陸良大薩卜龍寬頻帶地震觀測臺站儀器勘選

畢樹偉 張光順 臺梓含 鄧存華 黎朕靈 李文濤

（中國昆明650224云南省地震局）

0 引言

寬頻帶地震觀測臺站儀器勘選是地震觀測臺站臺基質量的定量反映（王寶柱等，2014），是評價勘選臺址是否滿足野外勘選技術要求的重要指標。此項工作包括野外儀器測試、臺基背景噪聲水平計算及分析、臺站綜合評價。氣溫、氣流的變化對地震計有一定影響，在進行臺基背景噪聲水平測試時，不能忽視二者對地震計的影響。氣流對地震計干擾較大，受氣流干擾的數據往往不能真實反映臺基質量（王寶柱等，2014）；晝夜溫差過大，可導致地震計零點漂移過大，甚至出現靠擺現象，失去對地面運動的記錄能力（安祥宇等，2016）。因此，在進行臺基背景噪聲水平測試時，應做好地震計的保溫、防范氣流措施工作，減小氣溫、氣流對地震計的干擾影響。在野外儀器勘選過程中，對于氣溫和氣流的影響，王寶柱等（2014）、安祥宇等（2016）對地震計防護措施做了介紹，但缺少具體工作方法。本文以陸良大薩卜龍寬頻帶地震觀測臺站野外儀器勘選為例，總結臺址測試過程中減小氣溫、氣流對地震計干擾的工作方法，計算并分析臺基背景噪聲水平，并對該臺站勘選質量進行綜合評價。

1 勘選臺址概況

為了提高曲靖地區地震監測能力，擬按規劃設計，在陸良縣召夸鎮建設新的寬頻帶地震臺站。經實地勘選，擬選定大薩卜龍村西空地作為新的臺址，在臺站建設前，對該臺址進行野外儀器勘選。

勘選點位于云南陸良召夸鎮大薩卜龍村西北約100 m，海拔2080 m（圖1），距召夸鎮直線距離約7 km，交通便利。

圖1 儀器勘選點位分布Fig.1 Distribution of instrument survey

點位附近地勢平坦，基巖出露完好，為堅硬石灰巖，巖層弱風化、較為完整，4G網絡速度流暢，視野開闊、光照充足，滿足觀測系統太陽能供電、信號無線傳輸的野外勘選技術要求。當地年平均氣溫13.5 ℃，冬季晝夜溫差大，可達10 ℃—20 ℃。降水集中在每年4—8月，年平均降水量約1020 mm。

2 野外儀器測試

野外儀器測試是為了收集用于臺址臺基背景噪聲水平分析的原始數據，工作內容有：測試場地選擇、地震計安裝、地震計系統穩定性檢查、短期記錄數據的臺基背景噪聲水平分析、大于規定時限的數據記錄。

2.1 測試系統組成

野外儀器測試系統（圖2）由GL-PCS60一體化三分向小型寬頻帶地震計（下文簡稱GL-PCS60地震計，其為集成寬頻帶地震計、采集、存儲、數據傳輸、檢測等多功能一體化的地震觀測儀器，具有體積小、重量輕、功耗低的特點）、筆記本電腦、125 A·h鋰離子電池等設備組成，并配備一定輔助工具，如：自制10 cm高密度泡沫板儀器罩、木材鋸末、大號塑料水桶、防水布、聚氨酯發泡膠、錘子、兵工廠、鏨子等，數據采集后采用噪聲水平分析軟件（北京港震公司童汪練老師編寫）進行數據處理。GL-PCS60地震計主要技術指標見表1。

表1 GL-PCS60一體化小型寬頻帶地震計主要技術指標Table 1 Main technical specifications of GL-PCS60 integrated small broadband seismometer

圖2 臺址測試系統構成Fig.2 Composition of site testing system

2.2 地震計架設

該野外儀器測試點位基巖出露，選擇相對低洼、避風且平整的基巖進行整平處理，用于地震計架設[圖3(a)]。使用羅盤尋找地理北方位，地震計以正北方向置于基巖上，扣除地磁偏角并進行調零[圖3(b)]；連接GPS天線、電源/通訊電纜等，且GPS天線固定于合適位置，地震計通電并使用筆記本電腦進行調試，檢查其工作情況。

圖3 地震計架設Fig.3 Seismometer erection

采用四級防護方法，以減小氣溫、氣流對地震計的干擾。操作措施如下：①使用自制儀器罩罩住地震計[圖3(c)]；②并使用塑料桶蓋住地震計[圖3(d)]；③將塑料桶與儀器罩之間的空隙用木材鋸末壓實充填[圖3(e)]；④用聚氨酯發泡膠進行密封處理，如圖3(f)所示。經以上防護處理后，以防水布包裹儀器罩、鋰電池，泥土圍堰，頂部壓蓋石塊。

檢查儀器系統穩定性，對地震計進行脈沖標定，并用標定波形計算地震計等效自震周期和阻尼是否正常。標定結果與基準值對比見表2，可知地震計周期、阻尼變化率均小于5%，滿足規定要求，表明地震計工作正常。

表2 標定結果與基準值的比較Table 2 Comparison of calibration results with reference values

地震計性能穩定后1小時，取2022年11月21日19時的記錄數據，計算該點位臺基背景噪聲水平。因記錄到云南紅河州紅河縣當日19:22:15發生的MS3.6地震，使用Matlab編程剔除該地震波形數據后進行臺基靜態地脈動噪聲有效值（RMS值）計算。經計算，在1—20 Hz頻帶內，UD分量RMS=2.53×10-8m/s、EW分量RMS=2.19×10-8m/s、NS分量RMS=2.23×10-8m/s，均滿足RMS＜2.00×10-7m/s的要求，可以繼續觀測①中國地震背景場探測項目總工程師辦公室.中國地震背景場探測項目測震臺站場址勘選技術指南.2009：1-13.。

3 測試數據預處理

3.1 勘選點位干擾評估

截取2022年11月21日19時至23日09時的記錄數據，采用人交互方式，基于《中國地震背景場探測項目測震臺站場址勘選技術指南》①，判斷測試數據中是否包含地震、爆破及其他強烈干擾事件。經統計，所選時段共記錄地震事件5次、非天然地震事件1次。其中：近震1次（紅河州紅河縣MS3.6地震）、遠震4次（福克斯群島MS5.4地震、所羅門群島MS7.0地震、所羅門群島MS6.1地震、土耳其MS6.1地震），且震相清晰、易識別（圖4），由地震波形可知，該儀器勘選點位臺基背景噪聲水平較優；非天然地震事件波形持續時間16（s圖5），占記錄時間的百分比R=0.01%＜0.5%，發生頻度N（次數/小時）=0.03＜0.5，表明勘選點位干擾較小。

圖4 5個天然地震波形記錄截取Fig.4 Interception of 5 natural seismic waveform records

圖5 干擾波形記錄截取Fig.5 Interception of interference waveform records

3.2 背景噪聲數據選取

據經驗判斷，數據記錄中的地震、偶發性非天然地震事件對背景噪聲有效值RMS（m/s）影響較大，在分析背景噪聲水平時需予以剔除處理。具體做法是，測試數據以小時為單位，對于偶發性持續時間短的非天然地震事件、地方震、近震數據進行剔除，剔除處理后需保證每小時內有效記錄時間不少于40 min（中國地震局，2015）；對于持續時間較長的遠震、極遠震數據，進行截除處理，以同樣長度的后段無事件記錄的噪聲波形數據進行填充①中國地震背景場探測項目總工程師辦公室.中國地震背景場探測項目測震臺站場址勘選技術指南.2009：1-13.，也可用前后1天相同時段的數據代替。

4 臺基背景噪聲水平分析

4.1 靜態地脈動噪聲功率譜密度計算

由于測試點附近的人為、交通、工廠等近場干擾對背景噪聲影響較大，且近場干擾源噪聲主要分布在1.0—20.0 Hz頻段，在小范圍內進行臺址調整后，該頻段背景噪聲可得到改善（馬紅虎等，2018）。故而，選擇該頻段靜態地脈動噪聲功率譜密度值進行分析。

基于小時值預處理數據，計算勘選點位2022年11月21日19時至23日09時三分量噪聲功率譜密度PSD值，并對該時段PSD值進行總平均，繪制三分量平均PSD曲線及5 Hz頻點噪聲功率譜密度值時間分布圖，結果見圖6、圖7。

圖6 三分量加速度噪聲功率譜密度平均PSD曲線Fig.6 Average PSD curves of acceleration noise power spectral density of three components

圖7 5 Hz頻點的噪聲功率譜密度值時間分布Fig.7 Time distribution of noise power spectral density at 5 Hz

由圖6可見，測試臺站三分量臺基背景噪聲平均功率譜密度PSD曲線分布在全球高噪聲模型（NHNM）和低噪聲模型（NLNM）之間，屬正常噪聲水平；在1—20 Hz頻段內，UD分量平均功率譜密度值小于-129.2 dB，NS分量平均功率譜密度值小于-133.6 dB，EW分量平均功率譜密度值小于-135.7 dB，3個分量平均功率譜值總體高出NLNM模型17—38 dB。依據JSGC-01—2005中國數字測震臺網技術規程②中國地震局.JSGC-01—2005中國數字測震臺網技術規程.2005：1-60.，該測試點位臺基噪聲水平介于優秀與良好之間。

由圖7可見，測試點位臺基背景噪聲UD分量最大功率譜密度值為-126.842 dB，最小功率譜密度值為-137.374 dB，中間值為-131.684 dB；NS分量最大功率譜密度值為-129.165 dB，最小功率譜密度值為-136.872 dB，中間值為-133.498 dB；EW分量最大功率譜密度值為-131.009 dB，最小功率譜密度值為-138.199 dB，中間值為-135.095 dB。總體上，3個分量的噪聲功率譜密度值變化不大，滿足測試期內臺基背景噪聲水平變化不大于中間值的20%的要求②。

4.2 靜態地脈動噪聲有效值估計

基于小時值預處理數據，對1—20 Hz頻帶內測試點位靜態地脈動噪聲RMS有效值進行估計，得到研究時段內速度噪聲RMS有效值的平均值統計結果及小時值柱狀分布圖，結果見表3、圖8。

表3 陸良薩卜龍寬頻帶地震觀測臺站1—20 Hz速度RMS值測試結果Table 3 Test results of 1-20 Hz velocity RMS at the Sabulong Broadband Seismic Observation Station in Luliang County

圖8 1—20 Hz頻段臺基背景噪聲RMS值小時值柱狀分布Fig.8 Histogram of hourly RMS values of seismic background noise in the 1-20 Hz band

由表3可知，在1—20 Hz頻段，測試點位靜態地脈動噪聲RMS有效值：UD向平均值為2.05×10-8m/s、NS向平均值為1.57×10-8m/s、EW向平均值為1.78×10-8m/s。依據規范，Ⅰ級環境地噪聲水平RMS＜3.16×10-8m/s（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2004），由此可知，勘選點位臺基背景噪聲水平達Ⅰ級標準。

由圖8可見，測試期間，在1—20 Hz頻段內勘選點位三分量臺基背景噪聲RMS小時均值變化較小，主要分布在9.25×10-9—3.43×10-8m/s，且UD分量＞EW分量＞NS分量；3個分量的RMS值隨時間呈現白天升高、夜間降低的正常規律，未出現較大峰值，說明勘選點位附近無明顯干擾源，為較理想的地震觀測站點。

5 結論

通過對陸良大薩卜龍寬頻帶地震觀測臺站的儀器勘選，可以得出以下結論：

（1）測試數據噪聲計算及分析結果顯示，用于減小氣溫、氣流對地震計干擾的四級防護架設方法是可行的。采用該方法架設地震計，可有效隔絕氣溫、氣流對地震計的干擾，測試數據能真實反映勘選點位的環境噪聲水平。

（2）測試期間記錄到5次天然地震和1次非天然地震事件，震相波形清晰、易辨識，點位附近干擾少，臺基背景噪聲水平較優。

（3）在1—20 Hz頻段，勘選點位臺基背景噪聲三分量平均功率譜值總體高出NLNM模型17—38 dB；靜態地脈動噪聲RMS有效值平均值均＜3.16×10-8m/s，其中：UD分量為2.05×10-8m/s、NS分量為1.57×10-8m/s、EW分量為1.78×10-8m/s。因此，勘選點位附近無明顯干擾源，環境噪聲水平較優，達Ⅰ級測震臺站建設標準。

綜合評價認為，勘選點位距村莊較近，交通便利，地勢平坦，基巖出露完好，4G網絡速度流暢，視野開闊，光照充足，滿足觀測系統太陽能供電、信號無線傳輸的野外勘選技術要求，且噪聲水平符合《地震臺站觀測環境技術要求》（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2004）。因此，該勘選點位可作為寬頻帶地震觀測臺站建設站點。