2023, Vol. 44
“十五”期间，黑龙江省测震台站模拟地震仪由数字化地震仪取代。数字地震仪具有大动态、宽频带、高分辨率等优点，但因其高灵敏度的特点，同时记录到复杂的噪声信号，台基噪声即为其中之一（包括环境噪声和人为干扰地动噪声）（张宇等，2013）。台基背景噪声限制了地震台站观测能力的提高，无论采用多么灵敏的观测仪器，都不能清晰记录小于台站背景噪声的微小信号（许可等，2015）。而自然环境的侵蚀、扰动、季节更替或人畜活动的变化均会对台基背景噪声产生直接或间接影响。因此，台站环境地噪声会随着时间变化，除在测震台站勘选阶段进行环境地噪声水平分析以外，在日常观测工作中也需定期进行此项工作，以保证观测波形质量（徐嘉隽，2013）。利用地动噪声均方根值（RMS）可以衡量台站背景噪声水平，其优点在于对来自不同噪声源的噪声可按照相同尺度进行比较（高伟亮等，2015），进而得到仪器动态观测范围。为提高黑龙江测震台网（站）地震监测能力，对全省地震台台基背景噪声水平进行检查分析，以便对观测波形质量起到保障作用。
1 黑龙江测震台网观测设备黑龙江省测震台网的参评台站由10个国家测震台站、21个区域测震台站以及一个台网中心组成，台站统一使用北京港震机电技术有限公司研制的地震数据采集器，有EDAS-24IP和EDAS-24GN两种型号，数据字长均为24位。
配备地震仪有10种类型，其中：①CTS-1-120型宽频带地震仪：频带宽度50 Hz—120 s，动态范围≥140 dB，五大连池、鹤岗、密山、加格达奇、碾子山、宾县、牡丹江7个台站使用；②BBVS60型宽频带地震仪：频带宽度50 Hz—60 s，动态范围≥140 dB，抚远、萝北、东宁、庆安、宝清、逊克、延寿、嘉荫、双鸭山、佳木斯、塔河、通河、饶河13个台站使用；③CMG-3ESPC-60型宽频带地震仪：频带宽度50 Hz—60 s，动态范围≥140 dB，五常、讷河2个台站使用；④BBVS120型宽频带地震仪：频带宽度50 Hz—120 s，动态范围≥140 dB，漠河、同江2个台站使用；⑤GL-S60型宽频带地震仪：频带宽度50 Hz—60 s，动态范围≥140 dB，七台河、北林2个台站使用；⑥GL-S120型宽频带地震仪：频带宽度50 Hz—120 s，动态范围≥140 dB，依兰台使用；⑦ITC-120A型甚宽频带地震仪：频带宽度50 Hz—120 s，动态范围≥140 dB，伊春台使用；⑧JCZ-1-360型超宽频带地震仪：频带宽度20 Hz—DC，动态范围≥140 dB，黑河台使用；⑨FSS-3DBH-1型短周期井下地震仪：频带宽度50 Hz—2 s，动态范围≥120 dB，肇源台使用；⑩BBVS60DBH型宽频带井下地震仪：频带宽度50 Hz—60 s，动态范围≥140 dB，望奎台使用。
2 数据选取及处理 2.1 数据选取整理黑龙江省31个数字测震台站2021年11月至2022年10月凌晨或夜间较安静时段的连续波形记录，从每月数据中分别选取各台站1小时三通道实时记录波形为计算样本，数据为无地震记录或偶然干扰的常态化台基背景噪声。使用MSDP模块将流服务器中的原始波形数据导出为evt文件并进行分道，转换为ASCⅡ码格式文本。文中采用Welch算法计算PSD值。
2.2 去直流偏移台站观测记录会出现直流偏移现象，其并不代表真实地脉动，在运算过程中应予以剔除。将采样点的平均值作为记录的直流偏移量，逐点减掉直流偏离量，得到采样点真值。计算公式为
| $ f=f_i-\frac{1}{N} \sum\limits_{i=1}^N f_i $ | (1) |
式中：fi为每个采样点带偏移量的值；N为记录长度中的采样点个数；f为采样点真值。
3 台站样本噪声波形计算 3.1 地动噪声RMS值与有效测量动态范围计算方法将地震仪输出的电压值转换为实测地动速度值计算公式为
| $ V=\frac{N \times U}{R \times K \times S} $ | (2) |
式中：V为实测地动速度值，单位m/s；N为实际背景噪声值，单位counts；U为数据采集器输入峰值电压，单位V；R为仪器分辨率，单位counts；K为数据采集器实际工作增益；S为地震仪实际工作灵敏度，单位V·s/m。
根据GB/T19531.1—2004《中国地震局测震台站观测环境技术》的规定，地面运动速度记录的功率谱密度（PSD）在1—20 Hz频带范围的均方根值（RMS）为地动噪声水平。在计算台基噪声时，RMS值同样可代表台基噪声水平。地动噪声均方根值计算公式如下
| $ \begin{gathered} \mathrm{RMS}=\sqrt{\frac{1}{n-1} \sum\limits_{i=1}^n\left(v_i-\bar{v}\right)^2} \end{gathered} $ | (3) |
| $ \bar{v}=\frac{1}{n} \sum\limits_{i=1}^n v_i $ | (4) |
式中：n为采样点数；vi为某点实测地动速度值，单位m/s；v为实测地动速度均值。
台站观测的动态范围反映了台站记录大地震事件完整波形的能力（马秀敏等，2011）。性能表中的动态范围是仪器理论上固有的最大测量动态范围，为出厂前在实验室测定的实验数据，而在台站实际应用中，仪器会受到背景噪声干扰，在发生地震时地震波形与环境噪声产生叠加，导致仪器观测无法达到设计的动态范围，只能达到实际测量动态范围或有效测量动态范围。有效测量动态范围计算公式为
| $ D=20 \lg \frac{U}{K \times S \times \operatorname{RMS} \times \sqrt{2}} $ | (5) |
式中：D为有效测量动态范围，单位dB；U为地震数据采集器输入峰值电压；K为数据采集器实际工作增益；S为地震计脉冲标定实际灵敏度，单位V· m/s；RMS为台基地动噪声有效值，单位m/s；
按照GB/T19531.1—2004《中国地震局测震台站观测环境技术》的规定，以台基背景噪声在1—20 Hz频带范围的速度均方根值（RMS）作为评估标准，其中：RMS＜3.6×10-8 m/s的台站划为Ⅰ类台，3.6×10-8 m/s≤RMS＜1.0×10-7 m/s的台站划为Ⅱ台，1.00×10-7 m/s≤RMS＜3.16×10-7 m/s的台站划为Ⅲ类台，3.16×10-7 m/s≤RMS＜1.00×10-6 m/s的台站划为Ⅳ类台，1.00×10-6 m/s≤RMS＜3.16×10-6 m/s的台站划为Ⅴ类台。按照该规定要求，黑龙江省数字测震台网台站所属背景地噪声区域为A类地区，使用短周期数字地震仪和宽频带数字地震仪台站的环境地噪声水平应不大于Ⅱ级，使用甚宽频带数字地震仪台站的环境地噪声水平应不大于Ⅰ级。
采用港震机电技术有限公司童汪练研发软件，计算31个数字测震台站地动噪声功率谱密度和地动噪声有效值，各台站RMS值取12个月样本计算结果的中值。由于台基情况比较复杂，有的台站地动噪声水平在1 s—20 Hz短周期频段较低，而在10—1 000 s频段较高，或者在短周期频段和低频段地动噪声水平均较低或均较高。因此，根据观测频段，按地噪声水平高低进行台基分类（任枭等，2004）。计算得到各台站⅓倍频程带宽（1—20 Hz）处RMS值、UD向动态观测范围及环境地噪声水平等级，统计结果见表 1。
|
表 1 各台站样本数据计算结果 Table 1 Calculation results of sample data of each station |
由表 1可知：①环境地噪声水平等级：29个台站环境地噪声等级为Ⅰ级，碾子山台环境地噪声等级为Ⅱ级，均符合台站观测环境地噪声水平要求。其中，抚远、嘉荫、漠河、庆安、五大连池、通河、逊克、延寿、伊春、依兰10个台站样本数据RMS值始终达到10-9级，环境地噪声水平常年保持优良。七台河台环境地噪声等级为Ⅳ，不符合台站观测环境地噪声水平要求。②动态范围：七台河地震台动态范围小于130 dB，鹤岗、碾子山、宾县、同江、望奎、五常6个台站动态范围为130—139 dB，五大连池、密山、加格达奇、牡丹江、伊春、饶河、北林、抚远、萝北、东宁、庆安、宝清、双鸭山、佳木斯、塔河、讷河、黑河、肇源18个台站动态范围为140—150 dB，逊克、延寿、嘉荫、通河、漠河、依兰6个台站动态范围大于150 dB。
具有大动态范围的台站通常也具有优良的台基噪声，而台基噪声较大的台站其动态范围相对偏小。
4 典型PSD曲线分析经过对样本数据进行计算处理，得出黑龙江数字测震台网各台站噪声功率谱密度曲线（PSD），典型特征曲线见图 1—图 6。
|
图 1 宾县、牡丹江地震台台基背景噪声功率谱密度曲线 Fig.1 Power spectral density curves of background noise at Binxian and Mudanjiang seismic stations |
|
图 2 依兰、加格达奇地震台台基背景噪声功率谱密度曲线 Fig.2 Power spectral density curves of background noise at Yilan and Jiagedaqi seismic stations |
|
图 3 肇源地震台台基背景噪声功率谱密度曲线 Fig.3 Power spectral density curve of background noise at Zhaoyuan Seismic Station |
|
图 4 碾子山地震台台基背景噪声功率谱密度曲线 Fig.4 Power spectral density curve of background noise at Nianzishan Seismic Station |
|
图 5 七台河地震台台基背景噪声功率谱密度曲线 Fig.5 Power spectral density curve of background noise at Qitaihe Seismic Station |
|
图 6 嘉荫、萝北地震台台基背景噪声功率谱密度曲线 Fig.6 Power spectral density curves of background noise at Jiayin and Luobei seismic stations |
（1）台基噪声优良。宾县（BNX）地震台和牡丹江（MDJ）地震台三分向噪声功率谱密度曲线见图 1。由图 1可见，2个台站台基噪声功率谱密度曲线属于良好形态，从低频端到20 Hz，PSD曲线一致性良好，且整段曲线贴近地球地噪声模型（NLNM）。
（2）低频段水平向噪声偏高。依兰（YIL）地震台和加格达奇（JGD）地震台噪声功率谱密度曲线见图 2。由图 2可见，2个台站台基噪声功率谱密度曲线基本正常，从0.06 Hz到低频端方向，EW、NS分向噪声功率谱密度曲线一致性保持良好，但与UD向明显分离，同时2个水平向PSD值严重偏离NLNM，逐渐达到-140 dB以上，表明仪器受低频震动干扰。此类干扰对近震、地方震监测数据影响较小。
（3）PSD曲线低频段超出NHNM边界。肇源（ZHY）地震台噪声功率谱密度曲线见图 3，可见PSD曲线整体上并不足够接近地球地噪声模型（NLNM）。由图 3可见：从0.06 Hz到低频端方向，三分向噪声曲线明显超出地球地噪声模型（NHNM），说明仪器受低频干扰明显；在0.06—1 Hz频段，PSD曲线虽然在地球地噪声模型范围内，但在0.06—0.2 Hz频段紧靠NHNM，在0.2—1 Hz频段逐渐回落，依然存在较高的环境地噪声干扰；在1 Hz至高频端，PSD曲线相对明显靠近NLNM，此时属基本正常变化。
（4）高频段受震动干扰。碾子山（NZN）地震台噪声功率谱密度曲线见图 4。由图 4可见：在1—10 Hz频段，高频噪声明显，且随频率升高逐渐增大；在10—20 Hz频段，高频噪声逐渐减小，但三分向PSD曲线仍靠近NHNM，可以发现，此段高频干扰改变了噪声功率谱密度曲线的正常形态，三分向曲线形态呈近似半圆弧状，说明三分向均受到此震动干扰，反映环境地噪声水平对近震、地方震的监测数据产生了不良影响。初步判断认为，碾子山地区常年采矿作业，大型机械作业时产生持续高频震动干扰。具体原因有待进一步核实。
七台河地震台噪声功率谱密度曲线见图 5。由该台三分向噪声功率谱密度曲线（图 5）及RMS值来看，其为黑龙江省受震动影响最大的台站，震动成常态化且使监测数据速度波形严重失真。由图 5可见：从0.1 Hz到低频端，三分向一致性差且噪声偏高，其中EW向噪声超过-140 dB；0.1—2 Hz频段，噪声功率谱密度曲线比较靠近NLNM；2—40 Hz频段，噪声功率谱密度曲线充满高频干扰，其中包含的大量间歇性干扰使曲线远超NHNM界限。经初步分析，疑似台站NE方向1.9 km处焦电厂作业产生震动，导致台站环境地噪声过高，具体原因待进一步核实。
（5）低频段噪声峰不正常。嘉荫（JIY）地震台和萝北（LBE）地震台噪声功率谱密度曲线见图 6。由图 6可见：在低于0.1 Hz频段，三分向噪声功率谱密度曲线出现明显的噪声尖峰，初步判定为仪器自身噪声；1—20 Hz频段，噪声曲线状态正常，属于基本正常的噪声功率谱密度曲线，对近震和地方震监测影响较小。
5 1—20 Hz频段各频点功率谱密度分析整理31个台站垂直向在1—20 Hz频段内14个频点对应的功率谱密度值（取频点处12个月计算结果的中值），绘制UD向功率谱密度折线，见图 7，数值统计结果见表 2。
|
图 7 各台站UD向1—20 Hz频段功率谱密度 Fig.7 Power spectral density diagrams of each station in the 1-20 Hz frequency band in the UD component |
|
|
表 2 各台UD向在1—20 Hz频段功率谱密度 Table 2 Power spectral density of each station in the 1-20 Hz frequency band in the UD component |
由图 7、表 2可知：在1—20 Hz频段内，七台河台功率谱密度几乎最高，尤其是在6.35 Hz、12.699 Hz、20.159 Hz频点处，干扰最为明显，说明该台站受高频震动干扰严重；碾子山台从3.17 Hz至高频端，功率谱密度明显升高，整体受干扰严重程度仅次于七台河台；望奎台在1—2.52 Hz频段功率谱密度高，2.52 Hz后逐渐降低至正常水平，说明该台站受低频震动影响严重；同江台在6.35—12.699 Hz处功率谱密度明显升高，受高频干扰严重；五常台在4 Hz、8 Hz、12.699 Hz处受干扰严重；其他台站无明显干扰频段，总体趋势为1—1.58 Hz频段功率谱密度逐渐降低，1.58—20 Hz频段功率谱密度逐渐升高。
6 结论经过对截取噪声数据的计算分析，得到各台站RMS值、PSD曲线以及实际观测动态范围。根据GB/T19531.1—2004《中国地震局测震台站观测环境技术要求》，29个台站符合Ⅰ类台基；碾子山地震台环境地噪声等级为Ⅱ级，应受到当地采矿业机械震动影响；七台河地震台环境地噪声等级为Ⅳ，是黑龙江省受震动干扰最为严重的测震台站，初步判断为附近工厂作业干扰所致。按照GB/T19531.1—2004中对中国大陆背景地噪声区域的划分，Ⅰ类、Ⅱ类台基均符合本区域台站观测环境地噪声水平要求，Ⅳ类台基不符合本区域台站观测环境地噪声水平要求。各台站功率谱密度反映了台站在各频段内受干扰的情况。
台站环境地噪声水平受到多方不确定因素影响从而会发生变化，因此，为保证地震观测数据质量，应将台基噪声状况融入台站日常维护的工作范畴，对台基噪声进行定期监测，及时发现并解决问题。
高伟亮, 吕睿, 梁艳, 等. 山西数字测震台站观测动态范围和台基背景噪声分析[J]. 山西地震, 2015, 4: 17-24. |
马秀敏, 彭华, 姜景捷, 等. 龙门山断裂带WFSD数字地震台网监测能力及动态范围分析[J]. 地质力学学报, 2011, 17(1): 27-40. |
任枭, 刘瑞丰, 梁建宏, 等. 国家数字地震台网台站地动噪声功率谱分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2004, 25(1): 23-28. |
徐嘉隽. 福建测震台网测震台站环境地噪声水平[J]. 地震地磁观测与研究, 2013, 34(1/2): 101-105. |
许可, 刘瑞瑞, 孔繁旭. 天津地区台基背景噪声特征分析[J]. 内陆地震, 2015, 29(2): 170-175. |
张宇, 康建红, 张晨侠, 等. 吉林测震台网数字台站台基噪声功率谱分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2013, 34(3/4): 118-121. |