0 引言

岩土所受的振动荷载不仅来自偶尔的强烈地震，还来自人类日常活动以及海浪、气压、风等的作用，这些作用形成的地面振动即为地脉动。高采样率、高分辨率数字地震台网的建设，以及相关数字信号处理技术在地学领域的应用，为利用地脉动记录研究场地背景等提供了便利（姚家骏等，2011）。

地震信号通常是指，由天然或人工脉冲震源激发并经地下介质传播、到达台站的波形，可以用于震源定位、孕震分析以及传播介质结构研究。地震台站的环境噪声水平决定了记录地震信号的能力，对地震噪声的量化是认识噪声水平的第一步（谢江涛等，2018）。

因此，为了更好地提升地震台站监测水平，提高监测数据质量，需要对台站背景噪声做进一步分析。采用鹤岗地震台记录的地震波形数据，分析背景噪声，计算动态观测范围，以便为研究地震台站背景噪声积累数据。

1 台站概况

鹤岗地震台（下文简称鹤岗台）创建于1972年，为国家Ⅱ类测震台，地处佳依断裂、青黑山断裂和黑龙江断裂的三角形区域内，断裂和次级断裂纵横交错，地质构造背景复杂，近十年来划分为地震活动重点监视区。台基基岩为花岗岩，且整体性好，无破碎，石质坚、致密，基本无风化，节理发育不充分，水文地质条件简单，地下水不充足，洞顶披覆植被与观测洞室垂直距离约10 m，洞室底面高于该区域最高地下水位面。

2 计算原理

台基背景噪声测试不属于地震仪参数测定范畴，但在实际工作中，台基噪声资料是勘选台址、评估台站观测环境、评估台站记录质量的重要依据。台基噪声测试通常用台站记录的噪声数据计算其自功率谱密度，并按特定带宽计算噪声（速度或加速度）有效值RMS（万永革，2012）。噪声功率谱密度计算公式如下

$ {{S_Z}(f) = \int\limits_{ - \infty }^\infty {{R_Z}} (\tau){{\rm{e}}^{ - i2{\rm{ \mathsf{ π} }}ft}}{\rm{d}}\tau } $

(1)

$ {{R_\chi }(\tau) = \int\limits_{ - \infty }^\infty {{S_\chi }} (f){{\rm{e}}^{i2{\rm{ \mathsf{ π} }}ft}}{\rm{d}}f} $

(2)

式中，f为频率，τ为噪声自相关函数，R_χ(τ)是随机信号x(t)的自相关函数。R_χ (τ)的傅里叶变换见公式（1）。S_χ (f)为随机噪声信号x(t)的平均功率相对频率的分布函数，噪声功率谱密度S_χ (f)包含R_χ (τ)的全部信息，由此给出公式（2）。台基噪声RMS值计算公式为

$ {\rm{RMS}} = \sqrt {2P{f_0}{\rm{RBW}}} $

(3)

式中，P为加速度或速度功率谱密度，f₀为分度倍程中心频率，RBW为相对带宽。RBW计算公式为

$ {\rm{RBW}} = ({f_\mu } - {f_i})/{f_0} = ({2^n} - 1)/{2^{n/2}} = ({10^m} - 1)/{10^{m/2}} $

(4)

式中，f_μ为相对带宽的上限频率，f_i为相对带宽的下限频率，n和m分别为二进制、十进制倍频程分度值。值得注意的是，按公式（3）计算所得为分度倍频程带宽RMS值，而非全带宽RMS值。

台站的观测动态范围反映了观测仪器本身的性能和台基环境干扰背景水平，有效动态范围反映了记录地震信号的最大能力（何彦等，2006）。计算公式为

$ D = 20\lg \frac{U}{{K \times S \times {\rm{RMS}} \times \sqrt 2 }} $

(5)

式中，D为观测动态范围值，RMS值为脉动噪声的均方根值，U为输入峰值电压（单位V），K为数据采集器实际工作时的增益，S为地震计工作灵敏度（单位V·s·m^-1），${\sqrt 2 }$为仪器有效因子。

本研究使用童汪练研制开发的基于P Welch方法的软件，计算数字地震计地动噪声功率谱密度。

3 地动噪声分析 3.1 观测动态范围

鹤岗台测震系统由CTS-1E型地震计及EDAS-24GN型数据采集器构成，地震计频带宽度为100 Hz—120 s，观测范围40—140 dB。选取2019年1月1日该台数字地震记录，利用童汪练开发的软件进行计算，确定EW、NS、UD三分量的平均RMS值、动态观测范围及平均地动噪声值，结果见表 1。由表 1可见：①地脉动噪声RMS值：12时比00时大，尤其是水平分量（EW、NS）变化较大；②有效动态范围：白天较夜晚小；③3项数据中地动噪声变化明显，说明白天干扰较大，台站周边的工厂、车辆等对观测产生了较大影响。

选取鹤岗台2015年同时段数字地震记录，计算EW、NS、UD分量的平均RMS值、动态观测范围及平均地动噪声值，结果见表 2。对比2019年和2015年同时段计算结果可知，2019年地动噪声及平均地动噪声变化较大，2015年观测动态范围整体较稳定，而2019年则变化较大。

地震计噪声测试是地震计参数测定的重要环节。通过测试确定所能观测的地动噪声最小值，也就是确定地震计测量范围的下限。台站的观测动态范围，反映了观测仪器本身的性能和台基背景干扰水平，而有效动态范围可反映台站记录地震信号的最大能力。一般，台址的背景干扰水平与时间和周边观测环境有关，白天噪声大，夜间较平静。因此，选取鹤岗台2019年1月1日00时、06时、12时3个时间段的数字记录进行对比分析，每个时段时长3 600 s。为了保证测量的准确性，选取的数据不包含地震记录。绘制3个时间段EW、NS、UD分量的地脉动噪声波形，见图 1。由图 1可见：00时干扰较小，地脉动噪声较小，波形频率低、周期长；06时地脉动噪声较为明显，频率高、周期短；12时干扰明显，波形比较杂乱。

计算鹤岗台3个时段的观测动态范围，结果见图 2。由图 2可见，鹤岗台夜间的观测动态范围稳定，白天的观测动态范围整体变小。由于受到车辆及工厂的影响，在不同观测时段受到的影响不同，观测动态范围不稳定，例如：车辆影响主要集中在8时至10时和14时至18时，工厂运行主要集中在10时至14时及18时至20时。

3.2 功率谱密度分析

通过在3个时段对各个频点进行地动噪声功率谱密度计算，确定每个分向各频点功率谱密度值，结果见图 3。由图 3可见：12时的地动噪声较大，垂直分量所受影响较大，且主要干扰集中在1—5 Hz频段；00时、06时整体一致性较好，地动噪声较小，但在3—5 Hz频段也有干扰，主要受到地脉动影响。白天受到的干扰主要来自周边。周边工厂、道路日益增多，周边河道、水库、植被有所变化，观测山洞环境潮湿等因素，均导致地动噪声增大，观测质量下降。

图 4给出00时、06时12时3个时段三分向台基噪声功率谱密度曲线。可见，功率谱密度曲线介于NLNM和NHNM之间，但整体观测动态范围接近有效范围的下限，尤其是在1—9 s频段，超出下限范围。说明观测环境及山洞环境变化，导致鹤岗台观测能力下降，台基噪声偏高，而UD分量受到严重干扰，观测质量较低。

4 结论

通过对鹤岗台2015年和2019年在1月1日00时、06时、12时3个时段的背景噪声进行计算分析，确定台站的动态观测范围及台基噪声值，进而反映了台站观测中存在的问题：①与白天相比，夜间观测动态范围更为稳定，所受干扰较小，且主要干扰集中在白天1—5 Hz频段内；②背景噪声值介于NLNM和NHNM之间，但整体观测动态范围接近有效范围的下限，尤其是在1—9 s频段，部分超出下限范围，说明所受环境干扰较严重。

通过分析鹤岗台背景噪声及观测动态范围，发现干扰因素主要集中在以下方面：自2015年以来，随着鹤岗市城镇化发展的加快，台站周边观测环境受到人为干扰较为严重，地震记录个数明显减少；受周边采石场、细林河水库、道路及工厂改造等影响，地动噪声增大；洞顶披覆植被受大风和降雨影响，对观测产生一定干扰，而山体水系也对山洞产生一定影响，且均表现为对仪器观测动态范围的影响。

通过对鹤岗地震台背景噪声进行分析，以便于进一步提高地震台站观测质量，为研究区域地震背景噪声积累数据，更好地为防灾减灾服务。