青藏高原东北缘宽频带地震台阵远震记录波形及背景噪声分析

刘旭宙, 沈旭章, 李秋生, 张元生, 秦满忠, 叶 卓

1)中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地, 甘肃兰州 730000; 2)中国地震局兰州地震研究所, 甘肃兰州 730000; 3)中国地质科学院地质研究所, 北京 100037

青藏高原东北缘宽频带地震台阵远震记录波形及背景噪声分析

刘旭宙1, 2), 沈旭章1, 2), 李秋生3)*, 张元生1, 2), 秦满忠1, 2), 叶 卓3)

1)中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地, 甘肃兰州 730000; 2)中国地震局兰州地震研究所, 甘肃兰州 730000; 3)中国地质科学院地质研究所, 北京 100037

本文利用远震极性分析和概率密度函数统计法对国家深部探测专项SinoProbe“青藏高原东北缘宽频带地震台阵”40个台站的远震记录波形和背景噪声进行了评估和影响因素分析。结果表明: (1)该台阵对远震有较好的记录和识别能力, 且单台定位结果较好; (2)被检测台站背景噪声达到或接近同类地区固定台站的噪声水平标准, 观测数据品质较高; (3)根据实际观测资料计算的各台站概率密度函数 PDF分析结果建议, 在青藏高原东北缘黄土层较厚地区开展宽频带流动观测, 应首选基岩台基以保证三分量观测效果, 在不得已选择非基岩台基情况下, 应深埋地震计以达到最大程度降噪。

青藏高原东北缘; 宽频带地震观测; 远震极性分析; 背景噪声分析

青藏高原东北缘是三大构造域(青藏块体、阿拉善块体、鄂尔多斯块体)交汇地区, 是一个典型的似三联点构造(田勤俭等, 1998)。它是青藏高原向大陆内部扩展的前缘部位, 处在地球上板块碰撞最强烈的区域边缘(Kind et al., 2010)。在高原整体不断隆升和向北东侧向挤压的背景下, 该区域从晚新生代到现今构造变形十分强烈(高锐等, 2011)。作为青藏高原最新的和正在形成的重要组成部分, 青藏高原东北缘近年来已成为青藏高原研究的新热点区域之一。

宽频带地震流动观测是目前地震学中一个极为活跃和重要的研究方法和手段, 由于其具有分辨率高, 探测深度大, 布设灵活的优点, 适合于地震的精确定位、特定研究区地球结构分析及大震动态跟踪等综合研究, 已成为开展高分辨率地震观测的重要手段(高原, 1996; 吴庆举等, 1998; 李秋生等, 2001; 赵文津等, 2008; 高锐等, 2009)。

为了揭示青藏高原东北缘深部结构, 探讨青藏高原向大陆内部扩展前缘的岩石圈变形机制和地球动力学背景, 国家专项“深部探测技术与实验研究”(SinoProbe)在青藏高原东北缘针对黄土塬自然地理条件进行了宽频带流动观测实验, 于2011年11月完成40个台站的布设并维护运行到2012年11月。

台站噪声是影响地震观测质量的主要因素之一。在流动观测方法出现之前的年代, 固定台站分布稀疏, 通常可以通过严格选址, 远离噪声源, 或在山洞中建台等措施达到降低背景噪声, 保证观测质量的目的。宽频地震流动观测是20世纪90年代才兴起的地震观测新技术。流动观测通常是针对特殊对象(如火山喷发), 或应急性观测(如灾难性地震后余震观测)。由于台站密度大, 选址范围受限, 台基建设较仓促, 固定台站时代采用的规避噪声源的措施已经变得不现实, 噪声与生俱来地存在于流动观测数据中, 因此对流动台阵观测采集到的数据进行质量评估和背景噪声影响因素分析就成为宽频地震流动观测实验研究必不可少的重要内容之一。

随着全球台网密度的提高, 目前全球中强地震的定位结果精度都较高, 利用流动台阵单台远震记录, 通过单台极性分析方法确定地震位置, 和全球定位结果对比, 可以对仪器的地震事件记录能力及仪器的记录是否正确进行初步分析。其次, 概率密度函数(Probability Density Function, PDF)统计法是在传统的噪声功率谱密度(PSD)分析方法的基础上,更全时段地分析地震观测台站噪声水平的方法, 由Mcnamara和Raymonnd首次提出(McNamara et al., 2004), 近年来已被越来越多的国际同行应用。在美国该方法已被应用于IRIS、ANSS的数据管理和流动台阵观测数据质量控制。国内, 葛洪魁等(2013)、吴建平等(2012)用PDF方法分析了华北地区的背景噪声、台基响应及噪声特征。

一般情况下, 由于可选择台址的局限性, 各种环境噪声对流动台站的影响甚于同地区的固定台站,截止目前, 尚未有工作对青藏高原东北缘宽频地震流动观测台阵的噪声背景进行系统定量分析。本文采用一年的观测资料, 首先利用远震记录的单台极性分析结果, 对仪器记录地震事件的正确性进行了检验。之后, 计算了各台站的功率谱概率密度函数(PDF)并进行了影响因素分析, 其结果可供今后在该地区进行宽频带地震流动观测时参考。同时作为一个自然地理和人文条件特殊地区, 也可为建立中国大陆噪声特征模型积累科学数据。

1 台阵地质地理背景简介

2011年11月至2012年11月, 中国地质科学院地质研究所和中国地震局兰州地震研究所合作, 在青藏高原东北缘架设了40套宽频地震仪, 测线近南北向延伸, 平均台站间距15 km, 总长度近600 km。测线最南端台站位于四川省红原县瓦切乡, 向北依次穿过松潘甘孜地块、西秦岭、祁连山和河西走廊,终止于阿拉善地块南缘, 最北端台站位于甘肃省景泰县红水镇。测线跨越东昆仑断裂、西秦岭断裂、海原断裂等多条现代活动断裂(图1)。

图1 台阵分布图Fig. 1 Distribution of the observation station array

青藏高原东北缘自然条件艰苦, 交通不便, 经济欠发达。在该区开展宽频带地震观测实验, 工作条件十分复杂。南部为高海拔、少数民族聚集地区,北部为黄土高原、沙漠地区。青藏高原东北缘宽频地震观测台阵是一个线性台阵, 整体呈南北走向,沿线自然地理条件变化明显, 依地貌和基岩出露情况, 可以大致划分为南部若尔盖高原和西秦岭山地,北部临夏—兰州—景泰黄土塬地区。南部的特点是多有基岩出露, 以牧区为主, 藏、回、汉多民族聚居,背景噪声源以非工业噪声为主; 北部的特点是少有基岩出露, 地表被巨厚黄土覆盖, 临夏、兰州、景泰等大中城市有较强的工业噪声, 人文噪声也较南部强许多。

总体来说, 青藏高原东北缘地震观测的背景噪声随着地理、地质条件的变化而差异显著。而观测台阵所配备仪器的良好观测性能则保证了在宽频的范围内可以真实地反应出地表的噪声信息, 并进而对背景噪声进行细致的分析。台阵的各台站配备了REFTEK-130B型数据采集器(简称数采)和 Guralp CMG-3T(或3ESP)型地震计(表1), 各台站的采样率统一使用50次/s。

表1 台阵观测仪器的参数Table 1 Parameters of the instrument

2 波形记录及极性分析

2.1 原始记录波形

为了对本项目所布设的每台仪器的记录效果和准确性进行分析, 我们选择观测期间记录的两次大震级的远震(表2), 将这两个地震事件的部分台站的垂直分量原始记录波形按震中距进行排列(图2), 并将根据IASP91模型计算主要震相的理论到时。

图2 关于1#(A)、2#(B)两次地震的台阵垂直分量的原始波形记录Fig. 2 Primary waveforms of component UD of earthquake 1#(A) and 2#(B)

对于1#地震, 虽然震中距超过了120°, 仍然可以清晰的看到Pdiff震相, 这应该和1#地震的震级较大, 并且发震时间在北京时间的午夜, 各台站的背景噪声在较低的水平有一定关系。对于 2#地震,由于震级达到了8.6, 各主要震相都非常清晰。这表明台阵的记录质量总体情况良好。

表2 两次地震的目录Table 2 Catalog of two earthquakes

2.2 单台极性测试

为了进一步分析项目所布设的每台仪器记录的准确性, 我们利用单台记录的远震波形资料进行单台极性分析, 以此来检验仪器三分量的摆放位置是否正确。在两次地震的波形记录中, 有30个台站有完整的三分向波形记录可以进行极性分析。

分析时选取震相(1#地震为PP震相, 2#地震为P震相)附近3 s左右的波形。图3为sta102台站的极性分析示意图, 可以看出两次地震极性分析中结果和理论值的差别很小, 说明该台站的极性正确。并且实际值的能量都比较集中, 说明台阵对于这两次地震的对应分析震相有很好的识别能力。对于各台站的分析结果(表3), 总体来说两次地震极性分析的实际值和理论值的差别较小; 个别台站有一定的差别是因为分析时并没有做滤波处理, 从而受到了局部干扰的影响, 但是其方位和慢度仍然基本正确。

图3 sta102台站1#(A)、2#(B)两次远震的台站极性分析结果Fig. 3 Polar analysis of earthquake 1#(A) and 2#(B) of sta102

通过远震的波形记录查看以及资料初步分析,可以看出青藏高原东北缘野外宽频带地震台阵有较好的观测精度和地震识别能力, 单台定位的结果与全球地震目录相符, 各台站仪器的三分向极性正确,能客观记录地震事件。

3 台阵PDF分析

3.1 典型特征台站介绍

青藏高原东北缘黄土塬台阵由南至北架设在不同的地质和自然地理环境中, 噪声情况差异明显。在计算分析台阵各台站的噪声背景后, 我们选取了有代表性的6个台站针对不同环境的噪声进行了详细的对比研究。6个台站的周围都没有飞机场、大河流、工厂、矿场、变电站、学校、水库、铁路、高大建筑物和高大树木等干扰因素, 因此可以认为背景噪声主要来源于自然噪声和人为噪声(包括公路交通引起的噪声)。其差别主要是观测台站所在的地质环境, 以及台站的台基、保温措施和人为噪声影响(主要为公路车辆和人畜走动等影响)情况。6个台站的具体描述如表4。

3.2 数据处理方法

计算噪声功率谱密度(PSD)是分析背景噪声的传统方法, 计算时往往选取外界噪声较小、没有较大地震发生的时段来进行PSD计算。这种方法固然可以反映有代表性的台站噪声水平, 但是却不能全面反映出台站的噪声水平, 而计算时段本身也值得讨论。McNamara和Raymonnd提出了用概率密度函数(PDF)统计法分析地震观测台站噪声水平的方法(McNamara et al., 2004), 这种方法有别于传统的PSD计算方法, 在计算中不需要排除包括地震在内的突发事件, 而是对所有记录数据进行一样的处理,在保持数据连续性的同时, 各种对背景噪声的影响体现在概率密度函数PDF的概率值中。

表3 各台站极性分析结果Table 3 The results of polar analysis of each station

表4 对比分析台站的相关信息Table 4 Information of stations for comparative analysis

在实际的资料处理中, 本文选取各台站2011年11月1日至2012年10月31日一整年的记录波形,利用葛洪魁等(2013)的数据处理方法对该数据进行处理, 并最终采用速度功率谱密度与 NHNM 和NLNM对比。NHNM和NLNM是Peterson在定量分析了全球各地 75个固定地震台站的地震背景噪声功率谱密度后, 得到的全球地震背景噪声模型(Peterson, 1993), 分别为新高噪声模型(NHNM)和新低噪声模型(NLNM)。

图4 sta115台站垂直分量PDF(根据8294条PSD结果)Fig. 4 PDF of component UD of station115 (based on 8294 PSDs)

图4为台站sta115的垂直分量在2011年11月1日至2012年10月31日记录的波形数据处理后的结果。由于平均值则容易受到极值的影响, 中值曲线则平滑并接近众数统计曲线(葛洪魁等, 2013)。图4中对各台站的PDF结果均计算了均值和中值。可以看出, 中值更接近实际的功率谱概率密度最大值。

3.3 台阵噪声水平评价

国家地动噪声标准对于长期观测的固定测震台站有一定的要求, 在设备完成安装并进行系统校准后连续观测48 h, 对48 h的数据, 抽取白天和晚上各4 h的噪声记录数据进行PSD计算, 检验计算结果是否满足台站环境地噪声分级要求, 不满足时地震记录资料降级使用(GB/T 19531.1—2004)。但是流动台站尚未出台相应的技术标准。

本文利用了之前计算过的PDF中值评估台阵的环境噪声水平, 其结果更能代表环境噪声的真实水平。6个对比分析台站的垂直分量和东西分量的噪声水平和参照国家地动噪声标准后的地噪声级别如表5。

表5 各台站的地噪声级别(垂直分量和东西分量)Table 5 Ground noise level of each station (component UD and EW)

对于甘肃东南地区安放宽频带数字地震仪的固定台站, 环境地噪声水平在各类地区应符合不大于II级环境地噪声水平要求。流动台站因为选台的限制, 环境噪声水平自然会比固定台站差一些。不过通过对选取的 6个台站的噪声评价可以看出, 各台站地噪声水平大体在Ⅰ级到Ⅲ级之间, 满足流动观测的噪声水平要求。其原因在于台址选择时即注意避免了诸多影响观测的因素, 因此影响地噪声的因素主要为公路车流、人为活动以及近震、温度、气流等。在对上述因素进行一定有效地规避后, 台站在 1～20 Hz范围可以保证有较好的环境地噪声水平。其中 2个 III级环境噪声水平台站, 其主要噪声影响来自于非干道的车流、弱人为活动以及气流。

3.4 PDF对比

在宽频带地震仪的正常频带记录范围内, 仪器噪声是远低于自然噪声的, 因此噪声功率谱得到的结果基本上反应了外界自然噪声的实际情况。大体上, 可以将噪声分为高频(1 Hz频率以上)、低频(1～10 s)和长周期(10～50 s)三个部分。前人的研究表明: 高频部分的干扰主要以诸如铁路、公路、工厂以及人类活动等为主, 这种干扰随距离的衰减也是最快的, 另外气流等自然因素也会形成高频的干扰,并对水平方向更为明显, 还有就是地方震对背景噪声的影响(McNamara et al., 2004); 低频部分的干扰主要来自微震噪声, 一般认为海洋波与海底或海岸线的非线性相互作用引起海底压力扰动(Longuet-Higgins, 1950; Frontera et al., 2010), 主要成分为面波。此外中远震会影响到这一频率范围的背景噪声; 长周期部分的噪声则主要和自然因素相关(Bonnefoy-Claudet et al., 2006), 如风、急流(瀑布和河流)、温度变化、气压变化、地倾斜等都会导致长周期噪声, 其中地倾斜使重力耦合到水平分量中,因此水平分量的长周期噪声会高过垂直分量(Wielandt, 2002)。此外远震的各类波也在低频和长周期范围内影响背景噪声。

3.4.1 台站间对比

对比6个台站的垂直分量PDF中值曲线以及加入sta120台站后的水平分量中值曲线(图 5), 可以看出:

图5 6个对比研究台站的PDF中值对比Fig. 5 Comparison of PDF’s medians of 6 stations

1)在高频部分, 垂直分量的背景噪声和水平分量大致在同一水平。公路车流、人为活动以及沉积层的厚度是影响背景噪声的主要因素。其中, 沉积层较薄的 sta133台站虽然距离公路较近, 但是却明显比厚黄土层覆盖的sta123有更低的背景噪声。一般来说, 超过1000 m后(对于干道), 公路的影响将大为降低。从远离公路的台站噪声对比中可以看出,气流等其他因素对水平分量背景噪声的影响大过垂直向。

2)在低频部分, 特别是在周期2～10 s区间, 6个台站的垂直分量背景噪声差别很小, 水平分量的差别略大于垂直分量。每个台站两个分量的噪声水平中, 垂直向大过水平分量约3～5 dB。在这一频率范围背景噪声主要受到共同的噪声源-微震噪声的影响, 各台站各分量也均表现出微震噪声峰值。

3)在长周期部分, 各个台站垂直分量的背景噪声呈现出较为相同的分布, 东西分量也有同样的表现(基岩台除外)。而每个台站的垂直分量和东西分量之间又表现出较大的差异(基岩台除外), 非基岩台水平分量的背景噪声高过垂直分量可以达到10 dB到20 dB。如前述, 地倾斜使重力耦合到水平分量中是形成这一频率范围水平噪声的重要原因,地倾斜的产生可以是地面荷载变化如重型机械、大气压变化等多种因素引起的(Wielandt, 2002; 谢剑波, 2007), 只有在整体岩性很好的情况下(sta115台站)会有显著降低的水平分量背景噪声。

在东西分量的背景噪声对比中加入了地震计较深掩埋的sta120台站, sta120台站临近sta123台站,位于较厚的黄土层覆盖的区域, 其地震计埋在地面下2 m深的坑中。可以看出, 地震计较深的掩埋对于降低sta120台站长周期部分的背景噪声起到了一定的作用, 在3 dB左右。此外, 温度变化时机械部件热补偿的不一致会破坏地震计内部的平衡状态,从而在这一频率范围内也会影响背景噪声。图 5B 中, 保温措施较差的 sta133台站则明显有更高的背景噪声, 说明温度、气流等因素对于长周期范围背景噪声的影响也是很明显的。

3.4.2 单台站分时域对比

我们将每个待分析台站一年的PSD分为较温暖(5—10月)和较寒冷(11月—次年4月)两个时段, 并分别统计PDF以观察背景噪声在一年当中的变化。

各台站垂直分量的季节性差异并不明显(图 6),高频部分暖季相对略高, 低频部分变化很小, 仅在微震噪声峰值附近可以清楚看到有微小的变化, 长周期部分暖季相对略低。相对于垂直分量, 水平分量的变化则较为明显(图7), 其变化基本上在高频部分和长周期部分, 暖季时这两个频率范围的噪声更高, 表明水平分量的背景噪声对季节性差异更敏感。

两个分量在高频部分季节性的差异应与季节性人为活动的密度相关。在长周期部分, 因为垂直分量受地倾斜的影响较小, 因此其背景噪声的季节性差异主要源于温度和气流的季节性变化。对于水平分量, 由于暖季时有更大的昼夜温差, 并且地倾斜的问题也更为严重, 因此其长周期部分的背景噪声明显更高。值得注意的是海拔更高、属地气候温差更大的sta102和sta117台站的整体季节性差异较其他台站更大, 可能是更大的温差导致沉积层的结构特性有较大的差别, 从而使得两个台站在高频和长周期范围有较大的背景噪声差异。

将各台站一年的数据分别按照每天白天(8点至20点)和夜晚(20点至 8点)两个时段统计计算 PDF并进行对比(垂直分量的对比为图 8, 水平分量的对比为图 9), 高频部分各台站的垂直分量和水平分量显示一致性的差异, 白天高过晚上5～10 dB, 其原因主要为人为活动的差异; 低频部分没有明显的差异,是因为其噪声源来自于微震噪声及中远震影响; 长周期部分水平分量的差异频率范围和差异幅度均大过垂直分量, 垂直分量的差异原因与白天更大的气流、温度、气压变化有关, 水平分量对于上述因素更为敏感, 并且由于上述因素耦合到地倾斜中, 使得水平分量的差异频率范围和差异幅度都较垂直分量有增加。

图6 各台站垂直分量PDF中值曲线分季节对比Fig. 6 Comparison of PDF’s medians of each station in different seasons (component UD)

图7 各台站东西分量PDF中值曲线分季节对比Fig. 7 Comparison of PDF’s medians of each station in different seasons (component EW)

图8 各台站垂直分量PDF中值曲线昼夜对比Fig. 8 Comparison of PDF’s medians of each station in different periods (component UD)

图9 各台站东西分量PDF中值曲线昼夜对比Fig. 9 Comparison of PDF’s medians of each station in different periods (component EW)

4 结论

1)通过两次远震的波形记录查看及资料分析,可以看出青藏高原东北缘野外宽频带地震台阵有较好的观测精度和地震识别能力, 极性分析结果显示各台站仪器三分量方位正确。对选取的6个台站进行的噪声评价, 台站地噪声水平在Ⅰ级到Ⅲ级之间,满足流动观测噪声水平要求。

2)PDF方法对比研究背景噪声, 知其分布特征如下:

1 Hz以上以及0.2 Hz以下频率范围的台站背景噪声最易受影响。在1 Hz以上频率范围, 公路、人为活动等是主要影响因素, 较厚沉积层环境的台站受影响尤甚, 黄土覆盖较厚的地区, 特别需要注意这一因素。气流也会影响这一频率范围的背景噪声。在0.2 Hz以下的频率范围, 水平分量的背景噪声较垂直分量更容易受到地倾斜、温度、气流等因素的影响, 地倾斜对于背景噪声的影响一般可能会大过其他因素。当台站架设在整体岩性好的基岩上, 并采取较好的保温、防气流措施后, 其背景噪声会显著降低。另外, 地震计深埋2 m以上有降低3 dB左右的背景噪声的效果。

细分不同时段对比后发现, 暖季(5—10月)和白天(8—20时)伴随整体背景噪声高。水平分量的背景噪声在不同时段中的变化大过垂直分量, 高寒地区在暖季的时候地倾斜、温度、气流等影响因素也更突出, 季节性温差可能导致沉积层结构特性的差异从而加大背景噪声的季节性差别。

台站基础建设和监测环境是记录资料质量的保证。对于流动观测来说, 一般不具备足够的投入可以像固定台站一样建设基础观测设施。因此合理地选择观测环境对于观测质量的保证尤为重要。实验表明地震计深埋能起到一定的降噪效果, 此方法适用于土层较厚的地区。在整体性较好的基岩上架设台站则能保证各分量的观测效果。在高寒地区的台站, 需要经常巡视, 注意在不同的季节中调节地震计的水平状态。青藏高原东北缘是地震学者所关注的热点地区, 在宽频带地震流动观测广泛应用的今天, 确保台站观测质量是相关研究的重要基础。进一步的实验是用更多的仪器进行不同观测条件下的背景噪声对比。

致谢: 本文的资料处理使用了 Sandia实验室的Matseis软件, 以及 Lawrence Livermore实验室的SAC软件, 图1绘制使用了GMT软件(Wessel et al., 1995), 在此表示谢意。

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An Analysis of the Tele-seismic Waveforms and Ambient Noise of Temporary Broadband Seismic Array on the Northeastern Margin of the Tibetan Plateau

LIU Xu-zhou1, 2), SHEN Xu-zhang1, 2), LI Qiu-sheng3)*, ZHANG Yuan-sheng1, 2), QIN Man-zhong1, 2), YE Zhuo3)
1) Lanzhou Base of Institute of Earthquake Prediction, China Earthquake Administration, Lanzhou, Gansu 730000; 2) Lanzhou Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Lanzhou, Gansu 730000; 3) Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037

According to the analysis of tele-seismic waveforms and Probability Density Function (PDF), the ambient noise of the broadband seismic array with 40 stations on the northeastern margin of the Tibetan Plateau was estimated. The results from polarity analysis were also used to test the recording capability of the tele-seismic event. Some conclusions have been reached: (1) the array has good capability for tele-seismic event; (2) the level of background noise of the seismic array is close to that of the permanent stations, the quality of records is high; (3) the results from PDF analysis imply that the best choice of the base for seismometer is the bed rock. The seismometer should be buried beneath the ground if there is no bed rock.

northeastern margin of the Tibetan Plateau; broadband seismic observation; polarity analysis of tele-seismic waveforms; ambient noise analysis

P315.2; P631.443

A

10.3975/cagsb.2014.06.12

本文由中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项(编号: 2012IESLZ03; 2012IESLZ09)和国家专项“深部探测技术与实验研究”课题“宽频地震观测与壳幔速度研究”(编号: SinoProbe-02-03)联合资助。

2014-01-14; 改回日期: 2014-07-26。责任编辑: 张改侠。

刘旭宙, 男, 1976年生。高级工程师。主要从事地震学研究。通讯地址: 730000, 兰州市东岗西路 450号。E-mail: liuxz@gssb.gov.cn。

*通讯作者: 李秋生, 男, 1958年生。研究员。长期从事大陆岩石圈结构的地震学探测与研究。通讯地址: 100037, 北京市西城区百万庄大街26号。E-mail: liqiusheng@cags.ac.cn。

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