流動地震觀測背景噪聲的臺基響應分析

【摘? 要】背景噪聲是影響流動地震觀測質量的重要因素之一。本文就不同流動臺基對于背景噪聲的響應進行分析，通過不同場地下背景噪聲的特點，分析了不同臺基對于噪聲的控制作用，進而以多種臺基與區域類型下，噪聲與流動地震臺站的運行情況進行比較，發現最優化的解決辦法，為地震觀測的準確與穩定提供參考。

【關鍵詞】流動地震臺站;噪聲;臺基處理

引言

在高分辨率深度結構成像方面，大規模流動地震臺陣已經成為其重要的發展方向，并且對著電子技術以及傳感器技術的成熟與實際應用，使得地震儀向著兼顧性能高與體積小的方向發展。通過臺基處理以及對于地震計的有效安裝可以改善設備對于噪聲的應對能力，進而提升流動臺陣對于觀測質量的有效控制。

1.主要噪聲來源與特征

1.1人為噪聲

公路、鐵路、工廠等形成的噪聲是人為噪聲的主要來源，一般集中于短周期頻段以及高頻頻段，由McNamara等提出的PDFs可以對于功率頻譜密度在一定長周期內的分布情況進行呈現，通過數據的整理，可以借助PDFs，對于噪聲的功率頻譜密度進行分析。高頻噪聲是人為噪聲中較為常見的一種，0.05s的高頻噪聲的分布范圍較寬，一般為-145dB到-120dB。并且人為的噪聲一般具有一定的分散性與流動性，通過來自不同方向的波的疊加，形成了相對復雜并且近似穩定的隨機性噪聲常，在以高頻面波的形式進行傳播的過程中，其傳播距離隨著深度遞減。

1.2微震噪聲

通過PDFs的分析可以看出，微震噪聲具有10s到20s以及3s到8s兩個峰值，傳統學術觀念中人為，微震噪聲一般來源于海底或者海岸線與海洋波之間的相互作用而引起的海底壓力擾動，因此，其來源于海洋活動較為劇烈的海岸線處。微震波一般包含Rayleigh面波、Love面波以及一定量的體波。微震噪聲在全球的地震觀測臺站中具有較為穩定的存在，會與海洋的季節活動產生規律性的變化。

1.3自然噪聲

自然噪聲一般是由于急流、風、溫度、地傾斜等引起的，會產生一定的長周期噪聲以及高頻噪聲，其中地傾斜會使重力產生耦合以致水平分量中，進而顯著的提升水平噪聲，對于垂直分量的影響較小，導致同一觀測臺在水平分量的長周期噪聲高于垂直分量，一般超出數值在20dB到30dB的范圍內。影響因素的多樣性，導致自然噪聲的功率譜密度一般較為分散，并且類似與人為噪聲，自然噪聲主要由面波組成，其距離隨著深度同步遞減。

2.不同臺基深度的降噪處理

2.1YDT與LGT子臺陣

為保證臺站的覆蓋以及布設密度的基本要求，需要將臺站架設在人員活動較為密集的點位，針對于較為復雜的人為噪聲區域，YDT以及LGT子臺陣可以形成對于不同臺基深度的觀測對比。例如：通過以0m、1.5m、2m為深度，進行不同臺基深度的YDT子臺陣對于噪聲的觀測對比，可以發現存在人為噪聲的功率譜密度高峰的時段與人類的基本作息類似，一般集中在短周期頻段以及高頻頻段，微震頻段則受到的干擾較小，每個臺站隨著深度的提升，其功率頻譜密度逐漸降低，并且2m深度的臺站比0m的臺站低，則說明臺基深度可以有效降低人為噪聲中的短周期頻段以及高頻頻段。此外，LGT臺站與YDT臺站類似，都隨著深度的加深而其噪聲的干擾減少。

2.2FST子臺陣

通過分別設置不同深度的FST子臺陣，其設計可以有擺墩臺基與沙子臺基兩種，通過比較可以發現：（1）在不同深度的擺墩設計的FST臺陣對于長周期頻段以及高頻頻段的功率譜密度均較高;（2）深度較深的FST臺陣在垂直分量上的長周期頻段以及高頻頻段低于較淺的，南北分量上則更低;（3）密封性較好的封閉空間同樣能夠達到良好的降噪效果，其與深坑的效果一致。因此，臺基深度的加深可以有效降低不同噪聲環境下，流動地震觀測臺站的高頻噪聲以及長周期噪聲，并且2m深臺基能使垂直分量和水平分量高頻頻段降低約5dB，長周期頻段降低約10dB，2m的深度為最經濟合理的選擇。

3.多種臺基類型的比較

為有效的降低長周期噪聲，需要傾斜等因素在其中的主導性，為此，要通過提升地震計與地面的耦合來提升臺基的穩定性。例如：沙子臺基的安裝方法是先在地表鋪設一層細沙，然后水平的放置石板于沙子上，再將地震計安裝在石板上，以此提升臺基維護的便捷性，提升臺基的移動能力。在沙子臺基與擺墩臺基在南北分量以及垂直分量的對比中，可以看到，在不同臺站上，垂直分量基本相同，南北分量上的長周期頻段，沙子臺基要比擺墩臺基高，LCT與FST的擺墩臺站與沙子臺站的對比中，其結果類似。此外，外界的因素，如大氣壓擾動等，會加深沙子臺基的不穩定性，進而造成石板的傾斜，進而導致在水平分量上長周期噪聲的產生。由于流動地震觀測的基本特點，導致地震臺基通常被架設與環境較為惡劣的區域，為維護的及時性與維護質量造成了一定的難度，因此，要依據環境進行臺基種類的選擇，以此在保證臺基對于噪聲有效控制的同時，提升臺基的穩定性與后期的維護性。由以上分析可知，在進行沙子臺基與擺墩臺基對于垂直分量的反應基本一致，但由于沙子臺基容易受到不穩定因素的干擾，造成沙子臺基對于水平分量上的長周期頻段一般要高于擺墩臺基5dB左右，因此，在實際的觀測時，推薦使用擺墩臺基。

4.不同區域的比較

我國幅員遼闊，地形復雜，尤其是我國的西部地區一般為山區與高原，在實際的流動地震觀測臺站的架設中，時長會遇到山地地形，通過在山區中不同位置進行對比試驗，可以發現不同位置中臺站對于噪聲的控制效果。例如：在國家地震龍祠臺周圍的LCT子臺陣，通過對于其區域內不同子臺陣的觀測，可以得出，微震頻段中的垂直與水平分量相差不大，并且由于當地區域中人員的活動較少，人為噪聲水平較低，但位于山腳下的子臺站向比于位于祠堂內部的子臺站，其各頻段的數值均較高，盡管山腳下的子臺站挖掘了2m的深坑，但由于人為噪聲的影響，其短周期頻段比其他臺站高出大約20dB，高頻頻段高出約10dB。因此，人為噪聲的影響依然存在。在不同位置的臺站中，各臺站的噪聲水平呈現具有一定規律的變化，對于垂直分量來說，其長周期頻段依次從山頂、山腰、山腳、山洞遞減，高頻頻段中以此為山頂、山腰、山洞，呈現遞減趨勢。不同位置的南北分量變化情況與垂直分量的變化情況基本相同。此外，造成長周期噪聲以及高頻噪聲的原因一般為山區內部風的影響。風會引起山區內的樹木搖擺，進而帶動地表形成輕微的晃動，并且這種晃動隨著地市的提升而增強，因此，在進行流動地震臺的選址時，要將風力的因素考慮進去。

結論：綜上所述，加大臺基深度以及優化臺基處理方式的措施，可以提升對于高頻人為噪聲以及長周期自然噪聲的應對能力，并且在長周期頻段，擺墩臺基的水平分量由于沙子臺基。在進行臺址的選定時，要依據實際情況對于臺站位置、內部溫度、空氣流動進行考量，以此選擇最優的臺站架設方案，降低噪聲干擾。

參考文獻

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作者簡介：黎勇（1988.10-），男，河北石家莊人，大專，，助理工程師，研究方向：工程類地震專業。