天津某環境背景噪聲分析

李曄 郭巍 許可 曹付陽 馬超群 徐小遠

[摘要] ?連續波形檢查中發現，天津爾王莊（EWZ）等臺明顯受到某未知噪聲的干擾，且EWZ臺受影響程度最大，此噪聲常年如此，不隨晝夜時間發生變化，且已存在多年。長期觀測還發現，此噪聲每年會有幾天觀測不到，但時間并不確定。與通常的環境背景噪聲不同，此噪聲具有一些固定特征。本文對其從本身特征、影響范圍、頻譜特性、對地震的影響等幾個方面進行了研究。研究表明，噪聲不受天氣、季節等自然因素影響，具有隨距EWZ臺距離增大而振幅變小的變化特征，其主要頻率范圍在1～2 Hz之間。噪聲的影響范圍較廣泛，可被周圍12個臺站記錄到，最遠到達YGZ臺，距離EWZ臺約58 km。通過偏振分析，發現噪聲的傳播具有特定的方向性，初步判斷此噪聲具有固定源噪聲的特點。此噪聲會對地震記錄造成影響，使震相拾取率降低，甚至完全淹沒在噪聲中，通過帶阻頻率濾波會有所改善。

[關鍵詞] 噪聲源; 時頻域特性; 影響范圍; 偏振分析; 濾波

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-165

0 ?引言

地震監測中，地震臺的環境條件影響著臺址的背景噪聲水平，較好的噪聲水平，能提升信噪比，獲得優質的觀測記錄^[1]；而不理想的背景噪聲水平會影響地震臺網的監測，降低監測能力。地震噪聲能反應人類活動及大氣活動，同時能反應地球嗡鳴、地球脈動等信息。地震噪聲有很多種，按照地震噪聲的來源，可將地震噪聲分為海洋、風雨等自然環境噪聲，車輛行駛、工業生產等人為噪聲，儀器自身噪聲等；按照噪聲的頻率大小可分為短周期噪聲（如激流等）和高頻噪聲（如機械運作等）；按照地震噪聲的相干性，可分為有一定頻率和視速度的相干噪聲和隨機噪聲^[2-3]。

天津地處首都圈中心地區，是集各種職能于一身的大型城市，隨著各行各業發展進一步加深，地震觀測條件也面臨著前所未有的挑戰^[4-6]。地震臺站干擾因素增多、背景噪聲水平降低已成為必然。特殊噪聲的出現，會降低地震記錄信噪比^[7-8]。近年來，越來越多的學者將地震環境背景噪聲作為研究對象^[9]，他們通過背景噪聲互相關的方法研究地層速度結構^[10]，在研究中發現了固定干擾源的干擾，發現固定噪聲源干擾會影響背景噪聲互相關的結果^[11-13]，同時還通過一定的方法找到了固定噪聲源的位置^[14-16]。

地震編目過程中，通過連續波形檢查發現，天津爾王莊（EWZ）等臺，明顯受到某未知噪聲的干擾，此噪聲常年如此，且已存在較長時間。長期觀測還發現，此噪聲每年會有幾天觀測不到，但時間并不確定。本研究對此噪聲進行了分析，從噪聲對時間域記錄的影響，噪聲的頻率特性，噪聲的影響范圍，噪聲源的存在性，以及濾波對地震中震相拾取率是否有所提升幾個方面進行研究，加深對此噪聲的了解。

1 ?噪聲基本情況

天津地震臺網在地震觀測過程中，發現爾王莊（EWZ）、糙甸（CAD）等臺站的連續波形記錄中存在干擾。多年觀察表明，此干擾已存在較長時間，多數情況下，不隨晝夜時間而發生明顯變化，振幅在夜間會略大于白天，周期較均勻（圖1）。同時，此干擾不會隨著季節更替及天氣變化而變，且連續不斷，一直出現在環境背景噪聲中。噪聲對三分向背景噪聲數據的影響并不一致，對垂直向的影響最大，對兩個水平分向的影響略小，且兩水平分向幅值比較一致。調查發現，爾王莊臺站記錄到的噪聲幅值最大，故本研究將此噪聲命名為EWZ噪聲。編目過程中發現，此噪聲會影響到地震中震相的拾取，進一步會降低本地區的地震監測能力。

爾王莊地震臺位于天津市寶坻區，地處渤海灣盆地的北部邊界，與燕山造山帶相鄰^[17-18]，布設儀器為短周期地震計，在井下250 m左右處^[19]。為了排查噪聲的屬性，對EWZ臺站周圍100 km范圍內環境進行調查，發現有水庫、河流、鐵路、自然保護區、農場、石材城等場所的分布。

2 ?噪聲對地震記錄的影響

為了研究噪聲對地震時間域記錄的影響，選取本區域內不同震級大小地震10條（表1）。通過對這些地震的觀察，發現對于附近100 km范圍內的1級以下0.5級以上的較小地震，當震中距較小時，受影響程度小，隨著震中距變大，受影響程度有所增加，同時EWZ臺受影響程度較CAD臺大。在此范圍內，隨著震級的增大、震中距的減小，兩臺受到噪聲干擾的情況會逐漸減輕。從圖2可以看出，爾王莊噪聲不僅會影響初動方向的拾取，還會影響地震到時類震相的拾取，使到時類震相無法辨認，甚至完全淹沒在噪聲中，使初至被混雜在噪聲中，無法判別；同時也影響振幅量取的準確性，進而降低定位精度，影響地震監測能力。

為了進一步確定噪聲對地震的影響，這里將不同地震中EWZ臺和CAD臺的受影響情況進行了統計，本研究將地震記錄受到噪聲影響的程度分為10級，級別越高受影響程度越高，級別越低受影響程度越低（表1）。發現震級較小且震中距較大時，兩臺站的記錄情況不佳，受到噪聲影響的程度較大；當震級一定時，震中距越小記錄會越好；當震中距一定時，較大震級的地震會有較好的記錄。由于統計的地震多數在寶坻地區，震中距離CAD臺的距離要小于EWZ臺，同時噪聲源距離EWZ臺距離較近，使得多數地震中EWZ臺的受影響程度大于CAD臺。

3 ?噪聲頻譜分析

截取EWZ、CAD兩臺站夜間2小時的背景噪聲記錄，計算功率譜密度及振幅譜（圖3），從圖中可以看出，在1～2 Hz之間兩臺站都受到較明顯的噪聲干擾。噪聲的頻率并非為一固定值，而是在一定范圍內。同時，EWZ臺受到的干擾程度較CAD臺大。通過對周圍其他臺站進行功率譜密度計算，發現ANK、ZTZ等十幾個臺都受到此頻段噪聲的影響。

圖3中采用了兩個臺站同時間段的背景噪聲數據，圖3b為三分向的振幅譜圖。從振幅譜圖中可以看出，背景噪聲中一組明顯的干擾，頻率在1～2 Hz之間，兩個臺站記錄到的噪聲的振幅有所不同，EWZ臺的振幅要大于CAD臺，可以判斷此噪聲源距離EWZ臺較CAD臺近。

4 ?爾王莊噪聲影響范圍

通過對EWZ臺周圍的臺站進行頻譜分析，發現除EWZ臺站外，此頻段噪聲還可被CAD、BAD、ANK等12個臺站記錄到，臺站分布情況如圖4所示，其中ANK臺已于2020年停止觀測，最遠距爾王莊臺的距離可達58 km，為YGZ臺。同時，為了更好的研究，在爾王莊臺與寶坻臺之間架設了兩個流動觀測臺，流動臺布設在地表，經過了2個月的觀測，新架設流動臺也能記錄到此頻段信號，且距離EWZ臺近的流動臺振幅較大，進一步證明此噪聲在EWZ臺附近。

5 ?噪聲源位置固定性分析

觀察發現，爾王莊噪聲的振幅具有隨距離變化的特征，結合各臺站記錄到的噪聲的頻率特征及頻率一致性，排除了風、海浪等非固定位置自然環境的干擾，初步判斷噪聲為固定源噪聲。為了進一步了解驗證，選取能記錄到此噪聲的臺站，對背景噪聲記錄作去均值、去傾斜、濾波等數據預處理，進行質點振動分析，部分臺站計算結果如圖5所示。從圖中結果可以看出，此頻段內噪聲的傳播，具有明顯的方向性，可進一步判斷噪聲為固定位置噪聲源。

6 ?地震數據的濾波處理

本研究針對表1中的地震，對受影響的臺站記錄進行1～2 Hz帶阻濾波處理，EWZ、CAD兩臺濾波前后對比圖如圖6所示。將濾波后的地震記錄的清晰情況也分為10級，級別越高記錄越清晰，震相越容易識別，級別越低震相越不易識別，見表1。對于發生在EWZ臺100 km范圍內的地震，通過濾波，會使Pg震相、Sg震相有所凸顯，Sg震相會更加明顯。EWZ臺的震相拾取率會提升50%以上，CAD臺的震相拾取率會提升80%以上。除此之外，本研究還對其他受影響臺站進行了分析，發現通過對1～2 Hz頻帶噪聲進行濾波，會很大程度上提升震相拾取率，同時也會有助于初動方向的拾取。從結果可以看出，此濾波處理會在一定程度上提升震相的識別率，進一步提升地震的定位精度。

對于震級較大地震，采用普通頻率濾波，會影響地震信號原有振幅大小，如需較好的將此噪聲信號去除，還需進一步使用一些特殊的濾波方法。

7 ?結論與討論

本研究對EWZ臺附近的噪聲研究表明，此噪聲不同于通常意義上的環境背景噪聲。通常意義上的噪聲一般具有時間與位置上的隨機性，且不會造成太大規模的影響；而本研究中的噪聲明顯不是隨機的，它具有固定范圍的頻率特性和會隨著與EWZ臺距離的增大、影響逐漸變小的特點。布設在地表的流動臺，同樣能記錄到相同的噪聲信號，說明了此噪聲不是井下原因的影響。同時其地震記錄的粒子振動還具有明顯的方向性。此外，在我們不斷觀測的過程中發現，此噪聲會在每年中有不定期的幾天，是觀測不到的，這也充分說明了此噪聲的特殊性。

在工業及城市發展日益增強的今天，地震監測受到了前所未有的挑戰，人類活動、工業生產越來越密集，尤其是對于像天津這樣較大型城市，如何在這種條件下保持或是提升地震監測水平，已成為一個難題。同時，對于較大的干擾是否可以得到更多的利用，將其作為有用震源，也成為了我們需要研究的課題。

參考文獻

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Analysis of one ambient seismic noise in Tianjin

Li Ye^*， Guo Wei， Xu Ke， Cao Fuyang， Ma Chaoqun， Xu Xiaoyuan

Tianjin Earthquake Agency， Tianjin 300202， China

[Abstract] ?During checking continuous waveform record， it was found that some stations of Tianjin such as EWZ were significantly affected by one unknown noise， and EWZ station was the most seriously affected. Long term observations had also found that this noise cannot be observed for uncertainly several days each year. This noise was all year round and did not change with day and night time， and it had been existed for many years. This noise was different from typical environmental background noise and had some fixed characteristics. This article studied the noise from several aspects such as its own characteristic， its coverage of influence， spectral characteristics， and impact on earthquake records. The research has shown that the noise was not affected by natural factors such as weather and season， and had a characteristic of amplitude decreasing as the distance increasing from EWZ station. The main frequency of this noise ranged 1～2 Hz. The impact of noise was relatively wide and it can be recorded by 12 surrounding stations， with YGZ station being the farthest and approximately 58 km away from EWZ station. Through polarization analysis， it was found that the propagation of noise had a specific directionality， so it is preliminary judged that this noise had the characteristic of fixed source noise. This noise will have an impact on seismic records， reducing the seismic phase pickup rate， and even completely submerging it in the noise. Frequency filtering can improve it.

[Keywords] noise source; time frequency domain characteristics; influence scope; polarization analysis; filtering