2020, Vol. 40
据中国地震台网中心测定，北京时间2017-08-08 21:19四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟县(33.20°N，103.82°E)发生MS7.0地震，震源深度20 km。九寨沟地震是继2008-05-12汶川地震、2013-04-20芦山地震和2014-11-22康定地震后又一次发生在四川省且有极大社会影响的地震事件。地震发生时正值九寨沟风景区旅游旺季，截至2017-08-13 20:00，已造成25人死亡、525人受伤、6人失联，并造成震区及周边地区严重的次生地质灾害。地震发生后，中国地震局迅速启动Ⅰ级应急响应(后国务院抗震救灾指挥部根据地震震情灾情综合判断，应急响应改为Ⅱ级)，四川省地震局立即派遣相关技术人员奔赴地震现场开展应急流动地震观测工作，密切跟踪震情发展。截至2017-10-31 24:00，共记录到余震6 453个，其中4.0~4.9级地震3个，最大余震为2017-08-09 10:17发生的ML4.8地震。
应急流动地震台站是震后获取余震记录的重要手段，是固定台站的有效补充。自2008-05-12汶川地震后四川省地震局建立了应对破坏性地震的应急流动观测预案，并定期组织演练，经历了2013-04-20芦山MS7.0地震和2014-11-22康定MS6.3地震[1]等破坏性地震的考验，应急流动地震观测迅速有效。四川省地震局和甘肃省地震局在地震发生后的2017-08-09~08-11，在震区联合布设了6个流动地震台站，其中3个位于震中区，平均台间距12 km，围绕震中北部分布。流动地震台站的架设弥补了九寨沟风景区内及震中周边40 km范围内固定台站的空白，与固定台站联合组网，提高了震区台站密度和余震监测能力，也有利于地震定位时对震源深度和位置进行有效控制。获得的余震记录不仅有利于震后余震趋势的分析判断，也为该区域的地下速度结构、各向异性以及发震构造等地震科学研究提供了基础数据资料。
地震台网的地震监测能力取决于台站的环境噪声水平和地震仪器自噪声，当地震观测仪器选定后，地震监测能力主要取决于台站的环境噪声水平。地震噪声功率谱密度(power spectrum density，PSD)是定量评估地震台站环境噪声水平的常规参数。Peterson[2]选取全球范围75个地震台站相对安静时段的波形记录，通过计算噪声功率谱密度得到的地球低噪声新模型(NLNM)和地球高噪声新模型(NHNM)广泛应用于地震台站环境噪声水平的评价。McNamara和Buland[3]扩展了这一方法，通过计算长时间完整连续波形记录(而不是经过筛选的安静部分)的噪声功率谱密度，得到相应的概率密度函数(probability density function，PDF)分布，以统计分析功率谱密度值在长时间范围的分布规律及随周期的变化，使评估整个周期范围内长时间的环境噪声水平成为可能，在众多地区的地震台站环境噪声特征研究和地震计自噪声水平分析中得到应用[4]。
根据国家标准《GB/T 19531.1-2004地震台站观测环境技术要求第1部分：测震》，固定地震台站选址建设时对台基(硬土和砂砾土、基岩)、主要干扰源(如公路、铁路、工厂、河流、采石场及建筑物等)距离等有严格的要求，因此固定台站环境噪声水平较低，在工作频带范围内一般满足Peterson[2]的NLNM和NHNM模型。而流动地震台站由于加密布设和观测目的的要求，会遭遇各种复杂的地质条件和噪声环境，且很难避开人为干扰源，导致记录到的背景噪声具有典型的区域性特征。因此，针对不同的研究区域开展流动地震台站噪声水平分析是十分必要的。
1 数据及方法本文选取九寨沟MS7.0地震应急流动台网6个流动地震台站2017-08-14~12-31记录的三分向连续波形数据，台站空间分布如图 1所示。流动观测地震台站地震计采用地表(室内硬水泥地)方式安装，主要为英国GURALP公司生产的CMG-40T、CMG-40TDE型和北京港震仪器设备有限公司生产的GL-PS2型短周期地震计，全部采用GPS统一授时服务，以100 sps采样率连续记录，台站详细信息见表 1。
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图 1 九寨沟MS 7.0地震应急流动台网地震观测台站分布 Fig. 1 Distribution of seismic stations of MS7.0 Jiuzhaigou earthquake emergency mobile network |
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表 1 九寨沟MS7.0地震应急流动台网台站信息 Tab. 1 Information on the seismic stations of MS7.0 Jiuzhaigou earthquake emergency mobile network |
基于改进的周期图经典谱估计Welch方法[5]计算地震台站环境噪声功率谱密度。首先，将台站三分向的连续波形数据分割为1 h(3 600 s)长度的时间序列，经去均值、去长周期成分处理后计算得到每h的速度功率谱密度；然后，将速度功率谱密度转换为加速度功率谱密度；最后，为消除仪器自噪声在工作频带(幅频特性曲线下降-3 dB值对应的截止频率)范围外的影响，扣除地震仪器(数据采集器和地震计)传递函数。由台站所有时间段内每h的噪声功率谱密度曲线计算得到了重采样离散周期Tc的PSD值在对数坐标下相应的概率密度分布[3, 6]。中心周期Tc为1/8倍频程间隔的几何平均值，
图 2(a)为四川台网九寨沟(JZG)地震台2017-08-14~12-31垂直分向连续观测数据的环境噪声功率谱密度概率密度函数分布，其左侧纵坐标轴表示功率谱密度，以10lg的形式表示成dB值；蓝绿色虚线为第5百分位数和第95百分位数(分别表示功率谱密度的下限和上限)，绿色实线表示众数(mode)统计，黄色实线表示平均值(mean)，蓝色实线表示中值(median)统计。其中，众数统计值在某些频段(如周期5~10 s)会出现跳变，平均值容易受到部分极值影响而偏离众数统计，中值与众数统计值相似且受数据影响波动小，因此采用中值统计PSD值代表台站平均噪声水平。九寨沟地震台采用北京港震仪器设备有限公司生产的BBVS-60型宽频带(60 s~50 Hz)地震计和EDAS-24IP型24位数据采集器，每月进行仪器标定检测，确保仪器长时间工作的一致性。台站高频(频率大于1 Hz)段噪声水平接近NLNM和NHNM的平均值，垂直分向的噪声水平小于水平分向；随着周期增大，垂直分向的噪声水平大于水平分向；在周期大于25 s时水平分向噪声水平开始升高，垂直分向噪声水平小于水平分向(图 2(b))。在流动地震观测中，受台站建设和地震计安装条件的限制，在长周期频段水平分向比垂直分向更易受温度扰动[7]和大气压变化[8]导致的地倾斜的影响[9]，会显著增大水平噪声，使流动地震台站水平分向长周期噪声水平大于垂直分向[10]。而固定地震台站通过修建永久地震观测房和采用保温、密封的地震计保护装置[11]，降低温度扰动和大气压变化对长周期噪声的影响，在1~25 s周期范围内，固定台站水平分向噪声水平一般小于垂直分向。
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图 2 四川台网九寨沟(JZG)地震台2017-08-14~12-31垂直分向连续观测数据的环境噪声功率谱密度概率密度函数分布(a)及该函数三分向中值统计和最低概率噪声模型PSD曲线[2](b) Fig. 2 Ambient seismic noise PSD-PDF distribution of seismic stations obtained from continuous vertical component at station JZG in Sichuan seismic network recordings from August 14 to December 31, 2017, and three-component median statistics and low noise model of PSD-PDF curves at station JZG[2] |
地震台站的环境噪声水平取决于台站附近的噪声源和观测仪器自噪声[12]，现代宽频带地震计具有自噪声低、动态范围大、频率响应宽等优点，在工作频带的自噪声水平低于环境噪声[13]，而短周期地震计在2~10 Hz频带范围内自噪声水平一般低于NLNM值，因此主要考虑环境噪声源对噪声水平的影响。不同噪声源产生的噪声频率也不同，按照频率的不同，可分为人为噪声(cultural noise)、自然噪声(nature noise)、微震噪声(microseisms)等。人为噪声主要与人类活动有关，如公路铁路交通、采石采矿、工厂施工等，以高频面波的方式传播，随距离和深度增加迅速衰减[5]；自然噪声是指自然因素引起的噪声，如风(风在高低不平地面上的摩擦、树木和其他植被或建筑物在风中摆动或振动)、急流(瀑布、河流和小溪中湍急的水流)等[3, 14]，其中风产生的噪声是宽频带的，既有高频的也可能是长周期的[15]。应急流动地震观测中采用短周期地震计，受仪器设备工作频带限制，记录的环境噪声多为人为和自然噪声中的高频噪声，超出工作频带范围的长周期噪声记录多表现为仪器自噪声。
基于环境噪声加速度功率谱密度概率密度函数(PSD-PDF)分布能统计分析各频段的功率谱密度值，直观地反映台站长时间环境噪声水平及地震设备工作状态[3, 6]。为分析震区各流动地震台站的噪声特征，计算各台站2017-08-14~12-31三分向连续波形的加速度噪声功率谱密度，并在此基础上得到相应的环境噪声功率谱密度概率密度函数分布(图 3)。可以看出，流动地震台站频率在1 Hz以上的高频噪声水平偏高，大部分台站噪声水平高于NLNM+30 dB线，明显高于NHNM和NLNM的平均值，部分台站接近或高于NHNM值。且不同频带的背景噪声稳定性也不同，频率在1 Hz以上的高频地震背景噪声在同一地区的不同台站存在很大波动；在周期1~2 s范围内，一体化短周期地震计记录的噪声水平偏高(接近或高于NHNM值)。且同一型号的地震设备记录的长时间背景噪声水平具有较为相似的分布形态(台站L6201、L6202和L5113采用港震公司GL-PS2型一体化地震计；台站L5110和L5112采用GURALP公司CMG-40TDE型一体化地震计)，PSD值相差不大，与本地区宽频带地震计(九寨沟地震台，见图 2)记录的该频段背景噪声水平(略高于NLNM值)存在明显区别(图 3)。采用港震公司生产的EDAS-24IP数据采集器和GURALP公司生产的CMG-40T短周期地震计的荷叶台(L5111)记录的微震频段(2~5 s)背景噪声水平与宽频带地震计记录相似，该频段噪声主要与海浪活动有关[16-17]，受台站附近人为活动影响较小。本次流动观测采用的一体化短周期地震计专为记录区域高频小震设计，随着周期增加，其仪器自噪声也随之增大，而现代宽频带地震计在工作频带内的仪器自噪声远低于环境噪声[13]。GURALP公司生产的CMG-40T型短周期地震计配备24位数据采集器，去除仪器响应后，记录的与海洋海浪相关的微震频段噪声功率谱密度曲线与本地区宽频带地震计记录的相似，因此，在保证波形不明显失真的情况下可将CMG-40T型短周期地震计工作频带扩宽至5 s。由此可见，采用一体化短周期地震计的流动地震台站记录的环境噪声主要表现为1 Hz以上的高频噪声，其主要来源于台址附近的人为噪声和自然噪声。因此，虽然甘海子(L6202)、荷叶台(L5111)和漳扎台(L5112)都位于震中区且台站距离较近(平均台间距12 km)，但高频段噪声各不相同，峰值出现的频率也不同。
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图 3 九寨沟MS7.0地震应急流动台站垂直分向连续观测数据计算得到的环境噪声功率谱PDF分布 Fig. 3 Ambient seismic noise PSD-PDF distribution of seismic stations obtained from continuous vertical component recordings in MS7.0 Jiuzhaigou earthquake emergency mobile seismic network |
人为噪声与人类生活作息相关，具有较明显的昼夜变化。为进一步分析人类活动对流动地震台站噪声的影响，我们计算了2017-08-14~08-27期间台站三分向连续波形记录的PSD值随时间的变化。流动台站高频噪声受人为活动影响明显，大部分台站表现出与生活作息相关的昼夜噪声水平变化，当地时间08:00~19:00的噪声功率谱密度值高于其他时段，一般早上07:00~09:00噪声功率谱密度值开始升高，下午17:00~19:00逐渐下降，这类噪声显示出白天和黑夜人类生产、生活的差异。图 4为台站L6201和L5112三分向波形记录PSD值随时间的变化。台站L6201主要受附近乡政府日常工作的影响，三分向都表现出明显的昼夜变化特征；台站L5112除受周围人为活动影响外，还受附近小溪流水的影响，而河流中湍急水流和携带的泥沙与河床产生的震动可以产生较宽频带的地震噪声[3, 18]，既有高频的，也可能是长周期的，受流水产生的持续高噪声水平的影响，其噪声的昼夜变化特征不明显。由图 4可以看出，同一台站3个分向噪声水平随时间的变化也不相同，垂直分向更易受高频噪声的影响，而影响垂直和水平分向的噪声源存在差别，或者同一噪声源在垂直分向和水平分向产生的噪声水平不同。人类规律性生产活动可能在固定时间段内产生某单一频率的噪声，如勿角台(L5110)每天12:00~18:00台站周围20 Hz和40 Hz频率的噪声源较强(图 5)。
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图 4 台站L6201和L5112三分向环境噪声加速度PSD值随时间的变化 Fig. 4 Variations in acceleration PSD for three-component recordings at L6201 and L5112 stations with days |
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图 5 2017-08-14~12-31勿角台(L5110)垂直分向环境噪声加速度PSD值的日变化 Fig. 5 Diurnal variations in acceleration PSD for vertical component at L5110 station recordings from August 14 to December 31, 2017 |
图 6为九寨沟MS7.0地震应急流动台网6个流动地震台站2017-08-14~12-31期间三分向噪声功率谱密度概率密度函数中值统计和最低概率噪声模型曲线分布图。可以看出，台站水平分向噪声水平与垂直分向类似，频率在1 Hz以上的高频噪声在不同台站存在很大波动，环境噪声水平整体偏高(接近或高于NHNM值)，石鸡坝(L6201)、勿角台(L5110)和水晶台(L5113)的水平分向与垂直分向噪声水平比较接近，PSD值差别不大；甘海子(L6202)、荷叶台(L5111)和漳扎台(L5112)的水平分向与垂直分向噪声水平在不同周期的PSD值差别较大，且水平分向噪声水平峰值出现频点与垂直分向不同。进一步表明，影响垂直和水平分向噪声水平的噪声源存在差别，或者同一噪声源在垂直分向和水平分向产生的噪声水平不同。
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图 6 九寨沟MS7.0地震应急流动台网各台站三分向噪声功率谱密度概率密度函数中值统计和最低概率噪声模型曲线 Fig. 6 Median and low noise model of PSD-PDF curves of seismic stations obtained from continuous three-component in MS7.0 Jiuzhaigou earthquake emergency mobile network |
水晶台(L5113)距离S301省道70 m，附近人类生活、生产活动较少。受地震影响，九寨沟县甘海子景区附近山体垮塌，造成S301省道中断，影响台站噪声水平的公路交通车辆大幅减少，台站整体噪声水平优于其他台站；荷叶台(L5111)虽远离公路，受台站周围日常生活工作的影响，频率9.64 Hz的噪声水平较高；石鸡坝台(L6201)主要受乡政府内日常工作活动的影响，频率9.64 Hz的噪声水平较高；S301省道中断后，S205省道作为进入九寨沟县的主要通道，公路交通车辆频繁，加上台站附近乡政府人为活动的影响，勿角台(L5110)整个高频段噪声水平都比较高，且PSD值变化不大，频率3.13 Hz的噪声水平略低；甘海子台(L6202)受村公安派出所日常工作活动的影响，噪声水平也比较高，在频率3.13 Hz的噪声水平达到最大值；漳扎台(L5112)受公路交通和小溪流水的影响较大，频率大于10 Hz的高频噪声水平接近NHNM值。由此可见，地震台站高频段噪声水平与附近主要干扰源的距离和多种干扰源的叠加效应成正相关，而台站周围日常工作生活产生的高频人为噪声是宽频的，有可能集中在某一个频点或几个频点，也可能在某一频带范围都表现为高噪声。台站附近主要干扰源及距离和垂直分向不同频点噪声水平统计见表 2。
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表 2 流动地震台站主要干扰源及距离和垂直分向4个频点的中值统计加速度噪声水平 Tab. 2 The proximity to major noise sources and distance at mobile seismic stations and vertical component median acceleration noise level at four frequency points |
为进一步了解流动地震台站噪声水平的空间分布，我们将不同台站、不同频率垂直分向的噪声功率谱密度概率密度函数的中值统计对应的功率谱密度值绘制在图中台站位置上(图 7)。固定台站在台站建设中严格按照国家标准《GB/T 19531.1-2004地震台站观测环境技术要求第1部分：测震》的要求，与主要干扰源有一定距离，且地震设备防护一般好于流动台站。因此，与固定台站相比，流动地震台站更容易受台址周围场地环境影响，在频率大于1 Hz频段的噪声水平明显高于固定台站。荷叶台(L5111)垂直分向的噪声水平在频率1.01 Hz与固定台站相近，其他台站受仪器自噪声影响噪声水平偏高。在频率1.01 Hz、3.13 Hz、9.64 Hz和25.00 Hz垂直分向的噪声水平没有明显的地理空间分布特征(图 7)。
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图 7 四川台网固定台站和九寨沟MS7.0地震应急流动台网各台站垂直分向噪声功率谱密度概率密度函数中值统计PSD值分布 Fig. 7 Median noise model of PSD-PDF curves of seismic stations obtained from continuous three components in Sichuan seismic network and MS7.0 Jiuzhaigou earthquake emergency mobile network |
分析九寨沟MS7.0地震后6个短周期地震计的观测记录发现，在周期1~5 s范围内荷叶台(L5111)平均噪声水平与区域宽频带地震计(JZG)相近；其他流动台站在周期大于1 s范围内平均噪声水平接近或高于NHNM值，主要是受一体化短周期地震计自噪声影响；台站高频段(频率大于1 Hz)平均噪声水平明显高于NHNM和NLNM的平均值，部分台站接近或高于NHNM，主要来源于人为噪声和自然噪声，其中人为噪声主要由公路交通以及附近人类生产、生活产生的噪声叠加，自然噪声则由附近小溪流水产生。台站水平和垂直分向的噪声水平PSD值在不同频点结果不同，且出现噪声峰值的频点也不同，说明影响水平和垂直分向噪声水平的噪声源存在差别，或者同一噪声源在水平和垂直分向上的强度不同。
人为噪声与人类生产、生活作息相关，具有明显的昼夜变化特征，而人类规律性活动在固定时间段内可以产生某单一频率的噪声。台站附近日常工作生活产生的高频噪声是宽频的，可能集中在某一个频点或几个频点附近，也可能在某一频带范围都表现为高频噪声。自然噪声中的小溪流水以及与河岸、河床相互作用产生的噪声也是宽频的，对台站环境噪声的影响是持续的，没有明显的昼夜变化。
在应急流动地震观测中，由于台站加密布设和观测目的的要求，加之震后通信、供电及设备安全条件的限制，难以严格规避干扰源的影响，使其噪声记录具有典型的区域特征。结合台站周围观测环境，研究长时间流动地震台站高频段(频率大于1 Hz)噪声变化特征，对于震后流动台站选址布设、提高地震数据观测质量具有重要意义。同时，小溪流水等自然噪声可以产生24 h不间断的高频干扰，对该类干扰源的避让距离是今后流动地震观测中需要进一步研究的问题，特别是在山区峡谷地震多发区域。
致谢: 感谢四川省地震局应急流动观测组的同事们，我们一路风雨同行，克服山高路险、道路垮塌，昼夜兼程奔赴地震震区，开展应急流动观测任务；感谢甘肃省地震局的支援，我们一起完成本次流动观测任务；也感谢四川省阿坝州政府工作人员的大力协作和支持。
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