内蒙古锡林郭勒区域科学台阵台址勘选背景噪声

高 源，张 珂，王 鑫*，安 全

（1. 内蒙古自治区地震局 东胜地震台，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2. 内蒙古自治区地震局，呼和浩特 010010）

0 引言

内蒙古锡林郭勒区域科学台阵的勘选工作来源于“一带一路”地震监测台网项目—内蒙古子项目科学台阵建设项目（以下简称“内蒙古科学台阵项目”），该项目旨在建立综合探测监测网的地震监测体系，使我国地震监测能力和地震灾害安全保障水平得以大幅提升。锡林郭勒区域科学台阵的站点共62个，目前已完成该区所有站点的实地踏勘和场地仪器测试工作。

地震台阵起初用于监测核爆实验，由于其具有特定的台站布局和数据处理方式，表现出突出的监测能力，后来被人们广泛应用于地震监测领域[1-2]。该技术不仅可以大大提升地震监测能力，同时能够帮助人们探寻更精细的地球内部结构[3]。相比地震台网，地震台阵可以汇集多个相关子台的数据，通过专用的处理技术，达到抑制地噪声，加强有效地震信号的效果，从而拥有更高的地震监测能力，尤其是对微小地震信号的识别[4-5]。

地震台阵的建设涉及多个重要环节，其中，台阵的勘测选址对台阵建设尤为重要。为建设对微小地震拥有较高监测能力的台阵，在台阵踏勘选址过程中，应尽可能选取构造块体较为完整稳定、地质结构较为均一、地脉动背景噪声较小的区域[3]。由于地震信号是指波场中的有效成分，而噪声则属于会干扰地震信息需要压制的部分，因此若台址拟选区地脉动背景噪声较大，则势必会降低台阵的地震监测能力。所以，开展台阵台址勘选背景噪声研究不仅可评价台阵的勘选质量，也可为优化台阵后期建设提供参考依据与基础资料。本文以内蒙古锡林郭勒区域为研究区，利用该区域科学台阵台址勘选的地脉动噪声数据，开展62个子台背景噪声的计算分析工作。

1 内蒙古科学台阵概述

内蒙古科学台阵整体分布于内蒙古东北部区域，涉及锡林郭勒盟、赤峰市、通辽市、兴安盟、呼伦贝尔市在内的5个行政区域，共包括201个子台站点（图1）。内蒙古科学台阵的建设，可大大提高区域地震监测台网的地震监控能力，有利于建立由综合探测监测网、数据传输系统、地震观测数据处理与共享平台和运行管理保障系统组成的分级部署、业务协调的地震监测体系，进而提升中国对东北亚、南亚方向陆地以及黄渤海区域的地震监测能力。

图 1 内蒙古科学台阵分布图

锡林郭勒区域的科学台阵主要分布于该区43°N以北，共包括62个子台站点。台阵布局呈规则网格状，各子台之间的横纵间隔为0.5°（图1）。根据地质研究，整个锡林郭勒盟地跨东北块体和蒙古弧形构造带两大构造单元。其中，42°N以北地区属天山蒙古地槽褶皱带，具有较为均一与完整的构造块体[6]。而且锡林郭勒地区人口稀少，经济相对落后，工业欠发展，主要以畜牧业为主，因此该区子台环境较安静，干扰因素相对较少。

2 台址的勘选

2.1 勘选方法及手段

内蒙古科学台阵项目的野外勘选工作于2019年4月16日从锡林郭勒区域开始，勘选工作人员严格按照GB/T 19531.1—2004“地震台站观测环境技术要求 第1部分：测震”的相关技术规范，开展各子台的勘探选址工作，具体勘选内容由4部分组成。①点位测试：在拟选点附近寻找环境相对安静并且存在基岩出露的地方进行测试， 适当留取2～3个候选点位；②技术分析：根据测震台站建设要求，分析台站的噪声水平与可能的干扰源，确保子台噪声水平与距干扰源的最小距离均满足技术规范[7]；③点位确定：在保证建台技术要求的基础上，权衡基础建设、供水供电、通信、交通、日后运维等条件，最终挑选出各方面均优秀的点位；④观测分析：对选择点位连续观测48 h，分析处理观测数据， 若分析结果满足台站观测环境的技术要求，则认为该点为台站建设点，完成点位的勘选工作。

在观测地动噪声时选用工作频带包含0.05～20 Hz的宽频带数字地震仪[8]，实际测试使用地震计为 BBVS-60（观测频带为 60 s/0.017 Hz～50 Hz）和CMG-3TB(观测频带为 120 s/0.008 Hz～50 Hz)，后者在低频端更低，各测试场地的连续记录波形形态可能略有差别，但两种地震计均能覆盖大部分噪声频段，数据采集器使用大动态范围的24位设备，且仪器参数设置为能尽量记录小的信号，保证数据采集的有效性。计算软件使用北京港震机电有限公司开发的“Cal79_20160301C_user_地震数据分析处理系列软件包”[9]，实际使用时需精确填写系统灵敏度等参数以实现扣除仪器响应。通过以上勘选测试设备和处理软件，可对测试台基垂直、南北与东西向的地脉动速度值进行测定，能够实时查看数据波形记录、存储观测数据，并计算噪声功率谱用以评估地噪声水平。

2.2 台阵（址）观测资料的获取

为了较为客观地评估测试场地的环境地噪声水平，同时为降低人类活动和其他地表干扰，在安放宽频带地震计进行测试前，一般均须清理测试场地的地表风化层。宽频带地震计安放位置以底部接触到坚实基岩为佳，或者坚实硬土层，测试基坑深度不小于50 cm，测试基坑直径以容纳地震计防护罩为宜，注意在地震计防潮保温及布设的线缆保持松弛状态下进行填埋式观测。地震计开锁后进行调零和系统标定操作，标定计算结果正常后可进行连续观测记录。在以上专业处理的基础上，对台站进行48 h（三通道连续记录，100点/s采样率）连续记录。并使用edas-ias-view-1.2软件浏览记录波形，查验勘选期间记录到的事件、统计非天然地震事件发生频度N和非天然地震事件持续时间占记录时间的百分比R[10]。在浏览地脉动波形记录时,需要根据实际情况，判断台基是否有受到干扰，并及时判断干扰来源，对于观测系统所带来的干扰，要通过反复检查观测设备，及时摒去偶发干扰。锡林郭勒区域的台站勘选工作共收集了62个台站的48 h连续地脉动数据。

3 数据处理及结果分析

分别对锡林郭勒区域科学台阵62个子台勘选的48 h连续地脉动噪声数据进行了处理与分析，挑选出未记录到地震事件且无显著性偶发干扰的噪声数据，计算各个台站台址勘选时带宽在1～20 Hz（1/3倍频程）的地动速度均方根值（RMS值）、噪声功率谱密度值[11-14]，分析各台站台址勘选背景噪声情况。

3.1 方法与原理

1）地动速度均方根值

地脉动噪声的速度均方根值（RMS）是反映台址背景噪声水平的一个重要指标[7,15-16]，该值的计算公式为：

式中，V为实测地脉动速度(m/s)；N为实际记录噪声的数字值；U为模拟输入峰值电压(V)；R为仪器分辨率(Counts)；Kad为数采实际增益；Ss0为地震仪工作灵敏度 (V·s /m)。

根据公式（1）与公式（2），可计算出台站每小时的地脉动噪声RMS值[17]，并取48 h地脉动噪声RMS值的算术平均值作为台站台址勘选时的RMS均值。

2）噪声功率谱

功率谱密度(Power Spectral Density，简称PSD)是可用于衡量地脉动噪声水平的另一个重要指标[7,11,18-19]，一般用实函数|2表示，其计算公式为：

为更加形象地凸显噪声在较长时间内的变化特征，通常以曲线图的形式展示噪声功率谱密度，即噪声功率谱密度曲线图。该图中一般会绘出地球高噪声模型(NHNM)曲线与低噪声模型(NLNM) 曲线。

基于以上原理，利用北京港震机电技术有限公司提供的地震数据分析处理系列软件，可计算台站勘选时的噪声功率谱密度(PSD)。

3）台站环境地噪声水平等级划分

按照国标《地震台站观测环境技术要求 第1 部分：测震》中对测震台站台基环境地噪声水平的相关规定，测震台站环境地噪声水平可分为5级[21]，划分依据是台基背景噪声水平，即噪声的速度RMS值[22]，主要通过Bnlv值与BnldB值体现（表1）。其中，Bnlv为由速度记录数据计算得到的RMS值，而分贝值BnldB则由BnlV计算得到，二者间转化公式为：

3.2 结果与分析

通过对锡林郭勒地区科学台阵62个子台台址勘选48 h连续观测数据的处理分析，计算得到了各子台环境地噪声UD、EW与NS三分向的RMS平均值与功率谱密度平均值，并将所有台站的台基地噪声水平进一步分为4类。

由计算得到的所有台站噪声功率谱密度值，绘制出了各台站的噪声功率谱曲线。因涉及台站较多，只选择了部分具有代表性的台站，展示其噪声功率谱曲线（图2）。根据图2可以看出，台站的噪声功率谱大都分布于高噪声模型(NHNM)曲线与低噪声模型(NLNM) 曲线之间，无明显偏离高、低噪声模型曲线形态的现象。基于功率谱密度值，并根据各子台的RMS计算结果以及台站环境地噪声分级标准（表1），锡林郭勒地区科学台阵的62个子台可划分为 4类（图 3）。Ⅰ级台站（Bnlv＜ 3.16×10−8m/s）共有 4个；Ⅱ级台站（3.16×10−8m/s≤Bnlv＜1.0×10−7m/s）有 25 个；Ⅲ级台站（1.0×10−7m/s≤Bnlv＜3.16×10−7m/s）有 31 个；Ⅳ级台站（3.16×10−7m/s≤Bnlv＜1.0×10−6m/s）有3个。其中，Ⅱ级台站中台站代码分别为15B06、15A89的2个子台，其RMS值仅稍大于Ⅰ级台站标准值，Ⅲ级台站中台站代码分别为15A64、15A54、15A68、15B06的子台，其RMS值也只稍高于Ⅱ类台站标准值，这些台站可在后期建设过程中通过改善或优化相应防干扰设施，使其台基质量进一步提高一个级别，优于勘选时水平。

表 1 测震台站环境地噪声水平分级标准（依据台基处背景噪声水平）

图 2 噪声功率谱曲线图

根据62个子台在连续观测48 h内台基背景噪声的RMS均值与功率谱密度均值的分布认为，锡林郭勒地区科学台阵在台址勘选阶段，绝大多数台站的背景地噪声水平较为良好。在分析观测数据时，也发现有个别时间段内的噪声水平较高，这可能是在勘选过程中某个时段存在较大干扰源所致，结合台址勘选时周围环境，认为应是台址附近草场牛羊群活动，以及牧民驾驶摩托车等交通工具所产生的偶发噪声影响了观测数据的质量。

基于以上计算结果与研究分析，内蒙古锡林郭勒地区科学台阵建成后，将有半数以上台站的台基质量均可满足甚至高于Ⅱ级台站标准，这反映出锡林郭勒地区科学台阵的勘选工作取得了预期的成果。

4 结论

根据对锡林郭勒地区科学台阵台址勘选时的背景噪声分析，得出以下结论：

1）通过对62个子台台址勘选4 h连续观测数据的处理分析, 计算得到了各子台背景噪声UD、EW与NS三分向的RMS平均值与功率谱密度平均值，并依据台站环境地噪声水平分级标准，将所有台站环境地噪声分为四级：Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级与Ⅳ级。从噪声功率谱曲线图中可看出，绝大多数台站（约85%）的噪声功率谱密度曲线大都分布于高噪声模型(NHNM)曲线之下，认为锡林郭勒地区科学台阵在台址勘选阶段，绝大多数台站的背景噪声水平较为良好。

2）根据各子台在48 h噪声RMS均值与功率谱密度均值的变化情况，以及台址勘选时的周围环境，认为勘选过程中干扰观测环境的噪声源主要来自于台址附近草场牛羊群活动，以及牧民驾驶摩托车等交通工具所产生的噪声。

图 3 锡林郭勒地区科学台阵62个子台台址勘选噪声的RMS均值与台站环境地噪声分级情况

3）根据研究结果，认为内蒙古锡林郭勒地区科学台阵建成后，将有半数以上台站其台基环境地噪声水平满足甚至高于Ⅱ级标准，这说明内蒙古锡林郭勒地区科学台阵的勘选工作取得了预期的勘选成果。

4）根据地震台站观测环境技术要求，不同环境地噪声水平的台站安装地震仪的类型也有所不同。内蒙古自治区为中国大陆背景地噪声区域划分中的A类地区，因此锡林郭勒区域科学台阵中环境地噪声水平为Ⅰ级、Ⅱ级的台站可依次安放甚宽频带地震仪、宽频带地震仪；对于环境地噪声水平为Ⅲ级与Ⅳ级的台站，建台时须采取有效降低环境地噪声干扰的措施，使环境地噪声水平至少达到Ⅱ级，以利于安装宽频带地震仪或短周期数字地震仪。

5）在实际建台时，建议对环境地噪声水平为Ⅲ级与Ⅳ级的台站进行降低环境地噪声干扰的相关措施：①在勘选点附近适当调整台站位置，优选山坡中部可避免风力、牛羊群等干扰的地方；②提高部分台站安放地震计的埋藏深度，以减少气流等外界环境的干扰；③可为地震计添加防护罩，使地震计的工作环境尽可能保持恒适温、稳气流的状态。