0 引言

为了尽可能排除地面噪声干扰的影响，提高观测信噪比，从20世纪70年代开始，美国、日本、前苏联和德国等国先后开展井下地震观测研究，井深从数百米逐步发展到1 km以下，最深达到4 km，成为深井长期观测站(徐纪人等，2006)。

中国井下地震观测技术研究，始于20世纪70年代，最初是短周期仪器研制和试验观测，井深200—480 m，目前已有180多个井下观测台(李少睿等，2016)，主要分布在京、津、冀、苏、沪等平原地区。实践证明，对沉积层较厚的平原地区，短周期深井观测可以有效降低背景噪声，提高观测系统的信噪比，获得更多微弱的地球物理信息(裴晓等，2013)。

昆明地震台(以下简称昆明台)观测井是云南第一口基岩测震观测井，基岩地区井下观测是否与平原地区相同，可以有效降低背景噪声，提高观测系统的信噪比？宽频带仪器能否达到短周期仪器的降噪效果？本文将对昆明台地面宽频带地震仪BBVS-60及井下放置的宽频带地震仪GL-S60B深井地震仪所记录的资料，进行背景噪声对比分析，从而得到宽频带地震仪在基岩地区井下降噪数据。

1 台站概况

昆明台位于昆明市北郊黑龙潭滇东断裂系黑龙潭—官渡断裂上，二迭纪石灰岩台基。台站观测山洞位于办公楼后面山体内，山洞深47 m，覆盖层厚度约40 m。山洞内架设中美合作CDSN宽频带地震计STS-1、STS-2.5、甚宽频带地震计CTS-1EF、宽频带地震计BBVS-60(本文中所指的地面摆)。随着城市的扩张和城市交通网的建设，昆明台观测环境日益恶化，目前台基背景噪声介于Ⅱ类和Ⅲ类台基标准之间，严重影响测震观测质量，地震监测能力严重下滑。

昆明台观测井位于昆明台院内(图 1)，成井深度202.5 m，水深约8 m，井底斜度0.62°。从取出的岩芯可知，该井处于灰岩岩层，在140—160 m深度及终孔段190—207 m处，岩层较完整。井口位于观测室内，套管高出地面约40 cm。该井套管外径Φ146 mm、内径Φ136 mm。

该井于2016年9月18日开工建设，12月16日产出地震观测资料。井下安装GL-S60B宽频带地震计，采用EDAS-24GN通用地震数据采集器进行数据采集。安装落底式底座，地震计置于井下197 m处，校正方位角5.75°。

2 观测资料选取

为了对地面台及井下台进行客观、全面的噪声评价，资料选取无地震记录的连续25小时观测数据，以便对一天内噪声变化有直观了解。考虑到井下地震计是新架设的，仪器存在稳定过程，选取3组数据进行分析处理，分别为：第1组：2016年12月27日09时—28日09时；第2组：2016年12月31日05时—2017年1月1日05时；第3组：2017年2月4日10时—5日10时。

图 2中(a)—(c)图是3组数据部分时段的时域记录曲线，(a)图取4 min时长，可以看到井下台高频噪声明显减小；(b)图是数据2(31日23时)出现的约60 s周期的突跳干扰，对该小时的PSD及aRMS的结果影响较大，见图 4(b)和图 7(b)。观测井架设至今，水平向记录会不定期出现突跳干扰，开始频次较高，随时间推移慢慢减少。(c)图直观可见井下摆水平向记录的明显长周期扰动，(d)图为地面及井下记录的印度尼西亚6.2级地震。图 2中(a) —(c)图的上3道曲线为地面台记录，下3道曲线为井下台记录。

3 背景噪声计算方法

国际上以地球正常噪声新模型(Peterson J，1993)来衡量地震台站的噪声水平，包括新高噪声模型(NHNM)和新低噪声模型(NLNM)，分别确定地动加速度高噪声边界曲线和低噪声边界曲线，表征整个观测频带的噪声水平状况，是评价地球上任意地震台站台基背景噪声水平的基本标准。

中国测震观测规范明确规定，以1—20 Hz频带范围的地动速度有效值RMS作为评估台基噪声的标准(GB/T19531.1—2004)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004)，分为5类台基：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。其中，Ⅰ类台基噪声水平：RMS < 3.16×10^-8 m/s；Ⅱ类台基噪声水平：3.16×10^-8 m/s ≤RMS < 1.00×10^-7 m/s；Ⅲ类台基噪声水平：1.00×10^-7 m/s ≤RMS < 3.16×10^-7 m/s。

本文对噪声功率谱和地动速度有效值进行计算，使用北京港震机电技术有限公司童汪练(2016)编写的地动噪声功率谱密度测定软件进行计算。

3.1 资料预处理

(1) 直流偏移消除处理。在计算噪声功率谱前，需对选取的数据样本进行消除直流偏移处理(刘瑞丰等，2015)。方法是，把整个记录长度求和除以记录总数，即取记录的平均值作为直流偏离量，然后逐点减掉直流偏离量。公式如下

${{f}_{i}}={{f}_{i}}-\frac{1}{N}\sum\limits_{j=1}^{N}{{{f}_{j}}}$

(1)

式中，f_i表示每个采样点的值，N为记录总采样数。

(2) 仪器响应扣除。数字记录是地震动经过拾震器、放大器、模数转换后得到的，只有将此过程中的影响从实际记录中去除，才能得到真正的地面振动，主要利用拾震器的传递函数扣除仪器响应。

$G\left( S \right)={{S}_{d}}{{A}_{0}}\frac{\prod\limits_{n-1}^{N}{\left( S-{{r}_{n}} \right)}}{\prod\limits_{m-1}^{M}{\left( S-{{p}_{m}} \right)}}$

(2)

式中，S_d为仪器灵敏度，A₀为归一化常数，r_n为复零点，p_m为复极点。

3.2 噪声功率谱计算

噪声功率谱密度计算方法：给定信号进行快速傅里叶变换，取其绝对值的平方。快速傅里叶变换法(FFT)计算公式为

$F\left( w \right) = \int_{ - \infty }^\infty {f\left( {{t_n}} \right){e^{iwt}}{\rm{d}}t \to \frac{1}{N}} \sum\limits_{n - 1}^N {f\left( {{t_n}} \right){e^{iwt}}} $

(3)

其中N的取值为2^k，即2，4，8，16，32，64，…。

3.3 地动噪声有效值计算

地动噪声有效值(GB/T19531.1—2004)计算公式为

${\rm{RMS}} = \sqrt {2{\rm{PSD}} \cdot {f_0} \cdot {\rm{rbw}}} $

(4)

式中，f₀为分度倍频程中心频率，rbw为相对带宽，表达式为

${\rm{rbw}} = \left( {{f_{\rm{u}}} - {f_1}} \right){f_0}$

(5)

式中，f_u为分度倍频程上限频率，f₁为分度倍频程下限频率。

4 计算结果分析 4.1 噪声功率谱

3组数据计算的三分向(UD、EW、NS)噪声功率谱密度曲线见图 3—图 5。

(1) 在1—20 Hz频段内，井下台噪声优于地面台。UD向：地面台和井下台在2.5—3 Hz频段及10 Hz处各有1个峰值，井下台噪声在频段2.5—3 Hz处比地面台低1.9—3.5 dB；在频点10 Hz处低5.3—6 dB。EW向：地面台在频段2.5—3 Hz处有噪声峰值，接近NHNM曲线，此频点处井下台比地面台低4.6—9.3 dB；井下台在频点12 Hz处有一个峰值，其噪声高于地面3.3—5.8 dB。NS向：地面台在频段2.5—3 Hz处PSD值接近NHNM曲线，井下台在2.5 Hz处比地面台低10.2 dB，在频点3 Hz处比地面台低7.9—9.3 dB，井下台在频点12.5 Hz处有一个峰值，噪声高于地面3.6—4.6 dB。

(2) 在0.1—1 Hz频段，地面台与井下台三分向的PSD曲线变化基本一致。该频段内的噪声来源于海洋与陆地的相互作用，与人类活动无关。

(3) 在0.01—0.1 Hz频段，地面台的噪声水平优于井下台。地面台垂直向PSD存在昼夜变化，在夜间00—05时的PSD值较低；井下台则没有。

地面台与井下台在1/3倍频程(1—20 Hz)各频率点的PSD值对比见表 2—表 4，可见井下台垂直向在2—8 Hz频段降噪效果较好，两水平向在1—8 Hz频段降噪效果较好。

4.2 RMS值对比

(1) 1—20 Hz频段。为了直观进行地面、井下噪声比较，1—20 Hz的速度RMS结果采用图形表示，结果见图 6。

从数据1、数据2、数据3的RMS小时均值图可以看到，噪声存在明显日变化：白天噪声大，夜间噪声小。地面台与井下台的日变化基本一致，数据1在00—07时RMS值较低，数据2在03—07时RMS值较低，数据3在19—07时RMS较低。

地面台噪声水平基本达到Ⅱ类台基标准，部分达到Ⅲ类台基标准。井下台RMS值从数据1、数据2的结果看，噪声在3.16×10^-8 m/s附近摆动，数据3的结果低于3.16×10^-8 m/s，噪声水平介于Ⅰ、Ⅱ类台基标准。

(2) 0.01—0.33 Hz频段。0.01—0.33 Hz频段的井下与地面台基地动噪声对比见图 7。

由图 7可见，地面台的加速度噪声有效值aRMS存在明显日变化：白天噪声大，夜间噪声小。特别是，垂直向在00—04时出现10^-10的低值，可见夜间基本可以满足aRMS小于2×10^-9的要求。

井下台的加速度噪声有效值aRMS基本看不到日变化。EW向噪声最大，其次是NS向，UD向噪声相对较稳定。具体表现在：①UD向：数据1和数据2的aRMS在1.99×10^-9—3.05×10^-9变化，数据3的aRMS在6.16×10^-10—1.13×10^-9变化，均小于2×10^-9；②EW向：数据1和数据2的aRMS在4.1×10^-9—8.1×10^-9变化，数据3的aRMS达7.9×10^-9—1.15×10^-8；③NS向：数据2的aRMS在23时有个高值，由井下摆在稳定过程中偶发突跳导致，在分析时予以忽略。NS向的aRMS基本在2.08×10^-9—7.2×10^-9变化。

为了定量说明井下台相对地面台的降噪情况，采用以下公式计算降噪效果：降噪效果(%)=[(地面台RMS-井下台RMS)/地面台RMS]×100，RMS值采用数据样本平均值。1—20 Hz频段RMS降噪结果见表 5，100—30 s频段aRMS降噪结果见表 6。

由表 5、表 6可知：①在1—20 Hz频段内，井下台降噪效果UD向平均达35%以上，EW向平均达54%，NS向平均达61%；②在0.01—0.33 Hz频带(即100—30 s)内，UD向：数据1和数据2的aRMS值增大约35.8%，数据3噪声减小，降噪约47%。EW向：从3组数据结果看，噪声异常突出，分别高出地面168.50%、177.70%、325.80%。NS向：噪声增幅介于UD向和EW向，数据1噪声高出地面118.90%，数据2和数据3噪声高出地面约45%。

5 结论

通过对昆明台地面和井下宽频带地震计记录数据的背景噪声进行分析，得出以下结论。

(1) 在1—20 Hz频段内，井下台噪声明显减小，从PSD结果看，2—8 Hz降噪明显，最高达10 dB；由RMS值计算的降噪效果看，UD向平均达35%，EW向平均达54%，NS向平均达61%，充分说明基岩地区井下观测也可有效减少高频，即人为活动造成的噪声干扰。井下台水平向在12.7 Hz、16 Hz处有噪声峰值，噪声强于地面台，具体原因有待进一步观察。根据中国地震台站台基噪声评估标准，井下台噪声介于Ⅰ、Ⅱ类台基标准，地面台介于Ⅱ、Ⅲ类台基标准，背景噪声明显改善(彼得·鲍曼，2006)。

(2) 在0.01—0.33 Hz频段内，井下台噪声高于地面台，UD向有高有低，EW向、NS向噪声成倍增长。

(3) 昆明台深井低频部分噪声较高，特别是EW向，从时域记录图上看，周期长达几百秒，这些低频噪声到底是什么原因造成的？是地震计自身噪声，或是井下小环境，如：井内积水、上百米的摆线摆动，抑或是其他因素所致，有待今后进一步分析。