溧阳地震台地面与井下地震观测对比分析

宫 杰,居海华,,胡米东,张 扬,张 敏,郝 冉,陈 健

(1.江苏省地震局,江苏 南京 210014;2.江苏省徐州地震台,江苏 徐州 221008;3.江苏省溧阳地震台,江苏 溧阳 213300)

0 引言

随着社会发展以及城市化进程不断加快,地震监测空间日益压缩,井下地震观测因其恒温、气流稳定等优势逐步成为发展趋势。地层介质对地表噪声的过滤作用使得深井观测能够有效降低人类活动引起的高频干扰。那么到底深井观测相比于地表观测优越程度如何,二者之间又有哪些差异,这是我们需要深入了解的。我国自20世纪70年代开始深井地震观测,迄今为止,多位学者针对井下地震观测开展研究。张少泉等[1]进行了深井观测地震波的初步研究。胡履端等[2]研制出JDF-1型力平衡反馈拾震井下地震计。朱小毅等[3]研究了基于DSP的深井宽频带地震计。张文涛等[4]开展了基于光纤激光地震计的钻孔地震监测研究。臧宾[5]针对宽频带地震计数字反馈技术进行了研究。张寿康等[6]利用河北涿县地震台同一型号的地震仪进行井下摆与地面摆的对比实验。张新东[7]对邯郸台网JD-2深井摆和地面摆进行了地震记录分析研究。裴晓等[8]针对张江台深井与地面噪声进行对比研究,结果显示深井台背景噪声RMS数值为1.81×10-8m/s,而地面背景噪声RMS数值为2.10×10-7m/s,比深井台高出1个数量级。毛华峰等[9]对江苏部分测震台井下与地面观测震源参数对比。仇中阳等[10]对苏北测震台网地面与井下地震记录波形进行频谱分析。李雷等[11-12]利用昆明台BBVS-60与井下GL-S60B地震计进行背景噪声对比分析以及地震震级偏差研究。大量研究表明,对于类似江苏覆盖层较厚、人类活动频繁地区,深井地震观测相比于地表观测在降噪等方面确有其一定的优势。

总结专家学者前期地面与井下地震观测对比研究,发现大多集中于地震记录数据方面,包括背景噪声、震级偏差、震源参数等,而忽略地震观测设备本身。性能参数、台基条件、安装方式特别是井下地震计方位角等因素直接影响地震观测质量。笔者[13]开展江苏地区同频带井下地震计地震监测能力对比,发现井下地震计台基条件、安装方式直接影响监测能力。本文以溧阳地震台为例,针对地面与井下地震观测、从仪器性能、台基条件、方位角、相关性分析、台基噪声、功率谱密度以及地震记录信噪比方面进行对比分析二者之间差异。

1 台站概况

江苏省溧阳地震台地处江苏省溧阳市天目湖镇,位于苏、浙、皖三省交界处,主要受郯庐断裂带、茅山断裂带及其他断裂带的影响,在地质构造上处于新华夏系NNE向茅山大断裂与NWW向活动断裂交汇部位。台站所处平均覆盖层约15 m,没有完整裸露基岩,且2016年起距摆房90 m附近建设南北向公路,对地面地震观测产生影响,因此在地面观测基础之上另外采用深井方式进行对比观测。地面摆墩建设为钢筋水泥向地下注浇1.5 m,实际为土层台基。而深井观测采用北京港震公司生产的GL-S60B宽频带井下地震计落底安装,井深203 m,井底位置斜度为0.791°,安山玄武岩台基。

表1 溧阳台地面与井下仪器情况Table 1 Surface and underground instruments of Liyang station

2 差异性分析

地面GL-S60与井下GL-S60B宽频带地震计均由北京港震公司生产,其出厂参数基本相同,电压灵敏度2 000 V/m·s-1,周期60 s,阻尼0.707。

2.1 相关性与方位角分析

相关性分析是直观判断地面与井下地震计记录数据相似程度的重要手段,也是井下地震计方位角检测的有效工具[14]。井下地震计受摆线应力等因素影响,其方位角往往产生较大偏差[15]。利用地面与井下地震计2020年3月7日24小时台基噪声记录数据,经过0.2～0.3 Hz滤波后计算比对二者相关系数,最终得到井下地震计真实方位角。以0时为例,井下地震计水平向旋转角度与地面地震计相关系数计算如图1所示。最大相关系数旋转角度旋转前后波形如图2所示。

图1 井下地震计不同旋转角度的相关系数Fig.1 Correlation coefficient of different rotation angles of underground seismometer

图2 最大相关系数旋转角度旋转前后波形Fig.2 Waveforms before and after rotation with rotation angle of maximum correlation coefficient

图1中可知0时井下地震计水平向原始波形(旋转角度为0)时相关系数接近-1,在旋转约180°左右相关系数接近最大值1,初步说明井下地震计水平向几乎反向。从图2可以直观看出未经旋转校正地面与井下地震计水平向波形也几乎反向,而经过方位角校正(最大相关性系数角度旋转)后二者几乎重合。为得到井下地震计方位角准确值,计算24小时对比数据均值,将其确定为最终方位角,如表2所列。

最终确定井下地震计方位角为176.5°。通过表2可以看出各小时计算结果相对集中,平均方位角偏差在0.3°以内,且相关系数均在0.996以上。仔细观察发现各时段东西向与南北向平均存在0.5°左右偏差,推测是由地面与井下地震计水平向正交性误差所引起的。

表2 24小时方位角计算结果Table 2 Calculation results of azimuth angle during 24 hours

为进一步佐证方位角计算结果的真实性,选取远震事件,进行P波到时极性分析。图3为溧阳地震台地面与井下地震计记录2020年5月6日印尼班达海7.2级地震波形,可以看出初始震相十分清晰,其中垂直向同时向上,地面地震计东西向向下,南北向向上,而井下地震计东西向向上,南北向向下。水平向反向印证了方位角的计算正确性。

图3 印尼班达海7.2级地震Fig.3 Banda Sea M7.2 earthquake in Indonesia

以地震事件作为相关性分析基础具有一定的局限性,地震记录形态是震中距、震级大小、场地效应等多种因素共同影响的,而统一其他所有变量只研究其中一种变量进行相关性分析是十分困难的。因此分析溧阳地震台地面与井下地震计日常运行相关情况,决定以日常地脉动噪声为相关性研究对象,深入了解二者在日常波形记录差异程度。

选取2020年3月7日夜间0—3时3小时数据和白天12—15时3小时数据,经方位角校正后进行相关行分析。以夜间0时至1时1小时数据为例,记录波形及相关系数如图4所示。

图4 日常波形相关性Fig.4 Correlation of daily waveform

通过表3可知,同时段垂直向相关系数高于水平向,夜间安静时段垂直向相关系数可以达到0.9以上,水平也可达到0.7以上。而白天由于人类活动干扰加剧,各方向的相关系数均有所降低,垂直向最低可降至0.5以下,水平向最低能降至0.2以下。总结而言,地面与井下地震计记录波形在同一时刻相关性垂直向优于水平向,而东西向与南北向无明显差异,受环境干扰影响,夜晚安静时段相关性优于白天。

表3 各时段相关系数统计Table 3 Statistics of correlation coefficient in each period

2.2 台基噪声及功率谱密度分析

台基噪声水平是评定地震台站地震监测能力的重要指标,针对地震台站台基背景噪声进行功率谱分析,可以有效掌握台基噪声频谱特性,判断地震台站的地震观测能力优劣[16]。在此针对溧阳地震台地面与井下地震计2020年3月7日0时至8日23时共计48小时数据进行台基噪声1～20 Hz均方根值(RMS)计算,并进行功率谱密度(PSD)分析,如图5所示。

图5 两套设备台基噪声PSD曲线Fig.5 PSD curves of base noise of two equipments

通过图6及表4可以看出:同一时刻井下地震计相比于地面地震计各分量均具有较小台基噪声,其垂直向噪声达到Ⅱ类水平,东西、南北向更是达到Ⅰ类,而地面地震计各分量平均噪声仅为Ⅲ类水平。

图6 两套设备48小时RMS均值Fig.6 Average RMS of two equipments during 48 hours

表4 两套设备平均台基噪声Table 4 Average base noise of two equipments

地面地震计水平向噪声高于垂直向,而井下地震计水平向低于垂直向,说明井下观测具有很好的降噪性,特别针对水平向。再仔细观察水平向噪声发现无论地面还井下地震计南北向噪声水平总是高于东西向,这是台站附近南北向公路干扰所引起的。

2.3 地震波信噪比分析

地震波信噪比是记录地震波形质量的重要评定标准,越高的信噪比表明地震信号相对于背景噪声越明显,针对地面与井下地震计对于同一地震的记录波形进行信噪比分析,可直观判断二者地震记录质量优劣。前文可知井下地震计方位角176.5°,接近反向,几乎不影响地震波形信噪比分析,也无需进行井下地震计方位角校正,因此选取2020年3月7日至5月14日10个震相相对清晰的地震原始波形,设初始P波前30s台基噪声RMS值s1,地震波(P波起始,长度为P波与S波到时差2.5倍)RMS值为s2,分贝形式定义地震波信噪比SNR为20(s2/s1)。一般而言,溧阳地震台对于远震大震基本都有很清晰的震相,同时受江苏地区少震小震等因素影响,针对地震波信噪比分析主要集中于近震小震研究。利用地震与井下地震计记录地震波形信噪比差值做分析比较,如表5所列。

表5 地震波形信噪比偏差统计Table 5 Deviation statistics of signal to noise ratio of seismic waveform

整体而言,地面地震计记录地震波形信噪比大多数优于井下地震计,垂直向优势最大,仅当震级小于2级时,井下地震计水平向信噪比才相比较高。笔者推测受地质构造影响,土层对于地震波具有一定放大作用。台基土层对地震波的散射与反射作用,增强地面地震计记录地震波形振幅。就本文研究对象而言,土层放大效应对信噪比的提高效果明显优于深井降噪对信噪比的提高效果。因此结合地面与井下两种台基噪声及功率谱密度分析结果可知深井观测虽能有效降低长周期及高频段干扰,降低台基噪声,但其信噪比相比于地表观测相对较低。

3 讨论与总结

针对溧阳地震台地面与井下地震观测进行对比分析,台基条件方面,地面地震计属于土层台基,而井下地震计落底安装于安山玄武岩。从方位角、相关性、台基噪声及地震波信噪比方面分析讨论。得出以下结论:

(1) 井下地震计方位角约为176.5°,东西、南北向几乎反向,并通过地震事件P波初始震相得以验证。同时刻地面与井下地震计垂直向相比于水平向具有较高相关性,受人类活动干扰,白天相关系数相比于夜晚有所下降。

(2) 同一时刻井下地震计相比于地面地震计各分量均具有较小台基噪声,地面地震计水平向噪声高于垂直向,而井下地震计水平向低于垂直向,说明井下观测具有很好的降噪性,特别针对水平向。此外受台站附近南北向公路干扰影响,无论地面还井下地震计南北向噪声水平总高于东西向。6 s—1 Hz频率范围内地面与井下地震计台基噪声水平相差无几,而在6 s以下长周期段和1 Hz以上高频段,井下地震计相比于地面具有更低的噪声水平,表明深井观测可有效降低长周期及高频干扰。

(3) 地面地震计记录地震波形信噪比大多数优于井下地震计,且垂直向优势最大,仅当震级小于2级时,井下地震计水平向信噪比有所提高。推测受地质构造影响,地面土层对于地震波具有一定放大作用。