昭通巡龙测震台台基背景噪声特征分析

2022-02-28马敏伟彭登靖秦波李刚

高原地震 2022年4期

马敏伟，彭登靖，秦波，李刚

(昭通地震监测中心站，云南昭通 657000)

0 引言

数字地震观测连续波形记录中，除了可获得地震信号外，还可获得大量的噪声记录，而地震噪声水平的变化既能反映台站仪器设备的工作状态，又能影响台站监测水平能力。因此，提高对噪声记录的认识和了解，学会分析噪声的来源和谱异常，通过选择优良的台址和提高观测仪器的性能，降低观测系统的噪声水平，来提高台站的地震监控能力和获取更加清晰的地震记录[1]，具有重要的实际意义。

噪声功率谱密度(power spectral density，缩写为 PSD)通常用来定量地描述地震台站记录到的噪声水平[2]，实际使用1～20 Hz频段地动噪声均方根值(RMS)来衡量各台站台基背景噪声水平[3]，这两项指标是研究背景噪声强弱和特征的有效工具。因此通过对实时记录的噪声水平进行监控和分析，可以及时监控到地震观测系统的健康状态[4]。

1 台站概况

昭通巡龙测震台(以下简称昭通台)属于国家数字测震台，长期以来在地震监测预报工作中发挥着极其重要的作用。其原址位于昭通市昭阳区南大街东南圆宝山脚下原昭通地震台(现昭通中心站)内，随着城市建设的不断发展，台站周围大量新的干扰源不断出现，现有观测环境受到严重的影响，直接影响着昭通台对地震监测效能的发挥。加之云南震情形势的不断严峻，特别是“8·3”(2014年8月3日16时30分)鲁甸6.5级地震的发生，迫切需要对本区域的地震监测环境做出改善，提升地震监测效能。因此，2015年原昭通国家测震台采用台址外迁的形式，在距离昭通地震台直线距离约15.5 km的巡龙湾选址新建了一个测震台站，该台2017年2月正式入网观测。

图1 昭通台地理位置

昭通台建在布满石灰岩的半山坡上，为地表式观测。该台站高程1 933 m，台基岩性为石灰岩，台站所处境内地质断裂构造纵横交错(图1)，有近南北向构造的小江断裂带，峨眉—金阳断裂带，北西间构造的大关—马边断裂带，三条北东向构造的巧家—五莲峰断裂带、洒渔河断裂带、迤车断裂带。昭通台所在的巡龙湾就位于北东向的洒渔河断裂带边缘，该处为北纬高原大陆季风气候，冬季气温较低，夏季气候凉爽，干湿两季分明。台站现有地震监测设备为 GL-S120型甚宽频带地震计及EDAS-24GN数据采集器，地震计频带范围为120 s-50 Hz，观测采样率为100 Hz，其参数如表1。

表1 台站仪器响应参数信息

2 资料选取

本文主要是对昭通台背景噪声数据进行计算，并对其计算结果进行分析，得出台站的背景噪声变化特征情况。选取昭通台2019～2022年共4年的原始波形数据，并在数据中选择无震、无明显干扰、长度每小时的记录[5]，对符合的波形数据进行分道处理，结合地震计灵敏度和数采转换因子，计算出地脉动噪声功率谱(PSD)和地动噪声有效值(RMS)等地脉动参数，从而发现台站的背景噪声特征变化规律。选取数据计算时考虑以下几个方面：

(1)为了研究台站背景噪声的年变情况，选取2019～2022年间每年1月份中无地震、无明显干扰下夜间00～04时段内每小时的观测数据(表2)，进行分析计算。

表2 2019～2022年各年间观测数据目录

(2)为了研究台站背景噪声随季节的变化及白天夜晚的不同，选取2020年的观测数据，将数据按季度分为春季(2020-03～2020-05)、夏季(2020-06～2020-08)、秋季(2020-09～2020-11)、冬季(2020-12～2021-02)[6]，在每个季节中同样选择无地震、无明显干扰夜间00～04时及白天12～16时内1 h的观测数据，进行分析计算，选取的资料如表3所示。

表3 2020年各季度观测数据目录

3 数据分析

本文测点噪声测试数据的回放、分道、功率谱密度计算、RMS计算等噪声数据处理采用北京港震机电技术有限公司童汪练研究员[7]编写的地动噪声功率谱密度软件包进行测试计算。各计算工作按小时数据段进行处理，对垂直、东西、南北三个分量进行计算分析。

3.1 地脉动噪声功率谱密度(PSD)计算分析

根据选取的波形数据，每小时计算出垂直向、东西向、南北向三个分量各一条功率谱密度曲线，如图2～4所示。图中上下两条粗实线为高噪声模型(NHNM)与低噪声模型(NLNM)，中间线为实测功率谱密度曲线。

图2 各年地动噪声功率谱密度曲线

通过对2019～2022年间各年数据进行分析计算，结果发现台站的地动背景噪声变化特征如下：

(1)分析发现，仪器观测频带内整体偏向于低噪声模型，但都处于高低噪声模型之间，属正常水平。

(2)在高频(≤2 s)段内，绘制出来的各年地动噪声功率谱密度曲线最粗，在微震(2～20 s)频段内，地脉动功率谱密度曲线处在最高值，而在长周期(≥20 s)频段内，地脉动功率谱密度曲线清晰较为平滑，这是因为地震计为甚宽频带型，能很好地记录低频、长周期的地脉动噪声。

(3)四年间三个分项地动噪声功率谱密度曲线一致性较好，年变化形态不明显，说明台站自身观测系统稳定，数据观测质量很好。

(4)对比白天和夜间功率谱密度曲线，发现高频(≤2 s)部分白天背景噪声明显高于夜间，这是由于人类活动白天比夜间更频繁引起所致。

(5)从各季度功率谱密度变化曲线来看，发现低频(≤0.1 Hz)部分受季节影响而随之变化，尤其水平向(东西、北南)的变化明显大于垂直向(UD)，这是由于台站位于半山坡上，与台站山体相连且距离台站100 m左右的北边山体内部为溶洞，而因不同台站不同型号仪器和同一型号仪器不同分向低频自噪声水平不同，水平向受地倾斜影响大于垂直向[6]，因此受气压变化的影响，台站背景噪声值也随着季节发生改变。

图3 各季度地动噪声功率谱密度曲线(夜间)

图4 各季度地动噪声功率谱密度曲线(白天)

3.2 地脉动速度噪声1～20Hz有效值(RMS)计算分析

根据选取的波形数据，计算出各季度的地脉动噪声有效值，如表4，根据白天和夜间平均RMS值画出其随时间(季度)变化情况图(图5)。

表4 各年地动噪声平均RMS值数据汇总对比

图5 昭通台三分项RMS值随季节变化对比

从表4和图5中可以看出，昭通台三分项RMS值无论是在春、夏、秋、冬哪个季节，其水平向(东西、北南)均大于垂直向(UD)，而在四个季节中，春秋两季RMS值明显大于夏冬两季，这是因为台站所在位置为昭通洒渔苹果种植基地，地震台站周边被农户种植的苹果树包围，每到春季时，农户会在苹果基地里面利用旋耕机翻地、施肥、灌水。而到秋天时则是苹果收成时节，地震台站周边来来回回拉苹果的三轮车加大了观测环境的干扰。也就是说，人类活动的影响春秋两季高于夏冬两季，从而计算出的RMS值具有明显的季节变化特征。