0 引言

地震观测是人类探测、认知地球深部结构的重要手段之一，获取低背景噪声的高质量观测数据是地震观测的主要目标。近年来流动地震观测逐渐成为地震学研究地下精细结构的一个有效手段，以美国USArray和中国喜马拉雅项目为代表的一系列流动地震台阵观测计划，有力推进了地球内部结构及其动力学过程的研究（宋丽莉等，2012）。随着观测规模的不断扩大，流动地震数据观测质量成为一个关注焦点（许卫卫，2018）。

已有研究结果表明，通过改善台基处理和地震计安装方式，可显著降低噪声水平，提高观测质量（葛洪魁等，2013）。在流动地震台阵观测过程中，地震计安装方位的准确性和地震计的保温措施，也是保证地震观测设备性能发挥的重要因素（尹昕忠等，2013）。大量研究工作表明，井下地震观测对各种地表背景噪声有显著衰减作用（Bormann，2013），但是由于专用井下式地震计自身以及专业打井的高昂成本，目前多用于固定台站观测，难以在流动地震观测中大规模采用。近年研究表明，直埋安装方式可在低安装成本基础上获得不低于传统摆墩式的噪声表现性能（Aderhold et al，2015），且数米到数十米深度的浅井式观测，噪声表现更优，已开始被引入宽频带流动地震观测领域。专用的直埋、浅井式地震计，因安装方式带来的背景噪声性能改善，逐渐成为未来宽频带流动地震观测领域的首选设备。

中国喜马拉雅项目自2010年开始，现已完成南北地震带区域宽频带地震观测工作，观测区域逐步覆盖到华北地区。华北地区地表覆盖土层厚、人口密集、交通和工业发达，背景噪声高，如何在此类地区获取高质量数据是整个项目顺利实施的关键问题之一，且未来仍有包括国家重点研发计划在内的多个项目，在类似高背景噪声城市区域周边进行宽频带流动地震台阵观测的需求。中国地震科学台阵是以上项目的技术保障系统，目前拥有1 400多套宽频带流动地震观测设备，其中地震计主要为英国GURALP公司生产的CMG系列地震计，其外形为直径18 cm的圆柱体，具备电控开解锁、调零功能，是典型的传统摆墩式地震计。如何将浅井式观测的优点用于现有非浅井式地震计安装，提高高背景噪声区域宽频带地震观测数据质量，是本研究的主要问题。

本文以GURALP公司的CMG系列地震计为实验机型，研究设计适用的浅井观测模式，重点解决浅井井底防水、CMG地震计井下水平调整、井下方位角调整等技术难题。为此，在白家疃国家地球观象台进行为期3个多月的浅井式观测对比实验，观测井0—10 m不同深度、不同井壁材质，对观测数据的背景噪声和地震事件数据进行对比分析，研究地震观测背景噪声以及地震信号随浅井观测深度变化的衰减规律。

1 实验概况 1.1 浅井式地震计安装模式

针对中国地震科学台阵现有CMG系列地震计，设计图 1所示浅井式安装模式。如图所示，观测方案主要针对下部的浅井管和上部的观测桶进行设计，其中：浅井管采用工业标准300 mm上水PVC管件（或相同尺寸的不锈钢材质管件），底部浇筑混凝土，并进行自流平处理，用于放置CMG系列地震计；上部的观测桶用于放置观测用电瓶、电源控制系统、数据采集器以及通信设备等，太阳能面板通过侧管接入观测桶与电源系统连接。该上下分列的布置方式最小化占地，便于野外工作。

由于CMG系列地震计为非浅井式设计，接头防水是浅井式安装设计的关键问题之一，防水难点在于浅井井底的处理方式。为此，借鉴石油系统的专业钻井流程，根据介质不同设计一套工作流程，在钻井过程中进行翻浆处理，并完成井底密闭。针对地震计调平，设计制作一套地表水平校准平台，将地震计调平锁紧，下井放置即可确保地震计水平。这是因为，浅井管底部的自流平处理可保证其基础面基本水平（自流平处理是将专用的自流平水泥浆料直接灌至井底，在井底混凝土基础面上依靠自然重力形成水平面，是工业常用找平方法，经测试，形成的水平面倾斜角度极小，且与水泥基础面耦合性好，不会形成分层、空洞现象，强度高，满足地震计安装基础要求）。实践证明此法简单易行，能够满足CMG系列地震计电机调零的水平倾斜度要求。设计一套变长连接杆进行地震计方位角定向调整，通过激光定向仪投影可直接对浅井底部的浅井地震计进行水平方位调整，完成地震计安放工作。

1.2 比测实验设计

为了比较浅井式安装模式对不同频率噪声在不同深度的衰减作用，在北京市海淀区温泉镇北京国家地球观象台进行观测比对实验。实验区周边人口密度适中，公路密集，无重工业厂房，沉积层覆盖大于50 m，沉积层下为松散砾石层，至160 m以上深度可见不连续基岩，其地质条件和环境条件在华北地区具有一定代表性。

由于实验位置空间有限，比测实验在相距约80 m的南北2处位置进行，共建立7个不同深度的浅井观测点，紧邻一条南北向村级公路，图中标记为“村路2”，北侧实验点以北8 m外是一条东西向村级公路，图中标记为“村路1”，观测点位分布见图 2。比测实验的各观测点位建设方式及命名方式见表 1，表中给出每个点位的深度、施工方法、命名方法及温度隔离防护方式。

采用中国地震科学台阵的CMG-3ESPC作为测试地震计（频带范围60 s—50 Hz），Reftek 130作为数据采集器，所有观测点采用GPS进行时间同步，以采样率200 sps进行连续记录，记录时间大于3个月，为避免可能的交流电干扰均采用太阳能方式供电。所有地震计在使用前均经过统一的标定，以确保仪器的一致性。

为深入研究地震计在不同深度对地表高频噪声的衰减，同时解决各观测点可能的噪声干扰源水平不等距问题，在南北观测点位等距处设置落锤主动源激发实验，见图 2(a)，各观测点相对位置见图 2(b)。

为了探讨噪声衰减效果与环境温度的关系，在不同深度点位安装高精度温度传感器，使用COMET0141温度计+Pt1000探头组合，记录井深2 m、4 m、6 m、8 m、10 m的工作环境温度变化。温度计采样率设为600 s，进行连续记录。

2 数据选取

选取持续一周背景噪声记录波形、6—35 Hz主频的落锤主动源激发信号记录波形以及一个远震记录波形，对原始数据进行格式转换、去均值、去倾等预处理，根据地震计和数据采集器响应函数去除仪器响应，设置窗口长度为65 536个采样点，窗口重叠度设为62.5%，将结果进行1/3倍频程滤波平均，计算各测点功率谱密度（PSD，Power Spectral Density），对比不同深度的浅井式地震计记录信号衰减规律。其中：①背景噪声数据截取时间段：2018年2月11日08:00:00—2月16日08:00:00（GMT+8）；②落锤人工震源实验数据截取间段：2018年11月5日22:29:00—11月5日22:34:00（GMT+8）；③地震事件数据：2017年11月13日10:28:23（GMT+8）哥斯达黎加6.7级地震。

计算过程在Matlab软件中编程完成，每个频点求取计算时段内的中位数。

3 比测实验结果分析 3.1 背景噪声信号比较

地震计根据表 1所述在浅井安装完成，选取记录稳定48小时以后一周连续数据，计算功率谱密度平均值，比较不同安装深度的观测点三分量记录效果差异。做为参考，获取实验场所2 km以外CDSN台站BJT同时段观测记录，其功率谱密度计算结果与实验场所不同浅井深度观测结果曲线对比见图 3。

分析发现，垂直向和水平向记录5—8 s的海浪脉动信号一致性较好，说明地震计具有较好的一致性，该频段信号与测点深度、隔离防护等因素关系不大，与以往观测研究结果一致（McNamara and Buland, 2004）。在其他频率区域，不同深度的浅井测点噪声记录水平存在以下不同特点。

对于垂直向噪声，由图 3(a)可见：①在0.01—0.1 Hz频段，6—10 m深度噪声水平最低，且相互间相差不大，噪声在4 dB以内，且在0.05 Hz以内基本与BJTIC数据重合。2 m、4 m深度浅井记录噪声明显高于6—10 m深度的噪声水平，相差至少10 dB，最大可到20 dB；②0.5 Hz以上的高频段，同样存在随浅井深度增加噪声水平降低的规律，幅度不如低频端明显，从地表到10 m深度，噪声降低不到10 dB；③1 Hz以上高频段，噪声主要受近场噪声源影响，由于2 m、4 m、6 m深度与8 m、10 m、10 m深度分组位置有所区别，高频段噪声衰减需通过主动源激发试验结果进行分析。

对于水平向噪声，由图 3(b)可见，噪声水平随深度衰减规律与垂直向类似，不同的是，在低频端，噪声水平随浅井深度的降低，频率范围更宽，至少在0.1 Hz仍清楚可见该差别，在0.1 Hz处，2 m、4 m浅井噪声水平比更深点位高10—15 dB不等，可能与水平向受到对温度、气压更敏感的倾斜噪声影响有关（McNamara et al，2004）。

已有研究表明，0.5 Hz以下的低频端噪声水平与环境温度变化水平密切相关（Doody et al，2017）。为印证该规律，在不同深度的测点放置高精度温度传感器，得到温度变化曲线，见图 4。由图 4可见：浅井深度2 m，温度日变化清晰可见，变化峰值最大可达4℃以上；浅井深度4 m（含）以上，温度日变化规律不明显；2个月以上长期温度变化表明，深度2 m，温度存在季节性趋势变化，深度4 m，该趋势较小，但仍可见，深度4 m以上，温度季节性变化趋势逐渐不明显，2个月温度变化量一般在2℃以内。对比背景噪声水平的衰减规律，可以认为，浅井深度在6—10 m，低频噪声明显较低，可能与温度变化范围较小有关，与前人认识基本一致。

对于水平向噪声，由图 3(b)可见，噪声水平随深度衰减规律与垂直向类似，不同的是，在低频端，噪声水平随浅井深度的降低，频率范围更宽，至少在0.1 Hz仍清楚可见该差别，在0.1 Hz处，2 m、4 m浅井噪声水平比更深点位高10—15 dB不等，可能与水平向受到对温度、气压更敏感的倾斜噪声影响有关（McNamara et al，2004）。

3.2 落锤实验信号比较分析

如前所述，频率在10 Hz以上，背景噪声信号衰减规律不明显，一个可能原因是，该频段噪声信号能量较低。为核实地震计浅井安装深度变化与高频噪声衰减的关系，采用主频为6—35 Hz的落锤进行主动激发实验，并对记录波形进行分析比对。不同深度各观测点地震计PSD曲线结果见图 5。

由图 5可知，频率大于6 Hz，垂直向测点信号水平出现明显分离，浅井深度4 m以上，观测点噪声水平比4 m以下深度高约10 dB；水平向噪声衰减不明显，但频率大于10 Hz，深度10 m观测点噪声水平明显较低，可能是因为落锤震源与10 m观测点距离较近，产生的源信号能量主要在垂直方向上。

3.3 地震事件数据比较

地震观测的一个主要目的是记录发生的天然地震事件，因此，将比测期间发生的一个6.7级地震波形资料做比对，文中仅给出垂直向记录，见图 6。由图 6可见，对于有较强低频能量的远震信号而言，各观测点记录的地震波形基本一致，说明浅井深度加大，对远震信号记录无明显衰减影响。

3.4 讨论

在不同深度的对比观测实验中发现，当前地质环境下，在0—6 m范围内，随着浅井观测深度的增加，可以有效降低高频和低频噪声；在6—10 m观测范围内，深度增加对背景噪声的降低并不明显。在低频段，4 m深度比2 m深度背景噪声高，原因可能如下：①不同于其他深度观测，2 m浅井式观测，地震计采用传统花岗岩摆墩式安装，深度2 m以上，由于施工空间及难度，地震计直接安装在水泥基础上，因花岗岩线性温度系数远低于混凝土，温度变化率相同，花岗岩基础自身形变小，对地震计低频噪声影响也较小；②2 m观测采用聚苯乙烯海绵板及铝箔纸材料等做多层隔温防护，外部温度变化较大，而地震计工作温度变化远小于外部温度变化，深度2 m以上，未设计合理的隔离防护方式。

上文中提及的局部偏离（在低频段，4 m深度比2 m深度背景噪声高）原因今后需着重研究。在野外施工过程中，观测井孔越深成本越高，综合文中给出的背景噪声衰减随浅井深度变化的规律，在华北地区宽频带地震观测中，认为采用6 m浅井观测，性价比较高。

4 结论

本研究提出一种可行的浅井观测方式，在高背景噪声环境下，使用中国地震科学台阵现有传统摆墩式地震计，充分利用现有设备达到最好的观测效果，获得高质量观测信号。

由背景噪声和落锤主动源信号记录分析可知，高、低频噪声均可随浅井深度的增加得到降低，且在低频段，水平向噪声降低范围更大。低频段背景噪声改善可能与环境温度关系密切，需要进一步研究保持测点温度稳定的地震计安装模式。

在华北当前地质环境下，6 m深度浅井兼顾成本和降噪，价比高、占地小、施工简便，可用于后续多个项目的宽频带流动地震台阵观测，有较为广阔的应用前景。

文中给出的地震计浅井式安装方案以及噪声衰减规律，仅限于华北地区典型厚沉积层区域，对于不同地震计、不同隔离防护方式以及不同地质环境，观测噪声随深度的衰减规律仍需深入研究。