汶川地震前后各臺站臺基地動噪聲變化分析

管 勇，孔 軍，唐 淋，馬付紅

(四川省地震局，四川 成都 610041)

汶川地震前后各臺站臺基地動噪聲變化分析

管 勇，孔 軍，唐 淋，馬付紅

(四川省地震局，四川 成都 610041)

利用“5·12”汶川地震前后三分向連續波形數據，對四川臺網51個測震臺站臺基噪聲功率譜進行計算，得到每個臺站速度功率譜密度曲線及地面運動的速度記錄的功率譜密度在1～20 Hz頻帶范圍的均方根值，對地震前后各臺地噪聲水平進行了對比分析，結果表明：(1)51個臺站的速度功率譜密度曲線均在高噪聲和低噪聲模型曲線間；(2)歷經“5·12”汶川地震及“4·20”蘆山地震后所有子臺均適應寬頻帶觀測要求，臺站觀測環境噪聲水平全部符合規范要求。

四川測震臺網；數字臺站；地噪聲水平；對比分析

四川地處南北地震活動帶中段，是一個多地震的大省，具有地震強度大、頻度高、分布廣、震源淺、災害重的特點。對于四川區域的地震監測結果表明，部分臺基地動噪聲水平的變化會影響波形數據的質量，會給震相識別以及科研工作帶來一定的困難。利用地動噪聲水平在很多區域已經取得了很多的研究結果，按照國家數字地震臺網臺站地脈動噪聲功率譜分析，得到臺站地動噪聲的變化情況[1]。山東省“十五”測震臺網子臺地動噪聲初步分析[2]，得到山東省各臺的背景噪聲地動速度均方根值、有效測量動態范圍和噪聲、信號功率譜。河北省數字地震臺網子臺地動噪聲分析[3]，研究了河北省區域地動噪聲的特性規律。玉樹地震前后河北省的噪聲變化研究[4]認為震前高頻噪聲升高與玉樹地震有關，屬于噪聲異常。這里利用“5·12”汶川地震前后在四川測震臺網收集到的子臺波形數據資料，采用地動噪聲測試方法對地動噪聲水平進行計算，分析其變化規律。對震前和震后資料進行對比，研究經歷了“5·12”汶川地震及“4·20”蘆山地震后這個區域的地質構造運動、斷層錯動、地表愈合以及觀測環境方面的變化，四川測震臺網子臺基噪聲水平是否發生了變化？要回答這個問題，很有必要對地震前后觀測記錄波形資料進行篩選，找出符合條件波形進行臺基地動噪聲水平全面系統計算，搞清楚最近幾年地震觀測臺站臺基地動噪聲變化統計規律，為臺基改造或搬遷做些基礎性研究工作，可針對性地對部分臺站進行環境改造或搬遷，為地震監測預報創造更好條件。

1 四川測震臺網概況和資料選取

為了減輕地震災害，四川省建成了最初一個由52個寬頻帶地震臺、1個數據處理中心組成的四川測震臺網，在“5·12”汶川地震恢復重建項目中，補建了8個測震臺，經改造完成后，四川測震臺網的臺站數量擴展為60個(參見圖1)，使四川省的地震監測能力、地震編目精度和大地震的速報能力得到提升。其中的53個區域臺全部采用60 s-40 Hz寬頻帶地震計(CMG-3ESPC、BBVS-60)和24位IP數據采集器(EDAS-24IP)，6個國家臺采用120 s～40 Hz甚寬頻帶地震計(CTS-1E、CMG-3TB)和1個國家臺采用360 s～40 Hz超寬頻帶地震計(JCZ-1)。各臺站觀測數據通過專用通信鏈路實時傳輸至四川省地震局，供進一步分析處理，并進行波形數據歸檔存儲。本文因研究地震前后地噪聲水平變化的對比分析，地震后補建的8個臺未在研究之中。瀘州臺因深井地震計故障，“5·12”汶川地震前運行不穩定，期間的資料沒辦法使用，故只對51個臺站進行地震前后地噪聲水平變化規律研究。

2008年5月12日14時28分(北京時間)，四川省汶川縣發生Ms8.0級強震(簡稱汶川地震)。大震發生后地構造運動，斷層的修復及地表的愈合對四川省境內固有測震臺站臺基觀測環境造成影響。為了實現“5·12”汶川地震前后臺基地動噪聲級別變化對比分析，考慮到經“十五”項目的建設，四川臺網于2007年6月建成試運行，同年12月通過驗收后正式運行。本文選取2007年6～12月和2008年1～5月10日前四川臺網記錄到波數據代表汶川地震前子臺環境地噪聲水平。同時，考慮到經歷“5·12”汶川和“4·20”蘆山兩次地震后，地殼板塊的構造、斷層修復、地表愈合等影響臺基變化因素，本文選取2010～2015年共6年四川臺網記錄到波數據代表“5·12”汶川地震后子臺環境地噪聲水平，這樣歷經兩次大震后采用6年平均值能夠較好地反映臺基噪聲真實水平。本文所述地噪聲水平是指地面運動的速度記錄的功率譜密度在1～20 Hz頻帶范圍的均方根值。

圖1 四川測震臺網固定臺站分布

為了達到對子臺進行地動噪聲分析和綜合評價的目的，在資料選取時，從每年歸檔波形數據每月挑選3天，白天最高噪聲記錄選取的時段為10:00～11:00時段，夜晚選取的最低噪聲記錄時段為00:00～01:00時段。每個子臺全年共72時段三分向(上下-東西-南北：UD-EW-NS)連續波形數據作為分析樣本。豐富的樣本數據對臺基噪聲功率譜密度進行測定是非常有利的，結果能夠較好地反映場地的地噪聲水平。若遇地震、標定、中斷和其它干擾另選其它時段計算正常地動噪聲。為保證數據完整性和記錄質量可靠性，挑選時主要參考了臺站記錄的連續率統計結果及人工波形記錄質量的檢查結果，并對其中存在明顯異常的觀測臺站數據進行剔除。

2 噪聲計算方法

2.1 計算公式

抽取白天1小時最高噪聲記錄、晚上1小時最低噪聲記錄，按照GB/T 10084-1988標準分別計算各小時的功率譜密度，根據GB/T 3241-1998的規定用1/3倍頻程濾波器在1～20 Hz范圍內按公式(1)由功率譜密度計算值，取2個小時的平均值。如原始觀測數據是速度記錄得到均方根，就是環境地噪聲水平(Enl)。如原始觀測數據是加速度記錄，直接計算加速度功率譜密度Pa，由Pa轉換為Pv，再由Pv計算Enl。均方根(RMS)的計算是通過功率譜密度P來計算的，計算方法：

(1)

式中：P—加速度或速度功率譜密度；f0—分度倍頻程中心頻率；RBW相對帶寬。

RBW=(fu-fl)/f0=(2n-1)/2n/2

(2)

式中，fu—分度倍頻程上限頻率；fl—分度倍頻程下限頻率。在實際噪聲數據分析過程中，把得到的連續波形文件進行分道，分道后的文件其擴展名由臺網臺站的“序號”(0、1、2)和“U”、“E”、“N”組成，選擇三分向來測定臺基噪聲功率譜密度。

2.2 環境地噪聲水平等級劃分

根據中國地震局制定的《地震測震臺站觀測環境技術要求》(GB/T 19531-2004)，規定臺基背景噪聲在1-20 Hz 頻帶范圍的速度均方根值作為評估標準。共分為5類臺基[5]，共五級：用Enl/(m/s)表示:Ⅰ級：Enl<3.16×10-8m/s；Ⅱ級：3.16×10-8m/s≤Enl<1.0×10-7m/s；Ⅲ級：1.0×10-7m/s≤Enl<3.16×10-7m/s；Ⅳ級：3.16×10-7m/s≤Enl<1.0×10-6m/s；Ⅴ級：1.0×10-6m/s≤Enl<3.16×10-6m/s。

3 結果分析

對所選的資料進行預處理后，計算得出四川臺網子臺的地動噪聲有效值和功率譜，給出三分向平均計算結果。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推廣的軟件計算程序(潼汪練研究員編寫單臺、多臺程序和薛斌研究員采用MatLab編寫程序相結合)。

圖2 石門坎(SMK)三分向(UD-EW-NS)PSD曲線

3.1 功率譜密度曲線

鑒于篇幅所限，本文以石門坎(SMK)三分向(UD-EW-NS)為例，計算1/3倍頻在1～20 Hz范圍內的功率譜密度曲線如圖2所示，圖中上下兩條短劃線是根據美國USGS的Peterson等人觀測研究的地球高噪聲新模型(NHNM)和地球低噪聲新模型(NLNM)繪出的曲線[6]，中間的曲線組為石門坎三分向的功率譜密度曲線。圖中橫坐標表示頻率，縱坐標代表速度功率譜密度。

3.2 平均RMS值

本文用1/3倍頻程濾波器在1～20 Hz范圍內，按公式計算均方根值，每個臺站計算全年白天和晚上共72小時均方根值，求其均值，各個臺站的臺基噪聲測試參數見表1，根據三分向的數據均值(UD-EW-NS)判斷臺基的類型。

表1 2007年、2010～2015年四川臺網三分向背景噪聲統計表

續表1

N臺站名代碼環境地噪聲水平/(m/s)(1-20Hz) 環境地噪聲水平等級(Enl)2007年2010年2011年2014年2015年32攀枝花PZH3．32E-08Ⅱ6．59E-08Ⅱ7．21E-08Ⅱ2．03E-07Ⅲ2．19E-07Ⅲ33青 川QCH4．91E-08Ⅱ1．26E-07Ⅲ9．87E-08Ⅱ6．02E-07Ⅳ8．18E-08Ⅱ34若爾蓋REG5．19E-08Ⅱ4．57E-08Ⅱ6．21E-08Ⅱ2．56E-07Ⅲ7．81E-08Ⅱ35壤 塘RTA1．01E-07Ⅲ3．62E-08Ⅱ4．48E-08Ⅱ8．77E-08Ⅱ4．05E-08Ⅱ36石 棉SMI6．97E-08Ⅱ2．36E-07Ⅲ6．62E-08Ⅱ2．46E-07Ⅲ1．10E-07Ⅲ37石門坎SMK4．97E-08Ⅱ5．10E-08Ⅱ4．54E-08Ⅱ6．72E-08Ⅱ1．16E-07Ⅲ38松 潘SPA2．78E-08Ⅰ5．12E-08Ⅱ4．93E-08Ⅱ2．83E-07Ⅲ5．98E-08Ⅱ39汶 川WCH1．43E-07Ⅲ1．25E-07Ⅲ1．08E-07Ⅲ1．42E-07Ⅲ1．04E-07Ⅲ40沐 川WMP7．25E-08Ⅱ2．59E-07Ⅲ1．96E-07Ⅲ5．98E-08Ⅱ3．89E-08Ⅱ41鄉 城XCE1．47E-08Ⅰ6．21E-08Ⅱ1．69E-08Ⅰ2．97E-08Ⅰ3．65E-08Ⅱ42西 充XCO5．58E-08Ⅱ1．26E-07Ⅲ1．72E-07Ⅲ1．83E-07Ⅲ8．60E-08Ⅱ43宣 漢XHA2．21E-07Ⅲ9．29E-08Ⅱ8．14E-08Ⅱ1．31E-07Ⅲ1．07E-07Ⅲ44小 金XJI6．14E-08Ⅱ9．88E-08Ⅱ9．29E-08Ⅱ8．70E-08Ⅱ7．29E-08Ⅱ45玄生壩XSB8．17E-08Ⅱ6．33E-08Ⅱ1．09E-07Ⅲ7．82E-08Ⅱ9．07E-08Ⅱ46仁 壽YGD1．30E-07Ⅲ2．15E-07Ⅲ1．65E-07Ⅲ8．96E-08Ⅱ5．51E-08Ⅱ47雅 江YJI2．67E-08Ⅰ2．67E-08Ⅰ2．40E-08Ⅰ4．92E-08Ⅱ3．45E-08Ⅱ48園藝場YYC1．96E-07Ⅲ1．29E-07Ⅲ1．35E-07Ⅲ6．59E-07Ⅳ1．36E-07Ⅲ49鹽 源YYU2．21E-08Ⅰ2．84E-08Ⅰ2．48E-08Ⅰ3．86E-08Ⅱ2．97E-08Ⅰ50都江堰YZP3．77E-08Ⅱ1．50E-07Ⅲ3．56E-08Ⅱ5．11E-08Ⅱ4．32E-08Ⅱ51江 油ZJG5．62E-08Ⅱ1．69E-07Ⅲ2．24E-07Ⅲ2．10E-07Ⅲ2．03E-07Ⅲ

注：因篇幅所限，2012年、2013年的噪聲有效值未列表中。

圖3 “5·12”汶川大震前后環境地噪聲水平等級變化趨勢對比

3.3 環境地噪聲水平分析

表2 “5·12”汶川大震前后環境地噪聲水平等級統計

按照《地震臺站觀測環境技術要求》(GB/T 19531.1-2004)規定臺基背景噪聲在1～20 Hz頻帶范圍內速度RMS值作為評估臺站臺基類型的標準，2007年(“5·12”地震前)全網51個臺站臺基噪聲水平在1.26E-08至5.03E-07 m/s范圍內，其中有5個臺站達到Ⅰ類臺基噪聲水平，31個臺站達到Ⅱ類臺基噪聲水平，13個臺站達到Ⅲ類臺基噪聲水平，2個臺站達到Ⅳ類臺基噪聲水平，全部符合B類地區臺站噪聲水平要求，臺站觀測環境全部符合規范要求。2010～2015年(“5·12”汶川地震后)全網51個臺站臺基全部符合B類地區臺站噪聲水平要求，臺站觀測環境全部符合規范要求。以2011為例全網51個臺站臺基噪聲水平在1.48E-08至8.40E-07 m/s范圍內，其中有6個臺站達到Ⅰ類臺基噪聲水平，27個臺站達到Ⅱ類臺基噪聲水平，15個臺站達到Ⅲ類臺基噪聲水平，3個臺站達到Ⅳ類臺基噪聲水平。根據表1對“5·12”汶川大震前后環境地噪聲水平等級分布進行統計參見表2，根據表2繪制“5·12”汶川大震前后環境地噪聲水平等級變化趨勢對比如圖3所示，從圖3可以看出，歷經“5·12”汶川地震及“4·20”蘆山地震后，虛線表示汶川地震前臺基環境地噪聲水平等級變化趨勢形態幾乎和汶川地震后2010～2015年一致。這說明，歷經“5·12”汶川地震和“4·20”蘆山地震后，地質構造運動、斷層錯動、地表愈合及觀測環境方面的變化等因素后，四川測震臺網各臺站臺基地噪聲水平變化不大，相對穩定。

圖4 四川臺網年度總環境地噪聲水平均方根變化曲線

3.4 地震前后臺基年度總環境地噪聲水平變化曲線

本文把2007年和2010～2015年51個子臺每月地噪聲水平均方根平均，繪制曲線(參見圖4)，虛線表示汶川大震前臺基環境地噪聲水平等級年度變化曲線,從圖4可以看出，歷經汶川地震及蘆山地震后，曲線形態和2010～2015年的幾乎一致。這說明，歷經2次大震后地質構造運動、斷層錯動、地表愈合以及觀測環境方面的變化等因素后，各子臺基噪聲水平等級變化不大，相對穩定。同時，從圖3也可以看到，大震后地質構造運動、斷層錯動、地表愈合，震后臺站維修加固和人類活動等因素的影響，臺基噪聲水平相比以前略有增大。

4 討論

利用功率譜密度曲線計算程序， 對四川測震臺網51個臺站歸檔數據進行計算， 得到每個臺站速度功率譜密度曲線及1/3倍頻在1～20 Hz范圍內平均均方根值，臺站觀測環境全部符合規范要求。根據地噪聲速度功率密度曲線圖得出51個臺站的速度功率譜密度曲線均在地球的高噪聲和低噪聲模型曲線間。研究表明,歷經汶川地震及蘆山地震后所有子臺均適應寬頻帶觀測要求，臺站觀測環境全部符合規范要求。大震后，地質構造運動、斷層錯動、地表愈合，震后臺站維修加固等因素的影響，臺基噪聲水平等級略有增大。在研究中發現由于當地的經濟發展、城市規模擴大以及交通建設等影響，部分臺址觀測條件受到影響，如冕寧臺(MNI)。

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AnalysisoftheChangesofStationBackgroundNoisebeforeandafterWenchuanEarthquake

GUAN Yong, KONG Jun， TANG Lin，MA Fuhong

(Sichuan Earthquake Agency，Sichuan Chengdu 610041， China)

We use the continuous waveform data of 51 observation stations of the Sichuan Network before and after the Wenchuan Earthquake to calculate the base noise power. And then we plot the velocity power spectral density curve for each seismic stations and ground motion velocity records spectral density curve in 1-20 Hz frequency range of the root mean square value. Our results show that: (1) the power spectral density curves of 51 stations are between the curve of high noise and low noise model of the earth. (2) After the Wenchuan Earthquake and the Lushan Earthquake 51 seismic stations are suitable for broadband observation and all environmental requirements are satisfied according to the specification.

Sichuan seismic network; digitalized observation station; ground noise level; comparative analysis

P315.4

:B

:1001-8115(2017)03-0005-05

2017-02-24；

：2017-07-27

中國地震局“三結合”課題(162302)和四川省地震局地震科技專項(LY1607)資助.

管勇(1972-)，男，四川省滎經縣人，工程師，四川省地震局監測中心測震臺網部工作，1994年畢業于防災技術高等專科學校應用地球物理專業，主要研究方向：地震定位。E-mail：1143200213@qq.com.

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.03.002