观测环境变化对西安台地震观测的影响研究＊

曹冲，冯红武，王建昌，杨婉婷

（陕西省地震局，陕西 西安 710068）

地震台站是防震减灾工作的基础单元，保证地震台站监测系统正常运转、保护地震监测设施及其观测环境不受破坏和干扰，提供准确、及时、连续、可靠的地震监测信息，是进行震情监视、地震预报预警和最大限度地减轻地震灾害的重要前提。虽然GB/T 19531.1—2004《地震台站观测环境技术要求第1 部分：测震》规定了地震台站观测环境的技术指标、地震计安放位置与主要干扰源之间的最小距离要求，但现实中中国的地震监测设施及其观测环境保护工作形势非常严峻，任务非常紧迫[1]。目前全国有2/3 的地震台站监测设施及其观测环境不同程度遭受破坏和影响，有1/5 的台站因受到严重影响已不能进行正常观测而被迫迁址重建。

哈辉[2-3]对地震监测设施及观测环境保护工作现状进行分析，提出了加强地震监测设施及观测环境保护工作的措施和建议，并运用法学原理，结合有关防震减灾法律、法规，对地震监测设施和观测环境保护行政执法20 个案例进行了综合统计分析，探讨了实际工作中涉及到的若干法律问题。王伟等[4]从地震观测环境的概念入手，具体阐述了地震观测环境保护范围的划定，地震观测环境保护的重要性、现状以及对策建议。王兰兰等[5]详细分析了台站观测环境对地震观测记录的影响，为确保台站观测记录的准确可靠，提出了相应的对策。虽然以上研究都探讨了对地震观测环境保护的重要性，从法律、法规政策以及防震减灾宣传等方面提出了保护地震观测环境的相应措施，但都没有从技术角度上对台站背景噪声进行计算处理，定量分析地震台站观测环境变化对台站地震观测记录的影响。

噪声水平是衡量地震台站观测环境的一个指标，也是衡量地震台站观测的地震波形数据质量的一个重要因素。如果地震台站的背景噪声水平较高，就很难监测到地震台站周围微弱的地面震动，这就大大降低了地震台网的地震监测能力。地震台站背景噪声可视为平稳随机信号，依据随机过程理论，可用功率谱密度（Power Spectral Density，简写为“PSD”）来表征其特性。通过计算1～20 Hz 频带范围内噪声均方根（RMS 值），可定量分析台站背景噪声水平[6]。

西安地震台（以下简称“西安台”）作为国家测震基准台和中美合作的CDSN 观测台站，台基为震旦系片麻状花岗岩。因基岩完整，无风化，背景干扰小，放大倍率高，是一个理想的测震台址[7]。在模拟观测时期，地震观测质量多次获得全国前三名的优异成绩。然而随着社会经济快速发展和城镇化建设步伐明显加快，许多道路、楼房在台站周边出现，观测环境受到了很大的影响。另外，由于西安台观测山洞从1966 年使用至今，自然环境的变化对观测仪器也产生了较大影响，包括山洞植被覆盖、山洞湿度、温度、降雨等，以及仪器自噪声，这些干扰因素都会被地震计记录，增大了台站观测的背景噪声。同时台站背景地噪声还会随着季节、时间而不断变化。尤其是数字化改造以来，西安台地震监测设施和观测环境遭受破坏问题也日益突出，观测环境变化对测震观测成绩的影响已逐步地显现出来。为此，有必要从科学角度的意义上分析研究西安台观测环境变化对地震观测记录的影响。本文拟利用数字化以来西安台历年来观测波形记录，计算台基地动噪声水平，分析观测环境变化对台基噪声的影响，并实地调查分析影响观测环境的主要干扰源特征。

1 地噪声计算方法

本文采用GB/T 19531.1—2004[8]规定内容，计算地动噪声RMS 值，计算公式如下：

2 结果分析与讨论

西安台配置的地震计为甚宽频带仪器CTS-1E，又称为ITC-120A，数据采集器采用EDAS-24GN，地震计观测频带范围为120 s～50 Hz，采样率为100 Hz，架设方式为山洞地面摆架设，架设标准为B 类地区I类台站[7]。选取西安台2010—2017 年的连续波形数据，利用公式（1）计算西安台环境背景噪声水平的RMS值。一般情况下，台站的干扰背景与时间有关系，白天干扰要多些，夜间要平静些。每年每月进行地动噪声计算，然后逐月绘图对比。图1 和图2 分别为地动噪声RMS 值逐月和逐年变化情况。可以看出，西安台噪声水平正逐年增大，台基已从I级环境地噪声水平降为Ⅱ级。

图1 2010—2017 年西安台地动噪声平均RMS 值逐月变化图

图2 2010—2017 年西安台地动噪声平均RMS 值逐年变化图

通过每年的噪声结果对比发现，噪声水平逐年增大。西安台台基噪声变化与台站周边观测环境影响有很好的一致性，主要表现为：①白天噪声水平明显偏大，节假日时间段噪声水平也明显增大；②台站周边施工干扰会造成高噪声水平。

通过对西安台地震观测的主要干扰源进行实地调研发现，西安台干扰主要为人为噪声，包括附近公路（距测震山洞约80 m）、农民生产生活、施工干扰（偶有发生），这些都是人为活动引起的高频噪声，原则上均可避免。除此之外，还有山沟河流（距测震山洞约80 m），水流大小与季节性降雨有关，属于自然噪声。

为进一步对影响西安台地震观测的主要干扰源进行分析，利用希尔伯特-黄变换（HHT）[9-11]，对其时频特征进行研究。车辆干扰是西安台地震观测常见的干扰，图3 和图4 为车辆干扰波形记录及其HHT 时频谱，图5 和图6 为施工干扰波形记录及其HHT 时频谱。从图中可以看出，车辆干扰主要表现为高频信息，频段在10～22 Hz 之间，台站周边施工干扰的幅频变化主要分布在5～25 Hz，这些干扰源主要以高频信息为主。而天然地震波形（地方震）的频带信息主要分布在1～20 Hz，干扰与地震信息频段有重合部分，这对地震记录有重要影响。

图3 受车辆干扰的地震观测记录

图4 车辆干扰的HHT 时频图

图5 受施工干扰的地震观测记录

图6 施工干扰的HHT 时频图

3 结论

西安地震台观测环境变化对地震观测产生了重大影响，台基噪声水平已经从I类降为Ⅱ类水平。车辆干扰、人为活动以及台站周边的施工干扰是影响台站地震观测的主要干扰源。

通过对各类干扰源的波形记录进行HHT 时频分析，车辆干扰和施工干扰主要表现为高频信息，频段分别为10～22 Hz 和8～25 Hz，这与天然地震波形（地方震）的频带信息存在交叉，会对台站地震观测有重要影响。高频干扰仍是地震观测中噪声的主要来源，压制高频干扰是提高地震观测质量的重要途径。测震观测宜以深度为2 m 以上摆坑，或者应向井下地震观测发展，可有效减少高频和短周期等人为活动的强干扰，尽量减少与经济社会发展的矛盾。