2023, Vol. 44
宽频带地震观测台站仪器勘选是地震观测台站台基质量的定量反映(王宝柱等，2014)，是评价勘选台址是否满足野外勘选技术要求的重要指标。此项工作包括野外仪器测试、台基背景噪声水平计算及分析、台站综合评价。气温、气流的变化对地震计有一定影响，在进行台基背景噪声水平测试时，不能忽视二者对地震计的影响。气流对地震计干扰较大，受气流干扰的数据往往不能真实反映台基质量(王宝柱等，2014)；昼夜温差过大，可导致地震计零点漂移过大，甚至出现靠摆现象，失去对地面运动的记录能力(安祥宇等，2016)。因此，在进行台基背景噪声水平测试时，应做好地震计的保温、防范气流措施工作，减小气温、气流对地震计的干扰影响。在野外仪器勘选过程中，对于气温和气流的影响，王宝柱等(2014)、安祥宇等(2016)对地震计防护措施做了介绍，但缺少具体工作方法。本文以陆良大萨卜龙宽频带地震观测台站野外仪器勘选为例，总结台址测试过程中减小气温、气流对地震计干扰的工作方法，计算并分析台基背景噪声水平，并对该台站勘选质量进行综合评价。
1 勘选台址概况为了提高曲靖地区地震监测能力，拟按规划设计，在陆良县召夸镇建设新的宽频带地震台站。经实地勘选，拟选定大萨卜龙村西空地作为新的台址，在台站建设前，对该台址进行野外仪器勘选。
勘选点位于云南陆良召夸镇大萨卜龙村西北约100 m，海拔2 080 m(图 1)，距召夸镇直线距离约7 km，交通便利。
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图 1 仪器勘选点位分布 Fig.1 Distribution of instrument survey |
点位附近地势平坦，基岩出露完好，为坚硬石灰岩，岩层弱风化、较为完整，4G网络速度流畅，视野开阔、光照充足，满足观测系统太阳能供电、信号无线传输的野外勘选技术要求。当地年平均气温13.5 ℃，冬季昼夜温差大，可达10 ℃—20 ℃。降水集中在每年4—8月，年平均降水量约1 020 mm。
2 野外仪器测试野外仪器测试是为了收集用于台址台基背景噪声水平分析的原始数据，工作内容有：测试场地选择、地震计安装、地震计系统稳定性检查、短期记录数据的台基背景噪声水平分析、大于规定时限的数据记录。
2.1 测试系统组成野外仪器测试系统(图 2)由GL-PCS60一体化三分向小型宽频带地震计(下文简称GL-PCS60地震计，其为集成宽频带地震计、采集、存储、数据传输、检测等多功能一体化的地震观测仪器，具有体积小、重量轻、功耗低的特点)、笔记本电脑、125 A·h锂离子电池等设备组成，并配备一定辅助工具，如：自制10 cm高密度泡沫板仪器罩、木材锯末、大号塑料水桶、防水布、聚氨酯发泡胶、锤子、兵工厂、錾子等，数据采集后采用噪声水平分析软件(北京港震公司童汪练老师编写)进行数据处理。GL-PCS60地震计主要技术指标见表 1。
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图 2 台址测试系统构成 Fig.2 Composition of site testing system |
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表 1 GL-PCS60一体化小型宽频带地震计主要技术指标 Table 1 Main technical specifications of GL-PCS60 integrated small broadband seismometer |
该野外仪器测试点位基岩出露，选择相对低洼、避风且平整的基岩进行整平处理，用于地震计架设[图 3(a)]。使用罗盘寻找地理北方位，地震计以正北方向置于基岩上，扣除地磁偏角并进行调零[图 3(b)]；连接GPS天线、电源/通讯电缆等，且GPS天线固定于合适位置，地震计通电并使用笔记本电脑进行调试，检查其工作情况。
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图 3 地震计架设 Fig.3 Seismometer erection |
采用四级防护方法，以减小气温、气流对地震计的干扰。操作措施如下：①使用自制仪器罩罩住地震计[图 3(c)]；②并使用塑料桶盖住地震计[图 3(d)]；③将塑料桶与仪器罩之间的空隙用木材锯末压实充填[图 3(e)]；④用聚氨酯发泡胶进行密封处理，如图 3(f)所示。经以上防护处理后，以防水布包裹仪器罩、锂电池，泥土围堰，顶部压盖石块。
检查仪器系统稳定性，对地震计进行脉冲标定，并用标定波形计算地震计等效自震周期和阻尼是否正常。标定结果与基准值对比见表 2，可知地震计周期、阻尼变化率均小于5%，满足规定要求，表明地震计工作正常。
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表 2 标定结果与基准值的比较 Table 2 Comparison of calibration results with reference values |
地震计性能稳定后1小时，取2022年11月21日19时的记录数据，计算该点位台基背景噪声水平。因记录到云南红河州红河县当日19:22:15发生的MS 3.6地震，使用Matlab编程剔除该地震波形数据后进行台基静态地脉动噪声有效值(RMS值)计算。经计算，在1—20 Hz频带内，UD分量RMS = 2.53×10-8 m/s、EW分量RMS = 2.19×10-8 m/s、NS分量RMS = 2.23×10-8 m/s，均满足RMS＜2.00×10-7 m/s的要求，可以继续观测①。
① 中国地震背景场探测项目总工程师办公室. 中国地震背景场探测项目测震台站场址勘选技术指南. 2009：1-13.
3 测试数据预处理 3.1 勘选点位干扰评估截取2022年11月21日19时至23日09时的记录数据，采用人交互方式，基于《中国地震背景场探测项目测震台站场址勘选技术指南》①，判断测试数据中是否包含地震、爆破及其他强烈干扰事件。经统计，所选时段共记录地震事件5次、非天然地震事件1次。其中：近震1次(红河州红河县MS 3.6地震)、远震4次(福克斯群岛MS 5.4地震、所罗门群岛MS 7.0地震、所罗门群岛MS 6.1地震、土耳其MS 6.1地震)，且震相清晰、易识别(图 4)，由地震波形可知，该仪器勘选点位台基背景噪声水平较优；非天然地震事件波形持续时间16 s(图 5)，占记录时间的百分比R = 0.01%＜0.5%，发生频度N(次数/小时)= 0.03＜0.5，表明勘选点位干扰较小。
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图 4 5个天然地震波形记录截取 Fig.4 Interception of 5 natural seismic waveform records |
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图 5 干扰波形记录截取 Fig.5 Interception of interference waveform records |
据经验判断，数据记录中的地震、偶发性非天然地震事件对背景噪声有效值RMS(m/s)影响较大，在分析背景噪声水平时需予以剔除处理。具体做法是，测试数据以小时为单位，对于偶发性持续时间短的非天然地震事件、地方震、近震数据进行剔除，剔除处理后需保证每小时内有效记录时间不少于40 min(中国地震局，2015)；对于持续时间较长的远震、极远震数据，进行截除处理，以同样长度的后段无事件记录的噪声波形数据进行填充①，也可用前后1天相同时段的数据代替。
① 中国地震背景场探测项目总工程师办公室. 中国地震背景场探测项目测震台站场址勘选技术指南. 2009：1-13.
4 台基背景噪声水平分析 4.1 静态地脉动噪声功率谱密度计算由于测试点附近的人为、交通、工厂等近场干扰对背景噪声影响较大，且近场干扰源噪声主要分布在1.0—20.0 Hz频段，在小范围内进行台址调整后，该频段背景噪声可得到改善(马红虎等，2018)。故而，选择该频段静态地脉动噪声功率谱密度值进行分析。
基于小时值预处理数据，计算勘选点位2022年11月21日19时至23日09时三分量噪声功率谱密度PSD值，并对该时段PSD值进行总平均，绘制三分量平均PSD曲线及5 Hz频点噪声功率谱密度值时间分布图，结果见图 6、图 7。
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图 6 三分量加速度噪声功率谱密度平均PSD曲线 Fig.6 Average PSD curves of acceleration noise power spectral density of three components |
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图 7 5 Hz频点的噪声功率谱密度值时间分布 Fig.7 Time distribution of noise power spectral density at 5 Hz |
由图 6可见，测试台站三分量台基背景噪声平均功率谱密度PSD曲线分布在全球高噪声模型(NHNM)和低噪声模型(NLNM)之间，属正常噪声水平；在1—20 Hz频段内，UD分量平均功率谱密度值小于-129.2 dB，NS分量平均功率谱密度值小于-133.6 dB，EW分量平均功率谱密度值小于-135.7 dB，3个分量平均功率谱值总体高出NLNM模型17—38 dB。依据JSGC-01—2005中国数字测震台网技术规程②，该测试点位台基噪声水平介于优秀与良好之间。
② 中国地震局. JSGC-01—2005中国数字测震台网技术规程. 2005：1-60.
由图 7可见，测试点位台基背景噪声UD分量最大功率谱密度值为-126.842 dB，最小功率谱密度值为-137.374 dB，中间值为-131.684 dB；NS分量最大功率谱密度值为-129.165 dB，最小功率谱密度值为-136.872 dB，中间值为-133.498 dB；EW分量最大功率谱密度值为-131.009 dB，最小功率谱密度值为-138.199 dB，中间值为-135.095 dB。总体上，3个分量的噪声功率谱密度值变化不大，满足测试期内台基背景噪声水平变化不大于中间值的20%的要求②。
4.2 静态地脉动噪声有效值估计基于小时值预处理数据，对1—20 Hz频带内测试点位静态地脉动噪声RMS有效值进行估计，得到研究时段内速度噪声RMS有效值的平均值统计结果及小时值柱状分布图，结果见表 3、图 8。
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表 3 陆良萨卜龙宽频带地震观测台站1—20 Hz速度RMS值测试结果 Table 3 Test results of 1-20 Hz velocity RMS at the Sabulong Broadband Seismic Observation Station in Luliang County |
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图 8 1—20 Hz频段台基背景噪声RMS值小时值柱状分布 Fig.8 Histogram of hourly RMS values of seismic background noise in the 1-20 Hz band |
由表 3可知，在1—20 Hz频段，测试点位静态地脉动噪声RMS有效值：UD向平均值为2.05×10-8 m/s、NS向平均值为1.57×10-8 m/s、EW向平均值为1.78×10-8 m/s。依据规范，Ⅰ级环境地噪声水平RMS＜3.16×10-8 m/s(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004)，由此可知，勘选点位台基背景噪声水平达Ⅰ级标准。
由图 8可见，测试期间，在1—20 Hz频段内勘选点位三分量台基背景噪声RMS小时均值变化较小，主要分布在9.25×10-9—3.43×10-8 m/s，且UD分量＞EW分量＞NS分量；3个分量的RMS值随时间呈现白天升高、夜间降低的正常规律，未出现较大峰值，说明勘选点位附近无明显干扰源，为较理想的地震观测站点。
5 结论通过对陆良大萨卜龙宽频带地震观测台站的仪器勘选，可以得出以下结论：
(1) 测试数据噪声计算及分析结果显示，用于减小气温、气流对地震计干扰的四级防护架设方法是可行的。采用该方法架设地震计，可有效隔绝气温、气流对地震计的干扰，测试数据能真实反映勘选点位的环境噪声水平。
(2) 测试期间记录到5次天然地震和1次非天然地震事件，震相波形清晰、易辨识，点位附近干扰少，台基背景噪声水平较优。
(3) 在1—20 Hz频段，勘选点位台基背景噪声三分量平均功率谱值总体高出NLNM模型17—38 dB；静态地脉动噪声RMS有效值平均值均＜3.16×10-8 m/s，其中：UD分量为2.05×10-8 m/s、NS分量为1.57×10-8 m/s、EW分量为1.78×10-8 m/s。因此，勘选点位附近无明显干扰源，环境噪声水平较优，达Ⅰ级测震台站建设标准。
综合评价认为，勘选点位距村庄较近，交通便利，地势平坦，基岩出露完好，4G网络速度流畅，视野开阔，光照充足，满足观测系统太阳能供电、信号无线传输的野外勘选技术要求，且噪声水平符合《地震台站观测环境技术要求》(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004)。因此，该勘选点位可作为宽频带地震观测台站建设站点。
安祥宇, 赵倩, 王承伟, 等. 辽宁新建台站勘选过程概述及结果分析[J]. 防灾减灾学报, 2016, 32(3): 74-81. |
马红虎, 党文杰, 程旭东, 等. 以云南亚失稳台阵为例浅谈流动台站勘选[J]. 高原地震, 2018, 30(4): 28-34. |
王宝柱, 冯磊. 新疆测震台站台址的勘选及影响因素分析[J]. 内陆地震, 2014, 28(3): 254-260. |
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