陶乐地震台地表与井下地震计记录波形对比研究

唐 浩 李鸿庭 白晓川 马 瑞

1 宁夏回族自治区地震局，银川市北京东路244号，750001

台站的背景噪声是影响地震观测质量的重要因素之一。为尽可能排除背景噪声的影响，提高观测信噪比，从上世纪70年代开始，许多国家先后开展了井下地震观测研究，井深从数百米逐步发展到1 km，甚至达到4 km以下，并建立了深井长期观测站[1]。我国井下地震观测研究最初是通过对井下短周期仪器的研制和实验观测进行的，井深一般在200～480 m[2]。实验证明，在沉积层较厚的平原地区，深井短周期观测可有效降低背景噪声，提高观测系统的信噪比，获得更多微弱的地球物理信息[3]。

目前，已有的研究大多是对台站背景噪声模型开展不同周期范围内噪声特征的分析，而针对地表与井下噪声水平的定量化对比研究较少。本文通过在台站地表架设不同型号的地震计，与井下地震计进行同步观测，研究井下与地表台站观测背景噪声的异同。通过计算背景噪声功率谱密度，对比井下与地表观测仪器记录背景噪声的基本特征，分析不同类型地震计记录地震波形的异同及背景噪声与观测台基深度、仪器类型之间的关系，为台站观测技术系统的升级改造和建设提供依据。

1 观测条件及仪器参数

陶乐地震台地处宁夏中北部的平罗县陶乐镇，为井下短周期观测台站，观测井口位于台站观测室外，套管外径146 mm、内径136 mm，井口套管高出地面约30 cm。井口坐标为38.80°N、106.69°E，海拔为1 101.6 m，观测井深度300 m，地震计安装深度为243 m。2018-12井下地震计更换为GL-S2B井下短周期地震计，数据采集器为3通道EDAS-24GN，仪器采用卡壁式底座安装，井倾斜度小于2°。台站地表架设地震计型号为BBVS-60宽频带和GL-PS2一体化短周期地震仪，宽频带地震计连接数采为3通道EDAS-24GN；GL-PS2一体化地震仪为24位数据采集系统。3种型号地震计的主要参数如表1所示。

表1 3种地震计的主要参数

2020-06-25～07-09在陶乐台观测室仪器墩上架设BBVS-60宽频带地震计和GL-PS2短周期地震仪，与井下GL-S2B短周期地震计同步观测运行15 d。

2 背景噪声对比分析

台站背景噪声水平与仪器自噪声、环境噪声等有着密切关系。图1为3种型号地震计在2020-07-02 01:00～02:00记录的三分向原始时域波形。

从图1可以看出，地表宽频带地震计和短周期地震仪记录的背景噪声波形形态和变化幅度具有较高的相似性，记录到的外部干扰信息较多。与地表地震计相比，井下地震计记录的背景噪声波形形态也较一致，但振幅明显减小，说明井下观测可有效降低来自地表的各种干扰信息的影响。

图1 原始时域波形(01:00～02:00)Fig.1 Original time domain waveform at 01:00 to 02:00

图2为3种型号地震计2020-07-02 14:00～15:00记录的三分向原始时域波形。对比图1和2可以发现，14:00～15:00的背景噪声明显高于01:00～02:00，且振幅明显增大，干扰频次明显增多，说明夜间背景噪声小于白天的背景噪声。

图2 原始时域波形(14:00～15:00)Fig.2 Original time domain waveform at 14:00 to 15:00

为进一步分析不同类型地震计在不同时段记录的背景噪声特性，对背景噪声进行定量分析。背景噪声功率谱密度(PSD)是定量描述台站背景噪声的重要参数，在台站背景噪声水平评价中有广泛应用[4]。本文选取2020-07-01～07-03连续72 h数据(该时段没有地震发生)为样本，对3种型号地震计记录的数据进行噪声PSD计算，得到3种型号地震计背景噪声PSD曲线及1～20 Hz频段各倍频程带宽的RMS平均值(单位m/s)。图3为3种型号地震计的PSD曲线。

为对背景噪声特征进行定量分析，有学者提出全球地震背景噪声模型，包括新低噪声模型(NLNM)与新高噪声模型(NHNM)[5-6]。由图3可以看出，地表宽频带地震计在5～9 Hz频段出现峰值，且EW、NS分向的峰值高于NHNM；地表短周期地震仪在4～9 Hz频段出现峰值，且EW、UD分向峰值高于NHNM；而井下短周期地震计在2～4 Hz频段出现峰值，且EW分向峰值高于NHNM。3种型号地震计记录的噪声在0.1～50 Hz频段PSD曲线变化的定量化描述如表2所示。

图3 3种型号地震计记录的噪声PSD曲线Fig.3 PSD curves of noise recorded by three types of seismometers

表2 3种型号地震计记录噪声PSD曲线变化的定量化描述

通过对比3种型号地震计的背景噪声PSD曲线发现，井下地震计记录的噪声低于地表地震计，在4～50 Hz频段尤其明显。从PSD计算结果来看，井下地震计在4～10 Hz频段降噪最为明显，比地表地震计噪声低约30 dB；而在10～50 Hz频段，比地表地震计噪声低约20 dB。

为进一步分析台站背景噪声的日变特性，将3种型号地震计三分向1～20 Hz频段倍频程带宽的RMS平均值绘制在同一坐标系内进行比较，结果如图4所示。

图4 3种型号地震计三分向1～20 Hz频段平均RMS值变化曲线Fig.4 Variation curve of average RMS value of three types of seismometers in 1-20 Hz frequency band

从图4可以看出，地表宽频带地震计与短周期地震仪的三分向RMS值在变化形态上具有很好的时域同步特征，地表宽频带地震计记录的噪声RMS值比短周期地震仪记录的噪声RMS值高约3.7%，这与地震计的自噪声有关。

对比井下地震计与地表地震计记录的三分向噪声RMS值发现，地表地震计EW和NS分向噪声的RMS值是井下地震计相应分向的25倍左右，UD分向噪声的RMS值是井下地震计UD分向的10倍左右。根据《GB/T19531.1-2004地震台站台基噪声评估标准》，若井下台噪声评价为Ⅲ类台基，则地表台为Ⅳ类台基，井下观测方式可有效降低台站地表观测的背景噪声，从而提高台站的地震监测能力。

从3种型号地震计三分向在1～20 Hz频段内RMS平均值变化曲线可以看出，台站背景噪声具有清晰的日变规律，23:00至次日06:00背景噪声值较小，06:00～23:00背景噪声值较大；06:00以后噪声越来越大，19:00以后噪声越来越小。背景噪声变化与人类活动规律非常吻合，说明人类活动是距离闹市较近台站背景噪声的主要来源。

3 记录地震事件对比分析

在观测运行期间，3种型号地震计记录到6次典型地震。本文以2020-06-29内蒙古阿拉善左旗ML3.1地震为例，对3种型号地震计记录的近震波形进行对比分析。从图5可以看出，3种型号地震计记录的近震波形十分清晰，震相易于识别。经过数据相关性分析[7]发现，地表架设宽频带地震计与短周期地震仪记录的波形高度相关，相关系数达0.95以上；井下地震计与地表地震计记录的波形相关性较低，相关系数仅为0.2左右。

为进一步分析，对3种型号地震计记录的地震波形进行震源谱分析，图6为各地震计三分向地震波频谱。从图6可以看出，记录的近震波能量主要集中在2～15 Hz范围内，3种型号地震计记录的地震波均在3～6 Hz频段出现第1个峰值，地表地震计在9～12 Hz频段出现第2个峰值，井下地震计则在6～8 Hz频段出现第2个峰值。3种型号地震计记录的近震震源谱变化趋势较为相似，通过与地震发生时段平稳期的噪声水平对比发现，地表地震计记录的近震在7～12 Hz频段受干扰较为严重。

图5 近震原始波形Fig.5 Original waveform of near earthquake

图6 地震波频谱Fig.6 Seismic wave spectrum

选取2020-06-26新疆于田MS6.8地震对3种型号地震计记录的远震波形进行对比分析。图7为3种型号地震计记录的远震原始波形，可以看出，地表宽频带地震计与井下短周期地震计对远震的记录较为清晰，震相也易识别，但地表短周期地震仪对远震的记录较差，波形严重失真，震相不易识别。对原始地震波形进行相关性分析发现，地表宽频带地震计与短周期地震仪的远震波形相关系数为0.3左右，井下短周期地震计与地表宽频带地震计的远震波形相关系数为0.4左右，井下短周期地震计与地表短周期地震仪的远震波形相关系数为0.2左右。显然，地表宽频带地震计和井下短周期地震计对远震的记录较好。

图7 远震原始波形Fig.7 Original waveform of teleseismic

图8为3种型号地震计记录的于田MS6.8远震频谱曲线，可以看出，远震波能量主要分布在0.01～1 Hz范围内，而地表地震计和井下地震计在5～7 Hz频带出现2次峰值，10～12 Hz频带出现3次峰值，但峰值依次衰减。通过与地震发生时段平稳期的噪声水平进行对比发现，与井下地震计相比，地表地震计对于远震的干扰信号主要在4～7 Hz范围，其来源仍是周边地面的人类活动。

图8 远震频谱Fig.8 Teleseismic spectrum

4 结 语

分析发现，台站背景噪声具有明显的日变规律，采用井下观测可有效减少人类活动对台站背景噪声的影响。对比3种不同型号地震计的记录数据，分析计算台站背景噪声功率谱密度发现，地表地震计的背景噪声在4～50 Hz频段明显高于井下地震计，在4～10 Hz频段最为明显，井下地震计降噪达30 dB左右，而在10～50 Hz频段，降噪大约在20 dB左右。

在近震记录中，3种型号地震计的地震波形在形态上具有较好的一致性，波形振幅与相位存在较好的相似性，震相辨识不会有太大困扰。而在远震记录中，地表宽频带地震计与井下短周期地震计的记录较为清晰，震相也易识别；而地表短周期地震仪记录的波形存在较大噪声干扰，波形振幅和相位不清晰，震相难以辨识。与井下地震计相比，地表地震计记录的近震波形在7～12 Hz频段受干扰较严重，而远震波形在4～7 Hz频段受干扰较严重，因此在进行波形震相分析时需区别对待和处理。