山西數字測震臺站觀測動態范圍和臺基背景噪聲分析

高偉亮，呂 睿，梁 艷，丁大業，鄭樹平

（1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025）

0 引言

山西測震臺網已運行7年，目前共有57個測震臺站。隨著山西經濟建設的飛速發展，礦山開采、大型工廠的建設、高速公路建設、鐵路建設等，都可能對地震觀測的場地環境造成影響。因此，有必要對全省測震臺站的臺基背景噪聲進行一次全面的分析研究，對存在的問題提出科學、合理的解決方案，為山西測震臺網的臺站優化工作提供一定的參考依據。

1 山西數字測震臺網簡介

山西數字測震臺網由3個國家數字測震臺、38個區域數字測震臺、16個市縣數字測震臺，共57個臺站組成。全部為基巖臺站，其中有44個臺站為地表觀測室，13個臺站為觀測山洞。儀器設備主要由港震公司EDAS－24IP數據采集器和EDAS－24GN數據采集器、BBVS－60／120寬頻帶地震計和英國 Guralp公 司CMG－DM24數據采集器、CMG－3ESPC寬頻帶地震計組成。

2 資料選取

“十五”山西數字測震臺網自2007年9月運行以來，運行穩定。通常臺基的干擾背景與時間有關，白天噪聲大，夜間較平靜。為達到對全省測震臺站進行綜合評價的目的，在資料選取時，白天和夜間分別選取樣品記錄。隨機選擇57個臺站2012年至2014年所記錄的寬頻帶噪聲數據，白天選取11時至13時，夜間23時至次日01時，并確保所選的數據是無震、無明顯干擾情況下的背景噪聲記錄，記錄長度足夠長（1小時）。

3 數據預處理

3.1 數據獲取

臺網的臺站記錄速度值采用SEED格式。通過MSDP模塊從臺網中心JOPENS系統的流服務器上讀取原始波形數據，本文以各個臺站單通道每小時的實時記錄波形為計算樣本，首先將1小時的波形數據進行分道并轉換為ASCⅡ碼格式文本。

3.2 去直流偏移

在臺站觀測記錄中會出現直流偏移，并不代表真實的地脈動，在時間運算過程中必須剔除。把整個記錄長度求和除以記錄的總數，即把記錄的平均值作為該記錄的直流偏離量，然后，逐點減掉直流偏離量作為校正過程第一步，用數學公式可以寫成：

式中：fi為每個采樣點的值；N為記錄長度中的采樣點個數［1］。

3.3 速度PSD值估算

估算地震噪聲PSD值最為常用的方法被稱為直接傅里葉變換法。該方法通過計算有限長度數據序列的FFT變換來計算PSD值。為了得到以頻率為自變量的FFT變換，y（t）的FFT變換可以表示為：

式中：f＝k／NΔt（k＝0，1，…，N－1）；N 為采樣點個數。文中的功率譜密度PSD表示為總功率譜密度的形式，即：

式中：f＝k／NΔt（k＝0，1，…，N／2），k的取值從0至N／2，僅包含Y（f）的正頻率成分［2］。

3.4 扣除儀器響應

為得到地動噪聲的物理量值，需對公式（3）計算的Pv（f）扣除儀器響應，即：

式中：H（f）為儀器的傳遞函數［1］。

4 臺網各子臺的噪聲觀測資料計算結果

4.1 臺站地動噪聲均方根值和有效測量動態范圍計算

數字地震儀記錄的數據是電壓數字值，實際計算中要先把數字轉換成地動速度，計算公式為：

式中：v為實測地脈動速度值；N為實際記錄背景噪聲的數字數；V0為模擬輸入峰值電壓；R為儀器分辨率（counts）；S1為地震計的工作靈敏度；Gm為數據采集器實際工作時的增益。

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，用該值衡量噪聲水平的優點在于對來自不同噪聲源的噪聲可按照一個相同的尺度進行比較。地動噪聲均方根值按下式進行計算：

式中：n為測量次數；vi為某一點實測地動速度值；ˉv為實測地動速度均值。

根據數字地震觀測技術規范要求，臺基的干擾水平在1～20Hz內，地動速度的噪聲水平應低于1×10－7m／s［2］。

4.2 環境地噪聲水平（Enl）計算

按照中國地震局測震臺站觀測環境技術要求（GB／T19531.1－2004）的規定，采用1／3倍頻程濾波器在1～20Hz頻帶范圍內用PSD計算RMS值，如果噪聲記錄是地面運動速度進入，則計算結果得到的就是環境地噪聲水平Enl。

由速度功率譜密度PSD計算RMS的公式為：

式中：fc為分度倍頻程中心頻率；RBW 為相對帶寬，計算公式為：

式中：fu為分度倍頻程上限頻率；fl為分度倍頻程下限頻率［3］。

臺站有效測量的動態范圍反映了儀器本身性能指標確定后，臺站環境干擾水平對記錄地震信號最大動態范圍的限制。由于臺站環境噪聲與地震信號的疊加，使得儀器達不到設計的動態范圍，只能達到有效測量的動態范圍。有效測量的動態范圍計算公式為：

式中：V0為模擬輸入峰值電壓；Gm為數據采集器實際工作時的增益；S1為地震計的工作靈敏度；RMS為地動噪聲的均方根值［2］。

4.3 環境地噪聲的劃分方法

根據中國大陸背景地噪聲區域劃分，山西省數字測震臺網臺站所屬的背景地噪聲區域為B類地區，安放寬頻帶數字地震計臺站的環境地噪聲水平應不大于Ⅱ級環境地噪聲水平，安放甚寬頻帶數字地震計臺站的環境地噪聲水平應不大于Ⅰ級環境地噪聲水平。按照中國地震局測震臺站觀測環境技術要求（GB／T19531.1－2004）規定，臺基背景噪聲在1～20Hz頻帶范圍的速度RMS值作為評估標準，RMS＜3.16×10－8m／s的臺站劃為Ⅰ類臺，3.16×10－8m／s≤RMS＜1.00×10－7m／s的臺站劃為Ⅱ類臺，1.00×10－7m／s≤RMS＜3.16×10－7m／s的臺站劃為Ⅲ類臺，3.16×10－7m／s≤RMS＜1.00×10－6m／s的臺站劃為Ⅳ類臺，1.00×10－6m／s≤RMS＜3.16×10－6m／s的臺站劃為Ⅴ類臺［3］。

4.4 山西測震臺網測震臺站環境地噪聲水平計算

對57個數字測震臺站進行地動噪聲功率譜密度計算，由于臺基情況比較復雜，在短周期頻段1～20Hz范圍內，地動噪聲水平較低；在10～1 000s頻段，地動噪聲水平較高。因此，把臺基按地噪聲高低分類，根據觀測頻段劃分比較合適，按全頻段劃分比較困難。計算得到57個臺站白天和夜間時段RMS、有效測量的動態范圍和地噪聲環境水平如表1所示。

表1 山西測震臺網各臺站RMS、有效測量動態范圍和環境地噪聲水平Table 1 The root－mean－square，the effective dynamic range and background noise level of each station in Shanxi seismic network

表1 （續）

表1 （續）

5 噪聲功率譜分析

5.1 速度PSD值估算

令時間函數f（t）表示地震記錄中的位移，對其進行傅里葉變換：

將其變換到頻率域中得F（ω），實函數｜F（w）｜2通常稱為功率譜或能量譜，更確切地叫功率譜密度或能量譜密度，即在頻率的尺度上每單位間隔的功率或能量。計算功率譜的方法通常有2種：快速傅里葉變換法（FFT）和相關變換法。一種是首先計算給定信號的快速傅里葉變換，然后取其絕對值的平方；另一種是首先計算自相關，然后計算其傅里葉變換。本文采用第一種方法，利用快速傅里葉變換法（FFT）計算功率譜。公式如下：

式中：N 的取值為2k，即2，4，8，16，…。

5.2 山西測震臺網各臺基噪聲功率譜密度曲線分析

對所選的資料進行計算處理后，得出山西數字測震臺網各子臺的地動噪聲有效值和功率譜。計算功率譜密度和地動噪聲有效值的程序采用中國地震局港震機電技術有限公司童汪練老師研制開發的軟件。下面將山西測震臺網各臺基噪聲功率譜密度曲線形態分幾種情況分析。

（1）臺基噪聲正常，一致性非常好的臺站。

從右玉、上皇莊臺臺基背景噪聲功率譜密度曲線形態上可以看出，垂直、東西和南北向的功率譜曲線從長周期到高頻段的一致性非常好，而且3條曲線在20s～20Hz頻段內非常貼近地球地噪聲模型（NLNM），屬于正常臺基的地動噪聲功率譜形態（見圖1）。

（2）臺基噪聲大致正常，低頻端噪聲峰有疑問，高頻端儀器噪聲明顯的臺站。

從長治、恒山臺臺基背景噪聲功率譜密度曲線形態上可以看出，垂直、東西和南北向的功率譜曲線從長周期到高頻段的一致性要差一些，而且3條曲線在低頻段內有一個噪聲峰，高頻段內噪聲毛刺多，初步判定為儀器噪聲（見圖2）。

（3）臺基噪聲大致正常，低頻段東西向和南北向噪聲偏高的臺站。

從安澤、永濟臺臺基背景噪聲功率譜密度曲線形態上可以看出，低頻段東西向和南北向噪聲偏高。分析認為，臺站附近可能存在長周期干擾源（見圖3）。

（4）臺基噪聲大致正常，低頻段垂直向噪聲偏高。

從婁煩、偏關臺臺基背景噪聲功率譜密度曲線形態上可以看出，2個臺大致屬于正常臺基噪聲功率譜形態，但低頻段垂直向噪聲比水平向偏高，而且垂直向噪聲遠離水平向噪聲功率譜曲線（見圖4）。

圖1 右玉、上皇莊臺臺基背景噪聲功率譜密度曲線Fig.1 Power spectral density of background noise at Youyu and Shanghuangzhuang Station

圖2 長治、恒山臺臺基背景噪聲功率譜密度曲線Fig.2 Power spectral density of background noise at Changzhi and Hengshan Station

圖3 安澤、永濟臺臺基背景噪聲功率譜密度曲線Fig.3 Power spectral density of background noise at Anze and Yongji Station

圖4 婁煩、偏關臺臺基背景噪聲功率譜密度曲線Fig.4 Power spectral density of background noise at Loufan and Pianguan Station

（5）選取靈丘臺為例，分析臺基背景噪聲功率譜密度曲線年變特征。

從靈丘臺臺基背景噪聲功率譜密度曲線可以看到，2012年3月6日山西信息安全服務工程升級改造安裝儀器后，5月的臺基背景噪聲功率譜曲線高頻段毛刺多，而且三分向一致性較差，表明儀器剛開始運行1個多月來不穩定，可以視為儀器噪聲，直至2013年11月曲線形態的一致性才得到改善。從2014年11月臺基背景噪聲功率譜曲線看到三分向的臺基噪聲功率譜曲線形態一致性非常好，說明儀器運行三年多來，趨于穩定（見圖5）。

圖5 靈丘臺2012—2014年臺基背景噪聲功率譜密度曲線變化圖Fig.5 Variation of power spectral density of background noise at Lingqiu Station from 2012to 2014

（6）以保德臺為例，分析當臺站環境遭到破壞時的年變特征。

從第23頁保德臺臺基背景噪聲功率譜密度曲線圖6看到，2012年5月，臺基噪聲功率譜密度曲線低頻段水平向接近于地球高噪聲模型（NHNM）范圍，到11月，低頻段水平向已遠遠超過地球高噪聲模型（NHNM）范圍，到2014年11月，低頻段三分向均遠遠超過地球高噪聲模型（NHNM）范圍，說明臺站周圍環境隨著時間的推移在逐步惡化。現場勘查發現，保德測震臺距黃河不到1 000m，雨季黃河水量變化時會有長周期變化的干擾；離臺站100m左右的地方打了一口抽水井，水泵工作時會有一定程度的高頻干擾；忻保高速公路距臺站不到2 000m，在施工過程中，臺站附近山梁的一些活動和大型機械打鉆開采煤層氣對臺站的觀測數據都有一些干擾。臺站的水平向與垂直向在低頻段的各項數據都相差甚大，一致性較差，分析認為是由于臺站氣流、氣壓、溫度等變化大的原因。臺站的臺基噪聲功率譜密度曲線三分向在高頻段毛刺多，而且接近于地球高噪聲模型（NHNM）范圍，認為與抽水井水泵工作和大型機械打鉆開采煤層氣有關。

圖6 保德臺2012—2014年臺基背景噪聲功率譜密度曲線變化圖Fig.6 Variation of power spectral density of background noise at Baode Station from 2012to 2014

（7）臺基噪聲不正常的臺站。

從襄垣、霍州臺臺基背景噪聲功率譜密度曲線圖7看出，2個臺的低頻端水平向噪聲高過地球高噪聲模型（NHNM）范圍，說明臺站附近可能存在固定干擾源，也可能跟臺站當地的地質構造或固定場地環境有關，在今后做進一步的研究。

圖7 襄垣、霍州臺臺基背景噪聲功率譜密度曲線Fig.7 Power spectral density of background noise at Xiangyuan and Huozhou Station

5.3 山西數字測震臺網噪聲功率譜密度分析

將山西數字測震臺網57個臺站垂直向的噪聲功率譜密度曲線繪制到一張圖上進行比較（見圖8），得出：

圖8 山西省數字測震臺網子臺地動噪聲譜曲線圖Fig.8 Ground pulsation noise spectrum of substations of Shanxi Digital Seismic Network

（1）長周期和高頻段噪聲功率譜曲線差異大。分析地噪聲源主要是傾斜、氣流、氣壓、溫度等因素，表現在噪聲模型20s以上。對于風擾問題，建議增強測震臺站密封性，減少測震臺站及周圍因大風而產生震動的因素。

（2）10～5s頻段的噪聲變化差異較小。

（3）20Hz以上頻段的噪聲功率譜呈線性上升趨勢的可視為儀器噪聲。

（4）低頻端噪聲高的原因主要有兩個，一是環境溫度變化大，二是儀器噪聲大。對于溫差、濕度大的問題，地表型測震臺站一般日溫差都較大，要增強測震臺站觀測室的密封性，未安裝擺罩的，盡快安裝。對于濕度較大的臺站，適時開門通風干燥；山洞臺站應在山洞內采取一定的干燥措施，所有臺站均應在擺罩內安放干燥劑。

6 結論與討論

通過對山西測震臺網各臺基背景噪聲數字化記錄進行計算和分析，得到臺基背景噪聲地動速度均方根值（RMS）、有效測量動態范圍、噪聲信號功率譜結果，表明：

（1）除婁煩臺、左權臺、臨汾臺、霍州臺、陽城臺外，其余臺基地動速度RMS值均達到區域數字測震臺網布設原則，即臺基在1～20Hz觀測頻帶內，干擾地動速度的平均水平（RMS值）應低于1.00×10－7m／s。

（2）白天人為等干擾比夜間較強，地脈動噪聲RMS值白天高于夜晚。

（3）13個山洞測震臺相對于地表基巖臺，噪聲RMS值相對小，受人為因素干擾小。

（4）山西測震臺網各臺基噪聲背景優勢頻率各有特征，既有低頻噪聲干擾，又有高頻噪聲干擾。

（5）從表1看出，大同、山自皂、右玉、鎮川、岢嵐、保德、太谷、侯馬、古交、陽泉、應縣、神池、壽陽、臨縣和中陽的相對噪聲差值都超過了100%，5Hz頻點觀測動態范圍也明顯變小。說明這些臺站白天噪聲相比晚上的差異太大，分析原因為人為活動干擾。

（6）把各個臺站的環境地噪聲水平分析作為日常工作的一部分。當臺站環境地噪聲水平發生明顯變化而周圍觀測環境無大的變化時，可能是儀器出現故障，要及時維修，可以作為檢測儀器狀態的一種手段。

（7）開展臺基分析工作，及時掌握臺站觀測環境的變化，為臺站的觀測環境保護提供充分依據，可以有針對性地對部分臺站進行環境改造。

由于各子臺所在地的經濟發展、城市規模擴大、礦山的開采、大型工程的建設以及高速公路、鐵路的建設等，使部分臺基觀測條件受到影響，建設高質量的測震臺站面臨著越來越大的阻礙和困難。為了減少噪聲的影響，建設山洞臺和深井臺成為未來建臺的趨勢。通過對山西數字測震臺網各種臺基類型的臺站噪聲和有效測量動態范圍、功率譜的計算與分析，可以對各臺基類型臺站和設備作出客觀的評價，對山西省地震局“十二五”期間新建臺站的各項指標設計（如臺基選擇、點位選擇、儀器選型等）提供理論依據，為山西省主動震源技術發展和應用提供背景資料。因此，對數字測震臺的臺基噪聲進行分析是一項有意義和重要的工作。

［1］徐嘉雋.福建測震臺網測震臺站環境地噪聲水平用［J］.地震地磁觀測與研究，2013，34（1）：101－105.

［2］裴曉，尹繼堯，楊庭春.上海遙測臺網各類型臺基背景噪聲分析［J］.地球物理學進展，2012，27（5）：1 897－1 903.

［3］中國地震局，云南省地震局.GB／T19531.1－2004 地震臺站觀測環境技術要求［S］.北京：中國標準出版社，2004.