汕头试验井地面与井下环境地噪声对比测试分析

郭德顺， 陈建涛， 谢剑波， 叶春明

（1.广东省地震局，广东 广州 510070；2.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广东 广州 510070；3.广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室 （筹），广东 广州 510070）

汕头试验井地面与井下环境地噪声对比测试分析

郭德顺1，2，3， 陈建涛1，2，3， 谢剑波1，2，3， 叶春明1，2，3

（1.广东省地震局，广东 广州 510070；2.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广东 广州 510070；3.广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室 （筹），广东 广州 510070）

试验井位于汕头市衡山路，观测系统为井下宽频地震计TBG-60B和地面宽频带地震计TDV-60B，频带为60S～50 Hz，选取的地面观测数据与对应的井下观测数据都是同一时间的，使用童汪练研究员的地噪声分析软件和MATLAB绘图工具，研究台站环境地噪声随观测井深度的变化特征，得到井深与观测地噪声之间的对比关系，为井下地震台站勘选和工程建设提供基础数据。发现地噪声水平从覆盖层进入到基岩有很大变化，从强风化层进入到中微风化层也有明显变化，考虑钻井建设成本和台站建设地噪声水平要求之间的综合效益，在粤东地区典型的地质结构条件，较佳的平衡点应该是至少需要进入完整中微风化层基岩10 m。

环境地噪声；地面与井下；宽频带地震计；汕头试验井

0 引言

本试验项目属于广东省防震减灾 “十二五”地震预警台网建设的前期项目，位于汕头市市中心，属于干扰比较大的城市典型地区和粤东典型沉积层覆盖地区。钻了一个孔径146 mm、井深200 m的测试井，同时在地表建设土层仪器墩；安装宽频带地震计，井下安装扣座式井下宽频带地震计，通过计算和对比不同深度下不同频段地面与井下的地动脉噪声，获得粤东地区典型地质结构条件下，噪声随观测井深度的变化特征，给出准确、科学、可靠的结论，为井下地震台站工程建设及效益的最优化提供基础数据。

1 试验井及其观测系统概况

1.1 试验井概况

汕头试验井由汕头市粤东工程勘察院负责钻井建设施工和地质勘测，于2012年8月13日进场施工，于2012年10月31日完成，钻探深度为203.14 m，下管深度为200 m。试验井的地质情况：第四系松散覆盖层厚度为0～42.80 m，42.80～46.40 m为强风化花岗岩，46.40～203.14 m以下为中微风化花岗岩。

成井套管采用1Cr18Ni9Ti材质不锈钢管，外径为146 mm，壁厚5～6 mm，套管连接处采用涂抹环氧树腊，再缠绕生料带进行密封，以防止地下水渗入。下管后在管内高压注入高标号（参合防水剂）的水泥浆翻浆至井口进行固井。固井完成后的第4天进行洗井，并吸干井内残浆。

经专业单位北京港震有限公司检测，汕头试验井的井斜为2.1°，满足成井井斜小于2.5°的设计要求。

地表观测仪器墩按长60 cm、宽60 cm、距离地面高度20 cm、误差5%的标准设计，完整接触到原土层。要求先打入4根直径20 mm，长1.5 m的钢筋，在60 cm×60 cm范围内均匀分布，表面留出约50 cm与仪器墩衔接，然后用强度等级不低于C30的素混凝土一次性浇注，振捣密实后抹平，表面无裂缝、蜂窝和麻面，墩面平整1°。摆墩面的四边与地理东、南、西、北方位一致。摆墩不与任何建筑体相连；四周有隔震槽，隔震槽宽约0.1 m，深约0.3 m，槽底及四周采取防潮措施，槽内充填防水材料。

1.2 观测系统概况

测试仪器主要由数据采集器、井下宽频带地震计、地表宽频带地震计、电源系统、通信系统组成、测试仪器现场见图1和表1。

图1 井下摆与地面摆现场图片Fig.1 The scene photograph of bore-hole seismometer and surface seismometer

按照数字测震台网技术系统的要求，井下宽频带地震计选用TBG-60B，是集成井下宽频带地震仪和采集记录器的一体化设备；地表对比观测宽带地震计频带宽度选用TDV-60B；数据采集器选用3通道数据采集器TDE-324CI。为保障观测数据的安全和质量，数据记录方式采用现场本地存储和远程实时传输存储两种方式，现场本地存储采用笔记本电脑与数据采集器通过RS232接口直接连接来存储数据，远程采用VPN有线网络传输方式，可以实时获取数据进行远程储存。供电采用交流转直流输出供电模式，接入交流220 V、50 Hz的市电，为防止市电中断，选用2个100 AH蓄电池作备用供电电源。笔记本电脑用来现场检查数据接收情况，并对观测数据进行初步分析。

表1 设备清单Table 1 The equipment list

2 地噪声分析

2.1 数据选取

（1）按规范安装好井下地震计和地表地震计[1]，数据采集器设置采样率100 Hz，并对井下地震计和地表地震计分别做脉冲标定和正弦波标定，以确定整套设备是否有系统偏差。

（2）连续记录地表地震计记录的实时波形数据，井下地震计在不同深度分别安装好后，经测试设备正常且稳定后，再开始记录其记录的实时波形数据。

（3）井下观测数据选取深度分别为0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、42 m、43 m、44 m、45 m、46 m、48 m、50 m、65 m、80 m、120 m、150 m、199 m。其中深度在40 m至50 m之间进行多次加密测试，这是因为这段深度是覆盖土层转变成强风化花岗岩和中微风化花岗岩的地方，需要进行详细研究。详见表2。

表2 井下仪器测试记录表Table 2 The test record table of bore-hole seismometer

（4）地面观测数据选取与不同井深同一时间的测试数据，保证地面和其对应的井下数据都是同一时段的。

（5）待井下宽频带地震计和地表宽带地震计稳定后，有效数据记录长度不少于4 h连续的波形数据；从中选取外界重大干扰事件比较少，没有地震事件和爆破事件的1 h数据进行计算。

2.2 计算方法

环境地噪声值是指地面运动速度记录的功率谱密度（PSD）在1～20 Hz频带范围的均方根值（RMS值）[1]。使用童汪练研究员的地噪声分析软件和MATLAB绘图工具，计算了地噪声的功率谱密度和计算1～20 Hz频率段的速度均方根RMS值[3-4]。

2.3 数据处理

2.3.1 方位角校正

为了能够正确科学的进行地面噪声和井下噪声的对比计算，需要把地面摆与井下摆的方位角校正到一致。如表2，虽然在测试过程中提供了井下摆的等效方位角，但是地面摆的安装由于使用地质罗盘，受到环境干扰和精度不高等因素的影响，因此，地面摆的安装并不严格符合地理北的方位角要求，不是绝对的地理北，而是有一定的误差，所以，井下摆的等效方位角不等于地面摆与井下摆的实际方位角之差。

在测试期间，地面摆和井下摆都记录到了2013年1月22日06时22分印尼苏门答腊北部M6.0地震、2013年4月5日21时00分中俄交界M6.5地震和2013年4月6日12时42分印尼M7.0地震。根据方位角的相关性分析理论，有地震记录的相关性比无地震记录的相关性高很多，使用谢剑波等人的地震计方位角相关性分析方法[2]，得到地面摆与井下摆之间的实际方位角等于表2提供的等效方位角加上15°，由于地面摆的方位角一直保持不动，仅需要对井下摆等效方位角之值加上15°，就能得到井下摆与地面摆的实际方位角之差。

对于不同深度的井下摆记录到的数据，根据上述方法进行校正，使得井下摆与地面摆的三分向方位角一致。

2.3.2 地噪声水平评估方法根据国家有关规范[1]，环境地噪声水平分为五级：Ⅰ级环境地噪声水平：Enl＜3.16×10-8m/s；

Ⅱ级环境地噪声水平：3.16×10-8m/s≤Enl＜1.00×10-7m/s；

Ⅲ级环境地噪声水平：1.00×10-7m/s≤Enl＜3.16×10-7m/s；

Ⅳ级环境地噪声水平：3.16×10-7m/s≤Enl＜1.00×10-6m/s；

Ⅴ级环境地噪声水平：1.00×10-6m/s≤Enl＜3.16×10-6m/s。

计算噪声功率谱密度的时候，直接引用美国USGS的J.Peterson[3]及其所领导的研究小组，观测和研究的全世界各地正常地球噪声得到的地球高噪声新模型NHNM和地球低噪声新模型NLNM。

2.4 处理结果

图2 地表与井下199 m白天17点时段的地动脉时域记录Fig.2 The earth pulsation time domain records of ground surface and 199 meters underground at 17:00

根据实验井的目的和有关规范[1]的相关要求，测试数据处理过程和结果见图2、3、4、5和表3（图件由于篇幅关系，只提供一部分）。

图3 地表与井下199 m白天17点时段的功率谱密度图Fig.3 The power spectral density chart of ground surface and 199 meters underground at 17:00

图4 地表与井下199 m晚上22点时段的地动脉时域记录Fig.4 The earth pulsation time domain records of ground surface and 199 meters underground at 21:00

图5 地表与井下199 m晚上22点时段的功率谱密度图Fig.5 The power spectral density chart of ground surface and 199 meters underground at 21:00

（1）计算同一时段、不同深度的井下观测噪声和地表观测噪声的功率谱密度，得到相同时段的噪声功率谱密度随深度的变化情况，并将结果与NLNM和NHNM噪声模型进行比较，使用MATLAB软件工具进行图形绘制[5]。

表3 1～20 Hz频率段RMS值结果Table 3 The result of RMS value between 1～20 Hz frequency ranges

（2）计算1～20 Hz频率段下，同一时段、不同深度的井下观测噪声和地表观测噪声的速度RMS值（m/s），得到同一频率段下，相同时段的速度RMS值（m/s）随深度的变化情况，并且根据地噪声水平评估方法进行等级划分。

2.5 分析结果

（1）把同一时段、不同深度的井下地动脉与地面地动脉的速度RMS值计算结果进行对比，使用MATLAB软件工具进行图形绘制[5]，见图6。

从图6可以看出，井深0～30 m，井下RMS值降低不明显；40～46 m，RMS值下降变化比较大，43 m和46 m的变化较明显；48～150 m，RMS值下降不太明显，199 m RMS值降低效果明显。

地面RMS值都是大于Ⅴ类，当井深进入到松散覆盖层时（0～43 m），井下RMS值基本在Ⅳ类以上，降低效果不明显；当井深进入到强风化花岗岩（43～46 m），井下RMS值保持在Ⅲ类，下降变化明显；进入到中微风化花岗岩（46～199 m），井下RMS值保持在Ⅱ到Ⅲ类，降低效果比较好；50～150 m，变化不大；199 m属于Ⅰ类，变化明显，噪声最低。

（2）把地面和井下的三分向RMS值计算结果进行比对，得到地面噪声与井下噪声的相比倍数，见图7。

从图7中可以很看出，随着井深的增加而相比倍数一直在增加。0～40 m，相比倍数值变化不大，在10倍范围内；42～48 m一直有明显的倍数增加变化，在20倍以上，其中，43 m处有较大变化；在井深50 m处，相比倍数值变化也较大，高达50～100倍之间；80～199 m，相比倍数100～300之间。特别指出，南北向相比倍数比其他方向都低，这是因为测试现场附近有一条南北走向的城市道路主干道，严重影响南北向的噪声水平。垂直向倍数比其他方向高，说明井下垂直向的噪声降低效果相对较好。

图6 井下与地面速度RMS值计算结果对比Fig.6 Computing result comparison of the speed RMS value between underground and ground surface

图7 井下与地面噪声相比倍数Fig.7 The noise compared multiple between underground and ground surface

当井深进入到松散覆盖层时（42 m以下），井下噪声降低不多，10倍以下；当进入到强花岗岩时（43～46 m），井下噪声有较大的降低变化，倍数为几十倍；当进入中微风化花岗岩（48 m以上），噪声降低效果比较好，倍数基本保持在50以上；井深120 m以上，倍数保持100以上，得到很好的噪声水平。

综上所述，考虑到钻井深度和噪声水平，当进入到中微风化花岗岩10 m内，即井深50 m左右，为本试验比较好的效益平衡点，井深50 m处可以达到Ⅱ类，噪声降低50～100倍，噪声水平比较低。

3 结论

（1）环境地噪声降低效果，从覆盖层进入到基岩有很大变化，从强风化层进入到中微风化层也有较大变化。因此，在粤东地区典型地质结构条件下，井下地震台站建设必须至少钻进入到花岗岩的中微风化层。据野外考察和地质资料，粤东地区覆盖土层平均40 m左右，所以一般需要钻井40～50 m才能接触到花岗岩。

（2）井深150～48 m处（即刚进入中微风化层）有明显变化，但不是很大。因此，从钻井建设成本和观测信噪比之间的效益考虑，较佳的平衡点应该是至少需要进入完整中微风化层10 m。

（3）进入到完整中微风化层10 m，噪声可以降低到50～100倍。因此，勘选时候，地面噪声1～20 HZ速度RMS值要求小于5.00×10-6（m/s），根据上述总结，井下噪声1～20 Hz速度RMS值将小于1.00×10-7（m/s），可达到地震台站观测环境技术要求的国家标准II类[1]。

（4）地面活动干扰对井下水平向影响较大，对井下垂直向影响相对较小。因此，勘选的时候，应该避开地面大干扰源，即井下地震台站周边1公里不能有大型工厂、矿井、采石场、高速路、铁路等。

[1]中国国家标准化管理委员会.GB/T 19531.1-2004地震台站观测环境技术要求第1部分：测震[S].北京：地震出版社，2010.

[2]谢剑波.地震记录的时间域反褶积、仿真及在地震计方位角相对测量中的应用[J].地球物理学报，2014，57（1）：167-178.

[3]Peterson.J.Observation and Modelling of background Seismic Noise[J].Open File Report，U.S.G.S，1993：93-322.

[4]Peter Bormann.Seismic signals and noise，new manual of seismological observatory practice[M].GeoForschungsZentrum，2002：1-10.

[5]董霖.MATLAB使用详解：基础、开发及工程应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

The Comparison Test Analysis of Environment Seismic Noise on Ground Surface and Underground at Shantou Pilot Hole

GUO Deshun1，2，3，CHEN Jiantao1，2，3，XIE Jianbo1，2，3，YE Chunming1，2，3
（1.Earthquake Administration of Guangdong Province,Guangzhou 510070，China；2.Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology，CEA，Guangzhou 510070,China；3.Key Laboratory of Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Project,Guangzhou 510070，China）

The test well located in Hengshan road of Shantou，and the pilot hole observation system consist of the model TBG-60B bore-hole wide frequency seismometer and the model TDV-60B surface wide frequency seismometer with the frequency band of 60 s～50 Hz both.The authors have concluded the contrast relationship between the hole depth and the observation seismic noise through researching variation characteristics of station environment seismic noise with pilot hole depth by using the seismic noise analysis software belongs to Tong Wanglian and the MATLAB software on the premise of selecting the observation data between ground surface and underground corresponding to the same time,which supplied the basic data of seismic station exploration in underground and engineering construction.The results show that seismic noise level has significant change fromoverburden to bedrock and from strongly-weathered bed to intermediately-weathered bed also including weaklyweathered bed.The optimized equilibrium is to enter the whole intermediately-weathered bed and weaklyweathered bed 10 meters at least，considering the comprehensive benefit between the drilling construction cost and station construction seismic noise requirement in special geological structure conditions of east-area in Guangdong.

Environment seismic noise；Ground surface and underground；Wide frequency seismometer；Shantou pilot hole

X827

A

1001-8662（2014）03-0057-08

10.13512/j.hndz.2014.03.010

郭德顺，陈建涛，谢剑波，等.汕头试验井地面与井下环境地噪声对比测试分析[J].华南地震，2014，34（3）：57-64.[GUO Deshun，CHEN Jiantao，XIE Jianbo，etal.The Comparison Test Analysis of Environment Seismic Noise on Ground Surface and Underground at Shantou Pilot Hole[J]. South china journal of seismology，2014，34（3）：57-64.]

2014-05-21

中国地震局地震行业科研专项 （201208014）

郭德顺 (1978-)，男，工程师，主要从事地震监测管理、仪器维修维护工作.

E-mail：81677264@qq.com.