地震计墩改造对观测数据影响分析

杨亚运，傅卓，马伟

(重庆市地震局，重庆 101147)

0 引 言

相关研究证实，随着地震计摆放深度的增加，地面干扰尤其是高频干扰的影响会相应减小。对沉积层较厚的平原地区，短周期深井观测可以有效降低背景噪声，提高观测系统的信噪比，获得更多微弱的地球物理信息。基岩地区井下观测也可有效减少高频，即人为活动造成的噪声干扰[1]。处于较深通道的地震计检测到的信号和噪声，均会受到一定程度的抑制，相互影响下，信噪比有提高的趋势[2]。此外，不同深度的同类型地震计有效动态范围存在差异，深井地震计有效动态范围比地表地震计大20 %左右[3]。基于以上观点，同址布设的仪器深度改变，同一地震计检测到的信号和噪声会有相应变化。国家烈度速报与预警工程项目实施期间，重庆地区部分台站地震计坑较深，存在渗水、维护不便的问题，遂将原地震计坑改造为地表摆墩观测。本文收集到重庆开县临江台地震计墩改造前后的观测数据，对比分析环境噪声及有效观测动态范围的变化情况，以期探索更为合理的改造方案。

1 数据资料

重庆开县临江台设计为地面观测室，地震计置放于地面以下2.3 m深坑，台基岩性为砂岩，雨季时地震计坑内渗水严重，地震计多次被淹，经防水处理无法从根本上解决存在的问题，国家烈度速报与预警工程项目实施期间，一次性浇筑加高地震计墩。改造前一周，布设流动观测仪器进行同址观测(地震计周期2 s)，2020年3月17日进行改造后，地震计墩高出地面60 cm(图1)，新台基完全凝固后，将原地震观测设备和流动观测仪器同时恢复观测。本文主要基于流动观测数据进行分析研究，选取改造前后三个时段连续5天观测数据记录，晚上选取每日3时数据，白天选取每日15时数据。地震计墩浇筑前3月11～15日为第一组数据，表示为R1；浇筑后3月26～30日为第二组数据、4月10～14日为第三组数据，分别表示为R2和R3。

图1 开县临江台地震计墩改造前后(单位：mm)

2 分析方法

2.1 噪声功率谱计算

噪声功率谱是将噪声信号的平均功率分成各个频率分量所占有的成分，再按照频率大小依次画出各频率分量所占的功率[4]。噪声数据的处理主要通过对比噪声功率谱密度来实现，对无明显事件信号的噪声数据段进行去趋势项处理后，计算地震计墩改造前后不同通道扣除仪器响应后的噪声功率谱密度分布，结果以PSD曲线呈现。台基噪声测试通常用台站记录的噪声数据计算它的自功率谱密度，对稳态随机地震观测数据，最常用的计算功率谱密度方法是离散傅里叶变换，即对观测资料在有限时间范围内通过快速傅里叶变换进行计算。随机信号x(t)自相关函数为Rx(τ)，Rx(τ)傅里叶变换为

(1)

定义Sx(f)为x(t)的自功率谱密度，Sx(f)可理解为x(t)的平均功率相对于频率的分布函数。自功率谱Sx(f)包含Rx(τ)的全部信息。因此，环境噪声信号记录中含有某种频率成分，可以从自功率谱中看出。根据傅里叶逆变换可得

(2)

其中f为频率，对周期时间序列x(t) 的有限范围傅里叶变换可表示为

(3)

对稳态随机地震观测数据中离散频率值fk，傅里叶变换定义为

(4)

式中，fk=k/(NΔt)，其中k=1，2，3，……，N，Δt为采样间隔(0.01 s)，N为截取时间段的采样个数。根据维纳—辛钦定理[5]，功率谱密度(PSD)定义为

(5)

2.2 噪声rms值计算

均方根的定义是一段信号的振幅值取平方后，再求其在该时段内的平均，然后求其平方根，利用地动噪声的均方根值(rms)可以衡量台站的背景噪声水平[6]，使用rms值衡量噪声水平的优点在于，对来自不同噪声源的噪声可按照相同尺度进行比较。台站环境地噪声rms值计算式为

(6)

其中P为速度功率谱密度或加速度功率谱谱；f0为分度倍频程中心频率；RBW为相对带宽，RBW=(fu-fl)/f0，fu为相对带宽的上限频率，fl为相对带宽的下限频率。

2.3 有效动态范围计算

地震台站的观测动态范围，反映观测仪器自身性能和环境地噪声水平，动态范围大小反映记录地震信号的能力。由于台站环境地噪声与地震信号的叠加，使得仪器达不到设计的动态范围[6]，只能达到有效测量的动态范围D有效(单位：dB)，有效动态范围D有效通过如下公式计算：

(7)

其中，VR为满量程输入电压(V)，GC为数采实际工作时的增益，S为地震计的工作灵敏度，rms为地动噪声的均方根值 (m/s)。

3 结果分析

3.1 噪声功率谱计算结果分析

地震计墩改造后，地震观测仪器放置位置相比之前升高2.9 m，台基背景地噪声水平会有一定变化。本文对地震计墩改造前后三组连续5个白天(15 时)和5个晚上(3 时)的数据(分别以R1、R2、R3表示)样本段进行计算，以便分别分析地震计墩改造前后东西、南北、垂直向噪声的平均功率谱变化情况。原始记录小时数据经分道、去均值、去趋势项等预处理后，进行分段、加窗、傅立叶变换等，最后去除仪器响应，获得噪声功率谱密度，再对每组数据小时值进行均值计算，平滑处理后以PSD曲线形式呈现(图2)。

图2 地震计墩改造前后平均噪声功率谱密度曲线

由图2可见，1～20 Hz频带范围内，改造后各分向噪声水平有明显增大，特别是高频段噪声变化较大；其中东西向平均地噪声，在6～20 Hz频带范围内，无论白天或是晚上，都明显高于改造前水平；南北向1～20 Hz频带范围内各频点噪声变化不一致，改造后噪声水平以增加为主，该分向白天和晚上在8 Hz附近，均存在噪声水平变小的低值区，可能原因是该方向存在固定干扰源(正南方向高速公路，最近距离950 m)，地震计墩加高改造后，仪器接收到来自近场的噪声强度有一定衰减，造成该频点处的低值；垂直向改造前后地噪声水平变化不明显，其中晚上3时仅在5～10 Hz频带范围内，改造前相对较低，白天15时改造前后三组数据PSD曲线基本一致，证明垂直向受地震计墩改造影响较小。

为详细分析改造后台站环境地噪声水平变化情况，列出第一组数据和第三组数据改造前后各频点PSD差值(表1、2)。前后数据作差值分析，各分向晚上噪声水平均低于白天，但在16 Hz和20 Hz高频点附近，改造前后各分向均出现白天噪声水平相对较低的情况，其中东西向白天比晚间低1.9～7 dB，南北向低1.1～2.8 dB，垂直向低2.3～8.9 dB，可能原因是白天近场高频干扰叠加，高频成分相互干涉，仪器最终接收的高频信号减弱。

表1 晚上噪声功率谱密度各频点值比较

从表1可知，晚上1～5 Hz低频段，东西向、垂直向噪声水平改造前后变化较小，改造后噪声水平增加频段主要集中在6～20 Hz高频段，其中东西向变化比垂直向更为明显，最大增加9.4 dB，垂直向最大增加5.4 dB。南北向各频点改造前后变化不一，在1 Hz、2 Hz、8 Hz、10 Hz、20 Hz几个频点附近，噪声明显增大，最大增加9.2 dB，在4 Hz、12 Hz、16 Hz频点附近，改造后噪声水平与改造前相当，在8 Hz频点处出现大幅降低。表明地震计墩改造后噪声水平主要还是受到周围环境噪声影响。

从表2可知，东西向白天1～5 Hz低频段，改造前后噪声水平变化较小，10～20 Hz高频段，改造后噪声增大较为明显；南北向则在2 Hz以下低频段和6～10 Hz中频段变化较大，2～5 Hz、12～16 Hz则几乎无变化，20 Hz频点附近又明显增大；垂直向改造前后噪声水平变化较小，其中4～5 Hz、10～16 Hz出现改造后噪声水平相对略低于改造前水平的情况。可见，该台站周围一直存在固定的噪声源，地震计墩改造后，东西向噪声源大小、位置相对固定，噪声水平以增大为主；南北向噪声源处于动态变化，噪声有叠加效应，噪声水平变化不一；因垂直向对噪声源的方向不敏感，所以噪声水平变化较小。

表2 白天噪声功率谱密度各频点值比较

3.2 噪声rms值计算结果分析

根据《地震台站观测环境技术要求：测震台站》(GB/T 19531.1-2004)规定，台基背景噪声在1/3倍频程1～20 Hz频带范围内速度rms值作为评估地震台站台基类型的标准。选取第一组数据，根据PSD计算结果，分别计算白天15时和晚上3时的速度rms值，并取其平均值作为改造前该台站的rms值，改造后选取第三组数据来计算，最终利用各测向所得值取平均后，作为衡量台站地震计墩改造前后环境噪声水平。

表3中分别选取白天、晚上的数据进行改造前后速度rms值计算，改造前环境地噪声Enl为5.78×10-8，根据环境地噪声水平等级划分规定，当3.16×10-8m/s≤Enl< l.00 ×10-7m/s时，达到Ⅱ级环境地噪声水平。改造后环境地噪声Enl为9.43×10-8，这和改造前的台站地噪声水平等级一致。根据中国大陆背景地噪声区域划分，属于C类地区的重庆，安放短周期数字地震仪的台站，噪声水平不大于Ⅲ级环境地噪声即可。可见，改造后地震观测仪器受到的环境干扰有所增大，但依然符合观测规范要求。

表3 改造前后台站环境噪声rms值

3.3 有效动态范围计算结果分析

选取第一组数据和第三组数据作为对比分析数据样本，各频点处的噪声均方根值为三分向数据计算出的均值，得到有效观测动态范围反应了改造前后仪器整体观测情况，同时绘制改造前后白天(15时)和晚上(3时)的有效观测动态范围(图3)。

图3 摆墩改造前后有效动态范围变化情况

结果表明，同一观测仪器，改造前后高动态曲线一致(红蓝线重合，只与仪器自身动态范围有关)，仅在低动态曲线有所差异；晚上有效动态范围明显大于白天，说明晚上安静时段噪声干扰较少，干扰强度小，仪器观测有效动态范围更大，记录信噪比更高。改造前后白天晚上有效动态范围变化不一致，图3a可见，改造后晚上实际观测动态范围，在1～20 Hz频带范围内明显收窄，频率越高越明显，最大减少10 dB；图3b可见，改造后白天实际观测动态范围，在1～20 Hz频带范围内反而略有增大，且各频点的变化不尽相同。地震计墩改造对该台站仪器观测有所影响，但有效观测效动态范围前后整体变化不大。

4 建议和探讨

鉴于地震计墩改造对地震观测数据产生影响，改造后地噪声水平有所增大。建议在类似台站改造中宜采用浅式半地下室观测方案(图4)，地震计墩浇筑到地面以下600 mm处(足够放置地震计和保护罩)，地震计墩面以下300 mm各边与坑壁间隔100 mm，使地震计实际放置位置变化较小(1.7 m)，满足观测需求同时，能避免潮湿渗水，方便下井维护。增加井盖加以保护，能够有效降低地震计墩改造带来的影响，更利于今后加装宽频带地震计观测使用。

图4 建议改造方案(单位：mm)

5 结 论

地震计墩改造后，对开县临江台地噪声水平造成一定影响，改造后同一仪器记录结果表明，各分向噪声变化不尽相同，东西向、南北向白天晚上噪声均有明显增大，特别在6～20 Hz频段内，垂直向晚上噪声水平相对改造前有所增大，但幅度相对较小，白天噪声水平改造前后几乎无差别。地震计墩升高，仪器放置位置离地面更近，记录到的环境噪声水平相比改造前增加60 %，但仍然满足Ⅱ类观测台站环境噪声水平要求。从同一仪器白天、晚上有效动态范围来看，改造前后基本一致。鉴于地震计墩改造对地震观测数据产生的影响，在类似台站改造中建议采用浅式半地下室观测方案，减少改造对地震观测数据的影响。