山西数字测震台站观测动态范围和台基背景噪声分析

高伟亮，吕 睿，梁 艳，丁大业，郑树平

（1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025）

0 引言

山西测震台网已运行7年，目前共有57个测震台站。随着山西经济建设的飞速发展，矿山开采、大型工厂的建设、高速公路建设、铁路建设等，都可能对地震观测的场地环境造成影响。因此，有必要对全省测震台站的台基背景噪声进行一次全面的分析研究，对存在的问题提出科学、合理的解决方案，为山西测震台网的台站优化工作提供一定的参考依据。

1 山西数字测震台网简介

山西数字测震台网由3个国家数字测震台、38个区域数字测震台、16个市县数字测震台，共57个台站组成。全部为基岩台站，其中有44个台站为地表观测室，13个台站为观测山洞。仪器设备主要由港震公司EDAS－24IP数据采集器和EDAS－24GN数据采集器、BBVS－60／120宽频带地震计和英国 Guralp公 司CMG－DM24数据采集器、CMG－3ESPC宽频带地震计组成。

2 资料选取

“十五”山西数字测震台网自2007年9月运行以来，运行稳定。通常台基的干扰背景与时间有关，白天噪声大，夜间较平静。为达到对全省测震台站进行综合评价的目的，在资料选取时，白天和夜间分别选取样品记录。随机选择57个台站2012年至2014年所记录的宽频带噪声数据，白天选取11时至13时，夜间23时至次日01时，并确保所选的数据是无震、无明显干扰情况下的背景噪声记录，记录长度足够长（1小时）。

3 数据预处理

3.1 数据获取

台网的台站记录速度值采用SEED格式。通过MSDP模块从台网中心JOPENS系统的流服务器上读取原始波形数据，本文以各个台站单通道每小时的实时记录波形为计算样本，首先将1小时的波形数据进行分道并转换为ASCⅡ码格式文本。

3.2 去直流偏移

在台站观测记录中会出现直流偏移，并不代表真实的地脉动，在时间运算过程中必须剔除。把整个记录长度求和除以记录的总数，即把记录的平均值作为该记录的直流偏离量，然后，逐点减掉直流偏离量作为校正过程第一步，用数学公式可以写成：

式中：fi为每个采样点的值；N为记录长度中的采样点个数［1］。

3.3 速度PSD值估算

估算地震噪声PSD值最为常用的方法被称为直接傅里叶变换法。该方法通过计算有限长度数据序列的FFT变换来计算PSD值。为了得到以频率为自变量的FFT变换，y（t）的FFT变换可以表示为：

式中：f＝k／NΔt（k＝0，1，…，N－1）；N 为采样点个数。文中的功率谱密度PSD表示为总功率谱密度的形式，即：

式中：f＝k／NΔt（k＝0，1，…，N／2），k的取值从0至N／2，仅包含Y（f）的正频率成分［2］。

3.4 扣除仪器响应

为得到地动噪声的物理量值，需对公式（3）计算的Pv（f）扣除仪器响应，即：

式中：H（f）为仪器的传递函数［1］。

4 台网各子台的噪声观测资料计算结果

4.1 台站地动噪声均方根值和有效测量动态范围计算

数字地震仪记录的数据是电压数字值，实际计算中要先把数字转换成地动速度，计算公式为：

式中：v为实测地脉动速度值；N为实际记录背景噪声的数字数；V0为模拟输入峰值电压；R为仪器分辨率（counts）；S1为地震计的工作灵敏度；Gm为数据采集器实际工作时的增益。

利用地动噪声的均方根值（RMS）可以衡量台站的背景噪声水平，用该值衡量噪声水平的优点在于对来自不同噪声源的噪声可按照一个相同的尺度进行比较。地动噪声均方根值按下式进行计算：

式中：n为测量次数；vi为某一点实测地动速度值；ˉv为实测地动速度均值。

根据数字地震观测技术规范要求，台基的干扰水平在1～20Hz内，地动速度的噪声水平应低于1×10－7m／s［2］。

4.2 环境地噪声水平（Enl）计算

按照中国地震局测震台站观测环境技术要求（GB／T19531.1－2004）的规定，采用1／3倍频程滤波器在1～20Hz频带范围内用PSD计算RMS值，如果噪声记录是地面运动速度进入，则计算结果得到的就是环境地噪声水平Enl。

由速度功率谱密度PSD计算RMS的公式为：

式中：fc为分度倍频程中心频率；RBW 为相对带宽，计算公式为：

式中：fu为分度倍频程上限频率；fl为分度倍频程下限频率［3］。

台站有效测量的动态范围反映了仪器本身性能指标确定后，台站环境干扰水平对记录地震信号最大动态范围的限制。由于台站环境噪声与地震信号的叠加，使得仪器达不到设计的动态范围，只能达到有效测量的动态范围。有效测量的动态范围计算公式为：

式中：V0为模拟输入峰值电压；Gm为数据采集器实际工作时的增益；S1为地震计的工作灵敏度；RMS为地动噪声的均方根值［2］。

4.3 环境地噪声的划分方法

根据中国大陆背景地噪声区域划分，山西省数字测震台网台站所属的背景地噪声区域为B类地区，安放宽频带数字地震计台站的环境地噪声水平应不大于Ⅱ级环境地噪声水平，安放甚宽频带数字地震计台站的环境地噪声水平应不大于Ⅰ级环境地噪声水平。按照中国地震局测震台站观测环境技术要求（GB／T19531.1－2004）规定，台基背景噪声在1～20Hz频带范围的速度RMS值作为评估标准，RMS＜3.16×10－8m／s的台站划为Ⅰ类台，3.16×10－8m／s≤RMS＜1.00×10－7m／s的台站划为Ⅱ类台，1.00×10－7m／s≤RMS＜3.16×10－7m／s的台站划为Ⅲ类台，3.16×10－7m／s≤RMS＜1.00×10－6m／s的台站划为Ⅳ类台，1.00×10－6m／s≤RMS＜3.16×10－6m／s的台站划为Ⅴ类台［3］。

4.4 山西测震台网测震台站环境地噪声水平计算

对57个数字测震台站进行地动噪声功率谱密度计算，由于台基情况比较复杂，在短周期频段1～20Hz范围内，地动噪声水平较低；在10～1 000s频段，地动噪声水平较高。因此，把台基按地噪声高低分类，根据观测频段划分比较合适，按全频段划分比较困难。计算得到57个台站白天和夜间时段RMS、有效测量的动态范围和地噪声环境水平如表1所示。

表1 山西测震台网各台站RMS、有效测量动态范围和环境地噪声水平Table 1 The root－mean－square，the effective dynamic range and background noise level of each station in Shanxi seismic network

表1 （续）

表1 （续）

5 噪声功率谱分析

5.1 速度PSD值估算

令时间函数f（t）表示地震记录中的位移，对其进行傅里叶变换：

将其变换到频率域中得F（ω），实函数｜F（w）｜2通常称为功率谱或能量谱，更确切地叫功率谱密度或能量谱密度，即在频率的尺度上每单位间隔的功率或能量。计算功率谱的方法通常有2种：快速傅里叶变换法（FFT）和相关变换法。一种是首先计算给定信号的快速傅里叶变换，然后取其绝对值的平方；另一种是首先计算自相关，然后计算其傅里叶变换。本文采用第一种方法，利用快速傅里叶变换法（FFT）计算功率谱。公式如下：

式中：N 的取值为2k，即2，4，8，16，…。

5.2 山西测震台网各台基噪声功率谱密度曲线分析

对所选的资料进行计算处理后，得出山西数字测震台网各子台的地动噪声有效值和功率谱。计算功率谱密度和地动噪声有效值的程序采用中国地震局港震机电技术有限公司童汪练老师研制开发的软件。下面将山西测震台网各台基噪声功率谱密度曲线形态分几种情况分析。

（1）台基噪声正常，一致性非常好的台站。

从右玉、上皇庄台台基背景噪声功率谱密度曲线形态上可以看出，垂直、东西和南北向的功率谱曲线从长周期到高频段的一致性非常好，而且3条曲线在20s～20Hz频段内非常贴近地球地噪声模型（NLNM），属于正常台基的地动噪声功率谱形态（见图1）。

（2）台基噪声大致正常，低频端噪声峰有疑问，高频端仪器噪声明显的台站。

从长治、恒山台台基背景噪声功率谱密度曲线形态上可以看出，垂直、东西和南北向的功率谱曲线从长周期到高频段的一致性要差一些，而且3条曲线在低频段内有一个噪声峰，高频段内噪声毛刺多，初步判定为仪器噪声（见图2）。

（3）台基噪声大致正常，低频段东西向和南北向噪声偏高的台站。

从安泽、永济台台基背景噪声功率谱密度曲线形态上可以看出，低频段东西向和南北向噪声偏高。分析认为，台站附近可能存在长周期干扰源（见图3）。

（4）台基噪声大致正常，低频段垂直向噪声偏高。

从娄烦、偏关台台基背景噪声功率谱密度曲线形态上可以看出，2个台大致属于正常台基噪声功率谱形态，但低频段垂直向噪声比水平向偏高，而且垂直向噪声远离水平向噪声功率谱曲线（见图4）。

图1 右玉、上皇庄台台基背景噪声功率谱密度曲线Fig.1 Power spectral density of background noise at Youyu and Shanghuangzhuang Station

图2 长治、恒山台台基背景噪声功率谱密度曲线Fig.2 Power spectral density of background noise at Changzhi and Hengshan Station

图3 安泽、永济台台基背景噪声功率谱密度曲线Fig.3 Power spectral density of background noise at Anze and Yongji Station

图4 娄烦、偏关台台基背景噪声功率谱密度曲线Fig.4 Power spectral density of background noise at Loufan and Pianguan Station

（5）选取灵丘台为例，分析台基背景噪声功率谱密度曲线年变特征。

从灵丘台台基背景噪声功率谱密度曲线可以看到，2012年3月6日山西信息安全服务工程升级改造安装仪器后，5月的台基背景噪声功率谱曲线高频段毛刺多，而且三分向一致性较差，表明仪器刚开始运行1个多月来不稳定，可以视为仪器噪声，直至2013年11月曲线形态的一致性才得到改善。从2014年11月台基背景噪声功率谱曲线看到三分向的台基噪声功率谱曲线形态一致性非常好，说明仪器运行三年多来，趋于稳定（见图5）。

图5 灵丘台2012—2014年台基背景噪声功率谱密度曲线变化图Fig.5 Variation of power spectral density of background noise at Lingqiu Station from 2012to 2014

（6）以保德台为例，分析当台站环境遭到破坏时的年变特征。

从第23页保德台台基背景噪声功率谱密度曲线图6看到，2012年5月，台基噪声功率谱密度曲线低频段水平向接近于地球高噪声模型（NHNM）范围，到11月，低频段水平向已远远超过地球高噪声模型（NHNM）范围，到2014年11月，低频段三分向均远远超过地球高噪声模型（NHNM）范围，说明台站周围环境随着时间的推移在逐步恶化。现场勘查发现，保德测震台距黄河不到1 000m，雨季黄河水量变化时会有长周期变化的干扰；离台站100m左右的地方打了一口抽水井，水泵工作时会有一定程度的高频干扰；忻保高速公路距台站不到2 000m，在施工过程中，台站附近山梁的一些活动和大型机械打钻开采煤层气对台站的观测数据都有一些干扰。台站的水平向与垂直向在低频段的各项数据都相差甚大，一致性较差，分析认为是由于台站气流、气压、温度等变化大的原因。台站的台基噪声功率谱密度曲线三分向在高频段毛刺多，而且接近于地球高噪声模型（NHNM）范围，认为与抽水井水泵工作和大型机械打钻开采煤层气有关。

图6 保德台2012—2014年台基背景噪声功率谱密度曲线变化图Fig.6 Variation of power spectral density of background noise at Baode Station from 2012to 2014

（7）台基噪声不正常的台站。

从襄垣、霍州台台基背景噪声功率谱密度曲线图7看出，2个台的低频端水平向噪声高过地球高噪声模型（NHNM）范围，说明台站附近可能存在固定干扰源，也可能跟台站当地的地质构造或固定场地环境有关，在今后做进一步的研究。

图7 襄垣、霍州台台基背景噪声功率谱密度曲线Fig.7 Power spectral density of background noise at Xiangyuan and Huozhou Station

5.3 山西数字测震台网噪声功率谱密度分析

将山西数字测震台网57个台站垂直向的噪声功率谱密度曲线绘制到一张图上进行比较（见图8），得出：

图8 山西省数字测震台网子台地动噪声谱曲线图Fig.8 Ground pulsation noise spectrum of substations of Shanxi Digital Seismic Network

（1）长周期和高频段噪声功率谱曲线差异大。分析地噪声源主要是倾斜、气流、气压、温度等因素，表现在噪声模型20s以上。对于风扰问题，建议增强测震台站密封性，减少测震台站及周围因大风而产生震动的因素。

（2）10～5s频段的噪声变化差异较小。

（3）20Hz以上频段的噪声功率谱呈线性上升趋势的可视为仪器噪声。

（4）低频端噪声高的原因主要有两个，一是环境温度变化大，二是仪器噪声大。对于温差、湿度大的问题，地表型测震台站一般日温差都较大，要增强测震台站观测室的密封性，未安装摆罩的，尽快安装。对于湿度较大的台站，适时开门通风干燥；山洞台站应在山洞内采取一定的干燥措施，所有台站均应在摆罩内安放干燥剂。

6 结论与讨论

通过对山西测震台网各台基背景噪声数字化记录进行计算和分析，得到台基背景噪声地动速度均方根值（RMS）、有效测量动态范围、噪声信号功率谱结果，表明：

（1）除娄烦台、左权台、临汾台、霍州台、阳城台外，其余台基地动速度RMS值均达到区域数字测震台网布设原则，即台基在1～20Hz观测频带内，干扰地动速度的平均水平（RMS值）应低于1.00×10－7m／s。

（2）白天人为等干扰比夜间较强，地脉动噪声RMS值白天高于夜晚。

（3）13个山洞测震台相对于地表基岩台，噪声RMS值相对小，受人为因素干扰小。

（4）山西测震台网各台基噪声背景优势频率各有特征，既有低频噪声干扰，又有高频噪声干扰。

（5）从表1看出，大同、山自皂、右玉、镇川、岢岚、保德、太谷、侯马、古交、阳泉、应县、神池、寿阳、临县和中阳的相对噪声差值都超过了100%，5Hz频点观测动态范围也明显变小。说明这些台站白天噪声相比晚上的差异太大，分析原因为人为活动干扰。

（6）把各个台站的环境地噪声水平分析作为日常工作的一部分。当台站环境地噪声水平发生明显变化而周围观测环境无大的变化时，可能是仪器出现故障，要及时维修，可以作为检测仪器状态的一种手段。

（7）开展台基分析工作，及时掌握台站观测环境的变化，为台站的观测环境保护提供充分依据，可以有针对性地对部分台站进行环境改造。

由于各子台所在地的经济发展、城市规模扩大、矿山的开采、大型工程的建设以及高速公路、铁路的建设等，使部分台基观测条件受到影响，建设高质量的测震台站面临着越来越大的阻碍和困难。为了减少噪声的影响，建设山洞台和深井台成为未来建台的趋势。通过对山西数字测震台网各种台基类型的台站噪声和有效测量动态范围、功率谱的计算与分析，可以对各台基类型台站和设备作出客观的评价，对山西省地震局“十二五”期间新建台站的各项指标设计（如台基选择、点位选择、仪器选型等）提供理论依据，为山西省主动震源技术发展和应用提供背景资料。因此，对数字测震台的台基噪声进行分析是一项有意义和重要的工作。

［1］徐嘉隽.福建测震台网测震台站环境地噪声水平用［J］.地震地磁观测与研究，2013，34（1）：101－105.

［2］裴晓，尹继尧，杨庭春.上海遥测台网各类型台基背景噪声分析［J］.地球物理学进展，2012，27（5）：1 897－1 903.

［3］中国地震局，云南省地震局.GB／T19531.1－2004 地震台站观测环境技术要求［S］.北京：中国标准出版社，2004.