沉积层地震观测噪声的对比试验1

孙路强 柳艳丽 刘文兵 卞真付 崔晓峰

（天津市地震局，天津 300201）

沉积层地震观测噪声的对比试验1

孙路强 柳艳丽 刘文兵 卞真付 崔晓峰

（天津市地震局，天津 300201）

天津地区的地质构造条件复杂，其中大部分地区被新生代沉积物深度覆盖，地势以平原和洼地为主，北部有少量低山丘陵，平原约占93%。因此，天津市测震台网地震观测台站除蓟县台有基岩出露台外，其余台站均为井下地震观测。而井下地震计维修价格昂贵且不易维修，同时还面临着由于井下电缆损毁，地震计无法回收等问题。为此，天津市测震台网一直在寻找一种可替代现有井下观测的新方式，以应对深覆盖层地震观测存在的问题。本文通过地震观测，完成了一地多台基情况下台基噪声的对比试验，得到了很好的对比结果。该方法适合在其它类似天津这样沉积层较厚的地区推广使用，可达到简化地震计安装、降低设备维护成本和方便维护的目的。

测震台网 井下地震计 背景噪声 对比试验

引言

噪声是影响地震观测质量的主要因素之一，地震观测台站的一个重要挑战就是通过改善台基处理和地震计安装方式，降低噪声水平，以便提高观测质量。以天津测震台网为例，为了展开沉积层地震观测噪声对比试验，天津市测震台网组成了首都圈数字遥测地震台网的子网，由31个测震台站组成。其中“九五”期间建设台站28个，“十五”期间建设台站3个，平均台间距为30.6km，监测能力达到ML1.0—1.5级。由于天津地区新生代松散覆盖层平均厚度在3.5km，很难找到合适的基岩部分建设台站，因此，除蓟县地震观测台为基岩地表台外，其余地震观测台均为井下地震观测。而对于井下地震观测仪器维护人员来说，由于台站建设成本高，面临着仪器维修维护困难等不利因素，所以天津市测震台网一直在探究一种新的台基选择方案来替代现有的井下观测。为此，在天津青光地震台进行了1次多种台基情况下的噪声值对比试验，本文对此次噪声值对比试验进行了研究和分析，以供学者们借鉴。

1 国内外研究现状

美国地质调查局阿尔伯克基地震实验室曾开展过噪声特征分析研究，定量分析了全球75个固定地震台站的地震背景噪声功率谱密度，得到了全球地震背景噪声模型（葛洪魁等，2013）。其模型主要包括：新高噪声模型（NHNM）和新低噪声模型（NLNM），并提出了用概率密度函数统计分析地震观测台站噪声水平方法，该方法被应用于观测中进行质量控制。同时，国内也有利用不同地址条件和环境噪声的地点，进行不同台基条件和环境噪声的对比试验，但由于存在观测场地条件可比性和仪器一致性等方面的不足，因此使得该规律仅为统计性的。

2 实验观测系统

本次的实验系统由3个流动台站、1个固定台站和1个中心数据汇集点组成。表1列出了台站设备的使用情况。其中，L1201架设于青光地震台院内，周围无特定强干扰源；L1202架设于青光地震台GNSS观测墩上，该观测墩深入地下部分为20m；L1203架设于青光地震台站地下5m处的地下室内。采用GPS统一授时，其观测数据通过内部网络汇集于中心的JOPENS0.5.2系统，可实现数据的实时显示、存储、在线处理等功能。除提供本中心的数据处理外，该系统还可将数据实时上传至台网中心数据库中，参与更多井下台进行数据对比。

表1 台站设备使用情况Table 1 Equipment Being used in the study

3 台站架设

L1201架设于青光地震观测台水泥路面上，为了避免高温对地震计工作的影响，技术人员架设帐篷，避免太阳光对地震计的直接照射，同时圈定以L1201设备为中心，面积25m2的警戒区域，禁止非实验人员的进入；L1202架设于GNSS观测基墩上，该基墩基础深入地下20m处，宽8cm环布隔震槽内填细沙（图1）；L1203架设于台站半地下储藏室内，地震计放置位置距离地面8m；QIG台为原有井下地震观测台。通过上述“一地四点”的台站架设方案，来考量井下观测、普通场地、较深台基处理以及地下室4种情况下场地背景噪声情况，从而判断何种台基更接近或优于现有的井下观测（郭若瑾，2003）。

4 实验结果分析

4.1 台站地动噪声RMS值计算

地震计的工作原理是将数字电压值转化为实际计算中所使用的速度值（蒋乐群等，1997；许康生等，2001），其计算公式为：

式中，v为地脉动速度值；V0为模拟输入电压峰值；N为记录背景噪声数字数；R为仪器分辨率；Gm为数采工作增益；S1为地震计工作灵敏度。

图1 L1202放置基墩构造情况与地震计架设位置Fig. 1 The piers structure and seismometer location

以地脉动的有效值（RMS）来衡量台站的噪声水平，可以表征整个观测频带的噪声水平，用该值衡量噪声水平能够对来自不同噪声源的噪声按同一尺度进行比较（岳秀侠等，2009；裴晓等，2012）。

地动噪声均方根值按下式进行计算：

式中，n为测量次数；vi为某一点实际测得的地动速度值；为实际测得的地动速度均值。

实验具体结果如表2所示。

表2 试验系统各台站RMS均方根值Table 2 The RMS parameters of the test station

从噪声功率谱密度曲线（图2）可以看出，在高频部分观测点均受到不同程度的干扰，地表观测未做台基处理的噪声值比NHNM（新高噪声模型值）高30dB；地面经过基墩处理台站和地下室观测台站观测值均比NHNM高20dB；井下观测基本与NHNM值相当，但也能看出存在外部噪声干扰，此类干扰在黄土覆盖层地区是不可避免的，只能采取措施尽可能减小干扰。

图2 台基噪声功率谱密度曲线Fig. 2 PSD of the background noise

4.2 实验结果比较

从实验结果可以看出，L1202与L1203台基情况达到了《地震台站观测环境技术要求》中的Ⅳ级环境噪声水平，而井下观测台QIG为Ⅳ级观测环境，L1201为Ⅴ级观测环境。井下地震观测的最大好处是躲开了地面噪声干扰，以便改善地震波形记录的信噪比，可提高观测数据的质量。随着深度的增加噪声明显减小，特别是与地面相比，噪声水平减小的幅度相当大。同时，从实验结果还可以看出，井下观测效果最优，达到了井下观测躲避噪声的效果，与L1202和L1203结果一样达到了Ⅳ级观测环境，能够满足地震观测的目的。

5 结束语

通过沉积层地震观测噪声对比试验，能够看出井下地震观测能够更好地阻隔外部干扰，减少人为噪声、微震噪声以及自然噪声对地震观测数据质量的影响。同时，从实验结果还可以看出，通过一定程度的台基处理后，地表观测同样能够达到接近井下观测的效果。因此，在其它类似天津这样沉积层较厚的地区可以推广本文使用的方法，该方法可简化地震计的安装，降低设备维护成本，达到方便维护的目的。致谢：在试验系统架设的过程中，得到了天津市地震局聂永安研究员的指导，以及监测预报处崔晓峰和青光地震台王小平、王云泉的帮助，在此表示衷心的感谢！

郭若瑾，韩新民，赵永庆，2003．橡胶隔震支座建筑结构脉动观测与减震性能分析．地震研究，26（2）：201—207．

葛洪魁，陈海潮，欧阳飚等，2013．流动地震观测背景噪声的台基响应．地球物理学报，56（3）：857—868．

蒋乐群，叶建庆，刘学军，1997．丽江大研镇震灾分布和地脉动测量结果之间的相关性．地震研究，20（1）：125—131．

裴晓，尹继尧，杨庭春，2012．上海遥测台网各类型台基背景噪声分析．地球物理学进展，27（5）：1897—1903．

许康生，李秋红，李英，2001．大地震前近台背景噪声的频谱分析．西北地震学报，34（2）：150—153．

岳秀侠，杨跃文，栗连弟等，2009．天津测震台网子台地脉动分析与应用．华北地震科学，27（4）：36—40．

Application of Ambient Seismic Noise Contrast Experiment in Underground Observation

Sun Luqiang，Liu Yanli，Liu Wenbing，Bian Zhenfu and Cui Xiaofeng

（Earthquake Administration of Tianjin Municipality，Tianjin 300201，China）

Tianjin area is covered by the thick Cenozoic sediments，with complicated geological structure，and plain and depression in topography．The plain occupies about ninety-three percent of the total area．As the results，all stations in Tianjin seismic network are underground observation except Jixian station．Since The borehole seismometer is expensive and difficult to maintain，We search the new way which may replace the underground observation．Some preliminary results in the testing system of ambient seismic noise contrast test are reported in this paper．

Seismic network；Borehole seismometer；Ambient seismic noise；Contrast test

孙路强，柳艳丽，刘文兵，卞真付，崔晓峰，2014．沉积层地震观测噪声的对比试验．震灾防御技术，9（4）：932—936．

10.11899/zzfy20140422

地震科技星火计划（XH14002Y）、天津地震背景场探测工程测震台网分项和天津地震局内科研（20141001）共同资助

2013-12-30

孙路强，男，生于1985年。工程师。主要从事地震速报、编目、系统运行以及软件研发工作。E-mail：lqsun850330@163.com