0 引言

数字地震仪在记录地震、爆破等事件的同时，记录到很多复杂的地动噪声信号，在未记录到地震事件时，这种地动噪声信号称为台址背景噪声。城市化、工业化、现代化发展带来交通、工业等人为噪音，加上地脉动噪声，严重干扰传统地面地震观测结果，使得微弱的地球物理信息在高噪声背景下难以辨认和识别。在表层覆盖厚且沉积层松散的平原地区，井下地震观测在避免外界干扰、提高仪器监测灵敏度，对获得更高信噪比的地震信息等方面有着突出的优越性。故本文选取地处县城的赵县地震台，分析地表与深井地震计观测数据质量，结果充分体现了深井地震计的优势。

1 台站观测背景

赵县地震台位于华北平原坳陷区冀中坳陷内，周边断裂主要有新河断裂、晋县断裂、栾城东断裂、北席断裂、马村北断裂、元氏断裂（图 1）。此区域多次发生M_L≥5地震，最大地震为新河断裂带上发生的邢台7.2级地震。根据河北地震台网记录，2016年3月至5月在（33.0°—40.5°N，110.0°—120.0°E）范围内共发生M_L≥2.0地震90次，赵县地震台深井地震计记录到其中28次地震，地表地震计记录到其中3次，可见深井地震计在获取高背景噪声下微弱地球物理信息方面具有优越性。

赵县地震台2016年架设地表地震计，与深井地震计并行观测。地表及井下地震计均采用BBVS-60宽频带地震计，深井地震计安装深度为260 m。BBVS-60宽频带地震计频带范围为60 s—50 Hz，具有噪声水平低、动态范围大的特点，并采用港震机电公司生产的EDAS-24IP数据采集器进行数据记录，传输链路采用2 M的SDH光纤，以保证观测系统总体功能的稳定性及数据传输的连续性。

2 地震监测能力对比

单台地震监测能力是指，主要记录震相可以被辨认必须达到的震级下限及不能超出的地理范围（本文主要针对近震进行分析）。一般假设与地震台的台基条件、周围环境噪声水平、观测仪器放大倍率（或响应灵敏度）等因素（胡米东，2013）及与震中距大小有关。近震震级计算公式为

$M_L=\log\left(\frac{A_\text{m}}{V}\right)+R(\mathit{\Delta})$

(1)

其中，A_m为振幅，V为放大倍数，R(Δ)为置规函数。把不同M_L代入上式，可得到该台站对应地震的量规函数值。由华北地区量规函数统计表，得到相应震级地震的震中距范围，即得到该地震计的地震监测能力。以赵县地震台记录的M_L 0.5—4.0地震为例，统计地表及深井地震计记录的相应震级地震的震中距范围，分析二者的地震监测能力，统计结果见表 1。

由表 1可知，赵县地震台深井地震计地震监测能力远大于地表地震计，因近震频率一般在2—5 Hz范围内，进行幅频分析以验证结果可靠性。同时，地震台站的台基噪声优劣、地震监测设备差异及地震计安装操作规范程度均会影响地震计地震监测能力大小。

3 资料选取

选取赵县地震台地表及深井地震计同天同时刻地震观测数据，通过对背景噪声、幅频分析等手段，分析对比地表及深井地震计观测数据质量。在此随机选取赵县地震台无地震事件记录的2016年3月27日地表及深井地震计地震观测数据，分析对比夜间2时（低背景噪声）及白日14时（高背景噪声）观测数据质量，并以同年4月9日地震记录（无地震事件）作为参考对比，以便核实数据资料分析结果的一致性。

4 台站有效测量动态范围

地震台站的观测动态范围，反映观测仪器自身性能和台基环境干扰背景水平，有效动态范围大小反映记录地震信号的最大能力。由于台站环境噪声与地震信号的叠加，使得仪器达不到设计的动态范围（裴晓等，2012）。有效测量动态范围设为D_有效，单位为dB，则

$D_\text{有效}=20\lg\frac{V_0}{G_\text{M} \cdot S_1 \cdot \sqrt{2} \cdot \text{RMS}}$

(2)

式中，V₀为模拟输入峰值电压；G_M为数采实际工作增益；S₁为地震计工作灵敏度；RMS为地动噪声均方根值。

统计赵县地震台地表及深井地震计2016年3月27日、4月9日有效动态范围，见表 2，可见深井地震计有效测量动态范围明显高于地表地震计，总体超出约20%，夜间有效测量动态范围高于白天。但对同时段观测环境较好的台站，赵县地震台2台地震计有效测量动态范围相对偏低。地理位置不能更改，可以采取缩短地震计与数据采集器距离的措施，减小电磁信号对仪器性能的影响，进而提高地震计的有效测量动态范围（胡米东，2014）。

5 背景噪声均方根

利用地动噪声的均方根值（RMS）可以衡量台站的背景噪声水平（裴晓等，2013），用该值衡量噪声水平的优点在于对来自不同噪声源的噪声可按照相同尺度进行比较。地动噪声均方根值按下式进行计算

$\text{RMS}=\sqrt{\frac{1}{n-1}\sum\limits_{i=1}^{n}(v_i-\bar{v})^2}$

(3)

式中$\bar{v}=\frac{1}{n}\sum\limits_{i-1}^{n}v_i$，n为测量次数；v_i为某一点实测地动速度值，单位m/s；为实测地动速度均值，单位m/s。在此计算2016年3月27日及4月9日地表和深井地震计RMS值，对比结果见表 3。

由表 3可见，赵县地表及深井地震计在1—20 Hz频率范围内地动速度噪声水平均高于地震观测技术规范要求的1×10^-7 m/s，主要原因是：台站位于县城主城区域，人为干扰因素造成RMS值过大。由表中数据可知，深井地震计一般比地表地震计同时段RMS值小1个数量级。在3月27日数据中可以看出，地表地震计记录数据噪声值14时比2时大1倍；深井地震计EW、NS向分量白天与夜间RMS值保持一致，但UD向分量2时噪声值比14时大1倍，究其原因为，深井地震计固定在垂直结构的井下钢管上，在周围干扰振动较小时能量集中在垂直分量，当周围干扰振动较大时，垂直分量能量受到一定抑制。4月9日数据与3月27日基本保持一致，说明2套仪器性能稳定，观测范围无较大波动。

6 数据对比分析 6.1 背景噪声对比

对于赵县地震台2016年3月27日地表及深井地震计地震记录，对比分析夜间2时及白天14时地脉动时域记录，并采用4月9日地震数据进行验证，观测数据曲线见图 2。由图 2对比可见，相同时段内，深井地震计记录的背景噪声比地表地震计小1个数量级；同一天中，同一地震计记录白天比夜间背景噪声大。可见在表面覆盖层厚且沉积层较为松散的平原地区，深井地震计在避免外界干扰较地表地震计有着更好的优势，深井摆架设方式，有效抑制日间较高的人为活动噪声干扰，使得日间、夜间噪声差较小。

6.2 幅频分析

在数字信号处理中，通过频谱分析可以求得动态信号中各频率成分及分布范围，并求解各频率成分的幅值及能量分布，得到主要幅度和能量分布的频率值，故选取赵县地震台地表及深井地震计2016年3月27日2时和14时观测数据进行频谱分析中的幅频分析，对比曲线见图 3，(a)—(h)图从上到下为EW、NS、UD分量观测曲线。

从分析结果可以得出：地表和深井地震计在02时频率范围基本在1.5—3 Hz的低频段，针对于同时段的地表及深井地震计数据对比，背景噪声频率基本一致，但地表台背景噪声幅度明显高于深井台；在14时，地表台背景噪声从2—20 Hz均有不同程度的影响，说明在城区人为干扰对地表地震计的影响较大，严重影响其地震监测能力，而深井地震计在随机挑选的2天中背景噪声频率基本保持一致，可以推断城区人为因素干扰对其影响不大。

6.3 噪声功率谱分析

利用功率谱密度函数得到的最大概率曲线来评估台站的噪声水平更为准确。功率谱密度对信号中的具有具体周期性的干扰源有较好反映，尤其是人为活动干扰，在日变曲线上能够得到直观体现，可以有效寻找台站环境噪声干扰源。

目前，国际上对地震台站台基噪声计算采用台基地脉动波形数据进行信号频谱分析，谱分析是采取通用的地脉动噪声速度功率谱密度（PV）描绘地动背景噪声功率谱（单位dB），并绘制一定频段内记录台基地动噪声速度功率谱密度曲线。

利用该模型及童汪练的地噪声分析软件，对赵县台2016年3月27日深井及地表地震计三分向资料进行计算分析，得到地动噪声速度功率谱密度曲线，见图 4。

根据背景噪声频段，将噪声类型分为高频（0.025—1 s）、短周期（1—10 s）、长周期（10—100 s）（杨龙翔等，2015）。从图 4可以看出，井下地震计均小于地表地震计功率谱密度。具体表现为：① 在高频段地噪声功率谱密度，白天14点时段井下比地表低约20 dB，夜晚2时井下比地表低约10 dB，主要原因是：人为活动主要发生在白天的地表区域，干扰振动从地表传输到井下经过土层介质过滤，高频部分衰减较大，所以在高频部分井下观测明显优于地表观测；② 在长周期频段内，井下观测优于地表观测，说明土层介质对长周期振动也有一定抑制作用，但不是特别明显；③ 在短周期频带内，井下和地表观测差别不大，而井下地震计在1—2 Hz范围内比NHNM高约10 dB，在一定程度上影响到近震记录的数据质量。

7 结论

综上所述，可以得出以下结论：从深井地震计背景噪声RMS数值比地表台小1个数量级可知，深井地震计受外界环境干扰小，可以精确记录到地脉动数据，深井观测记录的地震信号较为真实；白天人为等干扰比夜间大，地脉动噪声RMS值白天较高，赵县台位于县城内，噪声差异明显；深井地震计有效动态范围比地表地震计约大20%，说明深井地震计能记录的地脉动范围更宽；地表地震计记录主要频率范围在2—20 Hz，而同时段深井地震计记录的主要频率在2—5 Hz，说明地表地震计受人为干扰影响过大，深井地震计受环境噪声影响较小，在高频段优势明显；由功率谱密度分析可知，在高频段中，井下地震计功率谱密度普遍比地表高10—20 dB，说明深井地震计动态范围更大，更能有效提高地震观测数据质量。