江苏溧阳测震台抗干扰措施效能分析

胡米东，宫 杰，毛华锋，陈启林，王 皓，张 杰，霍雨佳，黄 群

（江苏省溧阳地震台，江苏溧阳 213332）

地球科学是以观测为基础的研究科学，观测资料的准确性直接决定科研与应用的成效（徐纪人等，2009）。由于地表各类噪声的影响，地震数据的使用效能往往大大降低，地震计对微小信号的检测能力大大减弱（雷栋等，2006）。如何提高观测数据信噪比成为观测研究中最重要的课题之一（徐纪人等，2006）。在地震监测中，降低信号噪声的各种抗干扰措施被广泛研究和使用。夏忠等（2005）对FHD质子磁力仪的探头及信号输入通道、分量线圈、供电系统、通信线路、仪器电路、仪器控制软件进行全方位抗干扰设计。李晓鹏等（2011）开展地电阻率深井观测系统对地面已知干扰源的抗干扰能力测试。王莉森等（2017）在滦县地震台布设地磁场井下观测系统，检验井下观测的抗干扰效果，结果发现，地磁场井下观测可抑制近距离铁磁性物质干扰，但无法抑制直流供电干扰。崔庆谷等（2008）认为通过改进系统的动态特性来提高仪器的“噪声免疫力”是解决当前重力、地倾斜仪器环境干扰问题的重要途径。专家学者为降低地震数据噪声水平，对各类不同噪声进行研究和定量分析，并提出抗干扰措施。

溧阳测震台（简称溧阳台）地处江苏省溧阳市，位于苏、浙、皖三省交界处，受郯庐断裂带、茅山断裂带及其它断裂带影响，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。2010年7月溧阳台开始进行井下测震观测，井深83 m，地震计采用挂壁方式固定在井下71 m 处，安装BBVS．60DBH 地震计和EDAS-24GN数采仪。溧阳台属于C类地区台站，且台站观测环境达Ⅰ级环境地噪声水平。2016年6月长山路开工建设，2018年1月通车，道路最近处距溧阳台测震井60 m，胡米东等（2022）对长山路通车对溧阳台观测环境的影响进行了定量分析，发现长山路通车后台站背景噪声水平增大，功率谱曲线高频段值增大且形态离散，震中距250 km范围内M1．0～1．9地震监测能力降低。为保障溧阳台观测数据质量，降低因长山路通车给溧阳测震台造成的干扰，采取了安装新井下测震观测系统和在道路上设置限速限重标识2项抗干扰措施。本文收集了2项抗干扰措施实施前后的测震波形数据和地震目录，通过台基背景噪声、功率谱密度曲线和地震监测能力3个指标，分析以上2项抗干扰措施的效能，同时为其他观测台提供参考。

1 抗干扰措施

1．1 设置限速限重标识

茅玉泉（1987）车辆振动实验表明：车辆运行造成的振动频率谱频带较宽，最大振动频率集中在2．5～5 Hz和10～15 Hz；车速提高会导致振动频率提高，汽车满载比空载引起的振动幅度大50%至100%，因此重型车辆引起振动幅度比小汽车大得多。车速由10 km／h提高至60 km／h，地面振动幅度增加200%。汽车重量和车速与地面振动幅度成正比。为降低车辆对观测环境影响，交管部门2018年6月在长山路溧阳台路段两端设置限速80 km／h和限制中重型载货汽车通行标识。

1．2 安装新井下测震观测系统

为保障溧阳台观测数据质量，专家论证后决定在溧阳台内选新址开钻观测井。新测震井距长山路160 m，钻井2018年6月完工，井深208 m，套管深度208 m，套管外径为146 mm、内径为136 mm。2019年5月完成了仪器安装调试，安装了BBVS．60DBH 地震计和EDAS-24GN数采仪，地震计采用底座式安装，底座安装深度203 m，底座位置处斜度0．791°。

2 效能分析

两项抗干扰措施均已实施一段时间，有必要进行效能分析，以便提高观测数据信噪比。

2．1 设置限速限重标识效能分析

2018年1月长山路通车，溧阳台路段视野开阔，车速较快，速度100 km／h以上车辆较多，少数车辆超过120 km／h。各类重型货运卡车数量较多，白天一般20辆／h以上。2018年6月交管部门在长山路溧阳测震台路段设置限速标识和限重标识。

分别选取设置限速限重标识前后老测震观测系统一个月数据为样本，通过对比两个月台站背景噪声值及功率谱密度曲线，定量分析设置限速限重标识措施效能。为使计算结果更客观，在考虑观测设备一致（2019年4月地震计损坏）、样本月份一致和强远震发生少等因素后，选取2018年3月（设置限速限重标识前）和2019年3月（设置限速限重标识后）溧阳台测震连续数据为样本。经计算得出设置限速限重标识前后的台站背景噪声（图1）和背景噪声功率谱密度曲线（图2）。

图1 2018年3月（a）和2019年3月（b）溧阳台背景噪声RMS小时值分布图

从图1和图2可以发现老测震观测系统2018年3月的RMS值主要集中在2．133×10-8m／s，2019年3月的RMS值主要集中在1．573×10-8m／s，说明了2018年3月至2019年3月观测系统的背景噪声明显下降。2018年3月和2019年3月各频段噪声功率谱曲线展布在NLNM 和NHNM 之间（图2），表明设置限速限重标识前后溧阳台观测环境符合基本监测要求。2018年3月功率谱密度曲线中低频段整体形态和2019年3月的较类似，曲线分布形态较窄，功率谱密度曲线值变化范围较小，说明中低频度段干扰源相对固定。2018年3月功率谱密度曲线高频段（＞1．0 Hz）整体形态和2019年3月差异较大，2018年3月功率谱密度曲线分布离散，5～20 Hz频段功率谱离散明显，部分频段功率谱差值达10 dB；2019年3月功率谱密度曲线高频段分布集中，离散程度低于2018年3月，同一频段功率谱差值在3～4 dB以内。这表明在人为干扰的高频段，2018年3月溧阳台周边干扰类型较多，干扰强度有差别，分析认为与不同重量和速度重型车辆通行引起不同频段的干扰有关。2019年3月溧阳台周边干扰明显减少。综合以上分析表明设置限速限重标识对降低长山路通车对溧阳台观测环境干扰是有效的。

图2 2018年3月（a）与2019年3月（b）溧阳台背景噪声功率谱密度曲线

2．2 新井下测震观测系统抗干扰效能分析

溧阳台新井下测震观测系统于2019年5月正式安装运行。通过对比新井与老井台基背景噪声值、功率谱密度曲线和地震监测能力3个指标定量分析新观测系统的抗干扰效能。

（1）台基背景噪声对比分析。新井观测系统输出．dat格式数据，统一使用童汪练噪声功率谱密度测定软件计算新老两套井下观测系统的台基背景噪声值。选取2020年11月1日00时至2020年11月2日23时2天48小时测震连续波形数据为样本。通过计算1～20 Hz的台基背景噪声发现老井观测系统台基噪声水平优于新井观测系统（图3）。老井观测系统垂直向两天平均台基噪声1．982×10-8m／s，根据《地震台站观测环境技术要求》（GB／T19531．1—2004），台站观测环境达Ⅰ级环境地噪声水平。这两天新井观测系统的平均台基噪声为3．286×10-8m／s，噪声水平高于老井观测系统，观测环境达Ⅱ级环境地噪声水平。

图3 图3 2020年11月1～2日新（a）老（b）两套井下测震系统台基噪声小时值图

（2）功率谱对比分析。选取2020年11月1日00时至2020年11月2日23时2天观测系统的垂直向连续数据为样本，使用童汪练噪声功率谱密度测定软件计算两套井下观测系统功率谱密度曲线（图4）。从图4中可发现：虽然两套观测系统各频段功率谱值均展布在皮特森模型噪声低高值包络线NLNM 和NHNM 之间，但高频段（＞1．0 Hz）有明显差异，同一频段新观测系统功率谱值分布更离散，表明新观测系统在＞1．0 Hz频段干扰比老系统大。

图4 新（a）老（b）两套井下测震系统功率谱密度曲线图

（3）地震监测能力对比分析。两套测震观测系统在同一时间段内的地震监测能力是反映观测设备及观测环境优劣的一项重要指标。2019年7月1日至2020年12月31日期间，两套观测系统均使用BBVS．60DBH 地震计和EDAS-24GN数采仪，系统标定结果正常，两套设备未出现故障。因此选取2019年7月1日至2020年12月31日溧阳台两套测震观测系统地震记录数据为样本（数据来源：溧阳测震台2019-2020年地震观测报告），以溧阳台为圆心，250 km为半径，对比两套系统的地震记录情况（表1）。

从表1可看出：（1）两套观测系统对震中距250 km 内M1．0 以下和M3．0及以上地震监测能力相同；震中距0～100 km 内M2．0～2．9地震和震中距0～50 km内M1．0～1．9地震记录数量相同。（2）老观测系统在震中距250 km 内的监测能力优于或等于新观测系统。（3）两套观测系统监测能力差距主要表现在震中距100～200 km 对M1．0～2．9地震的监测。例如震中距100～150 km 内，老观测系统记录到M1．0～1．9地震30次，新观测系统记录到M1．0～1．9地震20次；老观测系统记录到M2．0～2．9地震32次，新观测系统记录到M2．0～2．9地震24次。在同一震级段内，随着震中距的增加，新观测系统监测能力较老系统的监测能力下降更快；在同一震中距内，随着震级的降低，新观测系统的监测能力下降也更快。

表1 2019年7月至2020年12月溧阳台两套井下测震观测系统地震记录对比

（4）新观测系统效能较低的原因分析。新测震观测系统的台基噪声、功率谱值和地震监测能力3个指标均低于老观测系统的指标，这表明老观测系统观测质量优于新观测系统。尽管新地震计安装深度（203 m）大于老地震计的安装深度（71 m），新测震井位置与长山路的距离（160 m）较老测震井距长山路的距离（60 m）更远，但新测震井的观测数据质量却更低，分析认为主要原因可能是观测设备质量和安装工艺。井下地震计的安装专业性很强，对安装人员的专业素质要求很高（胡米东等，2009）。对比两套观测系统记录同一地震波形发现，老观测系统Sg波衰减平稳，而新观测系统Sg波衰减中多次出现高振幅干扰波形，该现象垂直向较明显。很多地震波形中均出现该现象。地震波形中包含众多信息，不乏各种干扰，这些干扰对震相识别与分析造成干扰（何思源等，2020）。分析认为，地震计固定和密封故障导致记录受干扰可能性较高。

3 结论

通过计算和分析发现，溧阳台新井下测震观测系统台基噪声水平、功率谱值和地震监测能力3个指标质量均低于老观测系统。新井距长山路更远，地震计安装位置更深，但观测数据质量不如老井。根据观测波形对比分析，怀疑观测设备质量和安装工艺是导致监测质量一般的原因。具体原因有待进一步调查和研究。设置限速限重标识后，溧阳台台基噪声和功率谱值均有明显改善，可见该措施对降低长山路对溧阳台观测环境干扰是有效的。