山东数字测震台站台基背景噪声分析

王 良 王杰民 李 铂 吴 双 李小晗

（中国济南 250014 山东省地震局）

0 引言

2004年山东测震台网开始建设，于2007年通过验收并投入使用，其包括1个台网中心和40个参评测震台。数字地震台网大大提高了山东省地震监测能力，推动了地震仪器由模拟到数字的改革，将数据处理、远程通讯、数字信号存储及传输等现代化技术手段融合在一起，优化并提高了分析处理地震事件的效率和质量。但是，1个台网的监测能力不仅取决于台网仪器的性能，还取决于各子台环境地噪声水平。因此，在台址选取时要计算台基噪声功率谱密度，并根据GB/T19531.1—2004《地震台站观测环境技术要求》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004）对台站的环境背景噪声进行评级。对于运行中的台站，要定期测定台基背景噪声，通过累计的历史噪声数据来评估台站观测环境的变化，以便及时了解各子台地震监测能力的变化，并作出相应的调整。本文通过计算山东地震台网各子台的台基噪声水平，分析了各区域子台噪声等级不同的原因，对各类台基和设备进行直观评价，旨在为测震台网的正常运行提供参考实据。

1 子台概况及新变更台站

山东数字测震台网由1个台网中心和40个参评测震台组成，其中，4个为国家数字测震台，36个为区域数字测震台，覆盖范围涵盖了山东全部16地市，2020年新增栖霞台、平邑台、巴山台等3个区域地震台站参加国家区域测震台网评比工作，原东营地震台、临朐地震台、济阳地震台因深井摆损坏、难以维护等原因不再参与全国评比。此次参评台站的更换，保证了山东省参评台站的运行率，提高了山东测震台网的地震监测水平。

图1 山东省测震台网参评台站分布Fig.1 Distribution of appraised seismic stations in the Shandong Digital Seismic Network

山东数字测震台网40个子台中，有34个为地面基岩台基（花岗岩、砂页岩、灰岩），主要采用北京港震仪器设备有限公司生产的BBVS-60/120宽频带地震计；6个位于松散沉积土质地区，配备FSS-2B/GL-S2B短周期井下地震计，数据采集器主要采用港震公司生产的EDAS-24GN/24IP数据采集器。台站信号及数据主要通过光纤或3G/4G网卡连通的路由器传输至山东省地震局测震台网中心进行相应的分析处理。

2 资料选取

虽然山东各子台站均符合相关技术要求，但为保证长年的观测质量，仍需每年4月、10月2次对山东测震台网全部参评台站进行台基背景噪声的测算，随机从每个台站选取 1 h无震、无重大干扰的波形数据，计算背景噪声均方根RMS值、有效测量动态范围和噪声功率概率密度谱，并进行台基分类及噪声概率密度谱分析。本文通过选取山东测震台网40个子台剔除地震等重大干扰后的波形数据，对各台站台基噪声水平进行分析，利用Welch方法计算噪声功率谱密度（PSD），进而计算地震台台基1—20 Hz频段地动噪声均方根值（RMS）和有效动态观测范围，依照GB/T19531.1—2004《地震台站观测环境技术要求》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004）对计算结果进行分析，以判断各台站是否符合观测要求。

3 台基背景噪声计算

3.1 有效动态观测范围

数字地震计所直接记录的数据是counts值，在实际计算中，需要将此电压值转化为地动速度（单位：m/s）。可根据下式进行转换

其中，v为地动速度，单位：m/s；N为实际记录电流值，单位：counts；UF为数采模拟输入的满幅电压值，单位：V；R为仪器分辨率，单位：counts；S为地震计工作灵敏度，单位：V·s/m；G为数采的实际工作增益。

实际使用1—20 Hz频段地动噪声均方根值（RMS）来衡量各子台台基背景噪声水平。计算公式如下

式中，Ui为实际测量某点速度值，单位：m/s；v为速度均值，单位：m/s；n为实际测量的点数。

台站的有效动态观测范围，在观测仪器自身性能不变的情况下，反映了台基环境背景噪声水平，有效动态测量范围计算公式为

3.2 台基噪声功率谱密度

功率谱表示随机信号的频率成分以及各成分的相对强弱，功率谱估计就是基于有限长度的数据来计算功率谱。功率谱估计有周期图法、自相关法和参数模型法。在地震观测台站台基噪声功率谱密度估计中，通常使用Welch方法，该方法实际为改进的周期图法。Welch方法首先将输入数据分段，对每一数据段应用窗函数加权，计算周期图，对分段周期图进行平均得到功率谱。台基噪声功率谱一般转换为加速度功率谱表示。绘图时需将速度功率谱，经传递函数校正后转化为加速度功率谱，并绘制NLNM（地球低噪声新模型）、NHNM（地球高噪声新模型）曲线作为参考。

通过选取并计算2021年4月山东各子台无地震波形事件的无明显干扰的1 h数据，并计算其1—20 Hz的RMS值后，将所得结果与2020年计算结果进行比较，绘制出山东测震台网各子台的噪声等级分布图（图2）。根据台基地动噪声分类标准GB/T19531.1—2004《地震台站观测环境技术要求》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004），按1—20 Hz观测频段（表1），将山东测震台网40个参评测震台站的台基地动噪声水平划分为5类：Ⅰ类台基噪声水平为 Enl＜3.16×10-8m/s，有长岛地震台、莱阳地震台、龙口地震台、梁山地震台、栖霞地震台、荣成地震台、乳山地震台、郯城地震台、泰安地震台、邹城地震台；Ⅱ类台基噪声水平为3.16×10-8m/s≤Enl＜1.00×10-7m/s，有安丘地震台、北隍城地震台、朝连岛地震台、苍山地震台、海阳地震台、嘉祥地震台、莒县地震台、临沭地震台、莱州地震台、牛岚地震台、平邑地震台地震台、日照地震台、商河地震台、潍坊地震台、威海地震台、五莲地震台、新泰地震台、沂水地震台、烟台地震台、诸城地震台、周村地震台；Ⅲ类台基噪声水平为1.00×10-7m/s≤Enl＜3.16×10-7m/s，有成武地震台、独山岛地震台、德州地震台、监测中心台、莒南地震台、文登地震台；Ⅳ类台基噪声水平为3.16×10-7m/s≤Enl＜1.00×10-6m/s，有大山地震台、聊城地震台、青岛地震台；Ⅴ类台基噪声水平为1.00×10-6m/s≤Enl＜3.16×10-6m/s。

表1 山东省测震台网数字地震台1—20 Hz范围内RMS值和观测动态范围Table1 RMS values and dynamic observational dynamic ranges in the frequency band ofwithin 1-20 Hz of digital seismic stations of the Shandong Seismic Network

图2 山东测震台网参评台站台基噪声水平Fig.2 Three-dimensional schematic diagram of the background noise level of Shandong Seismic Network

图3为山东省地质图。由图2、图3可见，不同台站台基噪声水平具有不同特征，部分台站，如大山地震台(DSH)，地貌为玄武岩（属于质地较软的火山岩），噪声水平相对较高；在鲁西北及鲁西南地区，因地质构造为平原土质层，故使用深井摆，如德州地震台(DZH)、聊城地震台(LCH)、成武地震台(CHW)，台基噪声也较大；在鲁中及鲁东沿海地区，地貌多为较硬的基岩，故多采用普通摆，这也能保证较低的台基噪声水平。此外，莒南地震台(JUN)噪声较大是附近施工干扰所致；青岛地震台(QID)、监测中心台(JCZ)所处地带为闹市区且靠近马路，人类活动频繁；文登地震台(WED)附近有1个水库，故噪声较大。图4列举了较有代表性的莒南地震台（JUN）、大山地震台（DSH）、德州地震台（DZH）、青岛地震台（QID）的PSD（噪声功率谱密度）图，以便直观展示不同干扰因素下噪声水平的变化。

图3 山东省地质图（改自张永清等，2019）Fig.3 Geological map of Shandong Province (changed from Zhang et al,2019)

图4 山东测震台网噪声功率谱密度示例（a）莒南地震台（BBVS-60测定）；（b）大山地震台（BBVS-60测定）；（c）德州地震台（FSS-3DBH测定）；（d）青岛地震台（CTS-1测定）Fig.4 Examples of background noise power spectral density curves of Shandong Seismic Network

4 结论

通过对山东数字测震台网参评地震台站背景噪声的计算和分析，得到背景噪声均方根RMS值、有效测量动态范围，再按照噪声水平进行分类，分析各台站噪声功率概率密度谱的概率事件与台站背景噪声间的关系，得到以下结论。

（1）按照地震台站观测环境技术要求，山东数字测震台网40个参评台站中的大多数台站达到Ⅱ类台及以上标准，这些台站台基噪声水平较低，有效测量动态范围较大，可满足地震观测的需求，组成了一张有效的地震监测网络。

（2）山东测震台网不同参评台站台基噪声水平具有不同特征，有部分台站，如莒南地震台、监测中心台，地貌为花岗岩，噪声水平相对较高；德州地震台、聊城地震台、成武地震台，为深井摆台站，台基噪声水平普遍较大，这与一般选择沉积层厚、噪声较大的平原区建设井下台站有关；此外，文登地震台附近有1个总库容2.8亿m2的水库，存在干扰；由于青岛地震台建成时间较早，目前台站位于闹市区且临近马路，土层较松散，因而噪声水平较高。

5 结束语

通过分析不同台站背景噪声水平较低的原因，可以掌握台站观测环境的变化情况，及时发现并改正台站运行中出现的问题：①对于地震观测设备问题，可及时对设备进行维修更换；②对于环境变化问题，若为人为因素（施工、改造等）所致，争取尽快协调处理，若为影响较大且短期无法解决的自然因素所致，有条件时可申请变更重要观测台站，以保证良好的地震观测环境，为地震监测预报工作提供有力支撑。