0 引言

地震台阵作为现有地震台网的加强补充，可以降低全球地震与核爆的检测下限（郝春月，2016），提高我国对周边地区地震的监测能力。

威海地震台阵是“一带一路”地震监测台网项目的一部分，根据设计方案，台阵应当位于胶东半岛地区，因此山东省地震局对威海文登、荣成等地进行现场调研与考察，尽量避免环境等因素的干扰，初步决定将场址选在威海荣成市夏庄镇驻地北侧伟德山附近，距荣成市主城区约12 km，距文登高铁站约15 km。该地为低山丘陵地带，地表基岩为花岗岩。在实地踏勘过程中，详细调查了台基地质环境、气象、交通、供电、通信、土地权属、经济社会发展规划等地理、人文条件，调研了台站施工条件和建设成本。2021年4月中旬在初勘场址架设9套观测设备以及1套备用设备，进行为期1个月的数据观测，对记录数据进行噪声功率谱估计，并对观测期间记录的近震和远震波形信号进行子台之间的相关性分析，进而计算台阵对近震和远震的最佳监测距离（常金龙等，2020），从而为后期地震台阵建设提供依据。

1 台阵布设

威海地震台阵各测点以同心圆形式布设，内环含3个测点，外环含5个测点（图 1），且外环半径应不大于5 km，中心点1个测点（秦满忠等，2012）。台阵布设过程中应注意，内环测点间的理想角距离是120°，外环测点间的理想角距离是72°，且设置内环和外环测点间的相互位置时，应尽量增加台阵的方位分辨率。各测点均配备宽频带地震计CMG-3ESP及数据采集器REFTEK130进行观测，采用太阳能供电、联通4G实时通讯、网络交换机远程数据传输。其中地震计自噪声在1—20 Hz频带内低于1×10^-8 m/s，标称电压灵敏度为2 000 V·m^-1·s。观测系统具体参数见表 1。

在威海地震台阵勘选过程中，投入仪器10台（套）（含1号站点的1台备用仪器，即图 1中的点位1-1），进行了连续30天的地脉动观测。

2 背景噪声水平分析

台阵台址勘选完成后，进行台基噪声功率谱密度估计，以判断测点台址是否满足地震台阵建设要求。噪声可以看作近似平稳随机信号，理论上无法计算振幅谱和相位谱，需要利用具有统计特征的功率谱密度来进行定量分析（胡宝慧等，2020；王良等，2021）。截取有限长度数据，采用Welch平均周期法，计算威海地震台阵测点噪声功率谱密度（PSD）。计算原理如下：将长度为N的数据分成L段（允许有重叠），每一段长度为M，求各段功率谱的平均值，即可对台站进行台基噪声水平评估。根据经验，使用汉宁窗来代替矩形窗可以改善由于矩形窗边瓣较大产生的谱失真。对于单样本噪声信号，每一段功率谱可以表示为

$P_{\mathrm{PER}}^i(\omega)=\frac{1}{M U}\left|\sum\limits_{n=0}^{M-1} x_N^i(n) d(n) \mathrm{e}^{-\mathrm{j} \omega n}\right|^2$

(1)

式中，U为归一化因子，$U=\frac{1}{M} \sum\limits_{n=0}^{M-1} d^2(n)$；d(n)为汉宁窗。计算L段平均功率谱，公式如下

$P_{\mathrm{PER}}(\omega)=\frac{1}{M U L} \sum\limits_{i=1}^L\left|\sum\limits_{n=0}^{M-1} x_N^i(n) d(n) \mathrm{e}^{-\mathrm{j} \omega n}\right|^2$

(2)

采用MATLAB编程，计算威海地震台阵10个子台的背景噪声均方根值（RMS）。文中以中心站测点（图 1中1号点位）为例，绘制2021年4月21日至5月20日的台基噪声平均RMS值图，结果见图 2，可见中心站日间（北京时间08:00—19:00）RMS值高于夜间（北京时间19:00—次日08:00），符合人类活动特点，且3.16×10^-8 m/s≤Enl＜1.00×10^-7 m/s，达到Ⅱ类台基背景噪声标准。9个测点的RMS值统计结果见表 2，可知各测点台址背景噪声满足《地震台站观测环境技术要求》。

据国际监测系统IMS（International Monitoring System）的地震台阵建设评估标准，5 Hz频点对应的加速度功率谱密度（PSD）值应小于-135 dB。计算威海地震台阵连续多日PSD值，选取2021年5月11日（国际时2021年第131日）和5月12日（国际时2021年第132日）中心站1号测点（中点位1）的PSD值进行展示，给出其中8个小时的图件，见图 3。

为保证噪声功率谱密度（PSD）长时段内符合IMS规范，叠加多日多个时间段的PSD值，并以日间和夜间数据进行划分，以检验台阵的噪声水平是否达标。计算结果显示，在频点5 Hz处，日间和夜间的PSD值均小于-135 dB，表明威海地震台阵噪声水平达标，场地满足建设要求。文中以中心站数据为例，给出日间、夜间功率谱密度图，见图 4，可见中心站1号测点（图 1中点位1）夜间PSD值较低，与当地人类活动夜间较弱有关。

3 台阵相关性分析 3.1 分析方法

相关性分析是通过分析任意2个测点的相关关系，判断台阵接收观测波形信噪比最高时2测点之间的最佳距离。具体操作步骤如下：将原始波形（一般采用P波初至时刻波形）进行去均值、去趋势处理（Wang et al，2021, 2022），采用Butterworth滤波器进行带通滤波，计算2测点间的相关系数，从而分析其相关性（常金龙等，2020）。

假设采样周期ΔT已知，p = 0，1，2…，M，其中M是最大延迟，2个随机信号x(n)、y(n)的相关函数可定义为

$R_{x y}(p \Delta T)=R_{x y}\left(\tau_p\right)=\frac{1}{\sigma_x \sigma_y N} \sum_{n-1}^N x_n y_n$

(3)

式中，x(n)、y(n)为离散化零均值数据样品，σ_x、σ_y为标准偏差，N为离散数据点数。由于是数字化零均值样品，则2信号相同时刻（无延迟）相关函数的直观计算公式（郝春月等，2006）为

$R_{x y}\left(\tau_p\right)=\frac{\sum_{i=1}^N[x(i)-\bar{x}][y(i)-\bar{y}]}{\left\{\sum_{i=1}^N[x(i)-\bar{x}]^2\right\}^{1 / 2}\left\{\sum_{i=1}^N[y(i)-\bar{y}]^2\right\}^{1 / 2}}$

(4)

3.2 震例分析

在威海地震台阵测试期间，记录到2021年4月24日乳山M_L 2.4地震、2021年5月1日日本M_W 6.6地震和2021年5月10日黄海M_L 2.4地震，且波形清晰（图 5）。为评估地震台阵的监测能力，以3次地震为例，截取初至P波到时前一段时间的波形记录，基于不同滤波频段，综合计算该台阵各测点的相关系数，判断台阵内环、外环半径设计的可行性。

（1）2021年4月24日乳山M_L 2.4地震（震中距约50 km）。截取初至P波到时前1 s数据波形，基于0.14—0.94 Hz、0.8—2.5 Hz、1—4 Hz、2.5—5 Hz滤波频段，综合计算威海地震台阵各测点的相关系数，结果见图 6。

由图 6可见，在0.8—2.5 Hz频段内相关性较差，符合近震能量聚集特点（该频段远震能量较大而非近震）。因此，参考其他滤波频段的相关性计算结果，认为测点间距为500 m—1 km时，各测点对此次地震记录的相关性较好（信噪比高）。以上几个频段为地震波能量聚集频段，结合该台阵架设时的具体方位，认为台阵内环半径在500 m—1 km是可行的。

（2）2021年5月1日日本M_W 6.6地震（震中距约1 700 km）。截取初至P波到时前6 s波形，基于0.14—0.94 Hz频段、0.5—1.5 Hz频段、0.8—2.5 Hz频段、1—4 Hz频段，计算威海地震台阵各测点的相关系数，结果见图 7，可见：地震波形在各个测点的相关系数几乎呈线性分布，其中，0.14—0.94 Hz频段，相关性最佳，考虑到该频段受海浪影响较大，不作为外环半径的考虑依据。结合台阵架设时的具体方位，分析认为，外环半径在1.8—2.5 km时，台阵各测点所记录的远震信号相关性最佳。因此，以1.8—2.5 km为台阵外环半径是可行的（郝春月等，2006）。

（3）2021年5月10日黄海M_L 2.4地震（震中距约100 km，近震）。截取初至P波到时前1.2 s的波形记录，基于0.14—0.94 Hz、0.8—2.5 Hz、1—4 Hz、2.5—5 Hz频段，综合计算该台阵各测点相关系数，结果见图 8。由图 8可见，0.14—0.94 Hz、1—4 Hz、2.5—5 Hz频段内，各测点记录的近震信号相关性较好。因此，该台阵内环半径在500 m—1 km左右是可行的。

4 结论

威海地震台阵勘选点位地质环境优异，气象条件良好，交通便利，且拟建站点均有完整的大块基岩出露，场址建设条件良好。通过计算各勘选测点观测期间的背景噪声PSD曲线，可知在频率为5 Hz时，满足PSD＜-135 dB的要求，且各测点RMS值均达标，符合建台要求。

勘选站点在测试期间记录到台阵周边100 km范围内2次近震、1 700 km范围内1次4级以上远震，波形记录清晰，各测点间相关性较好，表明拟建台阵可对1 700 km范围内4级以上地震进行有效记录，且数据质量可靠。因此，拟建台阵能够满足设计要求，地震监测能力整体良好。