內(nèi)蒙古山洞臺站背景噪聲特征分析

安 全 趙艷紅 郭延杰 劉永梅

1 內(nèi)蒙古地震臺，呼和浩特市哲里木路80號，0100102 呼和浩特地震監(jiān)測中心站，呼和浩特市回民區(qū)，0100103 赤峰地震監(jiān)測中心站，內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市紅山路，024000

地球表面總是存在著微小振動，如風(fēng)、寒潮、海浪、交通運(yùn)輸、人類和動物活動等都會引起地表微微顫動，對地震觀測造成干擾，這些干擾通常被稱為地震噪聲或環(huán)境背景噪聲[1]。目前，國內(nèi)有很多關(guān)于地震臺站背景噪聲的相關(guān)研究[2-5]，但尚無僅針對山洞觀測的甚寬及以上頻帶觀測方式的連續(xù)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行背景噪聲特征的分析。本文選取內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)西部、中部、東部各一個山洞觀測的國家臺站1 a的連續(xù)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行PSD計算，分析背景噪聲特征，為臺站勘選、臺站山洞深度選擇、山洞觀測臺站儀器選擇及地震波形分析中干擾信息的識別等提供參考依據(jù)。

1 臺站基本信息

烏加河地震臺地處內(nèi)蒙古西部，位于陰山山脈下，色爾騰山山前斷裂帶東西橫跨該地區(qū)；錫林浩特地震臺地處內(nèi)蒙古中部，位于興蒙造山帶東南部；赤峰地震臺地處內(nèi)蒙古東部，位于華北克拉通北緣。本文利用這3個臺2019-12～2020-11連續(xù)波形觀測數(shù)據(jù)，分析臺站背景噪聲變化特征，臺站具體信息見表1。

表1 臺站信息

2 數(shù)據(jù)和處理方法

較經(jīng)典的定量分析臺站背景噪聲水平的方法是先計算背景噪聲PSD，再計算對應(yīng)的PDF。該方法在計算前不需要特意從連續(xù)波形數(shù)據(jù)中剔除塌陷、地震、爆破等突發(fā)事件，而是將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，把所有低概率地震事件包含在PDF中，因此PDF結(jié)果能較好地估計臺站背景噪聲水平的變化特性。

2.1 數(shù)據(jù)來源

目前，內(nèi)蒙古區(qū)域共有48個數(shù)字測震臺站，其中山洞觀測臺站20個，地面臺站26個，井下臺站2個。文獻(xiàn)[6]通過分析內(nèi)蒙古區(qū)域背景噪聲特征發(fā)現(xiàn)，山洞臺站基本不受溫度和濕度變化影響。為降低溫度和濕度變化對噪聲水平的影響，本文從20個山洞臺站中選取烏加河(西部)、錫林浩特(中部)、赤峰(東部)3個臺2019-12～2020-11連續(xù)波形觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時，將數(shù)據(jù)按季度分為冬季(2019-12～2020-02)、春季(2020-03～05)、夏季(2020-06～08)、秋季(2020-09～11)。3個臺站儀器響應(yīng)信息見表2。

表2 臺站儀器響應(yīng)信息

2.2 數(shù)據(jù)處理

首先將3個臺站的數(shù)據(jù)分為長度為1 h 的數(shù)據(jù)段，并以50%的疊加率分為42個記錄段，每個記錄段長度約為160 s；然后對每段數(shù)據(jù)進(jìn)行去均值和去長周期處理，并計算每段數(shù)據(jù)的加速度PSD值，取平均值后得到1 h數(shù)據(jù)段的加速度PSD值分布；最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理和PSD值PDF分布計算。

2.2.1 PSD的計算

周期時間序列y(t)的有限范圍傅里葉變換可表示為：

(1)

式中，Tr為時間序列段長度，f為頻率。

離散頻率值fk的傅里葉變換定義為：

(2)

式中，fk=k/(NΔt)，k=1，2，3，…，N-1，Δt為采樣間隔(0.01 s)，N=Tr/Δt為截取時間段的采樣點(diǎn)數(shù)。

PSD的定義為：

(3)

將速度PSD值轉(zhuǎn)換為加速度PSD值，即

Pɑ.k(f)=(2πf)2Pk(f)

(4)

扣除儀器傳遞函數(shù)影響以反映真實(shí)的地面運(yùn)動噪聲物理量值：

(5)

式中，PSDɑ(f)為真實(shí)地面運(yùn)動加速度功率譜。

2.2.2 平滑處理

為了使PSD在頻域?qū)?shù)坐標(biāo)中呈等間隔采樣，采用1/3倍頻積分作平滑處理：

(6)

式中，fι=2-1/6fc為低頻拐角頻率，fh=21/6fc為高頻拐角頻率，n為介于二者之間頻率f的個數(shù)。由式(6)得到中心頻率fc的PSDɑ(f)平均值PSDɑ(fc)作為fc的PSD值，中心頻率fc以1/9倍頻程為增加步長，即下一個中心頻率為21/9fc，重新計算相應(yīng)的fι和fh，然后將新的fι和fh之間的PSD的平均值作為下一個中心頻率fc的PSD取值。這樣在fc的取值范圍0.01～50 Hz內(nèi)，每個記錄段的PSD值隨頻率的變化情況可由在對數(shù)坐標(biāo)系呈等間隔采樣的中心頻率的PSD值來表示。

2.2.3 PDF的計算

每個中心頻率fc的PSD概率密度函數(shù)為：

PPSD(fc)=NPfc/Nfc

(7)

式中，Nfc為fc頻點(diǎn)的記錄段總數(shù)，NPfc為fc頻點(diǎn)的PSD值落在某PSD取值范圍內(nèi)的記錄段個數(shù)，本文中PSD窗長與步長都取1 dB，變化范圍為-200～-50 dB。然后，以頻率為橫坐標(biāo)、以PSD為縱坐標(biāo)、以PPSD(fc)為色塊繪制三維平面圖，得到功率譜概率密度函數(shù)(PDF)分布圖，不同色塊代表某頻點(diǎn)在一定PSD窗內(nèi)的功率譜概率數(shù)。

3 3個臺站背景噪聲特征分析

為便于分析不同頻帶背景噪聲的不同變化特征，將觀測數(shù)據(jù)加速度PSD分析頻段大致分為3段：高頻(≤2 s)、微震(2～20 s)、長周期(≥20 s)，其中微震又分為次級微震(2～10 s)和主微震(10～20 s)。

3.1 高頻噪聲晝夜變化特征分析

選取附近大型工廠相對較少的烏加河臺和錫林浩特臺2020-01的連續(xù)波形數(shù)據(jù)和烏加河臺疫情防控前后隨機(jī)24 h的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，計算NS向最高PDF值對應(yīng)的高頻段加速度PSD值隨時間的分布(圖1)。

由圖1(a)和1(b)可看出，烏加河臺和錫林浩特臺高頻段NS向PSD值晝夜變化規(guī)律基本一致，同一臺站夜間噪聲水平低于白天10 dB以上，PSD值的變化與人類作息規(guī)律一致性較高。錫林浩特臺高頻段整體PSD水平高于烏加河臺，這是由于錫林浩特臺離城鎮(zhèn)較近(表1)，人類活動頻次和強(qiáng)度比烏加河臺大。烏加河臺不同頻段同一時間噪聲水平接近，而錫林浩特臺不同頻段同一時間噪聲水平差異較大。這是因?yàn)殄a林浩特臺地處人口較密集、交通相對發(fā)達(dá)的錫林浩特市郊區(qū)，噪聲源多且復(fù)雜，而烏加河臺地處烏加河鎮(zhèn)，人口密度低，沒有大型工廠，噪聲源單一。2個臺站01-22后白天噪聲水平明顯低于其他時間段白天噪聲水平，其中錫林浩特臺在1～2 Hz頻段白天PSD水平從01-12開始明顯降低，這是因疫情防控人類活動減少及不同干擾源防控時間點(diǎn)不一導(dǎo)致的。由圖1(c)和1(d)可看出，烏加河臺疫情防控前白天PSD水平明顯高于夜間，疫情防控后晝夜PSD水平接近，且疫情防控期間白天PSD水平明顯低于疫情防控前白天PSD水平，進(jìn)一步證明疫情防控可降低臺站高頻段PSD水平。

圖1 烏加河和錫林浩特臺NS向高頻段加速度PSD隨時間變化Fig.1 High frequency accelerated PSD varies with time in north-south direction at Wujiahe and Xilinhot stations

3.2 次級微震噪聲月變特征分析

利用2019-12～2020-11觀測數(shù)據(jù)，按月計算加速度PSD和相應(yīng)PDF值，統(tǒng)計次級微震頻段最高PDF對應(yīng)的PSD平均值峰值，并繪制PSD峰值月分布圖(圖2，圖中每個點(diǎn)代表約30 d共720 h的PSD平均值次級微震頻段峰值)。

由圖2(a)～2(c)可看出，3個臺站次級微震頻段三分向PSD峰值月分布曲線形狀基本一致，且垂直向PSD峰值均大于水平向。說明次級微震頻段PSD峰值月變化規(guī)律隨區(qū)域變化不大，噪聲源來自自然環(huán)境，且對垂直向的影響大于水平向。冬季和夏季PSD峰值差異顯著，6、7月PSD峰值水平明顯低于其他時間段，12、1月則明顯高于其他時間段，與謝曉峰等[7]的結(jié)論一致。由圖2(d)可看出，3個臺站三分向平均PSD峰值水平有一定的差異，結(jié)合表1可知，隨著臺站離海岸線距離的增大，PSD峰值呈逐漸減小的趨勢，這與王芳等[8]的研究結(jié)論一致。

圖2 次級微震頻段PSD峰值月分布Fig.2 The monthly distribution of PSD peaks in secondary microseismic frequency bands

3.3 主微震和長周期頻段噪聲季變特征分析

將觀測數(shù)據(jù)分為冬、春、夏、秋4個部分，分別計算主微震和長周期頻段最高PDF對應(yīng)的PSD平均值，并繪制主微震和長周期頻段PSD平均值分布圖(圖3，圖中每條PSD曲線代表約90 d共2 160 h的波形數(shù)據(jù)PSD平均值)。

(a)～(d)分別為錫林浩特臺冬、春、夏、秋PSD分布；(e)～(h)分別為赤峰臺冬、春、夏、秋PSD分布；(i)～(l)分別烏加河臺冬、春、夏、秋PSD分布圖3 主微震和長周期頻段4季PSD分布Fig.3 The PSD distribution of main microseismic andlong-period frequency bands in four seasons

由圖3可看出，3個臺站主微震和長周期頻段4季PSD平均值有一定的差異，但在主微震頻段均有1個峰值頻段(10～20 s)，三分向噪聲水平一致性較高，同一臺站冬季峰值最高，春、夏、秋季峰值接近，不同臺站同一季峰值接近，說明主微震段噪聲源來自自然環(huán)境變化，且冬季強(qiáng)度最大。長周期段同一臺站噪聲水平隨四季變化不大，春、夏季噪聲水平略高于秋、冬季，這可能是由于春、夏季太陽對地面照射強(qiáng)于秋、冬季，對地傾斜影響相對較大導(dǎo)致，與劉旭宙等[9]的研究結(jié)論一致。長周期段水平向噪聲水平均大于垂直向，錫林浩特臺水平向和垂直向PSD差異最大，且差異隨季節(jié)有一定變化，而赤峰臺、烏加河臺水平向和垂直向差異隨季節(jié)基本保持不變，赤峰臺三分向PSD水平一致性好，不同臺站同一季節(jié)噪聲水平有一定差異。結(jié)合表1和2可知，這種長周期段噪聲水平高低和差異與山洞深淺沒有直接關(guān)系，主要因不同臺站不同型號儀器和同一型號儀器不同分向低頻自噪聲水平不同、水平向受地傾斜影響大于垂直向[1]及臺站地震計保溫效果不同等多種因素作用引起。圖3中所有PSD曲線低頻截止頻段均存在異常尖峰，這是由于在計算過程中截止頻率外數(shù)據(jù)沒有由式(5)扣除傳遞函數(shù)放大倍數(shù)引起的，對計算頻段內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)果沒有影響。

4 結(jié) 語

本文利用內(nèi)蒙古西部、中部、東部各一個臺站2019-12～2020-11連續(xù)波形數(shù)據(jù)，應(yīng)用PDF方法分別估計烏加河臺、錫林浩特臺、赤峰臺背景噪聲水平，得到如下結(jié)論：

1)高頻段背景噪聲晝夜變化特征顯著，區(qū)域性差異較大，疫情防控期間噪聲水平明顯低于其他時間，噪聲源主要來自人類活動。

2)次級微震頻段背景噪聲水平季節(jié)性變化特征顯著，冬季強(qiáng)、夏季弱；隨著臺站位置離海岸線距離的增大，PSD峰值呈逐漸減小趨勢，噪聲源來自海洋活動，且垂直向受到的影響大于水平向。

3)主微震頻段噪聲在10～20 s均存在峰值，且冬季峰值最強(qiáng)；不同臺站同一季節(jié)峰值頻段和峰值差異小，三分向噪聲水平一致性高。

4)長周期段噪聲水平四季變化不大，春、夏季略高于秋、冬季，這可能是由于春、夏季太陽對地面照射強(qiáng)于秋、冬季，對地傾斜影響相對較大導(dǎo)致的；水平向噪聲水平大于垂直向，這是因?yàn)樗较蚴艿貎A斜影響大于垂直向；不同山洞臺站噪聲水平高低和差異與山洞深度沒有直接關(guān)系，主要與不同型號儀器自噪聲水平不同、水平向受地傾斜影響大于垂直向及臺站地震計保溫效果不同等有關(guān)。