地球表面由于各种原因总是存在微小震动，它们会对地震观测造成干扰并影响地震观测效果，通常称这些干扰为地震噪声或背景噪声（刘瑞丰等，2015；侯颉等，2019；王芳等，2019）。随着地震观测技术和计算机技术的发展，台基噪声水平分析已经成为评估地震台站运行质量的重要技术指标。对一个地区背景噪声水平的正确评估和全面了解，成为进一步改善地震观测质量的重要环节。

随着社会的发展，地震观测所受干扰日益严重。为了尽可能消除地表噪声干扰的影响，提高观测数据信噪比，20世纪70年代起，美国、日本和德国等国先后开展井下地震观测，井深数百米逐步发展到1 km以上，最深达4 km，成为深井长期观测站（徐纪人等，2009；刘巧霞，2018）。中国井下地震观测技术分析始于20世纪70年代，初期进行短周期地震计仪器研制和试验观测，观测井深200—480 m（李少睿等，2016；王凯明，2019），据裴晓等（2013）和王芳等（2019）的研究，在沉积层较厚的平原地区，短周期地震计深井观测可以有效降低背景噪声，提高观测系统数据信噪比，获得更多微弱的地球物理信息。

宁夏现有陶乐、灵武2个井下地震观测站，通过对2个观测站地表及井下背景噪声进行对比分析，研究背景噪声与深度、仪器类型、地理位置等影响因素的关系，检验井下地震计观测效果。

陶乐井下地震观测站（下文简称陶乐站）地处宁夏回族自治区平罗县陶乐镇，距G244国道约300 m，其构造位置位于黄河断裂带北段。黄河断裂带北起石嘴山市惠农区南东部，沿SW向过红崖子、陶乐、月牙湖、临河堡而折向南，经灵武东山西麓止于大泉附近。断裂以东为台地、低山地貌，以西为银川平原。该地区地质地貌主要是洪冲积平原，由第四系冲、洪积物构成，沉积物由沙土、粉砂、黏质粉砂土构成。

灵武井下地震观测站（下文简称灵武站）地处宁夏回族自治区灵武市，地处银川断陷盆地南段吴忠—灵武凹陷区，鄂尔多斯地台西缘黄河断裂带南段。其中，鄂尔多斯台地活动相对稳定，银川断陷盆地相对活动则较强烈。基底物探表明，灵武站周边分布有NS、EW、NE、NW向断层，这些断层相互截接，基底形成地垒、地堑状。

陶乐站、灵武站观测井均位于观测室外，成井深度均300 m，井孔套管外径Φ146 mm、内径Φ136 mm，井口套管高出地面约0.3 m。井下观测系统均由GL-S2B井下短周期地震计和3通道EDAS-24GN数采组成，安装底座为卡壁式底座。其中，陶乐站地震计置于井下243 m处，灵武站地震计置于井下242 m处，安装位置斜度均小于2°。

台站背景噪声水平与地震仪器自噪声、环境噪声等有着密切关系。随着城市化进程和社会的发展，陶乐站、灵武站均受到周围环境的严重影响。为研究背景噪声与深度、仪器类型、地理位置等影响因素的关系，检验井下地震计的观测效果，2020年6月25日至7月9日，在陶乐站观测室内80 cm×80 cm仪器墩上架设BBVS-60宽频带地震计和GL-PS2短周期地震计，与该站井下GL-S2B地震计并行观测15天；2020年7月10日至8月10日，在灵武站观测室内80 cm×80 cm仪器墩上架设BBVS-60宽频带地震计和GL-PS2短周期地震计，与该站井下GL-S2B短周期地震计并行观测30天。地震计技术参数见表 1。

表 1(Table 1

表 1 地震计技术参数Table 1 Technical parameters of the seismometers 地震计型号 工作周期/s 阻尼 输出电压灵敏度/（V·s/m） 标定灵敏度/（m·s-2/A） UD EW NS UD EW NS UD EW NS UD EW NS BBVS-60 60.6 60.7 60.5 0.706 0.705 0.712 1 991.35 1 993.55 1 986.75 10.505 5 9.923 6 10.157 0 GL-PS2 2.01 2.04 2.02 0.705 0.705 0.706 1 000 1 000 1 002 9.89 11.00 10.65 陶乐站GL-S2B 1.974 4 2.004 2 2.039 1 0.695 0.711 0.710 2 012.26 1 972.49 1 958.64 8.77 10.34 9.94 灵武站GL-S2B 1.988 4 1.968 5 2.004 8 0.702 0.709 0.707 2 032.03 1 965.20 2 045.57 9.03 9.96 10.51

表 1 地震计技术参数 Table 1 Technical parameters of the seismometers

台站背景噪声高低可以通过地震计记录的原始地动波形直观观察，也可以通过定量计算得到具体噪声水平。

陶乐站、灵武站BBVS-60、GL-PS2、GL-S2B三种地震计并行观测，分别截取2020年7月2日1—2时和2020年8月5日1—2时原始地动波形记录，见图 1、图 2。由图示曲线直观可见，与井下地震计相比，地表地震计原始地动波形记录中干扰信号明显较多；井下地震计原始波形曲线突跳较少，震动信号幅值比地表地震计约小10倍；地表宽频带、短周期地震计记录波形形态具有较高相似性，说明对于地表干扰信号，2种类型地震计记录具有相同效果。

图 1(Fig.1)

图 1 陶乐站原始地动波形 Fig.1 Original ground motion waveform of Taole station

图 2(Fig.2)

图 2 灵武站原始地动波形 Fig.2 Original ground motion waveform of Lingwu station

对比陶乐和灵武观测站1—2时原始地动波形记录发现，陶乐站地表存在间接性突跳干扰，而灵武站地表存在持续较大干扰。对于井下地震计而言，陶乐站受到的突跳干扰较大，灵武站受到连续性干扰较大。

选取BBVS-60、GL-PS2、GL-S2B三种地震计原始地动信号，截取陶乐站2020年7月2日1—2时记录、灵武站2020年8月5日1—2时记录，分别进行频谱分析，结果见图 3、图 4，对比可知，①地表观测：陶乐站BBVS-60、GL-PS2地震计背景噪声记录主要分布在2—12 Hz频段，在4—5 Hz频段达峰值；灵武站BBVS-60、GL-PS2地震计背景噪声记录主要分布在0—5 Hz频段，在1—2 Hz频段达峰值；②井下观测：陶乐站井下地震计背景噪声记录在0—0.5 Hz频段达第1个峰值，在2—5 Hz频段达第2个峰值；灵武站井下地震计背景噪声记录主要分布在0—4 Hz频段，在0.5—2 Hz频段达第1个峰值，在7—9 Hz频段达第2个峰值。

图 3(Fig.3)

图 3 陶乐站原始地动波形频谱 Fig.3 The spectrum of the original ground motion waveform at Taole station

图 4(Fig.4)

图 4 灵武站原始地动波形频谱 Fig.4 The spectrum of the original ground motion waveform at Lingwu station

陶乐站背景噪声干扰主要分布在2—12 Hz频段，在25 Hz和40 Hz频点附近也存在一定干扰。灵武站背景噪声干扰主要分布在0—5 Hz频段，高频干扰随频率增加而减小，在40 Hz频点附近有较大幅度的干扰出现。陶乐、灵武站主要干扰来源于低频部分，高频部分存在干扰较小。

作为定量衡量地震台站背景噪声的重要参数，背景噪声功率谱密度函数（Power Spectrum Density，PSD）被广泛应用在背景噪声水平评价中。选定无地震事件记录时间段，计算陶乐、灵武站背景噪声功率谱密度，对2个观测站背景噪声进行定量分析。其中，陶乐站以7月1日至3日72 h连续数据为样本，灵武站以8月4日至6日72 h连续数据为样本，计算BBVS-60、GL-PS2、GL-S2B地震计记录的台站背景噪声功率谱密度，得到3种地震计PSD曲线，结果见图 5、图 6。

图 5(Fig.5)

图 5 陶乐站3种地震计功率谱密度曲线 Fig.5 Power spectral density curves of three seismometers at Taole station

图 6(Fig.6)

图 6 灵武站3种地震计功率谱密度曲线 Fig.6 Power spectral density curves of three seismometers at Lingwu station

由图 5、图 6可见：①3种地震计共性特征：在1—4 Hz频段，PSD值均呈上升趋势，且地表地震计数值上升幅度较快，井下地震计则较为平缓；②BBVS-60宽频带地震计：在5—9 Hz频段，PSD值出现峰值，在3 Hz以上频段，数值较高；③GL-PS2短周期地震计：在4—9 Hz频段，PSD值出现峰值，与NS分向相比，EW分向数值较高，在2—20 Hz频段，EW分向PSD值高于NLNM值；④井下GL-S2B地震计：在1—50 Hz频段，三分向PSD值介于NLNM和NHNM之间，UD分向在2—3 Hz出现峰值，且略高于NHNM。

分析认为，井下地震计降噪明显，在4—50 Hz频段，地表地震计背景噪声明显较高，其中：在4—10 Hz频段，井下地震计噪声比地表地震计小30 dB左右，而在10—50 Hz频段，井下地震计噪声比地表地震计小20 dB左右。对比发现，陶乐、灵武站PSD曲线变化趋势相似，在0.1—1 Hz频段和2—20 Hz频段，灵武站PSD值较高。

为进一步分析台站背景噪声变化特性，计算陶乐（台站代码TL）、灵武站（台站代码LW）BBVS-60、GL-PS2、GL-S2B地震计三分向1—20 Hz各倍频程带宽平均噪声RMS值，结果见表 2，可见：在1—20 Hz频段，与地表地震计（BBVS-60、GL-PS2）相比，井下地震计（GL-S2B）背景噪声RMS值明显偏低，一般背景噪声小10倍左右。结合陶乐、灵武站PSD曲线（图 5，图 6）可知，井下地震计在2—8 Hz频段降噪明显（PSD值最高达10 dB），说明井下观测可有效降低高频干扰，即减少人为活动影响，提高台站地震观测能力；对比发现，灵武站井下地震计背景噪声RMS值比陶乐站大，2个观测站的地表地震计背景噪声RMS值相差不大。截取陶乐站7月1日—3日、灵武站8月4日—6日的数据，绘制RMS值曲线，结果见图 7。

表 2(Table 2

表 2 陶乐、灵武台3种地震计噪声RMS值（72小时均值）Table 2 Noise RMS values of three seismometers at Taole and Lingwu stations (72 h mean value) 地震计型号 UD分向RMS值/（10-6m/s） EW分向RMS值/（10-6m/s） NS分向RMS值/（10-6m/s） 陶乐台 灵武台 陶乐台 灵武台 陶乐台 灵武台 BBVS-60 2.26 3.03 4.06 2.64 3.18 1.83 GL-PS2 2.18 2.96 3.91 2.58 0.423 0.754 GL-S2B 0.227 0.42 0.151 3.57 0.135 0.621

表 2 陶乐、灵武台3种地震计噪声RMS值（72小时均值） Table 2 Noise RMS values of three seismometers at Taole and Lingwu stations (72 h mean value)

图 7(Fig.7)

图 7 3种地震计三分向平均噪声RMS值曲线 Fig.7 RMS value curves of average noise in three directions of three seismometers

陶乐站和灵武站地表地震计平均噪声RMS值变化趋势相似（图 7），以BBVS-60地震计为例进行分析，其中：①由2个观测站RMS值对比结果可知，陶乐站EW、NS分向RMS值较大，而灵武站UD分向RMS值较大；②由单台三分向RMS值对比结果可知，陶乐站：EW分向＞NS分向＞UD分向，而灵武站：UD分向＞EW分向＞NS分向。对于井下GL-S2B地震计：①由2个观测站RMS值对比结果可知，陶乐站三分向RMS值较大；②由单台三分向RMS值对比结果可知，陶乐站：UD分向＞EW分向＞NS分向，而灵武站：NS分向＞UD分向＞EW分向。

由图 7可见，背景噪声具有明显的日变化规律，23时至次日6时背景噪声值较小，6—23时背景噪声值较大；6时以后噪声值逐渐加大，19时以后噪声值逐渐减小。背景噪声变化与人类活动规律吻合，说明人类活动是地震台站噪声的主要来源之一。

在井下安装地震计可有效减少地面扰动从而降低台站背景噪声；在同等噪声条件下，宽频带地震计与短周期地震计对近震波形的记录能力相似，但对于远震波形，宽频带地震计记录能力更佳，振幅和相位更清晰，更易于辨识（唐浩等，2022）。台站选址建设应尽可能避开闹市区域，以避免人为噪声干扰，对于不能避免人为噪声干扰的地区，可采用井下地震计观测，减小台基噪声干扰。

与灵武站相比，陶乐站井下地震计三分向背景噪声较小，其地表地震计垂直分向背景噪声也较小。灵武站背景噪声较高，与站点位于灵武市中心，人员、车辆活动密集有关。