0 引言

地震的发生和孕育机制复杂，加之大地震“非频发性”的影响和人类对地球内部结构与活动规律认识的不足，使得地震预测更加困难。由于同一地震事件在地球上同一点引起的地面运动是唯一的，使用不同地震观测仪器，如地震仪和重力仪，均可能检测到反映地震破裂及传播这一物理过程的地震波（Peterson，1993；McNamara et al，2004；包文超等，2020；安全等，2021；段昊等，2022）。其中地震仪直接记录地面运动的位移、速度或加速度，重力仪记录地面运动的加速度，2套仪器的幅频特性不同，二者在频域上自然衔接和延拓，记录信号频带相互重叠，可以覆盖从地震波到固体潮的宽广频域。诸多研究表明，地震仪和重力仪可以同时记录到台风等强对流天气等因素引起的高频波动信号，且二者的观测结果能够相互佐证（王梅等，2015；胡玮，2017；毛经伦等，2018；熊峰等，2021；李盛等，2022）。基于地震仪和重力仪记录方式的相似性和优势观测频段不同的特性，可利用2种数据记录对比分析地震观测背景噪声对观测数据质量的影响程度（张小艳等，2019）。

本文利用乌加河地震台（下文简称乌加河台）置于同一观测山洞的JCZ-1超宽频数字地震仪和PET重力仪2022年5月（未实施疫情防控政策）和7月（实施疫情防控政策）记录的地震波信号，运用功率谱概率密度方法，对比分析疫情防控政策背景下台站背景噪声的变化，探究人类活动对观测数据的影响。

1 台站概况

乌加河台位于内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特中旗乌加河镇北，海拔1 052 m，台基岩性为花岗岩体。构造位置地处狼山前EW向大断裂带和河套断陷盆地北缘，阴山纬向构造带中西段与狼山弧型构造带的复合部位，临河坳陷北端与阴山EW向构造带的接壤地段。上述区域内发育多个断裂带，如色尔腾山山前断裂（图 1）(胡玮，2017）。

乌加河台现有测震、重力、形变等观测手段，且各测项置于同一观测山洞内，仪器布设见图 2。观测山洞台基条件较好，洞体进深约130 m，洞室温度日变化不超过0.02 ℃，年变化不超过0.5 ℃，观测环境良好，观测数据质量较高（柴宁娇等，2020）。

台站配备JCZ-1超宽（360 s—50 Hz）带地震计和EDAS-24GN6数据采集器（采样率100 sps，动态范围大于140 dB）进行测震观测；配备PET型重力仪（美国Micro-g LaCoste Inc公司生产，全自动型）进行连续重力观测。PET型重力仪可用于测量重力随时间的变化，也可观测周期从秒到若干年的地球物理、地球动力学效应所导致的微小重力场变化，主要技术指标见表 1。

近年来，随着国家经济建设的高速发展，乌加河台周边人类活动增加，交通条件得到改善，如2020年335国道修建。然而，道路开通对该台观测数据质量造成了一定影响。在此背景下，以乌加河台测震与重力观测数据为例，定量分析该台背景噪声变化，探讨人类活动对观测数据的影响。

2 数据处理

通过查阅2022年乌加河镇疫情防控日志，选取未受疫情封控的2022年5月和受疫情封控的2022年7月乌加河台地震计和重力仪原始波形记录，通过对随机稳态的离散波形数据进行傅里叶变换（基于重力仪记录特性，需去除固体潮对重力数据的影响），运用功率谱概率密度函数方法，计算2套仪器记录在5月和7月的功率谱密度值。

2.1 功率谱密度计算

据维纳—辛钦定理，加速度功率谱密度（Power spectral density以下简称PSD）计算公式如下

$ P_k(f)=\frac{2 \Delta t}{N}\left|Y_k\right|^2 $

(1)

将台站单分向连续记录的地震波形数据分割为1 h长度的时间序列，进行去均值、去长周期成分，将每小时时间序列分为13段，每段长度3 600/13≈276.92 s，设采样率为100 Hz，即每段长度为27 692个采样点，每段之间重叠50%，为了提高傅里叶变换的计算速度，每个数据分段取2的幂次方的点数，即每段长度为2¹⁵ = 32 768个采样点，1 h功率谱密度值由13段功率谱密度值平均所得。

选取2022年5月、7月测震、重力连续波形数据为地脉动速度量，将速度PSD值转换为加速度值，公式如下

$ P_{\alpha . k}(f)=(2 \pi f)^2 p_k(f) $

(2)

式中，P_k为速度功率谱密度，P_α.k为加速度功率谱密度。

在仪器频带范围内，传递函数对噪声功率谱影响不大，若超出频带范围，受仪器自噪声等因素影响，PSD曲线将明显失真，需扣除仪器传递函数影响，以反映真实地噪声物理量值。计算公式如下

$ \operatorname{PSD}_\alpha=\frac{P_{\alpha . k}}{\left|H(s)^2\right|_{s=i \cdot 2 \pi f}} $

(3)

式中，PSD_α为真实地面运动加速度功率谱，H(s)为系统传递函数。

2.2 平滑处理

在频域对数坐标中，采用1/3倍频积分对PSD进行平滑处理

$ \operatorname{PSD}_\alpha\left(f_{\mathrm{c}}\right)=\frac{1}{n} \sum _{f_1}^{f_{\mathrm{h}}} \operatorname{PSD}_\alpha(f) $

(4)

式中，f₁ = 2^-1/6f_c，为频带下限频率；f_h = ^1/6f_c，为频带上限频率；n为介于二者之间频率f的个数。由式（4）得到中心频率f_c的PSD_α(f)平均值PSD_α(f_c)，作为f_c频点处加速度PSD值，将中心频率f_c以1/9倍频程增加步长，即下一个中心频率f_c^k+1与当前中心频率f_c^k的关系为：f_c^k+1 = 2^1/9f_c，按新的中心频率重新计算相应的f_l和f_h，然后将新的f_l和f_h之间的PSD值平均值作为下一个中心频率f_c处的PSD取值。这样，在f_c的取值范围0.02—40 Hz内，每个记录段的PSD值随频率的变化可由在对数坐标系呈等间隔采样的中心频率的PSD值来表示。

2.3 概率密度函数计算

每个中心频率f_c对应的PSD概率密度函数为

$ P_{\mathrm{PSD}}\left(f_{\mathrm{c}}\right)=N_{\mathrm{P} f_{\mathrm{c}}} / N_{f_{\mathrm{c}}} $

(5)

式中，N_fc为f_c频点的记录段总数，N_Pfc为f_c频点的PSD值落在某PSD取值范围内的记录段个数。在本研究中，PSD窗长与步长均取为1 dB，变化范围在-200—-50 dB。以频率为横坐标、以PSD为纵坐标、以P_PSD(f_c)为色块绘制三维平面图，得到功率谱概率密度函数（PDF）分布图，不同色块代表某频点在一定PSD窗内功率谱概率数。

台站环境背景噪声水平速度均方根值（RMS），根据Bormann（2002）提出的公式进行计算，公式如下

$ \mathrm{RMS}=\left\{P_k(f) \times\left(f_{\mathrm{h}}-f_1\right)\right\}^{1 / 2}=\left\{P_k(f) \times f_{\mathrm{c}} \times \mathrm{RBW}\right\}^{1 / 2} $

(6)

式中，RBW = (f_h - f_l)/f_c，为频率相对宽度；P_k(f)见公式（1）。

3 人类活动对测震数据的影响 3.1 RMS值计算

选取乌加河台2022年5月、7月测震记录波形数据，基于公式（6），计算研究时段内背景噪声均方根RMS平均值（单位dB），结果见表 2。

3.2 基于PDF图的噪声特性

查阅相关资料发现，乌加河台周边除人为活动干扰外无其他类型干扰。基于此，通过截取2022年5月（未实施疫情防控政策）、7月（实施疫情防控政策）乌加河台原始地震波形数据，计算并绘制该台背景噪声PSD值三分向月分布图，对比分析疫情防控政策背景下，在频段1—20 Hz范围内该台背景噪声的变化，结果见图 3。其中(a)、(c)、(e)图分别为2022年5月乌加河台地震计东西向、南北向和垂直向PSD值月分布图，(b)、(d)、(f)图分别为2022年5月乌加河台地震计东西向、南北向和垂直向PSD值月分布图。

由图 3可见：①2022年5月：在1—20 Hz频段，乌加河台三分向PSD值变化基本一致且幅度较小，数值分布较均匀，无突跳等异常区间。其中，在1—15 Hz范围内，PSD值具有高低交替变化的特点，此为人类昼夜交替活动所致；在15—20 Hz范围内，PSD值交替变化不大，原因在于人类活动噪声集中在低频段，该频段影响可忽略。②2022年7月：7月6日至20日噪声明显较低，且交替变化特征不明显。这是因为疫情防控期间，民众居家隔离，人类昼夜交替活动影响区别不大。

3.3 RMS值分布特征

选取2022年5月、7月乌加河台原始地震波形数据，绘制东西、南北、垂直三分向噪声RMS值分布图，分析该台背景噪声水平变化，结果见图 4。由图 4可见：①2022年5月：乌加河台三分向背景噪声RMS值平稳、连续，无突跳、异常下降等变化；②2022年7月：7月6日起，乌加河台三分向背景噪声RMS值明显减小，7月20日后逐步呈上升趋势，与该台PSD值在该时段的变化一致，表明疫情防控期间，乌加河台背景噪声有所减小，充分证明该台一部分背景噪声由人为因素所致。可见，人类活动对乌加河台观测山洞测震仪器记录有一定影响。

4 人类活动对重力数据的影响

基于重力观测仪器特性可知，重力仪仅记录地面运动加速度数据，人类活动对观测数据的影响程度较小，可运用同时段重力数据，验证测震数据的准确性和可靠性。选取乌加河台2022年5月和7月的重力数据，运用功率谱概率密度函数（Probability Density Function，PDF）方法，对比分析功率谱密度在研究时段的变化，结果见图 5。

分析发现，在研究时段，乌加河台重力数据仅在0 min^-1—0.05 min^-1区间有微小差异，在0.05 min^-1—0.5 min^-1区间重合。这是因为，PET型重力仪记录数据在低频段主要受固体潮影响。综合分析认为，2022年5月和7月，乌加河台重力数据PSD曲线在0—0.5 min^-1区间基本重合，表明人类活动对重力仪记录波形无影响，表明重力仪基本不受台站背景噪声的影响，从侧面证明了该台测震数据准确、可靠。

5 结论

应用乌加河台2022年5月、7月测震仪器观测数据，对比分析观测数据加速度功率谱概率密度、速度功率谱概率密度及三分向噪声RMS值，并通过小波分析法探究上述时间段内重力仪背景噪声情况，探讨人类活动对该台背景噪声的影响。

（1）乌加河台测震数据三分向RMS值随月变化规律基本一致，无突跳等异常噪声，除人类活动，周边无其他类型干扰。

（2）2022年7月6日至20日，乌加河台地震计背景噪声偏低，主要与疫情防控背景下人类活动减少有关。

（3）乌加河台地震计与重力仪置于同一观测山洞，人类活动对地震计有一定影响，而对重力仪的影响可忽略不计。基于此，在新建或改建重力仪观测站时，可不考虑站点周边人为干扰因素，相关干扰类型有人类的生产生活、工厂运转、公共交通道路等。但在新建或改建测震观测站时，应优先考虑人为干扰因素对地震计的影响。