蚌埠地震台测震干扰分析及处理

肖 攀， 宋国华， 李露露， 吴 辉， 宋 驰， 张伟峰

(安徽省地震局蚌埠地震台， 安徽 蚌埠 233000）

0 引言

蚌埠地震台位于江淮地区， 淮河南岸， 蚌埠市西郊小黄山（高新技术开发区内）， 郯庐断裂带西侧， 台基属花岗岩。 1976年9月建台， 1977年6月投入观测， 1980年4月扩建。距市区3 km， 海拔40 m， 属安徽省12个区域有人值守数字地震台之一。 测震仪器现使用KS-2000 型宽频带地震计。 数字化测震仪较以往使用的模拟测震仪， 具有频带宽、 动态范围大等特性， 因此记录到的地震数目比模拟记录的多。 但往往在分析地震时， 地震波被一些低频信号或者是高频信号相互叠加干扰， 使得震相无法精确识别， 这些干扰严重影响地震台测震记录波形质量。 为了能更好地提高观测资料质量的精度， 本文分析了这些干扰源的特性， 并制作出相应的滤波器， 以便于解决实际工作中存在的问题。

1 干扰源介绍

1.1 高频干扰介绍

随着蚌埠市社会经济的迅速发展， 城市化进程的快速推进， 蚌埠地震台所处的地理位置已属于规划中高新技术开发区范围内。 依2006年高新技术开发区规划局设计， 2012年初， 开发区开始施工修建45 m 六车道大庆路主干道， 离蚌埠地震台仅180 m。 目前快车道已经通车。

作为城市外环的主干道， 每天都有大量的载重汽车通过， 由于蚌埠地震台测震仪器直接放置在基岩上， 无山洞保护， 因此载重汽车的通行对我台的地震观测环境产生了较大的影响（见图1）。

图1 载重汽车通过时的干扰波形Fig.1 Interference signals as the truck through

西山黄山村窑厂（距台站直线距离不到1000 m）采用地表爆破进行挖土， 对蚌埠地震台观测环境造成了很大的威胁。 由于窑厂工作的干扰， 测震记录波形背景干扰增大， 小震记录不清， 震相难以识别， 严重影响了测震的观测质量。 另外， 大量爆破频频发生， 易造成数字观测系统不稳定。 如果爆破与地震事件重合， 其波形还会叠加干扰， 给地震分析工作带来一定的困难（见图2）。

图2 台站记录大量爆破波形数据Fig.2 Blasting waveforms recorded by Bengbu seismic station

1.2 低频干扰介绍

地震台站观测的数据中除了地震震源激发的地震波外， 还包含了如地脉动、 海浪干扰等低频数据， 为地震波数据分析带来麻烦[1]。 以我台记录的ML1.5 级近震的UD 分向记录为例说明（见图3）。

2 干扰源分析

场地干扰背景水平是影响台站地震监测能力的主要原因， 因此， 有必要对地脉动噪声进行测试和分析。 本文选取了蚌埠地震台凌晨0 点和上午10 点这2个时段KS-2000 宽频带地震计连续波形作平均值噪声功率谱分析（见图4、 5）。 可以看出， 蚌埠地震台的功率谱密度曲线介于地球的高噪声模型和低噪声模型曲线之间， 其RMS 值如表1 所示。

图3 淹没在地脉动中的地震波Fig.3 Seismic wave covered by microtremor

图4 00 点钟噪声功率谱Fig.4 Nosie power spectrum at 0 o'clock

图5 10 点钟噪声功率谱Fig.5 Nosie power spectrum at at 10 o'clock

表1 蚌埠地震台RMS 值Table 1 RMS of Bengbu seismic station

根据GB/T19531.1-2004 地震台站观测环境技术要求， 在干扰高峰期和平静期， 蚌埠地震台台址均达到了国家C 类地区环境噪声水平Ⅱ级标准。 但是从表1 中可以看出， 在干扰高峰期的0.008～0.1 Hz、 1～20 Hz 其干扰明显大于平静期。 根本原因在于低频部分有地脉动干扰， 高频部分有爆破和载重汽车过境干扰。

3 干扰的去除

3.1 高频干扰的去除

地震台站观测的数据中除了地震震源激发的地震波外， 还包含了如地方爆破等高频干扰数据。 这里以蚌埠台记录的2011年3月12日23 时53 分日本大地震余震的UD 分向记录为例说明高频干扰的去除。 爆破频率相对地震波的频率明显较高， 去掉该爆破就需要设计低通滤波器， 把高频爆破滤掉。 由于远震波形数据的地震波频成分较低。 我们选择低于1.5 Hz 的频率成分即可满足要求（滤波结果见图6）。 图6 为滤波前后的波形图， 在270 s处有一个高频爆破， 滤波后完全去除了高频爆破的干扰， 使得震相更加清晰。

图6 运用低通滤波器滤波前后波形的比较Fig.6 Comparison of original and filtered signals by low-pass filter

蚌埠地震台180 m 处， 目前正在进行道路建设工程， 在施工过程中， 蚌埠地震台的地震监测受到了较大的干扰。 图7 可见， 长周期地震信号中叠加了高频的载重汽车干扰， 严重影响到数据的分析和使用。 在频谱图中可以看出， 高频干扰集中在25 Hz 左右。 因此我们可以用低通滤波器将高频干扰滤除， 分析结果见图8。

图7 蚌埠台受干扰的波形图（a) 和Fourier 振幅图(b)Fig.7 Seismic wave disturbed by road construction 180 meters away（a) and Fourier amplitude (b)

图8 滤波前和滤波后的波形图Fig.8 Comparison of original and filtered signals

通过输出结果， 我们可以直观看出， 完全去除了高频干扰。

3.2 低频干扰的去除

我们以蚌埠台记录的ML1.5 级近震的UD 分向记录为例说明。 在原始波形图上， 有一个低频的波浪式背景干扰与这个高频地震波形叠加， 故需要设计高通滤波器， 把低频的波浪式背景干扰波滤掉。 我们选择高于0.2 Hz 的频率成分即可， 滤波结果见图9。

通过图9 的对比， 我们可以很清晰的看到， 在滤波前， 地震信号完全被干扰信号所覆盖， 根本分不清地震信号的到时， 滤波后可清楚分辨Pg 出现的时间应该是47.2 s 处， 起到了预期的效果。

图9 滤波前和滤波后的波形图Fig.9 Comparison of original and filtered signals

4 结语和讨论

数字滤波器的应用十分广泛， 运用MATLAB 语言能够便捷地设计出满足要求的滤波器。 在排除数字地震记录中的干扰波时， 希望尽量滤除干扰成分而保留正常的频率成分。但需要注意的是， 在设计滤波器参数时,一定要对干扰信号进行分析,找准干扰波频率的边界范围,尽可能做到真实信号不丢失。

数字地震记录的干扰源还有很多， 若能针对台站的实际情况对各种干扰波进行分析，找出其干扰频率和特点， 做为台站的干扰背景资料， 将对今后台站的资料处理和应用起到很大的帮助。

致谢： 本文中所设计的滤波器原型来自于万永革教授所著 《数字信号处理的MATLAB实现》 一书， 特此致谢。

[1] 万永革． 数字信号处理的matlab 实现[M]． 北京： 科学出版社， 2007．