台基观测方式对地震台站背景噪声影响分析

杨亚运　汪建　傅卓　张巡

摘要重庆地区3个地震台站经改造后，台基类型由深坑观测改变为地表观测。分别计算3个台站改造前后的噪声功率谱密度（ PSD）及相应的概率密度函数（ PDF），通过噪声功率谱平均噪声曲线，评估3个台站台基背景噪声变化情况。计算结果表明，3个改造台站环境噪声水平有所增加，尤其在2 Hz 以上的频段，其中合川云门台（ YUM）最大增加9 dB，开县临江台（ LIJ）最大增加10 dB，忠县善广台（ SHG）最大增加4 dB。目前，3个台站1—20 Hz 频带范围内环境噪声水平仍符合观测规范要求，但改变台基观测方式后，传感器接收到人为干扰噪声信号更丰富。因此，开展地震台站建设、改造施工要慎重改变台基观测方式。

关键词重庆地区；噪声功率谱密度；概率密度函数；环境噪声水平

中图分类号： P315.61文献标识码： A文章编号：2096-7780（2023）06-0241-10

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-152

Influence analysis of observation mode for seismic station on background noise

Yang Yayun，Wang Jian，Fu Zhuo，Zhang Xun

（Chongqing Earthquake Agency， Chongqing 401147， China）

Abstract ThreeseismicstationsinChongqingareahavebeenreconstructed. And the typeof station base is changedfrom deep pit observation tosurfaceobservation. The PSDand PDFof the threestations beforeandafter reconstruction were calculated respectively，and the noise power spectrum is used to average the noise curve to evaluate the background noise variation of the three stations. The calculation results show that，the environmental noise level of the three reconstructed stations still increased，especially for frequency bands above 2 Hz. The maximum increase of PSD is 9 dB at YUM station，10 dB at LIJ station，and 4 dB at SHG station. But the overall environmental noise level between 1—20 Hzbandsof thethreestationsstillmeetstherequirementsof theobservationspecifications. However，after changing the observation mode of the station base，the components of the noisesignal received by the station changesignificantly，especially the human activity related noise. So when we carry out the construction and reconstruction of seismic stations，it is necessary to carefully change the observation mode of the station base.

KeywordsChongqing area; noise power spectral density; probability density function; ambient noise level

引言

地震計墩（以下简称摆墩）主要是放置地震传感器，观测地震动现象的必要硬件设施。地震台站观测方式主要包括：地表摆墩观测、地下室摆墩观测、山洞摆墩观测及井下钻孔观测。由于特殊地质环境条件，有的地区风化层或泥岩层较厚，采取深坑摆墩观测也是可行的方式。作为传播地震动信息的载体，摆墩的深度、硬度、甚至形状对传感器接收地震动信息都有一定的影响。如何准确评估因改变台基观测方式造成观测数据质量变化，是值得深入研究的问题[1]。大量研究表明深坑摆墩台站比地面台基台站地噪声水平低，且深井观测台站数据信噪比要高得多。井下观测随着井深度的增加，地面干扰尤其是高频人为干扰的影响会相应减小。增加台基的深度能够有效降低各种环境噪声中的地面高频段扰动，提高数据质量[2]。本文从另一个角度，通过对比台基位置相对升高的情况下，分析仪器记录数据噪声水平的变化，探讨改变台基观测方式对台站背景噪声的影响。

1 地震计墩改造概况

重庆地区有3个深坑型测震观测台站，具体位置如图1所示，台基岩性均为砂岩，早期建设台站摆墩位于数米深处，地震计日常维护十分不便，特别是雨季易出现渗水，极大影响到地震计正常运行。在国家预警工程项目实施期间，根据 DB/T 60—2015《地震台站建设规范：地震烈度速报与预警台站》相关技术要求，对台站进行了摆墩加高技术改造处理，将原摆墩清除、打毛、清洗后，一次性整体浇筑出地面。

3个台站均使用短周期数字地震计观测，改造后安装地震计水平向未改变，垂直向位置相对抬升，其他观测条件与改造前基本一致（表1）。其中：合川云门台（台站代码 YUM）抬升3.5 m，忠县善广台（台站代码 SHG）升高4.3 m，开县临江台（台站代码 LIJ）抬升2.9 m。为评估改造后的3个台站摆墩质量，选择垫江新民台（台站代码 XIM）作为参考台站，台站安装地面宽频带地震计，观测环境较为稳定，背景噪声干扰小，与3个改造台站的相对距离基本相当，且4个台站数据采集器均为100 Hz 的采样率，观测房内布局和相关设施条件基本相同。

2 观测数据和处理方法

台站环境噪声是影响地震观测数据质量的主要因素之一。从重庆测震台网获取3个改造台站和1个参考台站的2019—2021年每月一天的地脉动噪声数据，为保证数据受干扰尽量小，选取每天夜间安静时段2小时数据作为计算样本，每个台站每年共有24小时观测数据。采用 McNamara 等[3]提出应用概率密度函数（ PDF）方法进行地噪声功率谱密度（ PSD）值计算。

该方法的主要思路是：将原始波形数据分为 n 个记录段，采用与 Peterson 相同的方法[4]计算每个记录段 PSD 值，使用1/8倍频程的频率间隔对每个记录段 PSD 曲线进行平滑；然后，计算 PSD 值落在某一个频点某一功率窗内的记录段数目，以该记录段数目与总记录段数目 n 的比值作为该频点该功率窗的 PSD 概率密度函数的取值[5-6]。PDF 噪声分析方法在计算过程中不必排除地震等突发事件，不需要挑选连续平静记录，而是将这些偶然事件统一进行处理，这些扰动将作为低概率事件存在于PDF中，不会影响对高概率水平的环境地震噪声水平的评估。因此，PDF 结果能较好地估计台站背景噪声水平的变化特性。

2.1 噪声功率谱密度（ PSD）計算[7-8]

（1）数据预处理。为了减少对长周期功率谱估计的偏差，需对波形数据进行去均值、去长周期成份处理。为了减少有限长度数据序列进行快速傅里叶变换（FFT 变换）时造成的频率渗漏，需将正弦—余弦窗函数应用于记录段数据序列，使数据段两端平滑地衰减至零。需要注意的是，最后计算出来的 PSD 值需要补偿应用窗函数所造成的功率值的减小。

（2）速度功率谱密度值计算。采用 FFT 变换把原始数据变换为以频率为自变量的函数Y（f），然后计算每个频点的功率谱密度Pv （f）：

式中，N 为采样点个数；Δt为采样时间间隔。

（3）扣除仪器响应。为了得到地动噪声的物理量值，即速度值，需要对功率谱Pv （f）进行仪器响应校正：

式中，H （f）为仪器的传递函数。

（4）加速度功率谱密度计算。为了与全球标准低噪声模型（ NLNM）和全球标准高噪声模型（ NHNM）进行比较，将公式（2）转换为加速度功率谱密度PSDa：

（5）平滑处理。为了得到 PSD 值在频率对数坐标中呈等间隔采样，本文采用1/3倍频程积分对每条记录的功率谱密度做平滑处理：

式中，fl为低频拐角频率，fh为高频拐角频率，n 为介于二者之间频率f 的个数，中心频率fc 以1/9倍频程为增加步长。

2.2 功率谱概率密度函数（ PDF）计算[9-10]

所有记录段 PSD 值计算结束后，以1 dB 为间隔将?200—?50 dB 范围的功率划分成连续的功率窗，统计每个频点的 PSD 值落在对应功率窗内的记录段个数，然后根据概率密度函数公式计算该频点处各个功率窗的概率：

式中，NPfc为在中心频率fc处落在某一功率窗的记录段个数，Nfc为总记录段个数，PPSD （fc ）为fc 频点处某一功率窗的概率。

3 噪声计算结果分析

由于3个台站摆墩改造时间不尽相同，其中 YUM 台于2019年12月13日改造，恰好在年底，以 XIM 台作为参考台站，分别计算2个台站2019年、2020年、2021年的功率谱概率密度函数，进行年度对比分析。LIJ 台、SHG 台则以改造时间为节点，分别计算改造前和改造后的功率谱概率密度函数，进行改造前后的对比分析。

3.1 不同年份噪声对比分析

基于选取的原始噪声数据，计算得到 XIM 台和 YUM 台垂直向加速度功率谱概率密度函数图（图2），在图中绘制了 NHNM 与 NLNM 的加速度 PSD 值连线（青色实线）、最大（ MAX）与最小（ MIN）PSD 值连线（红色虚线）、累计概率密度为10%与90%的 PSD 值连线（黄色实线）以及平均概率密度（ AVG）PSD 值连线（黑色实线），其中各频点最大概率 PSD 值就是该台各频点地震噪声 PSD 的估计值，右侧色标表示的是 PSD 值在该频段处出现的概率。本文数据均选取夜间干扰最少时段数据进行计算，平均概率密度（ AVG）PSD 值最能反映台站的背景噪声水平。因此，在后面的分析中我们提取 AVG 代表各台站的平均噪声水平[9]。

图2a、2c、2e 为XIM 台垂直分向功率谱概率密度函数分布图。由图可知，2019年、2020年、2021年观测频段内各频点噪声出现概率大体一致，整体 PSD 值概率随频率变化形态较一致，未明显增大或减小，说明该台站环境噪声水平较为稳定。已有研究表明[11]高频（5—40 Hz）和短周期（1 s—5 Hz）环境噪声主要是由人类活动（交通、工业等）引起的，部分也可能是由自然界因素引起的。XIM 台3年的高频和短周期频带内，环境噪声 PSD 值概率分布较为一致，在1 Hz 频段左右，3年均存在噪声低值区，这与全球噪声模型中噪声随频率的变化形态较为一致；1—3 Hz 频段内，最大概率噪声 PSD 值从?160 dB 增加到?140 dB 左右，也比较贴合噪声模型变化形态；3 Hz 以上的高频段，噪声水平维持在?140—?150 dB 之间，但在20 Hz左右出现噪声高值区，特别是2019年和2020年功率谱概率密度函数分布图一致性较高，说明该台站环境噪声水平较稳定。

YUM 台作为摆墩改造台站之一，在2019年底完成改造后，2020年、2021年功率谱密度概率密度函数分布图，表现出与2019年不一样的特征（图2b、2d、2f），最大（ MAX）与最小（ MIN）PSD 值概率分布区间范围更大，累计概率密度为10%与90%的 PSD 值分布区间范围也明显有所扩大。2 Hz 以下的频段，3年噪声 PSD 值概率密度分布较为一致，稳定在?140 dB 左右；但在2—10 Hz 范围内，从缓慢上升、均匀分布，变为曲线上升、不均匀分布；10—20 Hz 频段，由集中变得离散；20 Hz 以上频段 PSD 值概率密度分布概率值明显降低，说明台基噪声源成份有所改变。整体来看，该台站2020年、2021年噪声功率谱概率密度函数分布图中 PSD 值大于?130 dB 的概率，相比2019年有明显增加，说明地震计墩改造影响了该台站背景噪声水平。

3.2 各年份平均噪声对比分析

为进一步说明地震计墩改造确实影响台站噪声水平。从 XIM 台、YUM 台各分向功率谱概率密度函数分布图中，提取平均概率密度（ AVG）PSD 值，作为衡量改造前后台站平均噪声水平的均值（图3）。从不同年份平均噪声功率谱曲线可以看出，XIM 台各分向3年的 PSD 曲线形态基本一致，特别是两个水平分向基本重合，仅在低频段部分频点表现出年度差异。而垂直分向（UD）2019年 PSD 曲线更靠近地球高噪声模型，表明2019年 UD 分向环境噪声略大于2020年和2021年，可见该台站环境噪声水平是有所降低的。一般宽频带地震计能够清晰记录微震噪声，即在1—10 s 和10—20 s 有2个峰值分别称之为次级微震和主微震，其形成机制是海洋波与海底或海岸带的非线性作用引起海底压力脉动[12]，XIM 台垂直分向微震噪声形态较为一致，但2020年、2021年相比2019年微震噪声水平有所降低，而高频段（5—40 Hz）和短周期段（1 s—5 Hz）仅有1 dB 左右的小幅下降。

YUM 台3个分向2020年和2021年 PSD 曲线高度一致（图3b、3d、3f），但与2019年 PSD 曲线形态差异较大。其中 EW 向在4 Hz 以上频段，噪声水平明显增加，最大增加幅度为9 dB，但2—3 Hz 频点出现噪声相对减小的异常现象。NS 向3年噪声 PSD 曲线变化不明显，相比2019年，后两年仅在20 Hz 以上频段表现出噪声略有增大的迹象，且最大增加幅度仅有2 dB，但同样在2—3 Hz 频点出现噪声减小的异常现象，可能原因是2020年后东西方向近场固定干扰源消失。相比2019年，UD 向噪声变化也较明显，后两年 PSD 曲线在整个观测频段内，都表现出噪声增大现象，尤其在6 Hz 以上频段更明显，最大增加幅度为9 dB，这说明地震计墩改造引起 YUM 台背景噪声水平变大。

综上可知，YUM 台摆墩改造后 EW 向、UD 向平均噪声 PSD 曲线在高频段均出现噪声增大现象，而未进行改造的 XIM 台，水平向3年噪声 PSD 曲线基本一致，UD 向2020年和2021年均略低于2019年。表明 YUM 台摆墩改造后，地震计更容易记录到台站周围环境中人为噪声干扰。其中 NS 向变化不明显的原因可能是该方向存在固定干扰源。

3.3 摆墩改造前后噪声对比分析

在开展 LIJ 台、SHG 台站分析时，以改造日期为节点，分2个时段进行功率谱概率密度函数计算，对比改造前（Before）和改造后（After）的噪声水平变化情况。

图4为 LIJ 台各分向摆墩改造前后功率谱概率密度函数分布图。改造前3分向 PSD 概率分布特征及形态基本一致，2 Hz 以下频段 PSD 概率分布集中，2 Hz 以上频段较离散，累计概率密度为10%和90%的 PSD 值连线区间内，动态范围最大为30 dB；改造后该台站各分向 PSD 概率分布形态也基本一致，但整个观测频段内的表现相对收敛集中，2—5 Hz 频段内的 PSD 概率分布分叉现象均消失，动态范围最大为24 dB。此外，改造后该台站最大 PSD 值连线明显向上移动，不同频点 PSD 值概率分布表现出一定的差异性，特别是10 Hz 以上的高频段，PSD 值大于?130 dB 以上的概率高于改造前。说明该台站在摆墩改造后，噪声干扰频段和干扰大小均有明显变化。

图5为 SHG 台各分向改造前后功率谱概率密度函数分布图。改造前该台站各分向 PSD 概率分布特征及形态差异较大，2 Hz 以下频段各分向 PSD 概率分布均匀、平坦、收敛，10 Hz 以上频段较杂乱，累计概率密度10%与90%的 PSD 值连线区间内，动态范围最大分别为：NS 向11 dB、EW 向12 dB、UD 向16 dB，且 EW 向和 UD 向存在明顯 PSD 概率分布低值区。改造后各分向与改造前 PSD 概率分布形态大体对应，NS 向8Hz 左右高值区依然存在，EW 向4—6 Hz 起伏变化形态对应较好，UD 向3 Hz 频点高值基本一致，但各分向10 Hz 以上频段 PSD 谱概率分布趋于集中。除 NS 向外，动态范围相比之前均收窄2 dB。此外，改造后最大 PSD 值连线略有上移，说明改造后该台站噪声水平有所增大。

3.4 摆墩改造前后平均噪声对比分析

为进一步定量分析摆墩改造后噪声水平变化情况，从 LIJ 台、SHG 台功率谱概率密度函数结果中，提取平均概率密度（ AVG）PSD 值，作为衡量改造前后台站平均噪声水平，分别比较2个台站改造前后 PSD 曲线形态特征，更能有效评估噪声水平变化情况。

对比 LIJ 台各分向改造前后平均噪声功率谱曲线（图6a、6c、6d）可见，改造后各分向 PSD 曲线明显更靠近地球高噪声曲线，说明摆墩改造后该台站整体噪声水平依然增大。EW 向从1 Hz 频点左右开始改造后的噪声水平均高于改造前，最大增加幅度达到10 dB，其中11—15 Hz 和20—25 Hz 两个频段变化最明显；NS 向2 Hz 以上频带范围内改造前噪声水平均高于改造后，最大增加4 dB，在20 Hz 频点附近；UD 向在整个观测频带范围内，都表现为改造后噪声更大，但4 Hz 左右出现噪声变化幅度收窄，之后逐步增大，8 Hz 以上频段噪声增大最为明显，最大增加幅度为11 dB。

图6b、6d、6f 为 SHG 台改造前后3分向平均噪声功率谱曲线，可见不同分向改造后噪声变化不尽相同，其中 EW 向在观测频带范围内，整体噪声略有增加，最大噪声变化频点在14 Hz 左右，幅度为8 dB，但在20—23 Hz 几个频点，出现小幅下降的异常现象；NS 向噪声 PSD 曲线变化不明显，多个频点出现噪声降低的情况，20 Hz 频点附近变化最大，但增加幅度仅有4 dB；UD 向观测频带范围内，改造后噪声水平以增加为主，有部分频点变化不明显，幅度相比 EW 向较小，变化最大在14 Hz 和30 Hz 频点附近，幅度为6 dB。

综上可知，YUM 台、LIJ 台和 SHG 台摆墩改造后，整体噪声水平均有所增大，但各分向增加的幅度不同，不同频点 PSD 值变化也有所不同。3个台站改造后 PSD 概率分布仍然处于 NHNM 与 NLNM 之间的范围内，因此背景噪声水平仍然符合规范要求。

4 结论

（1）参考台站 XIM 台和改造台站 YUM 台，2019年、2020年和2021年噪声功率谱概率密度函数计算结果表明，YUM 台摆墩改造后，2020年和2021年噪声水平明显高于2019年，说明该台站背景噪声受到台基观测形式改变的影响。

（2）3个台站摆墩改造后，背景噪声水平均出现增大现象，但噪声变化的频点和增加幅度不尽相同，且不同分向噪声变化也不一致。LIJ 台改造后各分向噪声水平均有所增加，在20 Hz频点处3分向增加幅度最大，其中 EW 向最大增加10 dB。YUM 台改造后 NS 向噪声变化不明显，EW 向和 UD 向在6 Hz 以上频段均表现为增加，最大幅度为9 dB。SHG 台 NS 向噪声主要频点表现出小幅下降，EW 向和UD 向噪声水平总体增大，最大增加幅度为6 dB。各台站观测环境有所不同，可能是造成噪声变化有差异的原因：LIJ 台正南向有一条高速公路，YUM 台正南向约50 m 处同样也有一条省级公路，存在长期固定干扰源，摆墩改造后，2个台站 NS 向噪声水平变化幅度均较小；SHG 台位于景区内，周围人为活动干扰较少，摆墩改造后接收到的环境噪声信号未明显增加或减少，所以噪声水平变化不明显。

（3）LIJ 台、YUM 台、SHG 台摆墩改造后，地震计更容易接收到周围人为噪声信号，但2020年和2021年 PSD 概率分布整体介于 NHNM 与 NLNM 之间，表明摆墩改造虽然造成部分频点噪声增大，但仍然满足短周期数字地震计的观测要求。

致谢

感谢福建省地震局巫立华老师提供噪声分析软件，感谢审稿老师提出的宝贵修改建议！

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