2024, Vol. 45
2) 中国安徽 233500 安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站;
3) 中国合肥 230035 地下结构探测与震灾风险防范安徽省重点实验室(筹);
4) 中国安徽 237010 六安市地震局
2) Anhui Mengcheng National Geophysical Observatory, Anhui Province 233500, China;
3) Anhui Key Laboratory of Subsurface Exploration and Earthquake Hazard Risk Prevention(in prep.), Hefei 230035, China;
4) Lu'an Earthquake Agency, Anhui Province 237010, China
安徽霍山地区位于秦岭—大别断褶带内，区内地质构造复杂，多条断裂带交会，历史中强地震多发，现代中小地震活跃，被誉为华东地区地震活动的“震情窗”（缪鹏等，2014）。为了加强对本地区地震活动的监测与研究，“十三五”期间，安徽省在霍山地区建设区域地震观测台阵，并于2022年底完成，与该区原有地震台站组成安徽霍山区域科学台阵（以下简称台阵）。
台阵建成后，对各地震仪器记录背景噪声水平进行分析，有助于台阵效能评估。一般而言，受台站位置、外界环境、摆墩布置、仪器自身等因素影响，背景噪声（有时也被称为地震环境噪声、台基噪声等）对地震仪器监测能力的影响比较重要，数据记录也较地震记录容易获取。目前，背景噪声分析方法主要有功率谱密度（Power Spectral Density，简称PSD）法和功率谱概率密度函数（Probability Density Function，简称PDF）法。谢江涛等（2018）、翁钊强等（2018）、立凯等（2021）、王良等（2021）、段昊等（2022）利用以上分析方法对地震台站、地震台网背景噪声进行分析和研究，均取得较好成效。
考虑台阵实际工作状况，本文利用台阵记录的三分量地震数据，运用PSD、PDF方法，依次分析20个子站的背景噪声水平和特征，为台阵数据质量分析、本地区地震研究、数据干扰处理等提供参考。
1 数据与方法 1.1 台阵概况与数据台阵由20个子站组成，分布在安徽霍山地区0.5°×0.4°范围内，分为阵心（1个站）、内圈（6个站，半径约5 km）、中间圈（约8个站，半径约10 km）、外圈（5个站，半径约16 km），近均匀几何分布，除永康桥站为井下地震观测站，其他均为地面基岩台基（变质岩、砂岩等）。台间距最小2.9 km、最大33.7 km，平均约13.3 km，其中76%的子站间距在5—20 km。6个子站安装BBVS-60/GL-CS60宽频带地震计、13个子站安装FSS-3M/GL-CS2短周期地震计、1个子站安装GL-B10井下地震计，台站分布见图 1。各子站均配备北京港震仪器设备有限公司生产的EDAS-24GN/24IP数据采集器。台阵硬件设施配置较完备，均配有太阳能光伏板、智能电源，采用光纤网络进行数据传输，数据连续率和完整率均较高。
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图 1 安徽霍山区域科学台阵子站分布 Fig.1 Distribution map of seismic stations in the Huoshan area |
选取2023年1—3月台阵各子站观测数据进行处理分析。
1.2 功率谱密度法（Power Spectral Density，PSD）功率谱密度法可用于地震台站背景噪声水平定量评价。需要注意的是，该方法一般需要将地球低噪声新模型（New Low Noise Model，NLNM）和地球高噪声新模型（New High Noise Model，NHNM）进行对比，用来确定地震台站背景噪声水平。
采用经典谱估计中的Welch算法计算功率谱密度。该算法将数据分段进行加窗处理再求平均，即求出每段谱估计后进行总平均。也就是说，把某一长度为N的数据x(n)分成L段，每一段为M（分段时允许每一段数据有部分重叠），求各段功率谱加以平均。每段数据使用汉宁窗或哈明窗进行加窗处理，以改善由于矩形窗边瓣较大所产生的谱失真。用P(ω)表示基于Welch算法估计的功率谱，则
| $ P(\omega)=\frac{1}{M U L}\left|\sum\nolimits_{n=0}^{N-1} x_N^i(n) d(n) \mathrm{e}^{-j \omega n}\right|^2 $ | (1) |
式中，U为归一化因子，d(n)为数据窗。
文中采用3个步骤获得各子站功率谱：①选取安静时段（00:00—04:00）原始三分量地震数据进行去均值、去趋势预处理；②数据分段，每段32 768个点（采样率100，327.68 s），对每段数据应用hamming窗函数（窗长32 768个数据、50%重叠）加权，使用式（1）计算功率谱；③将速度功率谱进行观测系统传递函数校正，转化为加速度功率谱，并转换为dB值，绘制NLNM、NHNM曲线作为参考。同时，按特定带宽计算噪声（速度或加速度）有效值RMS，对照台基分类标准确定台基背景噪声水平。
1.3 噪声概率密度函数（Probability Density Function，PDF）在噪声功率谱密度基础上计算背景噪声概率密度函数。具体步骤如下：将观测数据截取为多段，每段长度为1小时，计算每段数据PSD值，并进行1/8倍频程间隔采样，将各中心频率功率值求平均。功率谱密度值在上端频率fu与下端频率fl之间进行平均，获得中心频率fc，可表示为
| $ f_{\mathrm{c}}=\sqrt{f_{\mathrm{u}} f_1} $ | (2) |
其中fu以1/8倍频程功率窗口（fu = fu×21/8）增加，计算下一间隔平均功率。对于每一个中心频率fc的概率密度函数P (fc)，可以表示为
| $ P\left(f_{\mathrm{c}}\right)=\frac{N_{P_{f_{\rm{c}}}}}{N_{f_{\mathrm{c}}}} $ | (3) |
其中，
为了减小非正常时段数据的影响，选取2023年1—3月垂直方向连续波形数据，包含地震事件引起的地震波信号（体波、面波）及系统产生的瞬变信号（如数据丢失、地震计故障），计算PSD值，在此基础上获得各子站背景噪声概率密度函数分布。将每日同时段不同频率PSD值叠加后平均，得到不同频率的PSD值日变化。
2 背景噪声功率谱分布参照上述方法计算台阵背景噪声功率谱密度，得到各子站N、E、Z三分量背景噪声功率谱，结果见图 2。由图 2可见，在地震仪观测频带内（BBVS-60/GL-CS60地震仪：60 s—50 Hz，FSS-3M/GL-CS2/GL-B10地震仪：2 s—50 Hz），大部分子站背景噪声功率谱均处于NLNM和NHNM之间，满足观测要求，而CLZ、XSM等子站背景噪声偏大或偏小，需要对观测数据准确性进行检查和确认。据立凯等（2021）的研究，全球几乎所有宽频带地震计均会观测到2个背景噪声峰值，即主微震带和次微震带。10—20 s周期的峰值称为主微震带，一般认为由深海重力波与海底的相互作用产生；次微震带主要分布在5—10 s周期范围内，次微震带主要噪声可能由于海水拍打海岸所致。基于仪器特性，短周期地震仪不能记录或不能清晰记录次微震带噪声，故在台阵各子站背景噪声分析中，仅有部分子站记录到次微震带噪声。
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图 2 台阵各子站背景噪声PSD图 Fig.2 Seismic noise PSD curves of each station |
参照台基地动噪声分类标准GB/T19531.1—2004《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）要求，在1—20 Hz频带范围内，台基背景地动速度噪声RMS值分为5类台基（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），具体评估标准为：Ⅰ类台基噪声水平：RMS＜3.16×10-8 m/s；Ⅱ类台基噪声水平：3.16×10-8 m/s≤ RMS＜1.00×10-7 m/s；Ⅲ类台基噪声水平：1.00×10-7 m/s≤RMS＜3.16×10-7 m/s；Ⅳ类台基噪声水平：3.16×10-7 m/s≤RMS＜1.00×10-6 m/s；Ⅴ类台基噪声水平：1.00×10-6 m/s≤RMS＜3.16×10-6 m/s。
计算各子站RMS值，按照台基分类标准，将台阵20个子站台基噪声水平划分为4类，其中Ⅰ类台基13个、Ⅱ类台基5个、Ⅲ类台基1个、Ⅳ类台基1个，可见台基噪声水平整体较低，表明各子站台基勘选较为合理。台基分类结果见表 1。
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表 1 台阵子站在1—20 Hz范围内RMS值和观测动态范围 Table 1 RMS values and dynamic observation ranges in the frequency band of 1-20 Hz for each station |
参照上述方法，计算台阵各子站PDF、PSD值，并绘制PDF曲线及PSD叠加图，结果见图 3、图 4。对比分析发现，PSD和PDF分布特征具有如下异同点：
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图 3 2023年1—3月各子站背景噪声PDF图（UD分量） Fig.3 PDF diagrams of the background noise of each station from Jan. to Mar. 2023 (UD component) |
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图 4 2023年1—3月各子站背景噪声PSD值叠加（UD分量） Fig.4 Background noise PSD value superposition of each station from Jan. to Mar. 2023 (UD component) |
（1）较背景噪声功率谱密度（PSD）而言，台阵各子站背景噪声概率密度函数（PDF）分布基本一致，但包含的细节或信息更多，更能反映子站背景噪声在不同频率变化的范围、幅度及其他因素（标定、断记、地震等）造成的背景噪声变化。
（2）PSD叠加结果包含背景噪声在时间和频率2个维度上的信息，能够显著显示标定等干扰在不同频率、时间点上的分布。如：SHZ、BYA、LEL、XSM、TZM、XGJ、LTZ、BLY等子站背景噪声，在特定时段、各频段内显著增强，查阅以上子站正弦波标定和脉冲标定时间记录（表 2），发现：除XSM子站，其他各子站噪声增强时间与标定时间相对应；FZL子站结果较好反映了白天高频（＞10 Hz）背景噪声的特性，而LSD子站由于地处偏僻，白天高频背景噪声较FZL站显著较小；YKQ站为井下地震观测，白天高频背景噪声显著减小，而记录到显著次高频（5—10 Hz）背景噪声；在0.1—0.5 Hz频带内，各子站宽频带记录均存在一条不随时间变化的噪声带，显然记录到次微震带噪声；CLZ子站UD分量各频段全天处于背景噪声高值，需检查观测系统是否正常工作。
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表 2 部分子站正弦波标定、脉冲标定时间 Table 2 Sine wave calibration and pulse calibration times at some stations |
背景噪声是地震台站日常观测内容之一，通过对其进行PSD、PDF处理，得到背景噪声PSD、PDF曲线处在观测频带内，一般位于NLNM与NHNM之间，若超出此范围，需要检查背景噪声数据是否正常，判断其是否因观测系统工作不正常所致。因此，通过对背景噪声的监测，可以反映观测系统是否正常工作。
通过对霍山区域科学台阵2023年1—3月的背景噪声进行分析，大部分子站背景噪声水平符合观测要求，但CLZ、XSM子站超出观测要求。参照台基分类标准，Ⅰ类台基13个、Ⅱ类台基5个、Ⅲ类台基1个、Ⅳ类台基1个，台基噪声水平整体较低，各子站台基勘选较为合理。
较背景噪声功率谱密度结果而言，各子站背景噪声概率密度函数分布基本一致，且其包含的细节或信息更多。PSD叠加结果包含背景噪声在时间和频率2个维度上的信息，能够显著显示标定等干扰在不同频率、时间上的分布。次微震带背景噪声在各子站（装备宽频带地震仪）的PSD结果叠加图中基本一致，频带、强度基本恒定，且不随时间变化，为利用该频带背景噪声开展互相关、背景噪声成像等相关研究，提供了可靠、稳定的数据源。
文中计算数字地震计地动噪声功率谱密度使用童汪练基于PWelch方法研发的软件；地图绘制使用GMT软件（Wessel et al，2013），在此一并感谢。
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