寧陜地區臺網臺基背景噪聲分析

靳源 李君 張佩 柴旭超

摘 ?要：利用IRIS研發的Ispaq工具，選擇陜西、寧夏兩地臺網43個測震臺站48H無震穩定的連續波形記錄，計算出每個臺站的臺基背景噪聲功率譜，并繪制功率譜密度狀態曲線進行統計分析，結果表明：各臺網各臺站的臺基噪聲背景優勢頻率具有不同的特征，有明顯差異。在人為噪聲影響較大的1～20Hz頻段內，陜西榆林臺、延安臺，寧夏鹽池臺、牛首山臺、香山臺、鹽池臺受影響較大，低值區出現在陜西安康臺、商南臺、商州臺、寧夏銀川臺。

關鍵詞：寧夏;陜西;測震臺網;數字臺站;背景噪聲;功率譜密度

中圖分類號：P315.78 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）32-0001-07

Abstract： Using the Ispaq tool developed by IRIS， the 48H seismic stable continuous waveform records of 43 seismic stations in Shaanxi and Ningxia provinces are selected， the background noise power spectrum of each station is calculated， and the power spectral density state curve is drawn for statistical analysis. The results show that the dominant frequency of the background noise of each network has different characteristics and obvious differences. In the 1～20Hz frequency band which is greatly affected by man-made noise， Shaanxi's Yulin Station and Yan'an Station， and Ningxia's Yanchi Station， Niushou Mountain Station， Xiangshan Station and Yanchi Station are greatly affected， and the low value areas appear in Shaanxi's Ankang Station， Shangnan Station and Shangzhou Station， as well as Ningxia's Yinchuan Station.

Keywords： Ningxia; Shaanxi; seismograph network; digital station; background noise; power spectral density

引言

本文使用美國地震學聯合研究會（IRIS）研發的Mustang服務中的數據質量管理（Ispaq）軟件，對陜西省測震臺網29個數字地震臺、寧夏回族自治區14個數字地震臺從2018年8月至2019年8月一年的地動噪聲功率譜密度值進行了計算，并對比了不同臺站的功率密度譜，對其臺基背景噪聲特征進行了分析。

1 臺站現狀

陜西省臺網始建于1953年，在國家“十五”中國數字地震觀測網絡項目實施后，陜西地震建成了包括1個測震臺網中心、31個測震臺站和7個流動測震臺站等組成的數字臺網（圖1）。其中包含超寬頻帶、甚寬頻帶、頻帶、短周期等多種觀測儀器，數據傳輸采用SDH等方式[1]。

寧夏數字地震臺網包含14個常規臺站和1個臺網中心。14個臺站分別是石嘴山、銀川、陶樂、靈武、牛首山、鹽池、同心、中衛、香山、海原、固原、西吉、徑源和炭山。其中銀川、鹽池和固原屬于國家基本臺， 它們既是寧夏地震臺網子臺之一， 也是中國地震局地震臺網子臺。14個臺站分布在寧夏的銀川、銀北、銀南、固原等地區，臺網最大孔徑450km、有7個為有人值守臺站。各臺站與銀川地震臺網中心的數據傳輸主要采用擴頻微波、SDH光纜和衛星通訊等方式。臺站所使用的主要儀器設備是甚寬帶和寬帶地震儀[2]。

2 方法原理

量化臺站臺基背景噪聲的標準方法是計算噪聲功率譜密度（PSD）。計算平穩且隨機的地震數據的PSD最常用的方法有很多種，包括直接傅里葉變換方法[3]、Welch方法[4]、Cooley-Tukey方法[5]等等。在本次研究中所采用的方法是直接法，即通過對原始數據的有限范圍快速傅里葉變換（FFT）來計算PSD，具有較高的計算效率。

方便我們直觀的與地球低噪聲模型進行對比。

3 資料處理

為了對寧陜地區的臺基背景噪聲特征進行分析，使用美國地震學研究聯合會（IRIS）研發的Mustang服務中的數據質量管理（Ispaq）的軟件。

MUSTANG是IRIS開發的一種數據質量綜合保護系統，由于該系統是為IRIS DMC操作而打造的，所以具有不可移植性。但是，MUSTANG系統的核心組件，即一套完整的數據評價指標計算器是開源的。因此，雖然MUSTANG系統本身的計算結果是存儲在數據庫，通過web服務提供給用戶，但Ispaq軟件的出現則恰恰是為了用戶可以在本地工作站中計算這些數據指標。

Ispaq是一個基于Python的客戶端，它允許地震數據研究者在本地工作站上使用與IRIS MUSTANG數據質量Web服務中的許多相同代碼來對數據質量進行計算。Ispaq提供了FDSN Web服務的選項，可直接從支持FDSN協議的數據中心檢索地震數據。另外也支持讀取用戶本地的miniseed格式的波形數據。這樣的好處就是無論是FDSN數據中心的數據，還是用戶自己的數據存儲，用戶都可以根據自己選擇的數據生成即時度量。

在本次研究中，對共45個數字地震臺臺基噪聲加速度功率譜密度值進行了計算，單位為分貝（dB），為了保證盡可能真實地反映每個臺站臺基噪聲的情況，在選取資料時，選取了每個臺站48H內無地震且干擾不嚴重的波形，通過Ispaq軟件的計算，最終計算出43個數字地震臺的功率譜值，并繪制出每個臺站的臺基噪聲功率譜密度曲線狀態圖。

4 噪聲功率譜分析

對所選資料進行處理計算后，得出陜西、寧夏數字測震臺網各子臺的功率譜，下面將兩地測震臺網各子臺臺基噪聲功率譜密度曲線形態分以下幾種情況分析。

4.1 無異常的臺站

從安康臺、漢中臺、藍田臺以及華陰臺等幾個臺站的臺基背景噪聲功率譜密度曲線圖上能夠明顯的看出，這幾個臺的功率譜密度曲線在20Hz～20s這個頻段內非常的貼近地球低噪聲模型（NLNM），因此為無異常的臺基背景噪聲功率譜形態（圖2）。

4.2 異常臺站

4.2.1 臺基噪聲大致正常，低頻段噪聲偏高的臺站

從寧夏的西吉臺、銀川臺以及陜西的漢中國家臺、華縣臺的臺基背景噪聲功率譜密度曲線圖上可以看出，這4個臺的臺基背景噪聲功率譜曲線形態呈現的是一個大致正常的狀態，但是在低頻段噪聲較正常的狀態更加的偏離低地球噪聲模型（NLNM）（圖3）。

4.2.2 臺基噪聲大致正常，高頻段噪聲偏高的臺站

固原臺、鹽池臺、牛首山臺、乾陵臺、銅川臺以及臨潼臺6個臺的臺基背景噪聲功率譜密度曲線圖上可以看到，臺站的臺基背景噪聲功率譜密度曲線形態大致正常，但在20Hz～1s這個高頻段區間噪聲明顯，貼近高地球背景噪聲模型（NHNM）（圖4）。

4.2.3 低頻段噪聲高過高地球背景噪聲模型的臺站

從寧夏的石嘴山臺、涇源臺、同心臺，陜西的略陽臺的臺基背景噪聲功率譜密度曲線形態上可以看出，這幾個臺的低頻段噪聲明顯異常，高于高地球背景噪聲模型（NHNM），據推斷出現該情況有可能是在臺站附近有固定的噪聲源干擾儀器，但也不排除是臺站所處的構造環境或者是固定場環境造成的（圖5）。

通過對兩個地區的測震臺網各臺基噪聲分析比較（圖6），發現各臺網各臺站的臺基噪聲背景優勢頻率具有不同的特征，其中陜西省臺網中，臺基背景噪聲無異常的臺站占全部臺站的52%，低頻段噪聲高過高地球背景噪聲模型的臺站僅占4%，說明陜西省臺網的總體臺基背景噪聲水平表現的較為優秀（圖7）。

而寧夏回族自治區臺網的臺基背景噪聲水平表現相對較差，本次采用計算得出的臺基背景噪聲功率譜密度曲線形態中，并未有無異常的臺站，且低頻段噪聲高過高地球背景噪聲模型的臺站占45%（圖7）。

5 背景噪聲分析

寧陜地區是青藏高原向大陸內部發展的最前緣地區，北接阿拉善地塊，東接鄂爾多斯盆地。青藏高原長期受到印度板塊與歐亞板塊的擠壓碰撞作用，導致其從晚新生代開始擁有十分強烈的構造變形，逆沖斷層、走滑斷層等遍布整個東北緣地區。

陜西省處于青藏高原東北緣的東部，鄂爾多斯盆地的西南部，與寧夏、甘肅相鄰，地勢南北高，中間低，北部與南部分別為與黃土高原區及秦巴山區，海拔較高。中部為關中平原地區。陜西臺網的數字臺站主要分布在中南部，其中南部秦巴山區因遠離關中平原，處于欠發達地區，受到環境噪聲影響較小。其中，安康臺、商南臺、商州臺最低可到-175dB;北部處于黃土高原地區，受礦產開采等人為原因影響，在1～20Hz頻段為人為噪聲的卓越周期呈現出較高的態勢，榆林臺、延安臺最高可到-110dB。中部地圖臺站主要分布在汾渭平原兩側，大部分臺站臺基背景噪聲無異常，部分臺站，如乾陵臺，可能受到乾陵景區影響;臨潼臺、銅川臺離相應的城區較近，人類活動對臺基背景噪聲的影響更為明顯，都在1～20Hz頻段表現得較差，高到-120dB，西安臺因為位于山洞中，因此即便離城市較近，但未表現出異常的臺基背景噪聲。

寧夏回族自治區總體來看處于相對穩定板塊向活動板塊過渡的大地構造區域，傳統上將寧夏劃分為華北板塊西南緣和秦嶺-祁連褶皺活動帶兩大構造單元（以牛首山-羅山-固原斷裂為界）。其中中部地區鹽池臺、牛首山臺、香山臺在1～20Hz頻段噪聲變得尤為明顯，鹽池臺因為靠近城鎮人口密集地區，最高可到-110dB，牛首山臺、香山臺也因為人為活動可到-120dB。另外西吉臺，銀川臺因為架設在山洞的原因，受到人為因素干擾較小，最低可達-170dB。

6 結論

本文通過對陜西及寧夏兩地數字測震臺網共43個測震臺站48H內無震且穩定的數據進行計算，計算了其臺基噪聲功率譜，并對其進行了統計分析，得到以下結論：

（1）陜西地區31個臺站分布較不均勻，呈現北少南多的情況，中南部地區臺站數量與質量滿足該地區的地震速報要求，但北部地區臺站分布較少且稀疏，可能對整個陜北地區的地震速報工作帶來一定的影響。

（2）寧夏臺網總體分布均勻，數量上基本可以滿足寧夏地區地震速報需求，但需要提高臺站儀器質量以獲得更高品質的觀測數據用于未來的地震觀測。

（3）兩個地區都有部分臺站低頻段噪聲干擾增強，高頻段干擾明顯的情況，功率譜曲線在高地頻段的差異明顯，還需進一步調查臺站臺基以及周邊干擾情況。

（4）應將臺站臺基噪聲分析作為日常工作，充分掌握臺站情況，時刻了解臺站噪聲水平，若臺站環境無異常，可及時判斷是否為儀器故障，進行維修。

（5）及時分析臺站臺基情況，為提高觀測數據質量提供充分的保護，如有需要，可以對略陽臺、涇源臺、石嘴山臺以及同心臺進行環境改造。

致謝：本研究使用了美國地震學研究聯合會（IRIS）研發的Mustang服務中的數據質量管理（Ispaq）的軟件，以及中國地震局第二監測中心數據備份中心的連續波形觀測數據，在此表示感謝

參考文獻：

[1]李少睿，羅治國.陜西測震臺網技術系統[J].地震地磁觀測與研究，2012，033（002）：105-110.

[2]李惠智.寧夏數字地震臺網地震速報質量評估與分析[J].地震地磁觀測與研究，2010，031（003）：102-106.

[3]By D. E. McNamara， R.I. Boaz. Seismic Noise Analysis System Using Power Spectral Density Probability Density Functions： A Stand-Alone Software Package[J]. u.s.geological survey， 2006.

[4]邢曉晴，朱根民.功率譜估計中窗函數的選擇與算法分析[J].計算機時代，2018，000（002）：1-4.

[5]Tukey C J W. An Algorithm for the Machine Calculation of Complex Fourier Series[J]. Mathematics of Computation， 1965， 19（90）：297-301.