地形變和測震臺記錄中道路施工信號的特征分析：以宜昌臺為例

[摘要] """如何闡明道路施工所產生的地形變和地震波信號，一直是地震預測預報業務中的難點之一。2018年3—5月，宜昌臺觀測到了較典型的道路施工信號。為此，本文以該臺為例，嘗試采用數字信號處理方法對其水管儀、垂直擺、伸縮儀和地震儀的觀測數據進行綜合分析。結果表明：道路施工振動對水管儀的影響較為顯著，其信號以高頻震顫波為主，NS和EW分量所記錄的信號主頻分別為0.07 cpm和0.059 cpm；垂直擺和伸縮儀對道路施工時的振動信號并不敏感；地震儀所記錄的道路施工振動信號主要分布在2.2～4.6 Hz，波形類似于兩個串聯的棗珠；道路施工所產生的振動信號主要集中在8：00—20：00，持時可達12 h。以上認識將有助于對道路施工振動信號的識別，同時還能為類似信號的溯源研究提供技術參考。

[關鍵詞] 道路施工; 宜昌臺; 地殼形變; 地震儀; 震顫

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-034

基金項目："國家自然科學基金（42104091）資助。

0 "引言

隨著地形變、地震臺網監測能力的不斷優化，其連續波形中的階變、脈沖和高頻震顫信號（相對于潮汐頻段）也愈加豐富。然而，這些異常變化的成因并不單一。從已有的研究成果來看，它們既可能源自火山活動^[1]、斷裂滑移^[2]等大地構造事件，同時也可能是因氣象^[3]、水文^[4]、人類活動^[5]和儀器^[6]等因素所致。因此，如何科學闡明其真實的物理源，一直都是地震前兆、地球動力學和環境地震學等研究中的一大難點。

單就道路施工而言，其對定點地形變和地震儀的影響形態究竟如何？一直是一個值得深入探究的課題。例如，日本鎌田山臺伸縮儀在1974年2月17日—7月31日期間，相繼記錄到了40余次拉張型的階變，究其原因，主要是在距該臺150 m處的公路隧道內有爆破作業^[7]。不僅如此，若臺站周邊的道路上存在挖掘機、破碎錘、自卸車和攪拌機等重型機械激勵時，那么地形變曲線上還會出現脈沖或高頻震顫波，這種現象業已被四川姑咱和云南騰沖臺所捕捉^[8]。從地震預測預報業務的視角來看，厘清此類信號的物理源具有重要的現實意義。

2018年3月初，湖北宜昌臺南側約150 m處的道路及邊坡發生了坍塌事故，為了搶通損毀路段，施工方集結了挖掘機和自卸車等機械，對此地實施了為期2個月的土方回填和邊坡修繕等作業。與此同時，該臺地形變和地震儀均記錄到了顯著的振動噪聲^[9-10]，這為定量揭示道路施工振動信號提供了理想的觀測實證，其例證價值較高。有鑒于此，本文對該現象進行了系統且深入的個例分析，相關結果將有助于臺域及周邊道路施工振動信號的理性識別。

1 "臺站及儀器概況

宜昌臺始建于1982年，屬國家形變基本臺，該臺位于宜昌市夷陵區小溪塔森林公園內（圖1a），其所處地層傾向南西、傾角約為3°～26°，呈單斜構造。該臺臺基巖性為白堊系下統石門組礫巖，巖體堅硬且完整性較好，其主洞長約177 m，洞體頂部覆蓋層的最大厚度達29 m，洞內氣溫常年維持在18℃上下，年變幅度小于0.2℃。

目前，宜昌臺主要有伸縮儀、水管儀、垂直擺和地震儀等測項，其儀器類型及在洞室內的布設位置等詳見圖1b和表1。

2 "道路施工詳情

此次道路施工地點位于宜昌臺南側，圖1a中的紅色區域標注了具體的修繕路段，施工期為2018年3月8日—5月24日，施工場地有挖掘機、自卸車、攪拌機和破碎錘等多種重型機械（圖2），作業時間一般為07：30—21：00。

3 "道路施工的振動信號特征

3.1 "地應變和地傾斜儀記錄的信號

在整個施工過程中，宜昌臺捕捉到了大量且規律的信號。以2018年4月6日為例，從圖3中可以明顯看出水管儀NS分量含有高頻震顫波，其持時約為11 h（09：00—20：00）。但值得注意的是，其他測項（向）似乎并未記錄到該現象，這是由于此種弱信號被潮波湮沒了？為此，本文采用2階Butterworth高通濾波器，對各測項進行了無相移的濾波處理，該步驟旨在濾出周期低于1 h （f＞1 cph）（注：cph指周期數每小時）的高頻信號，具體結果如圖4所示。

從濾波結果來看，水管儀NS和EW分量中均含有顯著且連續的高頻震顫波（圖4a），其初始及結束時刻與當天的作業時段十分吻合。相比之下，垂直擺和伸縮儀就未能觀測到類似的波形（圖4b和圖4c）。這一方面說明了水管儀對施工振動信號更為敏感，另外同時也表明不同類型儀器觀測原理和頻響的差異性^[11-13]。

進一步用快速傅里葉變換（FFT）解析了這些高頻震顫波的主頻，從振幅譜結果來看（圖5），水管儀NS和EW分量的主頻點分別為0.07 cpm和0.059 cpm（注：cpm指周期數每分鐘），其對應的周期約為14 min和17 min。相比于NS分量，EW分量的主頻要偏低一些，這可能是由于該分量距施工地更遠，高頻振動信號也因此快速衰減。

3.2 "地震儀記錄的信號

從之前的研究來看，一些學者僅關注道路施工對地形變測項的影響，而忽略了地震波記錄^[8]。顯然，這并不足以揭示此類信號的全貌。鑒于此，筆者又專門對2018年4月6日宜昌臺的測震波形進行了分析。首先，對垂直分量的原始數據進行去儀器響應和去均值等預處理，之后再轉化成速度波形，所得結果如圖6所示。此處需要說明的是，國家地震科學數據中心（https：//data.earthquake.cn）所提供的連續波形的采樣率為10 Hz。

從原始波形可以清晰地看出，地震儀較好地記錄了施工的振動過程（圖6a）。在8：00—20：00 時段，震顫波的能量明顯高于背景噪聲，其功率譜密度（PSD）較大的頻段主要分布在2.2～4.6 Hz（圖6b）。為了更好地揭示震顫波的形態特征，本文采用了2階Butterworth帶通濾波器（2.2～4.6 Hz）對原始波形進行了濾波處理，濾波后的結果如圖6c所示。一個有趣的現象是，在中午12點左右，震顫波的振幅明顯減弱，這主要是由于施工人員就餐和休息所致。總體來看，整個施工過程所產生的震顫波形狀與兩個串聯的棗珠相仿，而這與氣旋等天氣事件所產生的紡錘狀震顫波有所差異^[3]。

綜上分析，可以看出臺站周邊道路施工產生的高頻震顫波，可以在不同頻段被水管儀和地震儀觀測到。

4 "結論和討論

為系統揭示宜昌臺臨近道路施工所產生信號的特征，本文采用數字信號處理方法，對該臺水管儀、垂直擺、伸縮儀和地震儀的測值進行了深入分析，主要結論如下：

（1）相比于垂直擺和伸縮儀，水管儀對道路施工振動更為敏感，其記錄到信號以高頻震顫波為主，持時與當天施工時段高度相關。水管儀NS和EW分量所探測到的震顫波主頻點分別為0.07 cpm和0.059 cpm。

（2）在更高頻段，道路施工所產生的振動信號可以被地震儀有效捕捉到，其振動主頻集中在2.2～4.6 Hz，波形類似于兩個串聯的棗珠。

本工作僅針對宜昌臺進行了個例分析，所得認識可能具有很大的局限性。在未來的工作中，尚需對更多的道路施工實例進行剖析。另外，這類信號的影響范圍究竟有多大？無疑也是一個值得深入探究的問題，下一步我們將著重對宜昌臺周鄰的測震臺進行系統研究。而隨著我國基礎設施建設的不斷推進，一些臺站難免會面臨類似的問題，希望本文的研究能對其起到啟發的作用。

""致謝

國家地震科學數據中心提供了宜昌臺的地震波形；兩位審稿專家提出了諸多建設性意見，對稿件質量的提升幫助很大。作者在此一并表示感謝！

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Imprints of vibratory signals induced by road construction in strain and seismic records： A case study of Yichang station

Yang Xiaolin

Jinggangshan University， Jiangxi Ji’an 343009， China

[Abstract] """"One of the crucial issues in the field of earthquake forecasting and prediction is the reasonable identification of the tilt， strain， and seismic signals induced by road construction. During March to May 2018， some special disturbances induced by road construction were observed at Yichang station. With the goal of uncovering the impact on the records of the water-tube tiltmeters， vertical pendulums， extensometers， and seismometer， we analyzed the signatures of this disturbance using the signal processing method. The study produced several important results： In particular， the water-tube tiltmeters were more capable of detecting the vibratory disturbances than the vertical pendulums and extensometers， and the main feature of the disturbances was dominated by high-frequency tremors. Furthermore， the primary frequencies of high-frequency tremors for the water-tube tiltmeters in the NS and EW directions were 0.07 and 0.059 cpm， respectively. The vertical pendulums and extensometers were less sensitive to vibratory disturbance excited by the road construction. The high-frequency tremors in the seismic data occurred mainly at frequencies of approximately 2.2～4.6 Hz， and their whole waveform was analogous to the shape of two connected beads. The vibratory disturbance excited by onset of road construction was recorded at 08：00 and had a duration of approximately 12 h. The results of this study can be used to identify the noise generated by road construction in tilt， strain， and seismic data. Moreover， the method used in this work may contribute to traceable diagnosis.

[Keywords] road construction; Yichang station; crustal deformation; seismometer; tremor