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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