流动地震观测背景噪声的台基响应分析

【摘  要】背景噪声是影响流动地震观测质量的重要因素之一。本文就不同流动台基对于背景噪声的响应进行分析，通过不同场地下背景噪声的特点，分析了不同台基对于噪声的控制作用，进而以多种台基与区域类型下，噪声与流动地震台站的运行情况进行比较，发现最优化的解决办法，为地震观测的准确与稳定提供参考。

【关键词】流动地震台站;噪声;台基处理

引言

在高分辨率深度结构成像方面，大规模流动地震台阵已经成为其重要的发展方向，并且对着电子技术以及传感器技术的成熟与实际应用，使得地震仪向着兼顾性能高与体积小的方向发展。通过台基处理以及对于地震计的有效安装可以改善设备对于噪声的应对能力，进而提升流动台阵对于观测质量的有效控制。

1.主要噪声来源与特征

1.1人为噪声

公路、铁路、工厂等形成的噪声是人为噪声的主要来源，一般集中于短周期频段以及高频频段，由McNamara等提出的PDFs可以对于功率频谱密度在一定长周期内的分布情况进行呈现，通过数据的整理，可以借助PDFs，对于噪声的功率频谱密度进行分析。高频噪声是人为噪声中较为常见的一种，0.05s的高频噪声的分布范围较宽，一般为-145dB到-120dB。并且人为的噪声一般具有一定的分散性与流动性，通过来自不同方向的波的叠加，形成了相对复杂并且近似稳定的随机性噪声常，在以高频面波的形式进行传播的过程中，其传播距离随着深度递减。

1.2微震噪声

通过PDFs的分析可以看出，微震噪声具有10s到20s以及3s到8s两个峰值，传统学术观念中人为，微震噪声一般来源于海底或者海岸线与海洋波之间的相互作用而引起的海底压力扰动，因此，其来源于海洋活动较为剧烈的海岸线处。微震波一般包含Rayleigh面波、Love面波以及一定量的体波。微震噪声在全球的地震观测台站中具有较为稳定的存在，会与海洋的季节活动产生规律性的变化。

1.3自然噪声

自然噪声一般是由于急流、风、温度、地倾斜等引起的，会产生一定的长周期噪声以及高频噪声，其中地倾斜会使重力产生耦合以致水平分量中，进而显著的提升水平噪声，对于垂直分量的影响较小，导致同一观测台在水平分量的长周期噪声高于垂直分量，一般超出数值在20dB到30dB的范围内。影响因素的多样性，导致自然噪声的功率谱密度一般较为分散，并且类似与人为噪声，自然噪声主要由面波组成，其距离随着深度同步递减。

2.不同台基深度的降噪处理

2.1YDT与LGT子台阵

为保证台站的覆盖以及布设密度的基本要求，需要将台站架设在人员活动较为密集的点位，针对于较为复杂的人为噪声区域，YDT以及LGT子台阵可以形成对于不同台基深度的观测对比。例如：通过以0m、1.5m、2m为深度，进行不同台基深度的YDT子台阵对于噪声的观测对比，可以发现存在人为噪声的功率谱密度高峰的时段与人类的基本作息类似，一般集中在短周期频段以及高频频段，微震频段则受到的干扰较小，每个台站随着深度的提升，其功率频谱密度逐渐降低，并且2m深度的台站比0m的台站低，则说明台基深度可以有效降低人为噪声中的短周期频段以及高頻频段。此外，LGT台站与YDT台站类似，都随着深度的加深而其噪声的干扰减少。

2.2FST子台阵

通过分别设置不同深度的FST子台阵，其设计可以有摆墩台基与沙子台基两种，通过比较可以发现：（1）在不同深度的摆墩设计的FST台阵对于长周期频段以及高频频段的功率谱密度均较高;（2）深度较深的FST台阵在垂直分量上的长周期频段以及高频频段低于较浅的，南北分量上则更低;（3）密封性较好的封闭空间同样能够达到良好的降噪效果，其与深坑的效果一致。因此，台基深度的加深可以有效降低不同噪声环境下，流动地震观测台站的高频噪声以及长周期噪声，并且2m深台基能使垂直分量和水平分量高频频段降低约5dB，长周期频段降低约10dB，2m的深度为最经济合理的选择。

3.多种台基类型的比较

为有效的降低长周期噪声，需要倾斜等因素在其中的主导性，为此，要通过提升地震计与地面的耦合来提升台基的稳定性。例如：沙子台基的安装方法是先在地表铺设一层细沙，然后水平的放置石板于沙子上，再将地震计安装在石板上，以此提升台基维护的便捷性，提升台基的移动能力。在沙子台基与摆墩台基在南北分量以及垂直分量的对比中，可以看到，在不同台站上，垂直分量基本相同，南北分量上的长周期频段，沙子台基要比摆墩台基高，LCT与FST的摆墩台站与沙子台站的对比中，其结果类似。此外，外界的因素，如大气压扰动等，会加深沙子台基的不稳定性，进而造成石板的倾斜，进而导致在水平分量上长周期噪声的产生。由于流动地震观测的基本特点，导致地震台基通常被架设与环境较为恶劣的区域，为维护的及时性与维护质量造成了一定的难度，因此，要依据环境进行台基种类的选择，以此在保证台基对于噪声有效控制的同时，提升台基的稳定性与后期的维护性。由以上分析可知，在进行沙子台基与摆墩台基对于垂直分量的反应基本一致，但由于沙子台基容易受到不稳定因素的干扰，造成沙子台基对于水平分量上的长周期频段一般要高于摆墩台基5dB左右，因此，在实际的观测时，推荐使用摆墩台基。

4.不同区域的比较

我国幅员辽阔，地形复杂，尤其是我国的西部地区一般为山区与高原，在实际的流动地震观测台站的架设中，时长会遇到山地地形，通过在山区中不同位置进行对比试验，可以发现不同位置中台站对于噪声的控制效果。例如：在国家地震龙祠台周围的LCT子台阵，通过对于其区域内不同子台阵的观测，可以得出，微震频段中的垂直与水平分量相差不大，并且由于当地区域中人员的活动较少，人为噪声水平较低，但位于山脚下的子台站向比于位于祠堂内部的子台站，其各频段的数值均较高，尽管山脚下的子台站挖掘了2m的深坑，但由于人为噪声的影响，其短周期频段比其他台站高出大约20dB，高频频段高出约10dB。因此，人为噪声的影响依然存在。在不同位置的台站中，各台站的噪声水平呈现具有一定规律的变化，对于垂直分量来说，其长周期频段依次从山顶、山腰、山脚、山洞递减，高频频段中以此为山顶、山腰、山洞，呈现递减趋势。不同位置的南北分量变化情况与垂直分量的变化情况基本相同。此外，造成长周期噪声以及高频噪声的原因一般为山区内部风的影响。风会引起山区内的树木摇摆，进而带动地表形成轻微的晃动，并且这种晃动随着地市的提升而增强，因此，在进行流动地震台的选址时，要将风力的因素考虑进去。

结论：综上所述，加大台基深度以及优化台基处理方式的措施，可以提升对于高频人为噪声以及长周期自然噪声的应对能力，并且在长周期频段，摆墩台基的水平分量由于沙子台基。在进行台址的选定时，要依据实际情况对于台站位置、内部温度、空气流动进行考量，以此选择最优的台站架设方案，降低噪声干扰。

参考文献

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[2]郭晓中，王飞，王达远.流动式台阵监测数据处理方法研究[J].河南科技，2018（31）：29-31.

作者简介：黎勇（1988.10-），男，河北石家庄人，大专，，助理工程师，研究方向：工程类地震专业。