鶴崗地震臺臺基背景噪聲特征分析

姜 博，胡寶慧，常金龍，張 浩，教智浡

（鶴崗地震臺，黑龍江 鶴崗 154101）

0 引言

鶴崗地震臺創建于1972年5 月，臺基巖性為花崗巖，海拔高程188.3m。地處黑龍江省小興安嶺東北麓，位于郯廬斷裂北延（依蘭—伊通地塹） 西緣，位于依舒斷裂、青黑山斷裂和黑龍江斷裂的三角形區域構造單元內[3]。測震系統于1974年1 月正式觀測，屬于國家測震Ⅱ類臺站，2004年臺站測震觀測系統進行了數字化改造，先后投入觀測的設備有573（65） 型地震計、DD-1 （DK-1） 型地震計、FBS-3A 型地震計及CTS-1E 型地震計。2007年開始使用的地震監測設備為CTS-lE 型甚寬頻帶地震計及EDAS-24GN 數據采集器，地震計頻帶帶寬為50Hz-120s，觀測采樣率為100Hz，至今已保存了大量的數字觀測記錄。

十多年來隨著臺站周邊城市化建設水平的提高，大量的工廠、道路、樓房在臺站周邊出現，觀測環境受到了很大的影響；自然環境的變化對觀測儀器也產生了較大影響，包括：儀器自噪聲、山洞植被、山洞濕度、降雨等，這些干擾因素都會被地震計記錄，增大臺站觀測的噪聲；背景地噪聲還會隨著季節、時間而不斷變化。

因此，本文研究目的在于臺站建設之初，除了在勘選階段進行了臺基地動噪聲水平測試以外，平時就沒有定期對臺站的背景噪聲進行測試，所以工作人員在完成臺站監測任務的同時，也要把測試臺站臺基的地動背景噪聲納入日常工作任務中，確保臺站測震觀測資料的質量，為科研提供可靠的分析數據。

1 分析原理

1.1 功率譜密度計算

為了更好的研究臺站的背景噪聲特征，研究人員計算出臺站的各項參數，原理如下：

臺站功率譜密度計算目的有兩個，一是對有限數據給出信號、隨機過程的頻率成分分布的描述；二是頻域內提取淹沒在噪聲中有用信息的分析方法[1]。

地震數據信號 Χ（t）的自相關函數為Rx（τ），Rx（τ）的Fourier 變換為：

則定義Sx（f）為Χ（t）的自功率譜密度或稱為自功率譜。

實測地脈動速度值計算公式為[2]：

式中，V 為實測地脈動速度值（m/s），N為實際記錄背景噪聲值（counts），U 為輸入峰值電壓（v），K 為數據采集器實際工作時的增益，S 為地震計工作靈敏度（v·s/m），R 為儀器分辨率 （counts）。

脈動噪聲的均方根：

RMS 值為脈動噪聲的均方根值，可以衡量臺基的背景噪聲水平，其中：

V 為實測地脈動速度值（m/s），Vi為某點實測地脈動速度值（m/s）。

1.2 動態范圍計算

臺站的地動觀測動態范圍，反映了觀測儀器本身的性能和臺基環境干擾背景的水平，有效動態范圍大小反映記錄地震信號的最大能力[4]。計算公式為：

式中，RMS 值為脈動噪聲的均方根值，U為輸入峰值電壓（單位V），K 為數據采集器實際工作時的增益，S 為地震計工作靈敏度（單位 v·s/m），為儀器的有效因子。

2 數據整理

本文重點對鶴崗臺的背景噪聲數據進行計算，通過計算結果進行對比分析，得出了臺站近十年的背景噪聲變化特征情況，首先選取了鶴崗臺2008、2009、2018、2019年四個時間段01 月 01 日 0 點與 01 月 01 日 12 點無地震無干擾的三分項數據，共計24 組數據，通過計算地脈動噪聲功率譜、觀測動態范圍、地動噪聲有效RMS 值等地脈動參數，可以發現臺站的背景噪聲特征變化規律，所以選取數據計算時要注意以下幾個方面，如表1 所示。

表1 各年01 月01 日0 點、12 點數據目錄

（1） 為了研究近十年鶴崗臺背景噪聲隨時間的變化，選取2008、2009、2018、2019年相同日期內的01 月01 日00 點與12 點且無地震及其他干擾的數據，對南北、東西、垂直三個分向的數據進行分析計算；

（2） 2008、2009年觀測系統包括：CTS-1E型地震計及 EDAS-24L6 型數采，觀測數據格式為 *.dat，2018、2019年觀測系統包括：CTS-1E 型地震計及 EDAS-24GN 型數采，觀測數據格式為*.seed；

（3） 為了更準確的計算出鶴崗臺背景噪聲的各項參數，本文選取的數據為無地震干擾數據且沒有進行濾波處理，保留了原始的背景噪聲信號，計算長度為3600s。

3 數據分析

3.1 地動背景噪聲

本文運用中國地震局童汪練老師研制開發的基于PWelch 方法的計算軟件，對每年的各組數據進行分析計算，可得到各年觀測數據的三分項地動噪聲RMS 值，通過對比各年數據的差值我們可以發現（表2）：

（1） 2008、2009年 0 點與 12 點相比各個分量背景噪聲值變化相對較小，RMS 值各分項差別不大，2008、2009年三分量的變化率較小，白天與夜間變化RMS 值變化較小，說明十年前臺站周邊觀測環境干擾較小，數據觀測質量很好；

（2） 2018、2019年 0 點與 12 點同期相比三分項的RMS 值差值較大，2018、2019年EW分量與UD、NS 分量的變化較大，白天較夜晚變化較大，因為觀測環境變化，受到干擾的因素較多，也與儀器本身的電子元件老化有關，所以導致臺站觀測質量下降；

（3） 2008vs2018年及 2009vs2019年三個分項RMS 值變化率變化較為明顯，EW 分量變化不明顯，但是其中UD、NS 分量變化率較大為130%左右，尤其NS 分量變化率已經達到270%左右，經與省局監測中心計算數據進行對比，與本文計算結果保持一致，因此臺站在經過十年的觀測后，工作人員應該需要注意臺站背景噪聲增大，數據觀測質量下降等問題，需要及時解決。

表2 各年地動噪聲平均RMS 值數據對比

運用計算程序對各組數據進行分析計算，生成了2008vs2018年及2009vs2019年兩組地動噪聲功率譜密度曲線圖（本文只展示了2009vs2019年的地動噪聲功率譜密度曲線圖），如圖1-2 所示，通過對2008vs2018年及2009vs 2019年兩組數據進行分析計算，結果發現臺站的地動背景噪聲變化特征如下：

（1） 在 10Hz～50Hz 頻段內，各年的地動噪聲功率譜密度曲線因為是在最大頻段內，所以繪制出來的曲線最粗，通過對比可以看到2018、2019年高頻曲線出現了毛刺較多，應該是由于山洞硐室內的觀測環境變化及觀測儀器的老化造成的；

（2） 在10Hz-1s 頻段內，各年的地脈動噪聲功率譜密度曲線在較高的頻段內，繪制的曲線也較粗，2019年的曲線在此頻段內出現的突跳峰值最大，所以該頻段受到干擾最為嚴重，尤其是2009年較2019年在4～9Hz 頻段內，噪聲功率譜密度曲線不斷出現毛刺及突跳，證明觀測系統在此頻段內受高頻干擾最嚴重，比如礦震、采石場爆破、過往車輛等高頻干擾；

（3） 在1Hz-10s 頻段內，各年的地脈動噪聲功率譜密度曲線較為平滑，其中2019年UD分量在9～10s 頻段內曲線不平滑，波動較大，應該是受到周邊觀測環境變化的干擾，比如：大風、降雨等低頻干擾，其余每年的各分量曲線大體走向基本一致，噪聲功率譜密度曲線變化不大，基本在此頻段內保持一致；

（4） 在10Hz-120s 頻段內，由于頻率較低，曲線繪制很清晰，地動噪聲水平較高，各年的噪聲在此頻段內差異較大，特別2009年vs 2019年差異較大，曲線明顯不同，由于地震計為甚寬頻帶型地震計，能很好的記錄低頻、長周期的地脈動及各種噪聲，所以主要影響觀測變化的主要是觀測環境的變化引起的，臺站周邊的干擾源隨著十年的發展不斷增多，導致觀測質量下降；

（5） 如圖 3，2008vs2018年及 2009vs2019年地動噪聲波形圖所示，可以看出功率譜密度均介于NLNM 和NHNM 之間，但是整體背景噪聲值偏低，2018、2019年比2008、2009年已經超出下限值。

圖1 2009年地動噪聲功率譜密度曲線Fig.1 Power spectrum density curve of geodynamic noise in 2009

圖2 2019年地動噪聲功率譜密度曲線Fig.2 Power spectrum density curve of geodynamic noise in 2019

圖3 各年地動噪聲波形圖Fig.3 Geodynamic noise waveform for each year

3.2 動態觀測范圍

通過程序計算可以得到臺站各年的觀測動態范圍數據，如圖4-5 所示，2008vs2018年及2009vs2019年兩組數據對比可以看出，隨著時間的推移臺站整體的觀測動態范圍在下降，變化特征如下：

（1） 在 1～5Hz 范圍內所對應的觀測動態范圍數據2009年與2019年相差較小，2008年與2018年的變化較大；

（2） 5Hz 對應的觀測動態范圍 2018年較2008年數據相差最大，最大變化量達到了30dB，在此頻段內主要是觀測環境的變化引起的；

（3） 在0.02Hz 處動態范圍一致性較好，各年所對應的動態范圍最大差值未超過5dB，說明在低頻段，受干擾不大；

（4） 在 10Hz、20Hz 處 2008 及 2018年觀測動態范圍相對下降平穩，2009 及2019年變化的相對較大；

（5） 2008、2009年相較于 2018、2019年的觀測動態范圍整體趨勢與地動噪聲功率譜密度曲線結果保持一致，臺站整體觀測質量都有所下降，由于背景噪聲增大，臺站的實際觀測范圍在減小，白天較夜晚的觀測范圍在減小，所以臺站能有效記錄的地震在逐年遞減。

圖4 2008、2018年觀測動態范圍對比圖Fig.4 Contrast map of observational dynamic range in 2008 and 2018

4 存在的問題

目前，鶴崗臺地震觀測設備的觀測動態范圍雖然還在觀測標準范圍內，符合國家臺網中心Ⅱ類觀測標準，但是臺站設備整體的動態觀測范圍能力下降較多。

通過 2018、2019年和2008、2009年的地動背景噪聲數據進行對比我們發現，臺站的背景噪聲增大，觀測動態范圍下降，這樣不僅反映了周圍觀測環境變化對臺站觀測造成的影響，也反映了儀器自身需要進行維修維護，盡量減小對臺站地震觀測的質量影響，所以對背景噪聲的分析需要引起工作人員足夠重視。

因此，我們要把分析背景噪聲水平作為臺站日常工作的一部分，可以每月或者半年計算一次，并對結果進行對比分析。當臺站背景噪聲水平發生明顯變化時，我們可以懷疑周圍觀測環境變化，也可以懷疑地震儀器出現故障，是很好的檢驗儀器觀測狀態的一種手段，可以及時提醒工作人員對設備進行維修維護。這樣我們可以積累更多的臺站背景噪聲及臺站觀測環境變化的資料，為提高臺站觀測質量提供參考數據，為推動保護臺站觀測環境起到積極作用。

圖5 2009、2019年動態范圍對比圖Fig.5 Contrast map of observational dynamic range in 2009 and 2019

5 結論與討論

本文通過對鶴崗臺背景噪聲的功率譜密度及觀測動態范圍的分析計算，并對計算的各項數據進行對比，可以了解到鶴崗臺背景噪聲的特征情況及對應的干擾情況，總結了以下幾點特征與大家共同討論：

（1） 2008、2009年及 2018、2019年三分項的地動噪聲功率譜密度曲線一致性較好，曲線形態基本相同，功率譜密度曲線均介于NLNM 和 NHNM 之間。但是 2018、2019年的功率譜密度曲線整體偏低，地動噪聲RMS 值增大，應該是觀測山洞受山體水系影響溫濕度變化較大，山體植被受季節性影響對觀測也有很大影響，如連續降雨會讓山洞觀測環境變得潮濕等，白天較夜晚RMS 值變化較大，說明臺站周邊干擾增大；

（2） 在 4～9Hz 頻段內，2018、2019年背景噪聲地動功率譜密度曲線突跳增加，毛刺較多，說明背景噪聲在此頻段內變化較大，在10～120s 低頻段內，各年背景噪聲變化差異不大，說明低頻干擾較??；

（3） 在 10～50Hz 高頻段內，2018、2019年受到干擾較為嚴重，因為臺站周邊的觀測環境隨著城市發展的變化，周邊新增的居民樓、工廠、采石場及道路施工維修等，對觀測影響很大，如爆破、施工車輛等高頻干擾；

（4） 隨著時間的推移，十年來臺站觀測動態范圍整體下降，臺站記錄到的地震也逐年下降，主要原因是由于環境干擾，背景噪聲增大，以及儀器自身各個電子原件老化所致，需要臺站工作人員給予足夠的重視，需要定期對地震觀測設備進行維修維護，以保證臺站的觀測質量。