南京市测震台网台站背景噪声分析与应用

刘孝峰，樊晓春，郑建华，侯跃伟

(1.南京市地震监测预警中心，江苏 南京 210019；2.南京市地震局，江苏 南京 210019)

运用数字地震观测系统获取宽频带、大动态范围、高分辨率及低失真度的数字地震记录，可以进行地震速报，测定不同震源模型下的各种运动学与动力学参数，为进一步研究地震学提供基础数据。影响地震记录的因素有震源机制、地震波传播路径、台址及观测系统(杨晶琼等，2005)。目前，震源机制和地震波传播路径对地震记录产生的影响尚无法控制和改变，但可以通过选择优良的台址和观测仪器，降低观测系统的噪声水平，从而提高台网地震监测能力和获取更高质量的地震波。台网地震监测能力通常依赖于地震观测台站的背景噪声水平，由于地表噪声的存在，使得地震计对微小信号的监测能力减弱。在数字地震观测系统实时记录中，包含了地震信号、系统故障引起的各种失真信号、台站周围的环境噪声等信息，实时连续记录的信号反映了地震观测系统的运行状态(王俊等，2009)。市属台站作为省测震台网的补充，与省属台站、国家台相比，专业技术力量欠缺，也缺少通过功率谱概率密度函数和地基噪声水平等方法来评价市属台站观测系统，因此有必要加强对市属台站的管理。本文通过计算南京市市属台站的背景噪声功率谱概率密度函数分布和台基噪声水平，动态了解台站数据记录质量、观测系统健康状况和台站观测环境变化情况，以期提高台站的管理水平。

1 台网概况

南京市位于长江下游中部地区，东接长江三角洲，南靠宁镇丘陵，西倚皖赣山区，北连江淮平原。地貌特征属宁镇扬丘陵地区，以低山缓岗为主，平均海拔8.9 m。南京测震台网跨度南北约150 km，中部东西宽50～70 km，南北两端东西宽约30 km，平均台间距30.5 km，最大台站间距为57 km。该台网于2003年5月正式运行，由六合台、浦口台、江宁台、溧水台和高淳台5个测震台站和1个台网中心组成。各测震台主要采用CMG-3ESPC-60地震计和CMG-DM24数据采集器，2015年7月六合测震台更换为BBVS-120地震计和EDAS-24GN数据采集器，所有台站均通过电信2M光纤专线接入测震台网中心，并配备4G无线网络作备用传输。另外，南京市测震台网接入安徽嘉山、含山、滁州、马鞍山、泾县、江苏盱眙台、镇江台、金坛台和溧阳台等9个测震台。

2 计算方法

背景噪声计算通常会去掉或归一化处理记录波形中的地震信号、数据记录间跃、限幅、尖峰、脉冲标定(Campillo et al，2003；McNamara et al，2004)。最新的研究表明这些信号相对于低水平的背景噪声是低概率的事件，对台站的背景噪声水平评价时，这些信号是非常有用的，其概率值的大小可以用来评价地震观测系统的运行状态和记录数据的质量(王俊等，2013)。功率谱概率密度函数用来描述数据记录中各种信号的功率谱在各个频率点上的概率分布情况，由于每一条数据记录信号反映了观测系统在某一特定时刻的状态，其记录过程具有唯一性，说明信号出现的频率值代表了台站观测系统运行中的状态，因此可以利用功率谱概率密度函数来评价台站观测系统的运行状态。本文选取南京市市属台站2016～2018年的连续波形为样本，分别计算台基噪声水平和功率概率密度函数。

以地震台站各通道每小时的连续波形为样本，计算台基噪声水平的步骤如下(王俊等，2013)：(1)去除数据中的线性趋势；(2)对每条计算样本进行分段，并按50%进行重叠，每段的长度L为327.68 s；(3)采用WELCH方法计算每段信号的功率谱密度。此外，为了最大限度地减小重叠后“频谱泄露”效应，并增加频峰的宽度，采用汉宁窗(hanning)函数来提高频谱的分辨率；(4)取各段信号功率谱的平均值作为整段计算样本的功率谱值，并在频域里扣除仪器响应；(5)在全频带内，对每一条功率谱密度，以1/8倍频为单位间隔滑动计算平均值，即将在短拐角周期Ts和长拐角周期TL=2×Ts内的平均功率谱值，赋给几何中心周期Tc：

(1)

式中：Ts按1/8倍频增加，即Ts=Ts×21/8，频率范围为90 s～35 Hz。(6)对于某一给定中心频点，在某一时间段内，各种记录信号的功率谱密度(PSD)值在1 dB单元间隔内的概率(PDF)可用下式表示：

P(Tc)=Np(Tc)/N(Tc)(-60 dB

(2)

(7)台站环境背景噪声水平的均方根值(RMS)，根据Bromann(2012)提出的下式进行计算：

αRMS={R×(fu-f1)}1/2=(P×f0×RBW)1/2

(3)

式中P为matlab计算的双边功率谱密度，RBW=(fu-f1)/f0为相对带宽，f0为分度倍频程中心频率，fu为分度倍频程上限频率，f1为分度倍频程下限频率。

3 台基背景噪声分析

计算2017年10月南京市地震台网所属台站台基背景噪声水平，用背景噪声的加速度功率谱(PSD)的概率密度函数(PDF)分布图来表示台基噪声水平，有效频段范围为90 s～35 Hz。图1是高淳台2017年10月3分向的加速度功率谱的概率密度函数分布图。表1是南京市地震台网所属台站3分向的详细结果，各分向的RMS值取其所有结果的中值。计算结果显示：2017年10月各台站噪声水平整体上在1.63E-08 m/s至1.82E-07 m/s之间，其中Ⅲ类噪声水平台站为浦口台和六合台，Ⅱ类噪声水平台站为江宁台和溧水台，高淳台为Ⅰ类噪声水平台站。六合台因钻孔应变施工，导致六合台背景噪声水平上升。

表1 2017年10月南京市地震台站的台基背景噪声水平

图1 2017年10月高淳台加速度功率谱的概率密度函数分布图

分别计算2016年、2017年、2018年南京市地震台网所属台站台基背景噪声水平，2016年台站背景噪声水平整体上在5.537491E-09 m/s至1.966863E-07 m/s之间，2017年在3.251138E-10 m/s至2.491527E-07 m/s之间，2018年在1.251134E-08 m/s至2.69275E-07 m/s之间，就整体水平来看，2017年与2018年台站背景噪声水平整体高于2016年。南京市地震台网所属台站2016～2018年每月的台基背景噪声水平见图2。经研究分析：高淳台2017年除2月、6月、12月因地震计故障外，常年为Ⅰ类噪声水平台站；江宁台位于区中心山洞内，台站背景噪声水平稳定，2017年台基背景噪声水平高于2016年，2017年8月明显上升，疑是更换地震计导致，总体为Ⅱ类噪声水平台站；六合台2017年、2018年台基背景噪声水平高于2016年，主要是受周边修路、石子厂的影响，尤其是2017年9～11月期间，台站周边钻孔应变施工导致台基背景噪声水平明显上升，2018年全年除10月份周边施工减少为Ⅰ类，其他时间全部为Ⅱ类噪声水平台站，六合台总体为Ⅱ类噪声水平台站；溧水台2017年与2018年台基背景噪声水平整体高于2016年，因台站500 m外开挖东庐山兴建溧水观音寺导致；浦口台位于区中心闹市区，常年受干扰，为Ⅲ类噪声水平台站数；南京台为国家基准台，作为参照，常年为Ⅱ类噪声水平台站。

图2 台基噪声分平划分

4 台基背景噪声分析及应用

4.1 监控台站观测环境的应用

公众和相关部门更多地关注地震监测预报结果，但是对地震观测环境保护工作认识不足，在过去20余年间南京市地震观测环境遭受了较强的破坏(樊晓春等，2016)。由于南京市地震台站较远、位置较偏，难以及时监控到观测环境是否受到干扰影响，为此地震主管部门对观测环境保护常常是“事后”执法，其监督执法往往陷于被动地位。近年来南京地区有感地震常发，周边地区发生多次破坏性地震，保护观测环境显得尤为重要，通过台基背景噪声水平监控地震观测环境，缓解无人值守台站不能及时监控的问题。南京市各台站的环境状况见表2，其中除浦口台为有人值守的台站外，其他台站均为无人值守台站。

表2 南京市地震台站统计

(1)溧水观音寺施工。溧水观音寺位于南京市溧水区东芦山主峰西北侧山腰处，距溧水地震台约500 m。该寺为鸡鸣寺下院，是江苏省和南京市政府批准重点建设的寺庙，2000年开始兴建。2017年建设速度加快，开挖山体、修路、主体施工，导致施工期间地震台基背景噪声上升。图3为溧水台2017年1～12月台基背景噪声水平，可以看出1～3月背景噪声数据较大，通过实地巡检发现，1～3月该寺施工建设强度最大，与背景噪声数据结果吻合。

(2)六合台体应变施工。六合台位于南京市六合区冶山镇冶山林场内，附近冶山铁矿已停产，该矿周围仍偶尔有爆破开采石头，2017年6月因石子厂等小企业经常有未经正式许可爆破开挖山体、周边修高速公路引起台基背景噪声有所上升。2017年9月15日至11月5日六合台钻孔应变观测项目在原址附近施工，导致六合台台基背景噪声上升，如图4所示。表3为钻孔应变9月15～19日白天钻孔应变施工和晚上00:00-04:00无干扰下的背景噪声对比。另外，通过实时观察台网中心的地脉动记录波形，发现扫描时间为6 s的窗口也难以直观识别施工干扰，但通过六合台BHN和BHZ分向的加速度功率谱的概率密度函数分布图(见图5)，看到2017年10月1～31日，共740条功率谱结果显示，存在1个频率约为10 Hz的干扰源。

表3 六合台的台基背景噪声

图3 2017年1～12月溧水台东西向台基背景噪声水平

图4 2017年6～12月六合台东西向台基背景噪声水平

图5 2017年10月六合台BHN和BHZ分向的加速度功率谱的概率密度函数分布图

4.2 监控地震观测系统健康状态的应用

地震观测系统的数据记录中的阶跃、某些瞬态变化、故障引起的信号失真(记录中叠加了高频电流信号等)、通信链路短时中断及特点频率的环境干扰等，台站维护人员通常难以及时发现。本文中的计算方法对记录信号的最小分辨率约为0.0122 Hz，可以清晰直观辨别记录信号中细微差异(王俊等，2013)。图6为高淳台2017年1月5～7日的BHZ分向的加速度功率谱的概率密度函数分布图，呈斜线形，与正常的噪声概率密度分布不同，BHE和BHN分向与BHZ类似。图7为 2017年1月高淳台部分背景噪声示意图，通过对比江宁台1月5～7日的三分向记录的连续波形，三个分向基本一样，难以直观发现BHZ分向的记录有异常，后经江苏省地震局仪器维修人员确定为地震计故障。2017年2月更换新CMG-3ESPC-60地震计后，高淳台噪声概率密度分布函数恢复正常。

图6 2017年1月高淳台BHZ的加速度功率谱的概率密度函数分布图

图7 2017年1月高淳台部分背景噪声示意图

2017年6月23日高淳台工作人员发现地震计靠摆，标定结果显示BHE和BHN异常，但通过查看高淳台的加速度功率谱的概率密度函数分布，发现2017年6月14～15日BHE和BHZ分向的加速度功率谱的概率密度函数分布图(见图8)呈斜线形，与1月份地震计故障相似，表明地震计即将或已经出现故障。2018年2月4日六合台地震计靠摆，查看六合台的加速度功率谱的概率密度函数分布，发现2018年2月3～6日BHE和BHN分向的加速度功率谱的概率密度函数分布图(见图9)存在异常，表明地震计即将或已经出现故障，与上述分析结果一致。因此通过对实时记录的噪声水平进行监控和分析，可以及时监控到地震观测系统的健康状态。

图8 2017年6月高淳台BHE和BHN分向的加速度功率谱的概率密度函数分布图

图9 2018年2月六合台BHE和BHN分向的加速度功率谱的概率密度函数分布图

5 结论

通过对南京市测震台网台站背景噪声水平的计算与分析，可以及时地监控地震观测环境的变化情况，进一步分析了溧水、六合等台站观测环境的变化及其原因，有效解决了无人值守台站不能及时监控观测环境变化的问题。利用实时记录的背景噪声水平来监控地震观测系统“健康”状态，发现了高淳台2次、六合台1次地震计故障，可以帮助系统维护人员及时地发现观测系统中的故障信号，缩短仪器故障的修复时间，确保观测系统的高效运行。南京测震台网作为区域性台网，所属台站均为市属台站，承担南京及其周边地区地震速报任务，与省属台站相比，专业水平有差距，通过对台站背景噪声水平的分析，可以进一步提高市属台的监测能力，对动态了解台站数据记录质量、监控台站观测环境的变化以及地震观测系统健康状态具有一定的参考意义。