0 引言

20世纪50年代末，地震台阵观测技术出现，主要用于检测、区分核爆炸信号和地震信号。该技术最初由日内瓦裁军谈判特设科学专家组在1958年提出，目的是探测远方地下核试验的地震信号，给禁止核试验提供核查手段。此后，美、英等国家就地震台阵建设开展试验与研究，先后建立十多个地震台阵，包括加拿大的黄刀台阵、美国的LASA台阵和挪威的NORSAR台阵(郝春月等，2007a;郝春月，2016)。1996年9月10日联合国大会通过全面禁止核试验条约(CTBT)，要求建立全球范围的地震监测台网，包含基本台网和辅助台网(郝春月等，2007b;郑重等，2014)2部分，其中基本台网由50个基本台站组成，辅助台网由120个辅助台站组成。基本台网将形成地震监测系统的主干，近60%的基本台站将最终成为地震台阵，其中包括我国的海拉尔地震台阵(HILR)和兰州地震台阵(LZDM)(郝春月等，2008;王娟等，2010)。海拉尔核查台阵由一个数据中心和9个子台组成，台阵的建成有力提升了我国核爆破侦查能力和周围微震的探测能力。

台阵环境地噪声的好坏与地震记录波形质量密切相关(徐嘉隽，2013)，由于海拉尔地震台阵(下文简称海拉尔台阵)地理位置特殊，对周围环境噪声水平的相关研究甚少。通过合适手段摸排噪声源类型，确定噪声源距离，对于台阵仪器地进一步合理优化配置起到至关重要的作用。为了能够全面且合理地调查清海拉尔台阵周围噪声源，笔者通过资料查阅、实地勘查以及噪声功率谱计算等手段，对该台阵环境噪声水平进行全面分析。

1 海拉尔台阵地质背景

海拉尔台阵地处海拉尔构造盆地东段，位置如图 1所示。海拉尔盆地为海西褶皱基底上发育起来的中新生代断—坳陷盆地，主要由一系列NE向犁式正断层控制的箕状断陷群构成(图 1)(吴根耀等，2006;张帆，2007;陈雯雯，2009)。盆地西部沿中苏边境分布NE—SW走向的德尔布干深大断裂，东部沿嫩江走向分布嫩江深大断裂，2大断裂控制着海拉尔盆地的地震活动强弱，周围地区地震活动集中于此。

海拉尔盆地在地震区域划分上从属东北震区，由于该震区沉积盖层较厚，基底埋藏较深，断块运动相对较弱，燕山运动之后，地壳运动趋于稳定，新构造运动不强，新断裂活动不明显(郑常青等，2009)。

2 噪声源类型调查

为评价海拉尔台阵噪声水平，调查台阵半径50 km范围内的噪声源类型。调查发现，海拉尔盆地噪声源有6种，结果见表 1。

(1) 小湖。经查在台阵附近有呼和诺尔湖。呼和诺尔湖位于内蒙古自治区呼伦贝尔市陈巴尔虎旗西14 km处，属黑龙江额尔古纳河水系，位于莫日格勒河下游，是莫日格勒河的吞吐湖，汇入海拉尔河。呼和诺尔湖呈不规则形状，形似脚掌，南北长7.6 km，东西最大宽3.8 km，周长19 km，面积21 km²，湖面海拔高程587 m。

(2) 重型机械和往复运动机械。经查，在台阵附近有1个发电公司、2个生产作业的煤矿，分别为：内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司、神宝集团露天煤矿、东明煤矿。

内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司距离市区海拉尔约16 km。神宝公司露天煤矿矿田位于呼伦贝尔市陈旗煤田宝日希勒矿区西南部，距离海拉尔区中心约20 km，煤矿界临301国道和海拉黑省级公路，距海拉尔机场26 km，并有公司铁路专用线相连。东明煤矿距离市区海拉尔约25 km。

(3) 低瀑布、快流大河、流过大坝的间歇水流。经查，在台阵附近有莫日格勒河流过。莫日格勒河位于内蒙古自治区呼伦贝尔市陈巴尔虎旗境内，发源于大兴安岭中段哈达岭西侧，长319 km，流域面积4 987 km²，河水由NE向SW蜿蜒蛇行，流经呼伦贝尔大草原，在巴彦库仁镇西约10 km处汇入呼和诺尔湖，由湖南部流出，于滨洲线乌固诺尔车站附近汇入海拉尔河，属中俄界河额尔古纳河水系。

(4) 铁路的频繁运输。经查，台阵附近有一条神宝集团露天煤矿自用的公司生产专用铁路线，运输频繁。

(5) 繁忙的高速公路、大农场。经查，台阵附近有呼伦贝尔市省道S201线穿过。该公路是内蒙古自治区“三横九纵”和呼伦贝尔市“四横三纵十四出口”公路网规划中的重要组成部分，是连接室韦、拉布大林等地重要景区的一条黄金旅游线路，平时交通繁忙。

(6) 乡村道路、高建筑。经查台阵附近有一乡村公路，是到达台阵的必经之路，与台阵距离较近。

3 噪声源距离测算

海拉尔台阵布设了9个子台，与噪声源的位置关系见图 2，图中噪声源如下：①为呼和诺尔湖，②为国华呼伦贝尔发电有限公司，③为神宝集团露天煤矿; ④为东明煤矿，⑤为莫日格勒河，⑥为煤矿生产专用铁路线，⑦为呼伦贝尔省道S201线，⑧为台阵附近乡村道路。

海拉尔台阵各子台间距较远，为了定量识别不同噪声源对台阵运行的影响，使用GPS仪，对子台A₀、A₁、A₂、A₃、B₁、B₂、B₃、B₄、B₅及噪声源进行定位，并测量计算不同噪声源与各子台的距离，结果见图 3和表 2。

由表 2可见，呼和诺尔湖与9个子台平均距离为49.09 km，国华呼伦贝尔发电有限公司与9个子台平均距离为22.12 km，神宝集团露天煤矿与9个子台平均距离为19.47 km，东明煤矿与9个子台平均距离为14.84 km，莫日格勒河与9个子台平均距离为5.14 km，煤矿生产专用铁路线与9个子台平均距离为19.64 km，呼伦贝尔省道201线与9个子台平均距离为3.87 km，台阵附近乡村道路与9个子台平均距离为2.79 km。由此可见，距离台阵最远的噪声源为呼和诺尔湖，距离台阵最近的噪声源为台阵附近乡村道路。

4 噪声功率谱计算 4.1 方法原理

通过分析附近台站相对平静噪声记录的噪声功率谱(PSD)，定量描述海拉尔台阵周围的噪声水平，并与2000年海拉尔台阵地动噪声功率谱(郑重等，2000)进行对比。选取台站垂直分量的连续地震波形记录，对离散地震数据进行快速傅里叶变换，通过Matlab实现PSD的计算(吴建平等，2012；谢江涛等，2018)。周期时间序列y(t)的有限范围傅里叶变换可表示为

$ Y\left(f, T_{r}\right)=\int_{0}^{T_{r}} y(t) \mathrm{e}^{-i 2 \pi f t} \mathrm{~d} t $

(1)

式中，T_r为时间序列长度，f为频率。

对离散频率值f_k，傅里叶变换定义为

$ Y_{k}=\frac{Y\left(f_{k}, T_{r}\right)}{\Delta t} $

(2)

功率谱(PSD)定义为

$ P_{k}=\frac{2 \Delta T}{N}\left|Y_{k}\right|^{2} $

(3)

将速度PSD值转化为加速度PSD值，采用以下公式

$ P_{a . k}=\left(2 \pi f_{k}\right)^{2} P_{k} $

(4)

式中，P_k为速度功率谱密度，P_a.k为加速度功率谱密度。

利用Matlab去除数据记录直流偏移和仪器响应，采用Welch算法计算功率谱，将连续地震波形记录分为长度为1 h的数据段，数据段重合50%，计算每一小段功率谱密度，取平均值。

4.2 对比结果与原因分析

为了尽可能准确反映2000年与2020年海拉尔台阵噪声功率谱的差异，分别计算2000年海拉尔台阵C₁点全天地动噪声功率谱的均值和2020年附近台站多段连续地震波形记录的噪声功率谱均值，对比结果见图 4。

总体上，2000年台阵噪声水平略优于2020年，其中2000年噪声功率谱密度范围在-120— -144 dB，平均-133 dB，而2020年噪声功率谱密度在-108— -144 dB范围内变化，平均-126 dB。郑重等(2000)的研究结果显示，海拉尔台阵大部分观测点的地噪声功率谱在高于1 Hz的频域内均低于宽频带台站的平均值。经20年发展，海拉尔台站的噪声水平比20年前略差，但仍远低于NHNM(全球新高噪声模型)，说明该台阵噪声水平相对较好。

由图 4可见，在1 Hz以上频段(10 Hz以下)，现今噪声功率谱密度高于2000年，与实际调查结果一致。在高频段影响噪声高低的主要是人为噪声(葛洪魁等，2013)，而海拉尔台阵的台址自然条件相对稳定，人为干扰程度低，通过噪声源调查结果与2000年台阵地噪声水平对比可知，影响台阵噪声水平的主要因素是台阵周围的重型往复机械等工业设施和铁路、公路等公共交通设施。其中影响较大的神宝集团露天煤矿于2001年竣工、国华呼伦贝尔发电有限公司于2010年正式投产发电，随着露天煤矿的开采以及发电公司的作业，对周围环境造成不可逆转的影响，由对比结果明显可见，2020年台阵地噪声水平在1—10 Hz范围内明显高于2000年。

通过2020和2000年的噪声功率谱峰值和均值的对比，认为目前的噪声源对台阵的监测能力影响不大。但是随着经济的不断发展，煤炭的吞吐量和发电量将不断加大，对台阵的影响也将逐渐增强，有必要采取适当措施保证观测环境的稳定。为此，需要在台阵周围建立明显标志与防护，并与周边机械工业合理沟通，如：合理分布大型往复机械的工作场所、严格按规章操作、确保爆破距离等。

5 噪声水平评价

根据以上调查研究和测量结果，对海拉尔台阵噪声水平进行评价。地震台站观测环境技术要求第1部分GB/T19531.1—2004(测震)(表 3)规定了测震对于不同噪声源的最小距离，以此作为评价海拉尔台阵噪声水平的参考依据。

根据以上标准，结合本次调研结果，筛选目标台阵周围噪声源，并计算Ⅰ级台站与干扰源之间的最小距离。N级台站与干扰源之间的最小距离=Ⅱ级台站与干扰源之间最小距离×N级台站最小距离比例系数。通过比较得出不同噪声源与子台之间的最小实际距离，将实际距离与参照标准进行对照，从而评估海拉尔台阵的噪声水平，评价结果见表 4，可见海拉尔台阵噪声源水平基本达到Ⅰ级台站环境地噪声水平，其中县级以上公路干扰源除B₄、B₅子台处于Ⅱ级台站环境地噪声水平外，其余子台可达到Ⅰ级台站环境地噪声水平。

6 结论

综上所述，认为海拉尔台阵所处地质构造相对稳定，周围噪声水平处于良好状态，基本不影响台阵仪器的正常运行，对于台阵微震识别能力无干扰，具体结论如下：①海拉尔台阵所属构造位置为海拉尔盆地东缘，从属东北震区，自燕山运动之后，新断裂活动不明显；②根据国际标注的各大噪声源进行排查，海拉尔台阵周围有6类噪声源，其中距台阵最远的噪声源为呼和诺尔湖，最近的噪声源为附近乡村道路；③将海拉尔台阵现今噪声功率谱与2000年进行对比，发现工业设施和公共交通引起高频段噪声水平发生变化，计算认为对台阵监测能力影响不大；④通过地震计安放位置与干扰源最小距离评价海拉尔台阵噪声水平，发现9个子台中除B₄、B₅子台处于Ⅱ级台站环境地噪声水平外，其余子台均达到Ⅰ级台站环境地噪声水平。