巴里坤测震台背景噪声分析

张剑锋 张 录 周康云 候塞因·赛麦提 木巴拉克·江布尔拜

1）中国新疆维吾尔自治区 841000 库尔勒地震监测中心站

2）中国新疆维吾尔自治区 839000 哈密地震监测中心站

0 引言

台基噪声是数字化地震台站建设的重要科学参数，可以反映台基自身基础条件，且与台站周边环境变化直接相关。工程建设、交通运输、人为活动等均会引起地面的轻微颤动，干扰并影响地震观测效果，限制地震台站观测能力的提高，即使高灵敏度观测仪器也不能清晰记录小于台站背景噪声的微小信号。因此，研究地震观测台站的背景噪声及其随频率的分布，对于地震观测具有重要意义（许可等，2015）。

前人对台站背景噪声研究多为省级测震台网整体分析比对，如：何彦等（2006）介绍了新疆测震台网数字地震台仪器的配置，对新疆23 个数字地震台站台基噪声进行分析计算；邓明文等（2021）计算了若羌测震台11 年的噪声水平变化，得出该台10 Hz 附近出现的高频异常为米兰河水库运行固有干扰的结论。随着社会经济的发展，地震台站周边环境发生了较大改变，如巴里坤测震台，自2018 年起，台站周边开始建设G7 与G575 高速公路，施工地点距巴里坤观测点直线距离分别为2.0 km 和1.2 km，2021 年高速公路通车运行。当前台基噪声水平与台站勘选阶段存在明显差异，利用Welch 算法，基于巴里坤测震台2017—2021 年波形记录，计算并分析该台台基噪声水平变化，可为台站人员了解本台监测环境变化提供帮助，同时为新疆测震台网积累地震台站背景噪声数据。

1 巴里坤测震台概况

巴里坤测震台位于新疆维吾尔自治区巴里坤县大河镇，海拔1 734 m，构造上处于西伯利亚板块和准噶尔—哈萨克斯坦板块结合部（图1），台基岩性为石炭纪花岗岩。巴里坤测震台属国家级地震台，于2002 年建成并投入使用，承担着整个东疆片区的地震监测任务。自正式观测以来，先后架设573 短周期地震仪、FBS-3 型宽频带数字地震仪，2003 年9 月起采用CTS-1E 宽频带地震计（地震计各项性能参数见表1）进行观测。该台观测山洞纵深18 m，洞顶覆盖层厚11 m，洞内年均温度8 ℃，年变化小于0.3 ℃，湿度约77%，洞体周围无明显干扰源。目前观测站内配备测震仪器1 套、形变仪器1 套、辅助观测仪器1 套。

图1 巴里坤测震台位置示意Fig.1 Location map of Barkol Seismic Station

表1 CTS-1E 地震计参数Table 1 Parameters of CTS-1E seismometer

2 计算原理

台基背景噪声测试不属于地震仪参数测定范畴，但在实际工作中，台基噪声资料是勘选台址、评估台站观测环境、评估台站记录质量的重要依据。台基噪声测试通常用台站记录的噪声数据计算其自功率谱密度，并按特定带宽计算噪声（速度或加速度）有效值 RMS（万永革，2012）。目前，地震噪声处理方法已较为成熟，主要方法为用f(t)表示时间函数在频率尺度上每单位的位移量，F(ω)表示地震数据信号，二者之间互为自相关函数，运用傅里叶直接变换法，有

RMS 值为脉动噪声的均方根值，可以衡量台基的背景噪声水平，计算公式为：

式中，P为加速度或速度功率谱密度，f0为分度倍程中心频率，RBW 为相对带宽。RBW计算公式为

式中，fi与fu分别为相对带宽的下限频率和上限频率，其中n为二进制倍频程分，m为十进制倍频程分。台站的观测动态范围反映了观测仪器本身的性能和台基环境干扰背景水平，有效动态范围反映了记录地震信号的最大能力（何彦等，2006）。计算公式为

式中，U为输入电压，K为数采实际工作增益值，S为地震计工作灵敏度，D为地震信号有限观测动态范围值。

本研究使用童汪练研发软件（基于Welch 方法），利用巴里坤测震台数字地震仪零极点和增益参数，计算台基噪声功率谱密度。

3 背景噪声特征分析

本文主要选取了巴里坤测震台2017—2021 年共5 年的波形数据，在24 h 文件中截取无震、无明显干扰波形，共计约2 000 h 文件。同时为更准确计算巴里坤测震台背景噪声各项参数，本文选取数据为原始噪声信号，长为3 600 s，观测数据格式为*.dat 。通过计算地脉动噪声功率谱、地动噪声有效 RMS 值等地脉动参数，可以发现台站的背景噪声特征变化规律。

3.1 背景噪声年变特征分析

取巴里坤测震台2017—2021 年每月1—20 Hz 垂直向台基背景噪声均方根值（RMS），以年尺度对比分析台基噪声年变趋势特征，结果见图2。由图2 可见：2017—2018 年，巴里坤测震台背景噪声RMS 值处于较平稳状态；2018 年起，受G7 与G575 高速公路施工中大型机械作业和人为干扰，该台台基背景噪声RMS 值升高，2019 年10 月达最高值，数值为25.1×10-8m/s；2021 年，受高速公路通车交通工具的干扰，该台整体噪声均值高于2017 年，表明高速公路通车对巴里坤测震台的干扰客观存在，且呈逐年上升趋势。同时可见，该台背景噪声RMS 值在每年5—10 月普遍高于其他月份，冬季噪声水平最低，主要原因是，每年5—10 月气温变化明显，山体的温差变化剧烈，导致山体发生微弱倾斜，进一步影响了台基背景噪声水平（邓明文等，2021）。

图2 巴里坤台背景噪声年变趋势Fig.2 Annual variation trend of background noise at Barkol Seismic Station

3.2 干扰分析

通过观察巴里坤测震台PSD 曲线及分析RMS 值可以发现，噪声谱异常主要受以下因素影响：①气压变化造成的干扰；②高速公路通行后所对应的人为干扰。针对以上干扰，本文分别选取了同一天内气压变化剧烈的小时文件与气压正常的小时文件进行了分析对比，同时选取了2021 年高速公路车辆通行后，日间、与夜间RMS 差值与2017 年无车辆通行时段进行了分析研究。

3.2.1 气压变化对台基背景噪声的影响。巴里坤县地处新疆东北部，属大陆性干旱气候，是典型的边境高寒县，昼夜气温变化剧烈，巴里坤测震台观测数据受气压干扰影响较大。为直观分析气压所造成的功率谱变化，选取2017 年12 月8 日该台记录的波形数据，计算噪声功率谱密度（PSD），绘制功率谱密度曲线，直观分析气压干扰对观测数据的影响，结果见图3。图3 中(a)图为正常时段波形数据，(b)图为受气压干扰影响较大时段的PSD 和波形数据，(c)图为该日气压整点值数据，其中9—14 时为气压快速上升时段，后缓慢恢复，16—24 时为气压正常时段。由图3(b)可知：气压变化对功率谱干扰明显，左侧图中UD为垂直分向，NS、EW 为水平分向，垂直分向数据在0.001—0.002 Hz 频段内，噪声水平超过地球高噪声模型，且远高于水平分向；与(a)图所示正常时段数据进行对比，水平分量噪声值变化幅度较大，这是因为，在气压变化影响下，观测洞室被覆山体发生变形，从而导致背景噪声发生变化。因此，在日常运维工作中，需密切关注观测室密闭性，尽可能减少人为活动造成的气压变化。

图3 气压变化对2017 年12 月8 日巴里坤测震台测震数据的影响(a)正常时段数据；(b)气压干扰变化；(c)气压变化Fig.3 Influence of air pressure changes on the seismic data of Barkol Seismic Station on December 8,2017

3.2.2 高速公路通行对台基背景噪声的影响。选取巴里坤测震台2017年（高速公路通行前）、2021年（高速公路通行）波形数据，逐月计算垂直分量2—5时（夜间）及11—13时（日间）1—20 Hz 频带地动噪声均方根（RMS）及其差值，对比分析高速公路施工前后的台基噪声变化，结果见表2、表3。

表2 2017 年垂直向环境地噪声RMS（1—20 Hz）Table 2 RMS of ground motion noise of vertical environment in 2017 (1-20 Hz)单位：10-8 m/s

表3 2021 年垂直环境地噪声RMS（1—20 Hz）Table 3 RMS of ground motion noise of vertical environment in 2021(1-20 Hz)单位：10-8 m/s

由表2、表3 可知：2017 年该台地噪声日夜差值不大，变化率较小，说明台站周边观测环境干扰较小，整体数据质量较高；2021 年G7 高速公路通车，日间RMS 值明显增大，且夏季高于冬季，日夜差值整体变化率增大，与周边环境变化吻合，证明观测环境的改变造成了台站观测数据质量下降。

据中国数字测震台网台址勘选标准（在1—20 Hz 内，地动噪声RMS 值≤3.16×10-8m/s符合Ⅰ类台站要求，3.16×10-8m/s≤RMS值≤1.0×10-7m/s符合Ⅱ类台站要求），巴里坤测震台台基噪声值在2017 年均属于“Ⅰ类台基噪声水平”，而在2021 年5—10 月日间仅达到“Ⅱ类台基噪声水平”（表2，表3）。

2017 年与2021 年该台日间与夜间地动噪声功率谱密度曲线对比结果见图4。由图4可见，在1—20 Hz 范围内，2017 年日间、夜间地动噪声功率谱密度曲线平稳，且位于全球地震背景噪声模型的新高噪声模型（NHNM）和新低噪声模型（NLNM）之间；2021 年高速公路通车，对该台数据造成固有干扰，表现在：在车辆主要通行时段，即对应频段2.5—10 Hz（人类活动主要频段）附近出现小幅峰值，衰减较快。

图4 巴里坤测震台日间与夜间地动噪声功率谱密度曲线(a)2017 年；(b)2021 年Fig.4 Power spectral density curves of daytime and nighttime ground motion noise at Barkol Seismic Station

对比发现，2017 年、2021 年巴里坤测震台测震数据动态变化趋势一致，但观测数据质量有所下降。由于背景噪声增大，台站实际观测范围减小，造成有效记录的地震数量逐年递减。

3.3 地震波形记录的功率谱特征

选取2019年10月27日新疆乌什县M5.0地震、2022年1月8日青海门源县M6.9地震、2019年8月4日日本东岸M6.2地震和2021年12月30日班达海M7.5地震，将4个地震事件，按震中距大小以a、b、c、d 进行编号，地震参数见表4，波形记录及功率谱曲线见图5。

表4 地震目录Table 4 Earthquake catalog

由图5 可见：①事件a 地震强度低，面波发育不显著，PSD 曲线峰值约-90 dB，能量集中在1—20 Hz 频段；②事件b 与事件a 震中距接近，但其能量明显较强，由PSD 曲线可知，高频异常持续至0.5 Hz，峰值达-70 dB，频带整体变宽；③事件c 发生在日本本州东岸，震中距大于事件a、b，对比可知，随着震中距增大，高频异常左移，频带整体变窄，在0.01 Hz 频点处出现拐点；④事件d 为深源地震，震源深度达200 km，在0.01—5.0 Hz频段，噪声水平高于NHNM，拐点出现在-80 dB，与震中距相差不大的事件c 对比，体波衰减慢，在1—3 Hz 频段，噪声水平明显较高。

图5 地震记录功谱率特征对比(a) 2019 年10 月27 日新疆乌什县M 5.0 地震；(b) 2022 年1 月8 日青海门源县M 6.9 地震；(c) 2019 年8 月4 日日本东岸M 6.2 地震；(d) 2021 年12 月30 日班达海M 7.5 地震Fig.5 Comparison of power spectral characteristics of seismic records

由4 个地震事件的整体对比结果可知，谱变化趋势形态不同，但长周期频段均高于NHNM，拐点普遍出现在-90— -70 dB 之间，且震中距、震源深度不同，对背景噪声水平的影响也不同，相较震中距而言，震源深度对数据记录的谱分析结果影响较大。

4 结论

通过计算巴里坤测震台2017—2021 年波形数据台基噪声并绘制PSD 图，可以得到以下结论：①巴里坤测震台在2017 年台基噪声值属于国家Ⅰ类台基噪声水平，2018 年在G7高速公路施工后噪声水平整体呈趋势上升状态，且夏季高于冬季；②2021 年G7 高速公路车辆通行后，与2017 年日间、夜间噪声值对比，发现车辆通行后噪声值增大，说明高速公路车辆通行对巴里坤测震台监测数据质量的影响是客观存在的，而在频率2.5 Hz 上下的观测数据异常，应为高速公路交通所致固有干扰；③结合PSD 图可以发现，巴里坤测震台测震数据受气压影响显著，其中垂直分向干扰明显，因此在日常运维中，要尽量保证观测站点温度恒定，减小气流扰动，保障低噪声观测环境，以减少外界因素对地震计记录数据的影响。

人为干扰、环境变化、仪器工作参数设置的变动，均会对测震观测数据质量产生影响。因此，背景噪声计算可作为测震台站日常工作的一部分，及时对结果进行比对分析，以便及时发现观测环境变化，为提升测震观测数据质量打下基础。