江苏省测震台网背景噪声特征

立 凯，陈 浩，张 朋，曾 智，卢 永，何奕成，瞿 旻

（1. 连云港地震台，江苏 连云港 222061；2. 灌云地震台，江苏 连云港 222200；3. 江苏省地震局，南京 210014）

0 引言

地震台站背景噪声一直受到国内外专家学者的重视，随着地震观测台站的数字化改造，台基噪声水平分析已经成为评估地震台站运行质量的重要技术指标之一，也是对一个地区地震噪声水平的正确评估和全面了解以及成为进一步改善地震观测质量的重要环节。台网的监测能力主要受到台站噪声水平的影响，因此对台站背景噪声水平的正确评估显得尤为重要。

美国专家J.Peterson研究了全球范围75个不同地区的功率谱噪声，得到公认的地球低噪声新模型（new low noise model，缩写为NLNM）和地球高噪声新模型（new high noise model，缩写为NHNM）[1]，广泛应用于地震台站环境背景噪声的评估。Peterson用来建立地球噪声模型选取的地震数据大约有12 000条波形数据，但是最终使用的只有2 000条。其中10 000条数据因为其中包含地震、标定、爆破等信息最终没有参与处理，这样数据的处理过程多少都会受到一点人为筛选数据的影响。为了排除人为筛选数据的影响，对数据波形直接进行处理，McNamara等[2-3]进一步发展了Peterson的地球噪声模型估算方法，通过计算大量功率谱密度曲线（power spectral density，缩写为PSD）的概率密度函数（probability density function，缩写为 PDF）分布统计方法，更为全面地反映台站的背景噪声特征。背景噪声概率密度函数（PDF）计算方法是直接使用连续波形，并没有去除同震变化等一些情况，所以PDF计算背景噪声可以同时得到许多信息，例如地震波的信号、观测系统的变化情况、仪器的标定信息、仪器的干扰情况等等。目前很多台网都是用PDF来实时监控地震计的仪器变化情况。

背景噪声有一定的地域性，不同地区的噪声都存在一定的差异，因此对一个地区的背景噪声特征进行分析显得尤为重要。目前，国内很多专家学者都对局部地区的噪声特征进行研究，如华北地区[4]、中国大陆地区[5]、福建地区[6]等等，这些地区都有各自的地域特性。江苏省地处沿海发达地区，城市发展人为因素和各种自然环境的干扰对地震计的影响都值得深入研究。“十五”规划以来江苏台网新增很多台站，对目前江苏省台站进行全面的背景噪声分析研究是非常有意义的工作。本文拟对江苏省宽频带台站记录的2019年全年波形数据进行PSD和PDF分析，以了解不同台站的背景噪声日变化特征、江苏地区的地域噪声特性，对江苏省台站背景噪声特征进行进一步的研究。

1 江苏台网概况

江苏省测震台网由1个省级测震台网中心和75个数字测震台站组成，其中国家级台站3个，省级区域台站57个，市县级地震台15个；按观测方式分，井下台站31个，地面台站44个。图1给出了江苏省所属测震台站的分布情况，平均密度约为7.3台/万km2，平均台间距约为28 km；苏南、苏北地区台站稍密，苏中沿海地区因松散沉积覆盖层较厚，以井下台站为主，台站也相对稀疏。地面观测设备大部分采用的是CMG-3ESPC-60宽频带地震计和CMG-DM24数据采集器，井下观测设备大部分采用的是GL-S60B宽频带地震计和EDAS-24GN数据采集器。江苏省测震台网台站信号的传输方式以光纤SDH为主，仅前三岛台（海岛台）采用卫星传输。15个台站的信号直接传输到位于南京的江苏省测震台网中心，其余台站的信号先传至当地市地震局信息节点，再集中传至省测震台网中心。

2 数据和处理方法

提取2019年江苏省测震台网75个数字测震台站的连续波形记录，每个台站每天一个文件，数据格式为SEED文件；然后将SEED文件转换成sac文件格式，提取相应的参数文件。对2019年全年的数据进行背景噪声的加速度功率谱（PSD）和概率密度函数（PDF）计算，参照McNamara的背景噪声数据处理方法，本文利用的基本计算方法如下：

1）以各台站3个分向每小时的连续记录数据为样本，首先去除记录数据中的线性趋势和去均值等处理，将每小时计算样本分成13段，为尽量降低噪声PSD的方差，每段数据之间重合率取50%；

2）计算每段功率谱PSD，用FFT方法计算出每段功率谱值，再根据仪器的传递函数在频域里扣除仪器响应，最后得出每小时的功率谱密度值是由13段功率谱密度值平均得到，这种方法最大程度地减少了重叠后“频谱泄露”效应，增加了频峰的宽度；

3）将计算得到的PSD再按1/8倍频为单位、间隔滑动地计算每条样本的平均功率谱，为了和全球新高模型（NHNM）和新低模型（NLNM）进行对比，需要将功率谱密度值换算成dB为单位的数值；

4）计算得到的数据统计各周期的PSD在不同时间内取某一数值的概率，即为该时段对应的PDF，然后在-200～-80 dB 范围内以1 dB单位间隔计算出各频率点上的分布概率。

3 江苏测震台网背景噪声分析

本文台基噪声水平是用背景噪声的加速度功率谱（PSD）的概率密度函数（PDF）分布图来表示，有效频段范围为90 s～35 Hz。结果中的色标代表台站背景噪声水平随频率分布的概率值，颜色越红表示记录信号在此频点处的概率值越大；黄色曲线表示概率分布为80%的位置。因台站众多，所以选择连云港地震台为例做概率密度函数分布图。由2019年江苏省地震台网连云港地震台三分向加速度功率谱的概率密度函数分布图（图2）可以看出，连云港台的台基环境比较好，噪声水平在NLNM和NHNM之间。

图2 连云港地震台2019年概率密度函数分布图

为了更好地观察江苏省全省台站的噪声情况，笔者选取2019年夜间安静的一小时作为分析数据。选取的时候排除有发生地震的时间段、含有大的干扰信息时间段等，绘制出全省75个台站垂直向噪声功率谱曲线图（图3）。计算结果显示：除去3个因故障而无法准确计算噪声水平的台站外，其余台站的噪声水平整体上在NLNM和NHNM之间，说明江苏省测震台站台基环境都较好。

由于台站所处的环境不同，台基条件也不同，所以高频噪声的形态各异，但是对于全球所有的台站几乎都有一个共同点特征，就是微震带。微震带主要是1～20 s周期范围内，几乎全球所有的宽频带台站都会观测到2个峰值，就是主微震带和次微震带。10～20 s周期的峰值称为主微震带，它一般认为是深海重力波与海底的相互作用产生的[7]；次微震带主要是5～10 s周期范围内，次微震带的主要噪声可能是由于海水拍打海岸所造成的噪声。微震噪声其主要成分为Rayleigh和Love面波，也包含一定的体波成分[8]，微震噪声主要集中在全球几个海洋活动强烈的海岸线区域，深海区域中的强烈风暴活动也可能引起微震噪声[9]。微震噪声在全球的地震观测台站中稳定存在，随着海洋的活动出现规律性季节变化[10]。更长周期（60～300 s）的背景噪声常被称为地球的嗡鸣（Earth hum），地球嗡鸣主要是海洋次重力波与固体地球的相互作用产生[11]。通过对江苏省台网台站的垂直向噪声功率曲线（图3）分析可以看出，江苏省大部分台站都在低噪声新模型（NLNM）和地球高噪声新模型（NHNM）之间，说明大部分台站的背景噪声都满足观测要求；还可以看出微震频段内观测到2个不同大小的峰值，分别对应的就是0.05～0.1Hz的主微震带和0.1～1 Hz的次微震带。江苏地处沿海，海浪干扰也是沿海地区的主要干扰因素，越靠近海岸近的台站干扰越明显，越往内陆地区受到的干扰就逐渐降低[5]。

图3 江苏台网数字地震台垂直向噪声功率谱曲线

“十五”规划建设以来，江苏新增台站较多，布局也更加合理，台站密度也较高。为了更为直观地观察江苏省背景噪声特征情况，基于全省75个台站2019年的PSD计算结果，将得到的1～20 Hz的RMS值转换成dB值后在0.05°×0.05°的网格进行插值，得到以地形为函数的背景噪声水平图（图4）。从图4中可以看出，江苏省噪声水平高值在江苏中南部地区，江苏南部地区为经济较为发达地区，人口稠密，基础建设等干扰因素较多，所以造成的噪声相对较大。江苏中部地区因为受到地质环境原因，基本采用的是深井观测，因为主要是松散的沉积层，更容易受到海洋潮汐的影响，同时沉积层对噪声有一定的放大作用，所以深井观测的台站基本以二类台站为主。江苏北部地区主要都是基岩台站，台站选址比较好，同时相对于南部地区人员和基础建设也相对较少，所以江苏北部地区主要以一类台站为主。图4中因为江苏周边及黄海海域没有台站参与绘图，所以对江苏周边地区的可信度要相对低一点。

图4 江苏省测震台站1～20 Hz背景噪声dB值

4 部分台站背景噪声特性分析

江苏省测震台站一共有75个台站，参加国家局评比资料的是42个台站，针对这42个台站的背景噪声情况做一个统计分析。以江苏省参加国家局评比的42个台站作为主要研究对象，提取各台站3个分向每小时的连续记录数据为样本，对2019年全年的数据进行功率谱密度函数计算，各分向的RMS值取其所有结果的中值。表1统计了江苏省参加国家局评比的42个台站的观测仪器、三分向RMS值、噪声级别分类、台基类型。

表1 江苏省部分测震台站的台基背景噪声水平（参加国家局评比台站）

根据数字地震测震台观测计算规范要求，规定了台基背景噪声在1～20 Hz频带范围的地动速度噪声RMS值作为台址勘选的评估标准。共分为5类台基（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），具体的评估标准为Ⅰ类台基噪声水平RMS＜3.16×10-8m/s；Ⅱ类台基噪声水平3.16×10-8m/s≤RMS＜1.00×10-7m/s；Ⅲ类台基 噪 声 水 平1.00×10-7m/s≤RMS＜3.16×10-7m/s；Ⅳ类台基噪声水平3.16×10-7m/s≤RMS＜1.00×10-6m/s；Ⅴ类台基噪声水平1.00×10-6m/s≤RMS＜3.16×10-6m/s。通过对42个台站的噪声功率谱分析，一类噪声有10个台，二类噪声有24个台，三类噪声8个台，江苏省参评台站主要以二类噪声为主。通过对江苏省20个台站CMG-3ESPC-60地震计噪声的RMS值分析结果来看，CMG-3ESPC-60地震计噪声的分类Ⅰ类噪声的台站有东海、赣榆、高淳、灌云、邳州、徐州、盱眙，Ⅱ类噪声的台站有常熟、镇江、江宁、金坛、泗洪、宿迁、无锡、新沂、徐圩、溧水，Ⅲ类噪声的台站有常州、浦口、靖江；从地形上来看Ⅰ类噪声的台站主要集中在江苏北部地区，Ⅱ类和Ⅲ类噪声主要集中在江苏南部地区。江苏中部地区井下地震计主要为GL-S60B地震计，主要原因是江苏中东部区域地质条件主要为松散的沉积岩，覆盖层较厚难以找到合适的基岩台基，所以都采用深井地震计来观测。从深井的台站RMS值来看，中部地区的噪声水平明显比江苏北部的噪声高，主要以二类和三类噪声为主，分析其原因主要是因为中部地区覆盖层较厚，有可能对噪声有一定的放大效应。

为了能更为客观地反映江苏省台站的背景噪声水平，也为了提高数据的准确性，本文选取了2019年6—7月近2个月的数据作为研究对象，截取42个台站的连续波形记录作为计算的样本。在选取样本数据时遵循以下几种原则：①为了消除地震信号对计算背景噪声的影响，选取波形中无记录地震的波形文件；②选取2019年6—7月每天白天时段（11—14时）和夜晚时段（0—4时）的数据进行对比分析；③为了更好地体现噪声值的准确性，尽量排除人为选择带来的干扰，数据在取均值时剔除2个最大值和最小值。随后将选取出来的数据做必要的处理之后，利用计算噪声功率谱的方法，分别对所有台站的数据进行分类计算。最后在按照台站白天时段和夜晚时段进行平均计算，得出每个台站白天时段和夜晚时段的RMS平均值和观测动态范围dB值进行对比分析，绘制动态范围dB对比图（图5），同时将得到的白天和夜晚的RMS值做差值绘制台站对比图（图6）。

通过对42个台站白天和晚上平均地动噪声值做对比分析（图5）可知，对于大部分地面台站在2～16 Hz频段夜晚的噪声都比白天低，这个频段的噪声主要是由人为噪声引起的干扰源，说明高频的噪声主要和人类活动有关。而地下观测台站，动态观测范围白天和夜晚的差距则相对较小，基本在5 dB以下，说明井下地震计可以有效避免人为噪声所带来的影响。同时为了更好地观察台站背景噪声在白天与黑夜的差别，将白天与黑夜的RMS值转换成噪声dB值，然后将白天和夜晚的dB差值在0.05°×0.05°的网格中进行插值（图6）。可以看出白天与黑夜差值大的台站主要集中在江苏常熟、昆山、南通等长三角区域，另外浦口差值也相对较大，这些地区主要是经济建设、人为活动频繁、基础建设等。江苏中部和北部地区差值相对较小，基本差值在5 dB左右，其原因为江苏中部地区主要采用的是深井观测，可以有效地减小人为噪声。总体上来看，江苏地区白天和黑夜的差值都在10 dB以下，选台都较为合理。但随着经济的高速发展，许多台站的观测环境都在受到破坏，环境保护已经成为台站工作中非常重要的环节。图6中因为台站稀少，仅对台站做对比分析参考，台站周边的可信度相对较低。

图5 江苏省42个台站垂直向平均有效测量动态范围dB值白天和夜晚对比图

图6 江苏省42个台站垂直向2～16 Hz白天（11—14时）与夜晚（0—4时）dB差值

5 结论

基于江苏省测震台网75个测震台2019年全年资料做噪声功率谱分析，进行噪声特征及噪声级别分类分析，并且通过噪声统计分析得出以下结论。

1）江苏省几乎所有台站的噪声功率谱曲线整体上在NLNM和NHNM之间，说明江苏省测震台站台基环境都较好，可以明显地观察到主微震带和

次微震带的2个峰值。

2）通过对2019年江苏省75个测震台站噪声功率谱分析，除去部分台站因为故障原因没法准确计算，Ⅰ类噪声水平台站数为20个，Ⅱ类噪声水平台站数为39个，Ⅲ类噪声水平台站数为13个。整体上来看，Ⅱ、Ⅲ类噪声主要集中在江苏中南部地区，Ⅰ类噪声主要集中在江苏北部地区。

3）通过对部分台站日变化情况的统计分析表明，在1～20 Hz频段内，白天的背景噪声要明显高于夜晚的背景噪声，这也说明高频噪声主要是人类活动所造成；井下地震计白天和夜晚的噪声差别很小，说明井下地震计可以很好地避免人为活动所带来的干扰。江苏地区背景噪声白天与黑夜差值较大的地区主要集中在江苏常熟、昆山、南通等长三角区域，其主要原因为基础建设与人为活动较为频繁。除了个别地区以外，部分台站的白天与黑夜噪声差值基本上在10 dB以下。