人類活動(dòng)對(duì)烏加河地震臺(tái)背景噪聲的影響

段 昊 安 全 馮雪東

1）中國(guó)呼和浩特010010內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局

2）中國(guó)呼和浩特010010內(nèi)蒙古自治區(qū)地震臺(tái)

3）中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)015323烏加河中心地震站

0 引言

地震的發(fā)生和孕育機(jī)制復(fù)雜，加之大地震“非頻發(fā)性”的影響和人類對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與活動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)的不足，使得地震預(yù)測(cè)更加困難。由于同一地震事件在地球上同一點(diǎn)引起的地面運(yùn)動(dòng)是唯一的，使用不同地震觀測(cè)儀器，如地震儀和重力儀，均可能檢測(cè)到反映地震破裂及傳播這一物理過程的地震波（Peterson，1993；McNamara et al，2004；包文超等，2020；安全等，2021；段昊等，2022）。其中地震儀直接記錄地面運(yùn)動(dòng)的位移、速度或加速度，重力儀記錄地面運(yùn)動(dòng)的加速度，2套儀器的幅頻特性不同，二者在頻域上自然銜接和延拓，記錄信號(hào)頻帶相互重疊，可以覆蓋從地震波到固體潮的寬廣頻域。諸多研究表明，地震儀和重力儀可以同時(shí)記錄到臺(tái)風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣等因素引起的高頻波動(dòng)信號(hào)，且二者的觀測(cè)結(jié)果能夠相互佐證（王梅等，2015；胡瑋，2017；毛經(jīng)倫等，2018；熊峰等，2021；李盛等，2022）。基于地震儀和重力儀記錄方式的相似性和優(yōu)勢(shì)觀測(cè)頻段不同的特性，可利用2種數(shù)據(jù)記錄對(duì)比分析地震觀測(cè)背景噪聲對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響程度（張小艷等，2019）。

本文利用烏加河地震臺(tái)（下文簡(jiǎn)稱烏加河臺(tái)）置于同一觀測(cè)山洞的JCZ-1超寬頻數(shù)字地震儀和PET重力儀2022年5月（未實(shí)施疫情防控政策）和7月（實(shí)施疫情防控政策）記錄的地震波信號(hào)，運(yùn)用功率譜概率密度方法，對(duì)比分析疫情防控政策背景下臺(tái)站背景噪聲的變化，探究人類活動(dòng)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。

1 臺(tái)站概況

烏加河臺(tái)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特中旗烏加河鎮(zhèn)北，海拔1052 m，臺(tái)基巖性為花崗巖體。構(gòu)造位置地處狼山前EW向大斷裂帶和河套斷陷盆地北緣，陰山緯向構(gòu)造帶中西段與狼山弧型構(gòu)造帶的復(fù)合部位，臨河坳陷北端與陰山EW向構(gòu)造帶的接壤地段。上述區(qū)域內(nèi)發(fā)育多個(gè)斷裂帶，如色爾騰山山前斷裂（圖1）(胡瑋，2017）。

圖1 烏加河地震臺(tái)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Regional geological structure of Wujiahe Seismic Station

烏加河臺(tái)現(xiàn)有測(cè)震、重力、形變等觀測(cè)手段，且各測(cè)項(xiàng)置于同一觀測(cè)山洞內(nèi)，儀器布設(shè)見圖2。觀測(cè)山洞臺(tái)基條件較好，洞體進(jìn)深約130 m，洞室溫度日變化不超過0.02 ℃，年變化不超過0.5 ℃，觀測(cè)環(huán)境良好，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高（柴寧嬌等，2020）。

圖2 觀測(cè)儀器布設(shè)示意Fig.2 Sketch diagram of observation instrument

臺(tái)站配備JCZ-1超寬（360 s—50 Hz）帶地震計(jì)和EDAS-24GN6數(shù)據(jù)采集器（采樣率100 sps，動(dòng)態(tài)范圍大于140 dB）進(jìn)行測(cè)震觀測(cè)；配備PET型重力儀（美國(guó)Micro-g LaCoste Inc公司生產(chǎn)，全自動(dòng)型）進(jìn)行連續(xù)重力觀測(cè)。PET型重力儀可用于測(cè)量重力隨時(shí)間的變化，也可觀測(cè)周期從秒到若干年的地球物理、地球動(dòng)力學(xué)效應(yīng)所導(dǎo)致的微小重力場(chǎng)變化，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 重力儀信息Table 1 Gravimeter information

近年來，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，烏加河臺(tái)周邊人類活動(dòng)增加，交通條件得到改善，如2020年335國(guó)道修建。然而，道路開通對(duì)該臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量造成了一定影響。在此背景下，以烏加河臺(tái)測(cè)震與重力觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，定量分析該臺(tái)背景噪聲變化，探討人類活動(dòng)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。

2 數(shù)據(jù)處理

通過查閱2022年烏加河鎮(zhèn)疫情防控日志，選取未受疫情封控的2022年5月和受疫情封控的2022年7月烏加河臺(tái)地震計(jì)和重力儀原始波形記錄，通過對(duì)隨機(jī)穩(wěn)態(tài)的離散波形數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換（基于重力儀記錄特性，需去除固體潮對(duì)重力數(shù)據(jù)的影響），運(yùn)用功率譜概率密度函數(shù)方法，計(jì)算2套儀器記錄在5月和7月的功率譜密度值。

2.1 功率譜密度計(jì)算

據(jù)維納—辛欽定理，加速度功率譜密度（Power spectral density以下簡(jiǎn)稱PSD）計(jì)算公式如下

將臺(tái)站單分向連續(xù)記錄的地震波形數(shù)據(jù)分割為1 h長(zhǎng)度的時(shí)間序列，進(jìn)行去均值、去長(zhǎng)周期成分，將每小時(shí)時(shí)間序列分為13段，每段長(zhǎng)度3600/13≈276.92 s，設(shè)采樣率為100 Hz，即每段長(zhǎng)度為27692個(gè)采樣點(diǎn)，每段之間重疊50%，為了提高傅里葉變換的計(jì)算速度，每個(gè)數(shù)據(jù)分段取2的冪次方的點(diǎn)數(shù)，即每段長(zhǎng)度為215=32768個(gè)采樣點(diǎn)，1 h功率譜密度值由13段功率譜密度值平均所得。

選取2022年5月、7月測(cè)震、重力連續(xù)波形數(shù)據(jù)為地脈動(dòng)速度量，將速度PSD值轉(zhuǎn)換為加速度值，公式如下

式中，Pk為速度功率譜密度，Pα.k為加速度功率譜密度。

在儀器頻帶范圍內(nèi)，傳遞函數(shù)對(duì)噪聲功率譜影響不大，若超出頻帶范圍，受儀器自噪聲等因素影響，PSD曲線將明顯失真，需扣除儀器傳遞函數(shù)影響，以反映真實(shí)地噪聲物理量值。計(jì)算公式如下

式中，PSDα為真實(shí)地面運(yùn)動(dòng)加速度功率譜，H(s)為系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

2.2 平滑處理

在頻域?qū)?shù)坐標(biāo)中，采用1/3倍頻積分對(duì)PSD進(jìn)行平滑處理

式中，f1=2-1/6fc，為頻帶下限頻率；fh=1/6fc，為頻帶上限頻率；n為介于二者之間頻率f的個(gè)數(shù)。由式（4）得到中心頻率fc的PSDα(f)平均值PSDα(fc)，作為fc頻點(diǎn)處加速度PSD值，將中心頻率fc以1/9倍頻程增加步長(zhǎng)，即下一個(gè)中心頻率與當(dāng)前中心頻率的關(guān)系為=21/9fc，按新的中心頻率重新計(jì)算相應(yīng)的fl和fh，然后將新的fl和fh之間的PSD值平均值作為下一個(gè)中心頻率fc處的PSD取值。這樣，在fc的取值范圍0.02—40 Hz內(nèi)，每個(gè)記錄段的PSD值隨頻率的變化可由在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系呈等間隔采樣的中心頻率的PSD值來表示。

2.3 概率密度函數(shù)計(jì)算

每個(gè)中心頻率fc對(duì)應(yīng)的PSD概率密度函數(shù)為

臺(tái)站環(huán)境背景噪聲水平速度均方根值（RMS），根據(jù)Bormann（2002）提出的公式進(jìn)行計(jì)算，公式如下

式中，RBW=(fh-fl)/fc，為頻率相對(duì)寬度；Pk(f)見公式（1）。

3 人類活動(dòng)對(duì)測(cè)震數(shù)據(jù)的影響

3.1 RMS值計(jì)算

選取烏加河臺(tái)2022年5月、7月測(cè)震記錄波形數(shù)據(jù)，基于公式（6），計(jì)算研究時(shí)段內(nèi)背景噪聲均方根RMS平均值（單位dB），結(jié)果見表2。

表2 烏加河臺(tái)5月、7月RMS月均值Table 2 Monthly average of RMS at Wujiahe Seismic Station in May and July

3.2 基于PDF圖的噪聲特性

查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，烏加河臺(tái)周邊除人為活動(dòng)干擾外無(wú)其他類型干擾。基于此，通過截取2022年5月（未實(shí)施疫情防控政策）、7月（實(shí)施疫情防控政策）烏加河臺(tái)原始地震波形數(shù)據(jù)，計(jì)算并繪制該臺(tái)背景噪聲PSD值三分向月分布圖，對(duì)比分析疫情防控政策背景下，在頻段1—20 Hz范圍內(nèi)該臺(tái)背景噪聲的變化，結(jié)果見圖3。其中(a)、(c)、(e)圖分別為2022年5月烏加河臺(tái)地震計(jì)東西向、南北向和垂直向PSD值月分布圖，(b)、(d)、(f)圖分別為2022年5月烏加河臺(tái)地震計(jì)東西向、南北向和垂直向PSD值月分布圖。

圖3 烏加河臺(tái)2022年5月、7月測(cè)震數(shù)據(jù)記錄三分向PSD對(duì)比(a) 烏加河5月東西向PSD；(b) 烏加河7月東西PSD；(c)烏加河5月南北向PSD；(d)烏加河7月南北向PSD；(e)烏加河5月垂直向PSD；(f)烏加河7月垂直向PSDFig.3 Comparison diagram of three-direction PSD of seismic data recorded at Wujiahe Seismic Station in May and July 2022

由圖3可見：①2022年5月：在1—20 Hz頻段，烏加河臺(tái)三分向PSD值變化基本一致且幅度較小，數(shù)值分布較均勻，無(wú)突跳等異常區(qū)間。其中，在1—15 Hz范圍內(nèi)，PSD值具有高低交替變化的特點(diǎn)，此為人類晝夜交替活動(dòng)所致；在15—20 Hz范圍內(nèi)，PSD值交替變化不大，原因在于人類活動(dòng)噪聲集中在低頻段，該頻段影響可忽略。②2022年7月：7月6日至20日噪聲明顯較低，且交替變化特征不明顯。這是因?yàn)橐咔榉揽仄陂g，民眾居家隔離，人類晝夜交替活動(dòng)影響區(qū)別不大。

3.2 RMS值分布特征

選取2022年5月、7月烏加河臺(tái)原始地震波形數(shù)據(jù)，繪制東西、南北、垂直三分向噪聲RMS值分布圖，分析該臺(tái)背景噪聲水平變化，結(jié)果見圖4。由圖4可見：①2022年5月：烏加河臺(tái)三分向背景噪聲RMS值平穩(wěn)、連續(xù)，無(wú)突跳、異常下降等變化；②2022年7月：7月6日起，烏加河臺(tái)三分向背景噪聲RMS值明顯減小，7月20日后逐步呈上升趨勢(shì)，與該臺(tái)PSD值在該時(shí)段的變化一致，表明疫情防控期間，烏加河臺(tái)背景噪聲有所減小，充分證明該臺(tái)一部分背景噪聲由人為因素所致。可見，人類活動(dòng)對(duì)烏加河臺(tái)觀測(cè)山洞測(cè)震儀器記錄有一定影響。

圖4 烏加河臺(tái)5月、7月背景噪聲RMS值分布(a)5月；(b)7月Fig.4 RMS value distribution of background noise at Wujiahe Seismic Station in May and July

4 人類活動(dòng)對(duì)重力數(shù)據(jù)的影響

基于重力觀測(cè)儀器特性可知，重力儀僅記錄地面運(yùn)動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，人類活動(dòng)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響程度較小，可運(yùn)用同時(shí)段重力數(shù)據(jù)，驗(yàn)證測(cè)震數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。選取烏加河臺(tái)2022年5月和7月的重力數(shù)據(jù)，運(yùn)用功率譜概率密度函數(shù)（Probability Density Function，PDF）方法，對(duì)比分析功率譜密度在研究時(shí)段的變化，結(jié)果見圖5。

圖5 烏加河地震臺(tái)5月、7月重力PSD對(duì)比Fig.5 Comparison of gravity PSD at Wujiahe Seismic Station in May and July

分析發(fā)現(xiàn)，在研究時(shí)段，烏加河臺(tái)重力數(shù)據(jù)僅在0 min-1—0.05 min-1區(qū)間有微小差異，在0.05 min-1—0.5 min-1區(qū)間重合。這是因?yàn)椋琍ET型重力儀記錄數(shù)據(jù)在低頻段主要受固體潮影響。綜合分析認(rèn)為，2022年5月和7月，烏加河臺(tái)重力數(shù)據(jù)PSD曲線在0—0.5 min-1區(qū)間基本重合，表明人類活動(dòng)對(duì)重力儀記錄波形無(wú)影響，表明重力儀基本不受臺(tái)站背景噪聲的影響，從側(cè)面證明了該臺(tái)測(cè)震數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

5 結(jié)論

應(yīng)用烏加河臺(tái)2022年5月、7月測(cè)震儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析觀測(cè)數(shù)據(jù)加速度功率譜概率密度、速度功率譜概率密度及三分向噪聲RMS值，并通過小波分析法探究上述時(shí)間段內(nèi)重力儀背景噪聲情況，探討人類活動(dòng)對(duì)該臺(tái)背景噪聲的影響。

（1）烏加河臺(tái)測(cè)震數(shù)據(jù)三分向RMS值隨月變化規(guī)律基本一致，無(wú)突跳等異常噪聲，除人類活動(dòng)，周邊無(wú)其他類型干擾。

（2）2022年7月6日至20日，烏加河臺(tái)地震計(jì)背景噪聲偏低，主要與疫情防控背景下人類活動(dòng)減少有關(guān)。

（3）烏加河臺(tái)地震計(jì)與重力儀置于同一觀測(cè)山洞，人類活動(dòng)對(duì)地震計(jì)有一定影響，而對(duì)重力儀的影響可忽略不計(jì)。基于此，在新建或改建重力儀觀測(cè)站時(shí)，可不考慮站點(diǎn)周邊人為干擾因素，相關(guān)干擾類型有人類的生產(chǎn)生活、工廠運(yùn)轉(zhuǎn)、公共交通道路等。但在新建或改建測(cè)震觀測(cè)站時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮人為干擾因素對(duì)地震計(jì)的影響。