tài)?！罢袷帯钡臓顟B(tài)與“沖閘”時(shí)間及規(guī)模有關(guān)，當(dāng)“沖閘”持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，造成“振蕩”狀態(tài)持續(xù)時(shí)間也會(huì)增加，恢復(fù)平靜的時(shí)間也會(huì)隨著增加。當(dāng)“沖閘”縮小規(guī)模，少于3道閘門時(shí)，則造成的“振蕩”狀態(tài)的程度變?nèi)?，恢?fù)平靜的時(shí)間變短。沖閘過程中，位于中間位置的閘門對(duì)于低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)的影響最大，兩邊的閘門影響次之?！皼_閘”的時(shí)間越長(zhǎng)，“振蕩”的狀態(tài)持續(xù)越久，就越需要更多的時(shí)間進(jìn)行恢復(fù)，那么低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)的周期就越大，在這個(gè)過程中幅值也會(huì)變化。這也解釋了為何成都地震監(jiān)測(cè)中心站多年以來的測(cè)震數(shù)據(jù)中存在不同形態(tài)、周期、幅值的低頻長(zhǎng)周期波動(dòng)。

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PRELIMINARY RESEARCH OF LONG PERIOD FLUCTUATIONS

AT LOW FREQUENCIES BASED ON ULTRA-WIDEBAND

SEISMOMETER

HE Si-yuan， ZHANG Ying， LI Gui-yuan， LIANG Hui， LIAO Shao-huan，

LIN Jian， ZHAO Nai-qian

（Chengdu earthquake monitoring central station ，Sichuan Earthquake Agency， Chengdu 611730， Sichuan ，China）

Abstract： The seismic data recorded by ultra-wideband seismometer JCZ-1T of Chengdu Earthquake Monitoring Center Station were studied， and it was found that there were low-frequency and long-period fluctuation in the data. The comparative analysis between the sluice experiment of hydropower station and the real-time waveform in the period of low-frequency long-period fluctuation proves that there is a direct correlation between the long-period fluctuation and the flushing operation of Hydropower Station.， and it is obtained from the experiment that the two important factors affecting the shape change of low-frequency long-period waveform are the sluice time and the sluice scale respectively. According to the experimental results， it is considered that the low-frequency and long-period fluctuation reflects the “oscillation” process in which the water level and water flow rate change sharply and gradually return to calm during sluice.

Key words： Ultra wideband seismometer; Low frequency long period fluctuations; Background noise; Hydropower station flushing gate