汶川地震前后各台站台基地动噪声变化分析

管 勇，孔 军，唐 淋，马付红

(四川省地震局，四川 成都 610041)

汶川地震前后各台站台基地动噪声变化分析

管 勇，孔 军，唐 淋，马付红

(四川省地震局，四川 成都 610041)

利用“5·12”汶川地震前后三分向连续波形数据，对四川台网51个测震台站台基噪声功率谱进行计算，得到每个台站速度功率谱密度曲线及地面运动的速度记录的功率谱密度在1～20 Hz频带范围的均方根值，对地震前后各台地噪声水平进行了对比分析，结果表明：(1)51个台站的速度功率谱密度曲线均在高噪声和低噪声模型曲线间；(2)历经“5·12”汶川地震及“4·20”芦山地震后所有子台均适应宽频带观测要求，台站观测环境噪声水平全部符合规范要求。

四川测震台网；数字台站；地噪声水平；对比分析

四川地处南北地震活动带中段，是一个多地震的大省，具有地震强度大、频度高、分布广、震源浅、灾害重的特点。对于四川区域的地震监测结果表明，部分台基地动噪声水平的变化会影响波形数据的质量，会给震相识别以及科研工作带来一定的困难。利用地动噪声水平在很多区域已经取得了很多的研究结果，按照国家数字地震台网台站地脉动噪声功率谱分析，得到台站地动噪声的变化情况[1]。山东省“十五”测震台网子台地动噪声初步分析[2]，得到山东省各台的背景噪声地动速度均方根值、有效测量动态范围和噪声、信号功率谱。河北省数字地震台网子台地动噪声分析[3]，研究了河北省区域地动噪声的特性规律。玉树地震前后河北省的噪声变化研究[4]认为震前高频噪声升高与玉树地震有关，属于噪声异常。这里利用“5·12”汶川地震前后在四川测震台网收集到的子台波形数据资料，采用地动噪声测试方法对地动噪声水平进行计算，分析其变化规律。对震前和震后资料进行对比，研究经历了“5·12”汶川地震及“4·20”芦山地震后这个区域的地质构造运动、断层错动、地表愈合以及观测环境方面的变化，四川测震台网子台基噪声水平是否发生了变化？要回答这个问题，很有必要对地震前后观测记录波形资料进行筛选，找出符合条件波形进行台基地动噪声水平全面系统计算，搞清楚最近几年地震观测台站台基地动噪声变化统计规律，为台基改造或搬迁做些基础性研究工作，可针对性地对部分台站进行环境改造或搬迁，为地震监测预报创造更好条件。

1 四川测震台网概况和资料选取

为了减轻地震灾害，四川省建成了最初一个由52个宽频带地震台、1个数据处理中心组成的四川测震台网，在“5·12”汶川地震恢复重建项目中，补建了8个测震台，经改造完成后，四川测震台网的台站数量扩展为60个(参见图1)，使四川省的地震监测能力、地震编目精度和大地震的速报能力得到提升。其中的53个区域台全部采用60 s-40 Hz宽频带地震计(CMG-3ESPC、BBVS-60)和24位IP数据采集器(EDAS-24IP)，6个国家台采用120 s～40 Hz甚宽频带地震计(CTS-1E、CMG-3TB)和1个国家台采用360 s～40 Hz超宽频带地震计(JCZ-1)。各台站观测数据通过专用通信链路实时传输至四川省地震局，供进一步分析处理，并进行波形数据归档存储。本文因研究地震前后地噪声水平变化的对比分析，地震后补建的8个台未在研究之中。泸州台因深井地震计故障，“5·12”汶川地震前运行不稳定，期间的资料没办法使用，故只对51个台站进行地震前后地噪声水平变化规律研究。

2008年5月12日14时28分(北京时间)，四川省汶川县发生Ms8.0级强震(简称汶川地震)。大震发生后地构造运动，断层的修复及地表的愈合对四川省境内固有测震台站台基观测环境造成影响。为了实现“5·12”汶川地震前后台基地动噪声级别变化对比分析，考虑到经“十五”项目的建设，四川台网于2007年6月建成试运行，同年12月通过验收后正式运行。本文选取2007年6～12月和2008年1～5月10日前四川台网记录到波数据代表汶川地震前子台环境地噪声水平。同时，考虑到经历“5·12”汶川和“4·20”芦山两次地震后，地壳板块的构造、断层修复、地表愈合等影响台基变化因素，本文选取2010～2015年共6年四川台网记录到波数据代表“5·12”汶川地震后子台环境地噪声水平，这样历经两次大震后采用6年平均值能够较好地反映台基噪声真实水平。本文所述地噪声水平是指地面运动的速度记录的功率谱密度在1～20 Hz频带范围的均方根值。

图1 四川测震台网固定台站分布

为了达到对子台进行地动噪声分析和综合评价的目的，在资料选取时，从每年归档波形数据每月挑选3天，白天最高噪声记录选取的时段为10:00～11:00时段，夜晚选取的最低噪声记录时段为00:00～01:00时段。每个子台全年共72时段三分向(上下-东西-南北：UD-EW-NS)连续波形数据作为分析样本。丰富的样本数据对台基噪声功率谱密度进行测定是非常有利的，结果能够较好地反映场地的地噪声水平。若遇地震、标定、中断和其它干扰另选其它时段计算正常地动噪声。为保证数据完整性和记录质量可靠性，挑选时主要参考了台站记录的连续率统计结果及人工波形记录质量的检查结果，并对其中存在明显异常的观测台站数据进行剔除。

2 噪声计算方法

2.1 计算公式

抽取白天1小时最高噪声记录、晚上1小时最低噪声记录，按照GB/T 10084-1988标准分别计算各小时的功率谱密度，根据GB/T 3241-1998的规定用1/3倍频程滤波器在1～20 Hz范围内按公式(1)由功率谱密度计算值，取2个小时的平均值。如原始观测数据是速度记录得到均方根，就是环境地噪声水平(Enl)。如原始观测数据是加速度记录，直接计算加速度功率谱密度Pa，由Pa转换为Pv，再由Pv计算Enl。均方根(RMS)的计算是通过功率谱密度P来计算的，计算方法：

(1)

式中：P—加速度或速度功率谱密度；f0—分度倍频程中心频率；RBW相对带宽。

RBW=(fu-fl)/f0=(2n-1)/2n/2

(2)

式中，fu—分度倍频程上限频率；fl—分度倍频程下限频率。在实际噪声数据分析过程中，把得到的连续波形文件进行分道，分道后的文件其扩展名由台网台站的“序号”(0、1、2)和“U”、“E”、“N”组成，选择三分向来测定台基噪声功率谱密度。

2.2 环境地噪声水平等级划分

根据中国地震局制定的《地震测震台站观测环境技术要求》(GB/T 19531-2004)，规定台基背景噪声在1-20 Hz 频带范围的速度均方根值作为评估标准。共分为5类台基[5]，共五级：用Enl/(m/s)表示:Ⅰ级：Enl<3.16×10-8m/s；Ⅱ级：3.16×10-8m/s≤Enl<1.0×10-7m/s；Ⅲ级：1.0×10-7m/s≤Enl<3.16×10-7m/s；Ⅳ级：3.16×10-7m/s≤Enl<1.0×10-6m/s；Ⅴ级：1.0×10-6m/s≤Enl<3.16×10-6m/s。

3 结果分析

对所选的资料进行预处理后，计算得出四川台网子台的地动噪声有效值和功率谱，给出三分向平均计算结果。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推广的软件计算程序(潼汪练研究员编写单台、多台程序和薛斌研究员采用MatLab编写程序相结合)。

图2 石门坎(SMK)三分向(UD-EW-NS)PSD曲线

3.1 功率谱密度曲线

鉴于篇幅所限，本文以石门坎(SMK)三分向(UD-EW-NS)为例，计算1/3倍频在1～20 Hz范围内的功率谱密度曲线如图2所示，图中上下两条短划线是根据美国USGS的Peterson等人观测研究的地球高噪声新模型(NHNM)和地球低噪声新模型(NLNM)绘出的曲线[6]，中间的曲线组为石门坎三分向的功率谱密度曲线。图中横坐标表示频率，纵坐标代表速度功率谱密度。

3.2 平均RMS值

本文用1/3倍频程滤波器在1～20 Hz范围内，按公式计算均方根值，每个台站计算全年白天和晚上共72小时均方根值，求其均值，各个台站的台基噪声测试参数见表1，根据三分向的数据均值(UD-EW-NS)判断台基的类型。

表1 2007年、2010～2015年四川台网三分向背景噪声统计表

续表1

N台站名代码环境地噪声水平/(m/s)(1-20Hz) 环境地噪声水平等级(Enl)2007年2010年2011年2014年2015年32攀枝花PZH3．32E-08Ⅱ6．59E-08Ⅱ7．21E-08Ⅱ2．03E-07Ⅲ2．19E-07Ⅲ33青 川QCH4．91E-08Ⅱ1．26E-07Ⅲ9．87E-08Ⅱ6．02E-07Ⅳ8．18E-08Ⅱ34若尔盖REG5．19E-08Ⅱ4．57E-08Ⅱ6．21E-08Ⅱ2．56E-07Ⅲ7．81E-08Ⅱ35壤 塘RTA1．01E-07Ⅲ3．62E-08Ⅱ4．48E-08Ⅱ8．77E-08Ⅱ4．05E-08Ⅱ36石 棉SMI6．97E-08Ⅱ2．36E-07Ⅲ6．62E-08Ⅱ2．46E-07Ⅲ1．10E-07Ⅲ37石门坎SMK4．97E-08Ⅱ5．10E-08Ⅱ4．54E-08Ⅱ6．72E-08Ⅱ1．16E-07Ⅲ38松 潘SPA2．78E-08Ⅰ5．12E-08Ⅱ4．93E-08Ⅱ2．83E-07Ⅲ5．98E-08Ⅱ39汶 川WCH1．43E-07Ⅲ1．25E-07Ⅲ1．08E-07Ⅲ1．42E-07Ⅲ1．04E-07Ⅲ40沐 川WMP7．25E-08Ⅱ2．59E-07Ⅲ1．96E-07Ⅲ5．98E-08Ⅱ3．89E-08Ⅱ41乡 城XCE1．47E-08Ⅰ6．21E-08Ⅱ1．69E-08Ⅰ2．97E-08Ⅰ3．65E-08Ⅱ42西 充XCO5．58E-08Ⅱ1．26E-07Ⅲ1．72E-07Ⅲ1．83E-07Ⅲ8．60E-08Ⅱ43宣 汉XHA2．21E-07Ⅲ9．29E-08Ⅱ8．14E-08Ⅱ1．31E-07Ⅲ1．07E-07Ⅲ44小 金XJI6．14E-08Ⅱ9．88E-08Ⅱ9．29E-08Ⅱ8．70E-08Ⅱ7．29E-08Ⅱ45玄生坝XSB8．17E-08Ⅱ6．33E-08Ⅱ1．09E-07Ⅲ7．82E-08Ⅱ9．07E-08Ⅱ46仁 寿YGD1．30E-07Ⅲ2．15E-07Ⅲ1．65E-07Ⅲ8．96E-08Ⅱ5．51E-08Ⅱ47雅 江YJI2．67E-08Ⅰ2．67E-08Ⅰ2．40E-08Ⅰ4．92E-08Ⅱ3．45E-08Ⅱ48园艺场YYC1．96E-07Ⅲ1．29E-07Ⅲ1．35E-07Ⅲ6．59E-07Ⅳ1．36E-07Ⅲ49盐 源YYU2．21E-08Ⅰ2．84E-08Ⅰ2．48E-08Ⅰ3．86E-08Ⅱ2．97E-08Ⅰ50都江堰YZP3．77E-08Ⅱ1．50E-07Ⅲ3．56E-08Ⅱ5．11E-08Ⅱ4．32E-08Ⅱ51江 油ZJG5．62E-08Ⅱ1．69E-07Ⅲ2．24E-07Ⅲ2．10E-07Ⅲ2．03E-07Ⅲ

注：因篇幅所限，2012年、2013年的噪声有效值未列表中。

图3 “5·12”汶川大震前后环境地噪声水平等级变化趋势对比

3.3 环境地噪声水平分析

表2 “5·12”汶川大震前后环境地噪声水平等级统计

按照《地震台站观测环境技术要求》(GB/T 19531.1-2004)规定台基背景噪声在1～20 Hz频带范围内速度RMS值作为评估台站台基类型的标准，2007年(“5·12”地震前)全网51个台站台基噪声水平在1.26E-08至5.03E-07 m/s范围内，其中有5个台站达到Ⅰ类台基噪声水平，31个台站达到Ⅱ类台基噪声水平，13个台站达到Ⅲ类台基噪声水平，2个台站达到Ⅳ类台基噪声水平，全部符合B类地区台站噪声水平要求，台站观测环境全部符合规范要求。2010～2015年(“5·12”汶川地震后)全网51个台站台基全部符合B类地区台站噪声水平要求，台站观测环境全部符合规范要求。以2011为例全网51个台站台基噪声水平在1.48E-08至8.40E-07 m/s范围内，其中有6个台站达到Ⅰ类台基噪声水平，27个台站达到Ⅱ类台基噪声水平，15个台站达到Ⅲ类台基噪声水平，3个台站达到Ⅳ类台基噪声水平。根据表1对“5·12”汶川大震前后环境地噪声水平等级分布进行统计参见表2，根据表2绘制“5·12”汶川大震前后环境地噪声水平等级变化趋势对比如图3所示，从图3可以看出，历经“5·12”汶川地震及“4·20”芦山地震后，虚线表示汶川地震前台基环境地噪声水平等级变化趋势形态几乎和汶川地震后2010～2015年一致。这说明，历经“5·12”汶川地震和“4·20”芦山地震后，地质构造运动、断层错动、地表愈合及观测环境方面的变化等因素后，四川测震台网各台站台基地噪声水平变化不大，相对稳定。

图4 四川台网年度总环境地噪声水平均方根变化曲线

3.4 地震前后台基年度总环境地噪声水平变化曲线

本文把2007年和2010～2015年51个子台每月地噪声水平均方根平均，绘制曲线(参见图4)，虚线表示汶川大震前台基环境地噪声水平等级年度变化曲线,从图4可以看出，历经汶川地震及芦山地震后，曲线形态和2010～2015年的几乎一致。这说明，历经2次大震后地质构造运动、断层错动、地表愈合以及观测环境方面的变化等因素后，各子台基噪声水平等级变化不大，相对稳定。同时，从图3也可以看到，大震后地质构造运动、断层错动、地表愈合，震后台站维修加固和人类活动等因素的影响，台基噪声水平相比以前略有增大。

4 讨论

利用功率谱密度曲线计算程序， 对四川测震台网51个台站归档数据进行计算， 得到每个台站速度功率谱密度曲线及1/3倍频在1～20 Hz范围内平均均方根值，台站观测环境全部符合规范要求。根据地噪声速度功率密度曲线图得出51个台站的速度功率谱密度曲线均在地球的高噪声和低噪声模型曲线间。研究表明,历经汶川地震及芦山地震后所有子台均适应宽频带观测要求，台站观测环境全部符合规范要求。大震后，地质构造运动、断层错动、地表愈合，震后台站维修加固等因素的影响，台基噪声水平等级略有增大。在研究中发现由于当地的经济发展、城市规模扩大以及交通建设等影响，部分台址观测条件受到影响，如冕宁台(MNI)。

[1] 任枭，刘瑞丰，等.国家数字地震台网台站地脉动噪声功率谱分析[J].地震地磁观测与研究,2004,25(1):23-28.

[2] 石玉燕，颜启，等.山东“十五”测震台网子台地动噪声初步分析[J].内陆地震，2008，22(1)：73-77.

[3] 孙晴,张新东,张双凤,等.河北省数字地震台网子台地动噪声分析[J].华北地震科学,2007,25(2):51-54.

[4] 郝春月,郑重,张爽.玉树地震前后当地的噪声变化研究[J].地球物理学进展,2012,27(6):2418-2428.

[5] 国家质量监督检验检疫总局.地震测震台站观测环境技术要求[Z].2004-09-01.

[6] 王宇航,杜文康,谢江涛,等.南北地震带科学台阵台基噪声分析—以XRE、PKO、AXR台为例[J].四川地震,2014(3):34-37.

AnalysisoftheChangesofStationBackgroundNoisebeforeandafterWenchuanEarthquake

GUAN Yong, KONG Jun， TANG Lin，MA Fuhong

(Sichuan Earthquake Agency，Sichuan Chengdu 610041， China)

We use the continuous waveform data of 51 observation stations of the Sichuan Network before and after the Wenchuan Earthquake to calculate the base noise power. And then we plot the velocity power spectral density curve for each seismic stations and ground motion velocity records spectral density curve in 1-20 Hz frequency range of the root mean square value. Our results show that: (1) the power spectral density curves of 51 stations are between the curve of high noise and low noise model of the earth. (2) After the Wenchuan Earthquake and the Lushan Earthquake 51 seismic stations are suitable for broadband observation and all environmental requirements are satisfied according to the specification.

Sichuan seismic network; digitalized observation station; ground noise level; comparative analysis

P315.4

:B

:1001-8115(2017)03-0005-05

2017-02-24；

：2017-07-27

中国地震局“三结合”课题(162302)和四川省地震局地震科技专项(LY1607)资助.

管勇(1972-)，男，四川省荥经县人，工程师，四川省地震局监测中心测震台网部工作，1994年毕业于防灾技术高等专科学校应用地球物理专业，主要研究方向：地震定位。E-mail：1143200213@qq.com.

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.03.002