宁陕地区台网台基背景噪声分析

靳源 李君 张佩 柴旭超

摘  要：利用IRIS研发的Ispaq工具，选择陕西、宁夏两地台网43个测震台站48H无震稳定的连续波形记录，计算出每个台站的台基背景噪声功率谱，并绘制功率谱密度状态曲线进行统计分析，结果表明：各台网各台站的台基噪声背景优势频率具有不同的特征，有明显差异。在人为噪声影响较大的1～20Hz频段内，陕西榆林台、延安台，宁夏盐池台、牛首山台、香山台、盐池台受影响较大，低值区出现在陕西安康台、商南台、商州台、宁夏银川台。

关键词：宁夏;陕西;测震台网;数字台站;背景噪声;功率谱密度

中图分类号：P315.78       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）32-0001-07

Abstract： Using the Ispaq tool developed by IRIS， the 48H seismic stable continuous waveform records of 43 seismic stations in Shaanxi and Ningxia provinces are selected， the background noise power spectrum of each station is calculated， and the power spectral density state curve is drawn for statistical analysis. The results show that the dominant frequency of the background noise of each network has different characteristics and obvious differences. In the 1～20Hz frequency band which is greatly affected by man-made noise， Shaanxi's Yulin Station and Yan'an Station， and Ningxia's Yanchi Station， Niushou Mountain Station， Xiangshan Station and Yanchi Station are greatly affected， and the low value areas appear in Shaanxi's Ankang Station， Shangnan Station and Shangzhou Station， as well as Ningxia's Yinchuan Station.

Keywords： Ningxia; Shaanxi; seismograph network; digital station; background noise; power spectral density

引言

本文使用美國地震学联合研究会（IRIS）研发的Mustang服务中的数据质量管理（Ispaq）软件，对陕西省测震台网29个数字地震台、宁夏回族自治区14个数字地震台从2018年8月至2019年8月一年的地动噪声功率谱密度值进行了计算，并对比了不同台站的功率密度谱，对其台基背景噪声特征进行了分析。

1 台站现状

陕西省台网始建于1953年，在国家“十五”中国数字地震观测网络项目实施后，陕西地震建成了包括1个测震台网中心、31个测震台站和7个流动测震台站等组成的数字台网（图1）。其中包含超宽频带、甚宽频带、频带、短周期等多种观测仪器，数据传输采用SDH等方式[1]。

宁夏数字地震台网包含14个常规台站和1个台网中心。14个台站分别是石嘴山、银川、陶乐、灵武、牛首山、盐池、同心、中卫、香山、海原、固原、西吉、径源和炭山。其中银川、盐池和固原属于国家基本台， 它们既是宁夏地震台网子台之一， 也是中国地震局地震台网子台。14个台站分布在宁夏的银川、银北、银南、固原等地区，台网最大孔径450km、有7个为有人值守台站。各台站与银川地震台网中心的数据传输主要采用扩频微波、SDH光缆和卫星通讯等方式。台站所使用的主要仪器设备是甚宽带和宽带地震仪[2]。

2 方法原理

量化台站台基背景噪声的标准方法是计算噪声功率谱密度（PSD）。计算平稳且随机的地震数据的PSD最常用的方法有很多种，包括直接傅里叶变换方法[3]、Welch方法[4]、Cooley-Tukey方法[5]等等。在本次研究中所采用的方法是直接法，即通过对原始数据的有限范围快速傅里叶变换（FFT）来计算PSD，具有较高的计算效率。

方便我们直观的与地球低噪声模型进行对比。

3 资料处理

为了对宁陕地区的台基背景噪声特征进行分析，使用美国地震学研究联合会（IRIS）研发的Mustang服务中的数据质量管理（Ispaq）的软件。

MUSTANG是IRIS开发的一种数据质量综合保护系统，由于该系统是为IRIS DMC操作而打造的，所以具有不可移植性。但是，MUSTANG系统的核心组件，即一套完整的数据评价指标计算器是开源的。因此，虽然MUSTANG系统本身的计算结果是存储在数据库，通过web服务提供给用户，但Ispaq软件的出现则恰恰是为了用户可以在本地工作站中计算这些数据指标。

Ispaq是一个基于Python的客户端，它允许地震数据研究者在本地工作站上使用与IRIS MUSTANG数据质量Web服务中的许多相同代码来对数据质量进行计算。Ispaq提供了FDSN Web服务的选项，可直接从支持FDSN协议的数据中心检索地震数据。另外也支持读取用户本地的miniseed格式的波形数据。这样的好处就是无论是FDSN数据中心的数据，还是用户自己的数据存储，用户都可以根据自己选择的数据生成即时度量。

在本次研究中，对共45个数字地震台台基噪声加速度功率谱密度值进行了计算，单位为分贝（dB），为了保证尽可能真实地反映每个台站台基噪声的情况，在选取资料时，选取了每个台站48H内无地震且干扰不严重的波形，通过Ispaq软件的计算，最终计算出43个数字地震台的功率谱值，并绘制出每个台站的台基噪声功率谱密度曲线状态图。

4 噪声功率谱分析

对所选资料进行处理计算后，得出陕西、宁夏数字测震台网各子台的功率谱，下面将两地测震台网各子台台基噪声功率谱密度曲线形态分以下几种情况分析。

4.1 无异常的台站

从安康台、汉中台、蓝田台以及华阴台等几个台站的台基背景噪声功率谱密度曲线图上能够明显的看出，这几个台的功率谱密度曲线在20Hz～20s这个频段内非常的贴近地球低噪声模型（NLNM），因此为无异常的台基背景噪声功率谱形态（图2）。

4.2 异常台站

4.2.1 台基噪声大致正常，低频段噪声偏高的台站

从宁夏的西吉台、银川台以及陕西的汉中国家台、华县台的台基背景噪声功率谱密度曲线图上可以看出，这4个台的台基背景噪声功率谱曲线形态呈现的是一个大致正常的状态，但是在低频段噪声较正常的状态更加的偏离低地球噪声模型（NLNM）（图3）。

4.2.2 台基噪声大致正常，高频段噪声偏高的台站

固原台、盐池台、牛首山台、乾陵台、铜川台以及临潼台6个台的台基背景噪声功率谱密度曲线图上可以看到，台站的台基背景噪声功率谱密度曲线形态大致正常，但在20Hz～1s这个高频段区间噪声明显，贴近高地球背景噪声模型（NHNM）（图4）。

4.2.3 低频段噪声高过高地球背景噪声模型的台站

从宁夏的石嘴山台、泾源台、同心台，陕西的略阳台的台基背景噪声功率谱密度曲线形态上可以看出，这几个台的低频段噪声明显异常，高于高地球背景噪声模型（NHNM），据推断出现该情况有可能是在台站附近有固定的噪聲源干扰仪器，但也不排除是台站所处的构造环境或者是固定场环境造成的（图5）。

通过对两个地区的测震台网各台基噪声分析比较（图6），发现各台网各台站的台基噪声背景优势频率具有不同的特征，其中陕西省台网中，台基背景噪声无异常的台站占全部台站的52%，低频段噪声高过高地球背景噪声模型的台站仅占4%，说明陕西省台网的总体台基背景噪声水平表现的较为优秀（图7）。

而宁夏回族自治区台网的台基背景噪声水平表现相对较差，本次采用计算得出的台基背景噪声功率谱密度曲线形态中，并未有无异常的台站，且低频段噪声高过高地球背景噪声模型的台站占45%（图7）。

5 背景噪声分析

宁陕地区是青藏高原向大陆内部发展的最前缘地区，北接阿拉善地块，东接鄂尔多斯盆地。青藏高原长期受到印度板块与欧亚板块的挤压碰撞作用，导致其从晚新生代开始拥有十分强烈的构造变形，逆冲断层、走滑断层等遍布整个东北缘地区。

陕西省处于青藏高原东北缘的东部，鄂尔多斯盆地的西南部，与宁夏、甘肃相邻，地势南北高，中间低，北部与南部分别为与黄土高原区及秦巴山区，海拔较高。中部为关中平原地区。陕西台网的数字台站主要分布在中南部，其中南部秦巴山区因远离关中平原，处于欠发达地区，受到环境噪声影响较小。其中，安康台、商南台、商州台最低可到-175dB;北部处于黄土高原地区，受矿产开采等人为原因影响，在1～20Hz频段为人为噪声的卓越周期呈现出较高的态势，榆林台、延安台最高可到-110dB。中部地图台站主要分布在汾渭平原两侧，大部分台站台基背景噪声无异常，部分台站，如乾陵台，可能受到乾陵景区影响;临潼台、铜川台离相应的城区较近，人类活动对台基背景噪声的影响更为明显，都在1～20Hz频段表现得较差，高到-120dB，西安台因为位于山洞中，因此即便离城市较近，但未表现出异常的台基背景噪声。

宁夏回族自治区总体来看处于相对稳定板块向活动板块过渡的大地构造区域，传统上将宁夏划分为华北板块西南缘和秦岭-祁连褶皱活动带两大构造单元（以牛首山-罗山-固原断裂为界）。其中中部地区盐池台、牛首山台、香山台在1～20Hz频段噪声变得尤为明显，盐池台因为靠近城镇人口密集地区，最高可到-110dB，牛首山台、香山台也因为人为活动可到-120dB。另外西吉台，银川台因为架设在山洞的原因，受到人为因素干扰较小，最低可达-170dB。

6 结论

本文通过对陕西及宁夏两地数字测震台网共43个测震台站48H内无震且稳定的数据进行计算，计算了其台基噪声功率谱，并对其进行了统计分析，得到以下结论：

（1）陕西地区31个台站分布较不均匀，呈现北少南多的情况，中南部地区台站数量与质量满足该地区的地震速报要求，但北部地区台站分布较少且稀疏，可能对整个陕北地区的地震速报工作带来一定的影响。

（2）宁夏台网总体分布均匀，数量上基本可以满足宁夏地区地震速报需求，但需要提高台站仪器质量以获得更高品质的观测数据用于未来的地震观测。

（3）两个地区都有部分台站低频段噪声干扰增强，高频段干扰明显的情况，功率谱曲线在高地频段的差异明显，还需进一步调查台站台基以及周边干扰情况。

（4）应将台站台基噪声分析作为日常工作，充分掌握台站情况，时刻了解台站噪声水平，若台站环境无异常，可及时判断是否为仪器故障，进行维修。

（5）及时分析台站台基情况，为提高观测数据质量提供充分的保护，如有需要，可以对略阳台、泾源台、石嘴山台以及同心台进行环境改造。

致谢：本研究使用了美国地震学研究联合会（IRIS）研发的Mustang服务中的数据质量管理（Ispaq）的软件，以及中国地震局第二监测中心数据备份中心的连续波形观测数据，在此表示感谢

参考文献：

[1]李少睿，罗治国.陕西测震台网技术系统[J].地震地磁观测与研究，2012，033（002）：105-110.

[2]李惠智.宁夏数字地震台网地震速报质量评估与分析[J].地震地磁观测与研究，2010，031（003）：102-106.

[3]By D. E. McNamara， R.I. Boaz. Seismic Noise Analysis System Using Power Spectral Density Probability Density Functions： A Stand-Alone Software Package[J]. u.s.geological survey， 2006.

[4]邢晓晴，朱根民.功率谱估计中窗函数的选择与算法分析[J].计算机时代，2018，000（002）：1-4.

[5]Tukey C J W. An Algorithm for the Machine Calculation of Complex Fourier Series[J]. Mathematics of Computation， 1965， 19（90）：297-301.