米兰河水库对若羌测震台台基噪声的影响分析①

邓明文， 段绍鑫， 刘青山， 张小飞， 李姗姗

(新疆维吾尔自治区地震局库尔勒地震台, 新疆 库尔勒 841200)

受各种因素(如风、潮汐、海浪、交通运输、人和动物的活动等)影响，地球表面总是存在微小的颤动，它们对地震观测造成干扰进而影响地震观测的质量，通常称这些干扰为地噪声或环境背景噪声[1]。无论技术手段如何提高，都无法避免它被地震仪器记录到。因此，研究测震台台基噪声特征随时间变化规律对提高观测质量至关重要。国内外科研人员对背景噪声方面均有研究，早在1993年，USGS发布了全球75个地震台站的正常地球背景噪声功率谱分析结果，绘制地球高噪声模型(NHNM)和地球低噪声模型(NLNM)，即通常所称的Peterson模型[2-3]。杨千里等[4]利用Welch平均周期法对和田台阵的噪声样本进行功率谱分析,获得的噪声功率谱密度随季节变化显著,具有周期性，受采石场影响谱密度曲线在4～8 Hz出现高频尖刺。何思源等[5]利用成都地震台测震资料得出成都地震台背景噪声2～4 Hz为固有干扰的结论；背景噪声水平于2011～2012年陡增并达到峰值，其变化主要由地质构造运动和台站周边城市扩建引起。刘洋君等[6]利用台基位移噪声分析滩坑水库的地震监测能力，获得水库周边的地震监测震级下限。若羌测震台东南方向的米兰河水库大坝于2011年4月开工建设，2014年8月30日顺利截流，2015年12月10日正式下闸蓄水，在2017年竣工并投入使用，最大坝高83 m，正常库水位高程1 445 m，总库容4 128万m3。本文中采用平均周期法(Welch算法)，对2009～2019年若羌测震记录到的波形数据计算，得到若羌测震台背景噪声随时间的变化特征，进一步分析米兰河水库施工建设对其的影响，获得的认识对人类建设施工活动和蓄水水库对地震台噪声背景的影响有一定意义，为以后勘选台站避免相关影响具有实际意义[7-10]。

1 台站概况

若羌测震台距若羌县城东侧60 km，位于阿尔金山褶皱山系与塔里木盆地的交汇处，大地构造上属于青藏亚板块阿尔金强烈隆起区北缘，北部为塔里木凹陷沉积区，南部为元古代地层及岩浆岩组成的中高山区。台址附近发育江尕勒萨依断裂带(为阿尔金断裂带北部的分支断裂)，构造线总体走向北东。台基岩性为元古代灰绿、灰褐色变质泥岩、砂岩。岩石发育多组节理与片理，岩石破碎，完整性较差，山洞进深22 m。投入使用经台基噪声水平测试结果显示，为Ⅰ级环境地噪声水平。2009年以来台站仪器架设情况见表1。

2 研究方法

2.1 计算台基噪声功率谱密度

采用Welch平均周期法对噪声进行功率谱估计[11-12]，即把一长度为N的数据分成L段(允许每段数据重叠部分)，每一段长度为M，分别求取每段功率谱，然后进行平均，每段数据使用汉宁窗口，改善了由于矩形窗边瓣较大产生的谱失真。离散信号x(n)的功率谱密度，

(1)

式中，U为归一化因子，d(n)是汉宁窗口,Δf为尼奎斯特频率。

这几段的平均功率谱，

(2)

2.2 NHNM和NHLM

Peterson收集全球8个台网中的75个地震台站记录到的12 000条噪声记录，并从中筛选出2 000条平静时段的噪声记录，计算其相应的PSD，得出全球新高噪声模型(new high noise model，简写为NHNM)和全球新低噪声模型(new low noise model,简写为NLNM)。该模型成为评估台站噪声水平的重要参考依据，并广泛应用于台站的噪声水平对比分析。

2.3 数据选取和处理

为了能够获取背景噪声水平数据，从每隔3天的24 h文件中选取无震且相对平静的4个1 h波形数据。若数据断记和干扰较大等情况出现，则往后顺延一天，以此类推，共收集到4 898个波形数据。计算数字地震仪的背景噪声功率谱密度，共计算获得三分向的14 694条PSD曲线，总结2009～2019年若羌测震台背景噪声水平变化特征。

3 背景噪声特征分析

3.1 背景噪声年变特征

为更好获取台基噪声的年变特征，按月为单位，将每月计算的台基噪声有效值(RMS)进行平均，再以年为尺度进行对比分析，绘制若羌台1～20 Hz频段垂直向台基噪声有效值变化趋势图(图1)，图中缺数部分为2015年7月～2016年3月，原因是更换地震计BBVS-60。米兰河水库施工建设期间的年平均背景噪声有效值高于其他时间段数倍至数十倍，其中2015年达到最大值，这是由于施工期间人类活动和机械作业造成的。剔除米兰河水库建设的影响时段，若羌台垂直向台基噪声有效值变化由2009年0.66×10-8m/s增加到2019年3.53×10-8m/s，整体呈现持续增加的趋势，主要由频繁的人类活动干扰引发。将2009～2011年、2017～2019年的数据按月平均台基噪声有效值，绘制若羌台垂直向台基噪声有效值年变时序图(图2)。2009～2011年整体噪声水平低于2017～2019年，前时段年变平顺，而后时段有明显的季节性。在3～5月和9～10月的噪声水平要高于其他月份，冬季的噪声水平最低，主要原因是上述的高值时段属于气温变化明显的时段，引起山体温差变化剧烈，造成山体微弱倾斜，进一步影响噪声水平。冬季的温差变化不明显，噪声水平平稳。

图1 2009～2019年若羌台垂直向台基噪声有效值变化趋势图

图2 若羌台垂直向台基噪声有效值年变时序图

3.2 自然因素引起的噪声变化

气压、气温和风等因素对台基噪声水平影响的频段为长周期频段，若羌台的洞室位于山体南面，长周期受自然因素影响表现明显。这是由于气压不均匀和温度的热膨胀效应，造成山体的微弱倾斜。图3中选取受自然因素影响明显的两个时段做噪声功率谱对比，图3a和图3b中在长周期频段三分向较为接近，波形数据无明显的波动；图3c和图3d中水平向的噪声明显高于垂直向，甚至部分频段已经超出了地球高噪声模型，水平向波形数据波动幅度较大。这是由于山体的倾斜，重力耦合到水平方向，对水平向的影响要大于垂直向。微震频段0.125～1 Hz的噪声水平是受海浪作用产生。图3a和图3c在该频段上的噪声具有一致性，均表现为变化平缓，无明显起伏，接近地球低噪声模型，同时水平向的噪声水平要优于垂直向。因为若羌台地处内陆地区，远离海洋，在微震频段表现不明显。

图3 自然因素噪声功率谱对比图

3.3 水库施工建设引起的噪声变化

选取水库施工期间的2012年12月15日爆破波形数据以及正常运行2014年7月28日的波形数据，做功率谱计算。7～13时和15～20时属于水库施工时间段，其他时间段为休息时间段。从施工时间段功率谱上来看，在2～10 Hz频段内，施工期间噪声水平高于图5b中平静时间段，2.5 和3.5 Hz附近出现高频峰值，这是人类活动引起的主要频段。若羌台同时也记录到大量的水库建设施工爆破波形数据图(图4d)，爆破事件持续约9 s，S波衰减极快。从其功率谱图上来看，主要影响是在短周期上，在4～20 Hz高频段有明显的起伏波动，这是由于地表爆破能量释放时间短，距离监测点较近引起的。

图4 水库施工和爆破功率谱对比图

收集水库施工建设完成前后的两个时段2009年1月26日4时和2018年2月27日5时。从图5功率谱对比图来看，长周期频段和微震频段PSD起伏形态相近，各分向相差不大。两个时段高频拐点有所不同，2009年的高频拐点在8 Hz，2018年的高频拐点在10.5 Hz，米兰河水库投入运营后，频繁的人类活动使得背景噪声高频段范围增大，出现高频拐点“右迁移”的现象。在3～10 Hz频段，2018年噪声水平高于2009年，尤其在10 Hz出现噪声峰值。

图5 水库建设完成前后功率谱对比图

对2009年以来10 Hz进行数据统计，发现米兰河水库施工建设期间，10 Hz频段噪声水平与2009年同处在-144 dB左右。之后在2017年1、2月该频段急剧升高，达到-112 dB，随后降低到-120 dB趋于稳定(图6)。2015年7月～2016年若羌台架设BBVS60地震计，并统计了10 Hz的噪声水平。结果发现，施工期间，CTS-1和BBVS60两套仪器在10 Hz频段均处于较低水平，接近NLNM，表明该频段的出现与地震计无直接联系。上述噪声异常时段为水库投入运营并网发电时段，因此，10 Hz频段的噪声与水库建设施工无关，是水库建设完成后形成的固有频段，对监测水库周边的高频信号异常带来一定的影响。

图6 若羌台垂直向10 Hz背景噪声趋势图

4 结 语

人类活动频繁增加，若羌台背景噪声水平由2009年0.66×10-8m/s增加到2019年3.53×10-8m/s，接近Ⅰ级环境地噪声水平上限。米兰河水库施工建设期间造成若羌台观测质量下降，主要影响频段为2～10 Hz，极大的影响了该台的地震监测能力。通过对10 Hz的噪声分析，表明该频段是水库投入运营后形成的，与施工期间无关联性，且是持续存在的固有频段，可能与水库发电机组有关。米兰河水库的建设有利于当地的水资源合理利用，兼顾工业水量发电、旅游等方面效益。对于若羌测震台的地震监测能力影响是双重的，一方面能够为监测因水库带来的微震提供了有力的数据支持，另一方面影响台站的监测能力。在今后更长一段时间里，受米兰河水库4 128万m3库容量重力影响，周边将产生微弱的地表形变，进而影响若羌台的台基环境，这是合理提高观测质量，保护地震观测环境所要考虑的问题。