巴里坤測震臺背景噪聲分析

張劍鋒 張 錄 周康云 候塞因·賽麥提 木巴拉克·江布爾拜

1）中國新疆維吾爾自治區 841000 庫爾勒地震監測中心站

2）中國新疆維吾爾自治區 839000 哈密地震監測中心站

0 引言

臺基噪聲是數字化地震臺站建設的重要科學參數，可以反映臺基自身基礎條件，且與臺站周邊環境變化直接相關。工程建設、交通運輸、人為活動等均會引起地面的輕微顫動，干擾并影響地震觀測效果，限制地震臺站觀測能力的提高，即使高靈敏度觀測儀器也不能清晰記錄小于臺站背景噪聲的微小信號。因此，研究地震觀測臺站的背景噪聲及其隨頻率的分布，對于地震觀測具有重要意義（許可等，2015）。

前人對臺站背景噪聲研究多為省級測震臺網整體分析比對，如：何彥等（2006）介紹了新疆測震臺網數字地震臺儀器的配置，對新疆23 個數字地震臺站臺基噪聲進行分析計算；鄧明文等（2021）計算了若羌測震臺11 年的噪聲水平變化，得出該臺10 Hz 附近出現的高頻異常為米蘭河水庫運行固有干擾的結論。隨著社會經濟的發展，地震臺站周邊環境發生了較大改變，如巴里坤測震臺，自2018 年起，臺站周邊開始建設G7 與G575 高速公路，施工地點距巴里坤觀測點直線距離分別為2.0 km 和1.2 km，2021 年高速公路通車運行。當前臺基噪聲水平與臺站勘選階段存在明顯差異，利用Welch 算法，基于巴里坤測震臺2017—2021 年波形記錄，計算并分析該臺臺基噪聲水平變化，可為臺站人員了解本臺監測環境變化提供幫助，同時為新疆測震臺網積累地震臺站背景噪聲數據。

1 巴里坤測震臺概況

巴里坤測震臺位于新疆維吾爾自治區巴里坤縣大河鎮，海拔1 734 m，構造上處于西伯利亞板塊和準噶爾—哈薩克斯坦板塊結合部（圖1），臺基巖性為石炭紀花崗巖。巴里坤測震臺屬國家級地震臺，于2002 年建成并投入使用，承擔著整個東疆片區的地震監測任務。自正式觀測以來，先后架設573 短周期地震儀、FBS-3 型寬頻帶數字地震儀，2003 年9 月起采用CTS-1E 寬頻帶地震計（地震計各項性能參數見表1）進行觀測。該臺觀測山洞縱深18 m，洞頂覆蓋層厚11 m，洞內年均溫度8 ℃，年變化小于0.3 ℃，濕度約77%，洞體周圍無明顯干擾源。目前觀測站內配備測震儀器1 套、形變儀器1 套、輔助觀測儀器1 套。

圖1 巴里坤測震臺位置示意Fig.1 Location map of Barkol Seismic Station

表1 CTS-1E 地震計參數Table 1 Parameters of CTS-1E seismometer

2 計算原理

臺基背景噪聲測試不屬于地震儀參數測定范疇，但在實際工作中，臺基噪聲資料是勘選臺址、評估臺站觀測環境、評估臺站記錄質量的重要依據。臺基噪聲測試通常用臺站記錄的噪聲數據計算其自功率譜密度，并按特定帶寬計算噪聲（速度或加速度）有效值 RMS（萬永革，2012）。目前，地震噪聲處理方法已較為成熟，主要方法為用f(t)表示時間函數在頻率尺度上每單位的位移量，F(ω)表示地震數據信號，二者之間互為自相關函數，運用傅里葉直接變換法，有

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，計算公式為：

式中，P為加速度或速度功率譜密度，f0為分度倍程中心頻率，RBW 為相對帶寬。RBW計算公式為

式中，fi與fu分別為相對帶寬的下限頻率和上限頻率，其中n為二進制倍頻程分，m為十進制倍頻程分。臺站的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水平，有效動態范圍反映了記錄地震信號的最大能力（何彥等，2006）。計算公式為

式中，U為輸入電壓，K為數采實際工作增益值，S為地震計工作靈敏度，D為地震信號有限觀測動態范圍值。

本研究使用童汪練研發軟件（基于Welch 方法），利用巴里坤測震臺數字地震儀零極點和增益參數，計算臺基噪聲功率譜密度。

3 背景噪聲特征分析

本文主要選取了巴里坤測震臺2017—2021 年共5 年的波形數據，在24 h 文件中截取無震、無明顯干擾波形，共計約2 000 h 文件。同時為更準確計算巴里坤測震臺背景噪聲各項參數，本文選取數據為原始噪聲信號，長為3 600 s，觀測數據格式為*.dat 。通過計算地脈動噪聲功率譜、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。

3.1 背景噪聲年變特征分析

取巴里坤測震臺2017—2021 年每月1—20 Hz 垂直向臺基背景噪聲均方根值（RMS），以年尺度對比分析臺基噪聲年變趨勢特征，結果見圖2。由圖2 可見：2017—2018 年，巴里坤測震臺背景噪聲RMS 值處于較平穩狀態；2018 年起，受G7 與G575 高速公路施工中大型機械作業和人為干擾，該臺臺基背景噪聲RMS 值升高，2019 年10 月達最高值，數值為25.1×10-8m/s；2021 年，受高速公路通車交通工具的干擾，該臺整體噪聲均值高于2017 年，表明高速公路通車對巴里坤測震臺的干擾客觀存在，且呈逐年上升趨勢。同時可見，該臺背景噪聲RMS 值在每年5—10 月普遍高于其他月份，冬季噪聲水平最低，主要原因是，每年5—10 月氣溫變化明顯，山體的溫差變化劇烈，導致山體發生微弱傾斜，進一步影響了臺基背景噪聲水平（鄧明文等，2021）。

圖2 巴里坤臺背景噪聲年變趨勢Fig.2 Annual variation trend of background noise at Barkol Seismic Station

3.2 干擾分析

通過觀察巴里坤測震臺PSD 曲線及分析RMS 值可以發現，噪聲譜異常主要受以下因素影響：①氣壓變化造成的干擾；②高速公路通行后所對應的人為干擾。針對以上干擾，本文分別選取了同一天內氣壓變化劇烈的小時文件與氣壓正常的小時文件進行了分析對比，同時選取了2021 年高速公路車輛通行后，日間、與夜間RMS 差值與2017 年無車輛通行時段進行了分析研究。

3.2.1 氣壓變化對臺基背景噪聲的影響。巴里坤縣地處新疆東北部，屬大陸性干旱氣候，是典型的邊境高寒縣，晝夜氣溫變化劇烈，巴里坤測震臺觀測數據受氣壓干擾影響較大。為直觀分析氣壓所造成的功率譜變化，選取2017 年12 月8 日該臺記錄的波形數據，計算噪聲功率譜密度（PSD），繪制功率譜密度曲線，直觀分析氣壓干擾對觀測數據的影響，結果見圖3。圖3 中(a)圖為正常時段波形數據，(b)圖為受氣壓干擾影響較大時段的PSD 和波形數據，(c)圖為該日氣壓整點值數據，其中9—14 時為氣壓快速上升時段，后緩慢恢復，16—24 時為氣壓正常時段。由圖3(b)可知：氣壓變化對功率譜干擾明顯，左側圖中UD為垂直分向，NS、EW 為水平分向，垂直分向數據在0.001—0.002 Hz 頻段內，噪聲水平超過地球高噪聲模型，且遠高于水平分向；與(a)圖所示正常時段數據進行對比，水平分量噪聲值變化幅度較大，這是因為，在氣壓變化影響下，觀測洞室被覆山體發生變形，從而導致背景噪聲發生變化。因此，在日常運維工作中，需密切關注觀測室密閉性，盡可能減少人為活動造成的氣壓變化。

圖3 氣壓變化對2017 年12 月8 日巴里坤測震臺測震數據的影響(a)正常時段數據；(b)氣壓干擾變化；(c)氣壓變化Fig.3 Influence of air pressure changes on the seismic data of Barkol Seismic Station on December 8,2017

3.2.2 高速公路通行對臺基背景噪聲的影響。選取巴里坤測震臺2017年（高速公路通行前）、2021年（高速公路通行）波形數據，逐月計算垂直分量2—5時（夜間）及11—13時（日間）1—20 Hz 頻帶地動噪聲均方根（RMS）及其差值，對比分析高速公路施工前后的臺基噪聲變化，結果見表2、表3。

表2 2017 年垂直向環境地噪聲RMS（1—20 Hz）Table 2 RMS of ground motion noise of vertical environment in 2017 (1-20 Hz)單位：10-8 m/s

表3 2021 年垂直環境地噪聲RMS（1—20 Hz）Table 3 RMS of ground motion noise of vertical environment in 2021(1-20 Hz)單位：10-8 m/s

由表2、表3 可知：2017 年該臺地噪聲日夜差值不大，變化率較小，說明臺站周邊觀測環境干擾較小，整體數據質量較高；2021 年G7 高速公路通車，日間RMS 值明顯增大，且夏季高于冬季，日夜差值整體變化率增大，與周邊環境變化吻合，證明觀測環境的改變造成了臺站觀測數據質量下降。

據中國數字測震臺網臺址勘選標準（在1—20 Hz 內，地動噪聲RMS 值≤3.16×10-8m/s符合Ⅰ類臺站要求，3.16×10-8m/s≤RMS值≤1.0×10-7m/s符合Ⅱ類臺站要求），巴里坤測震臺臺基噪聲值在2017 年均屬于“Ⅰ類臺基噪聲水平”，而在2021 年5—10 月日間僅達到“Ⅱ類臺基噪聲水平”（表2，表3）。

2017 年與2021 年該臺日間與夜間地動噪聲功率譜密度曲線對比結果見圖4。由圖4可見，在1—20 Hz 范圍內，2017 年日間、夜間地動噪聲功率譜密度曲線平穩，且位于全球地震背景噪聲模型的新高噪聲模型（NHNM）和新低噪聲模型（NLNM）之間；2021 年高速公路通車，對該臺數據造成固有干擾，表現在：在車輛主要通行時段，即對應頻段2.5—10 Hz（人類活動主要頻段）附近出現小幅峰值，衰減較快。

圖4 巴里坤測震臺日間與夜間地動噪聲功率譜密度曲線(a)2017 年；(b)2021 年Fig.4 Power spectral density curves of daytime and nighttime ground motion noise at Barkol Seismic Station

對比發現，2017 年、2021 年巴里坤測震臺測震數據動態變化趨勢一致，但觀測數據質量有所下降。由于背景噪聲增大，臺站實際觀測范圍減小，造成有效記錄的地震數量逐年遞減。

3.3 地震波形記錄的功率譜特征

選取2019年10月27日新疆烏什縣M5.0地震、2022年1月8日青海門源縣M6.9地震、2019年8月4日日本東岸M6.2地震和2021年12月30日班達海M7.5地震，將4個地震事件，按震中距大小以a、b、c、d 進行編號，地震參數見表4，波形記錄及功率譜曲線見圖5。

表4 地震目錄Table 4 Earthquake catalog

由圖5 可見：①事件a 地震強度低，面波發育不顯著，PSD 曲線峰值約-90 dB，能量集中在1—20 Hz 頻段；②事件b 與事件a 震中距接近，但其能量明顯較強，由PSD 曲線可知，高頻異常持續至0.5 Hz，峰值達-70 dB，頻帶整體變寬；③事件c 發生在日本本州東岸，震中距大于事件a、b，對比可知，隨著震中距增大，高頻異常左移，頻帶整體變窄，在0.01 Hz 頻點處出現拐點；④事件d 為深源地震，震源深度達200 km，在0.01—5.0 Hz頻段，噪聲水平高于NHNM，拐點出現在-80 dB，與震中距相差不大的事件c 對比，體波衰減慢，在1—3 Hz 頻段，噪聲水平明顯較高。

圖5 地震記錄功譜率特征對比(a) 2019 年10 月27 日新疆烏什縣M 5.0 地震；(b) 2022 年1 月8 日青海門源縣M 6.9 地震；(c) 2019 年8 月4 日日本東岸M 6.2 地震；(d) 2021 年12 月30 日班達海M 7.5 地震Fig.5 Comparison of power spectral characteristics of seismic records

由4 個地震事件的整體對比結果可知，譜變化趨勢形態不同，但長周期頻段均高于NHNM，拐點普遍出現在-90— -70 dB 之間，且震中距、震源深度不同，對背景噪聲水平的影響也不同，相較震中距而言，震源深度對數據記錄的譜分析結果影響較大。

4 結論

通過計算巴里坤測震臺2017—2021 年波形數據臺基噪聲并繪制PSD 圖，可以得到以下結論：①巴里坤測震臺在2017 年臺基噪聲值屬于國家Ⅰ類臺基噪聲水平，2018 年在G7高速公路施工后噪聲水平整體呈趨勢上升狀態，且夏季高于冬季；②2021 年G7 高速公路車輛通行后，與2017 年日間、夜間噪聲值對比，發現車輛通行后噪聲值增大，說明高速公路車輛通行對巴里坤測震臺監測數據質量的影響是客觀存在的，而在頻率2.5 Hz 上下的觀測數據異常，應為高速公路交通所致固有干擾；③結合PSD 圖可以發現，巴里坤測震臺測震數據受氣壓影響顯著，其中垂直分向干擾明顯，因此在日常運維中，要盡量保證觀測站點溫度恒定，減小氣流擾動，保障低噪聲觀測環境，以減少外界因素對地震計記錄數據的影響。

人為干擾、環境變化、儀器工作參數設置的變動，均會對測震觀測數據質量產生影響。因此，背景噪聲計算可作為測震臺站日常工作的一部分，及時對結果進行比對分析，以便及時發現觀測環境變化，為提升測震觀測數據質量打下基礎。