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  地震地磁观测与研究  2024, Vol. 45 Issue (5): 74-79  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2024.05.011
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引用本文  

高鹏, 周扬, 张淑珍, 等. 兰州测震台迁建选址及背景噪声分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2024, 45(5): 74-79. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2024.05.011.
GAO Peng, ZHOU Yang, ZHANG Shuzhen, et al. Site selection and background noise analysis of relocation of Lanzhou Seismic Station[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2024, 45(5): 74-79. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2024.05.011.

基金项目

国家自然科学基金面上项目(项目编号: 42371404);甘肃省科技计划项目自然科学基金(项目编号: 22JR5RA822);甘肃省地震局地震科技发展基金(项目编号: 2023YW04)

作者简介

高鹏(1979-), 男, 甘肃兰州人, 工程师, 主要从事测震观测与分析工作。E-mail: gpky313@126.com

文章历史

本文收到日期:2024-04-02
兰州测震台迁建选址及背景噪声分析
高鹏   周扬   张淑珍   雷光     
中国甘肃 730000 兰州地震监测中心站
摘要:随着城市化进程,兰州测震台观测环境受到诸多因素干扰,观测数据质量严重下降,需选址迁建,以适应新时期地震研究、防灾减灾新需求。经室内图纸作业,选择什川场点为新的台址,采用GL-PCS60一体化宽频带地震仪系统进行初勘和详勘工作,并计算分析地脉动速度均方根值(RMS)和噪声功率谱密度,结果表明,该台址观测环境较好,达国家Ⅰ类台建设标准。
关键词台址勘选    观测环境    背景噪声    
Site selection and background noise analysis of relocation of Lanzhou Seismic Station
GAO Peng   ZHOU Yang   ZHANG Shuzhen   LEI Guang     
Lanzhou Earthquake Monitoring Center Station, Gansu Province 730000, China
Abstract: With the advancement of urbanization, the observation environment of the Lanzhou Seismic Station has been subjected to numerous disruptions, resulting in a significant decline in the quality of observational data. To adapt to the new demands of earthquake research, disaster prevention, and mitigation in the new era, it is necessary to select a new location for relocation. Through indoor mapping and planning, the Shichuan site was chosen as the new location. The GL-PCS60 integrated broadband seismograph system was employed to conduct preliminary and detailed exploration work. Additionally, the root mean square (RMS) value of ground motion velocity and noise power spectral density were calculated and analyzed. The results indicate that the observation environment at this site is favorable, meeting the national standard for Class I seismic stations.
Key words: site selection    observation environment    background noise    
0 引言

近年来,随着我国经济建设的快速发展,城市化进程不断加快,全国多个地震台站观测环境遭受破坏,干扰日益明显,对观测数据质量造成较大影响。为此,诸多地震台站重新勘选台址,如云县地震台(曹白伦等,2022)、丽江地震台(匡泳庄等,2022),并进行背景噪声计算(王良等,2021马敏伟等,2022)。

兰州地震监测中心站(兰州观象台)(以下简称兰州站)是我国1957年建立的首批8个综合性地球物理观测台之一,作为国家野外地球物理台站之一,是集地震监测、预报、科研为一体的全国综合性台站,承担着测震国际资料交换、《中国地震台网观测报告》《中国地震年报》《中国地震速报台网观测报告》《中国数字地震台网观测报告》《甘肃省地震观测报告》编制(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等,2004)等任务。然而,随着兰州城市规模的不断扩大,兰州站周边1 km范围内高楼林立,高压线路在台站上方穿过,加之城市轨道交通工程建设等因素,对台站观测环境造成严重破坏,使得包括测震等各种地球物理观测手段受到不同程度的干扰。为保证观测数据质量,对兰州站测震台重新选址并重建。本文详细介绍了新台址的勘选工作,并对勘选点噪声测试结果进行了分析。

1 台站概况

兰州站测震台是国家基本台,是祁连山东段地震重点监视防御区内综合性地球物理观测台站。该台地处黄河北岸Ⅲ级阶地后缘,距黄河最近距离约1.5 km,海拔1 550 m,台基岩性为白垩纪棕红色砂岩、砂砾岩夹泥岩薄层。

台站地处青藏块体、鄂尔多斯和阿拉善地块等活动地块交会处,祁连山地震带和南北地震带交会部位,具有重要的地理位置,所在区域是世界上黄土沉积最厚、分布最广地区,区域构造活动剧烈,是中国大陆历史上8级大震密集区,也是黄土岩土和工程地质灾害频发地区。

2 台址勘选

(1) 台址初勘。室内图纸作业拟选什川镇北山为兰州站测震新台址所在地,此地人烟稀少,气候干燥,夏季最高温度约30 ℃,冬季气温低至-20 ℃。经野外实地勘察,根据地形地貌实际,选定东圈岔沟内山脚某处地点进行背景噪声测试。该处岩石较为完整,附近无断层穿过,交通便利,市电、通讯接入方便,作为测震台址较为理想。

(2) 台址详勘。为了全面、准确地了解拟选台址山体的地质构造情况,对什川新台址岩石性质进行地质考察,发现:该处岩体出露地表,岩性为花岗岩,山体走向SNW向,测震观测山洞适合沿EW向开挖。该拟选台址海拔2 513 m,距什川公路约3.4 km,距兰州站测震台约20 km。什川拟选台址地形、地貌见图 1

图 1 什川拟选台址地形、地貌 Fig.1 Terrain and landforms of Shichuan proposed site
3 台基背景噪声测试

为确保兰州站测震新台址场地观测环境符合国家I类台要求,对什川镇北山周边环境进行调研,其中:选定台址距黄河约5 km,距什川镇滨河公路约3.4 km,距什川镇约3 km,距兰州站约20 km;台址周边约500 m处有一小型养猪场,对测试干扰较小;台址SW向约3.2 km处为小峡水电站,规模较小;台址SE向约3.7 km处有一石料厂,现有少量机械施工操作,干扰较小。

在拟建观测山洞处架设GL-PCS60一体化宽频带地震仪系统,进行台基背景噪声测试,测试设备参数见表 1

表 1 GL-PCS60一体化宽频带地震仪系统参数 Table 1 Parameter of GL-PCS60 broadband seismometer
3.1 背景噪声有效值(RMS)

采用GL-PCS60一体化宽频带地震仪系统对勘选台址进行实地连续背景噪声测试。据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),截取连续72 h原始记录数据(1—20 Hz),基于童汪练编写的背景噪声计算软件,计算UD、EW、NS三分量RMS值,分析拟选台址的背景噪声等级。计算结果显示,在1—20 Hz频段范围内,UD、EW、NS向静态地脉动噪声RMS有效均值分别为1.37×10-8 m/s、1.42×10-8 m/s、1.22×10-8 m/s(表 2)。据GB/T19531.1—2004《地震台站观测环境技术要求》(中国地震局,2004)定义,拟选台址属Ⅰ类台基噪声水平。

表 2 GL-PCS60宽频带噪声测定统计(1—20 Hz) Table 2 GL-PCS60 broadband noise measurement statistical table (1—20 Hz)

在1—20 Hz频带,什川拟选台址UD、EW、NS向静态地脉动速度噪声有效值小时均值分布见图 2,其中三分向最大值分别为2.52×10-8 m/s、2.35×10-8 m/s、1.74×10-8 m/s,可见RMS<3.16×10-8 m/s,表明三分向均达到Ⅰ类台基噪声水平。

图 2 1—20 Hz台基地动噪声RMS小时均值 Fig.2 RMS hourly mean of dynamic noise of station site at 1-20 Hz
3.2 背景噪声功率谱密度(PSD)

Peterson(1993)通过分析全球75个地震台站近2 000条噪声记录功率谱密度分布,给出全球低噪声模型(NLNM)与高噪声模型(NHNM),目前广泛用于台址噪声水平评价、仪器标准定义与不同背景噪声水平下地震计响应预测等(徐建权等,2023)。采用Welch平均周期法,计算UD、EW、NS分量功率谱密度,将背景噪声信号按频率大小依次在图中绘出,结果见图 3,图中上下2条粗实线为高噪声模型(NHNM)与低噪声模型(NLNM),中间线为实测功率谱密度曲线。

图 3 拟选台址静态背景噪声功率谱密度 Fig.3 The static background noise power spectrum density curve of the proposed site

图 3可见:什川拟选台址背景噪声功率谱密度曲线分布在地球高噪声模型(NHNM)和低噪声模型(NLNM)之间,在1—20 Hz频带,噪声功率谱密度低于-100 dB,大部分时段数值在-100— -160 dB;地噪声水平较低,大部分数值低于-120 dB,平均结果比NLNM高10—20 dB。可见,拟选台址应属低噪声台。

在72 h测试时段内,拟选台址背景噪声功率谱密度随时间的变化见图 4,可以看出:EW向最大、最小功率谱密度分别为-126.2 dB、-137.3 dB,平均为-134.8 dB;NS向最大、最小功率谱密度分别为-124.4 dB、-139.4 dB,平均为-136.2 dB;UD向最大、最小功率谱密度分别为-125.4 dB、-135.6 dB,平均为-133.8 dB。测试结果表明,拟选台址背景噪声功率谱密度满足在测试时段内变化不大于平均值20%的要求。

图 4 拟选台址3 s频点功率谱密度随时间的变化 Fig.4 The variation of power spectrum density with time at the 3-second frequency point of the proposed site
4 震例波形

在连续72小时的测试时段内,共记录天然地震10次、远震6次、近震4次,其中2024年1月25日6时21分新疆阿合其县MS 5.2地震和1月26日4时01分新疆阿乌什县MS 5.6地震波形见图 5,可见地震记录波形较为清晰。

图 5 地震波形示例 (a)2024年1月25日6时21分新疆阿合其县MS 5.2地震;(b)2024年1月26日4时01分新疆阿乌什县MS 5.6地震 Fig.5 Examples of seismic waveforms
5 结束语

兰州测震台什川台址附近无明显干扰源,噪声干扰低,且交通便利,有利于施工建设。基于GB/T 19531.1—2004《地震台站观测环境技术要求》,对什川台址进行勘选,经72 h连续记录背景噪声测试(计算过程中未剔除干扰),可知该台址达国家Ⅰ类台建设标准,且测试期间地震记录波形清晰,迁建完成后,兰州测震台观测数据质量将显著提升,可适应新时期地震研究、防灾减灾新需求。

参考文献
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匡泳庄, 黑贺堂, 吴会梁, 等. 丽江地震台新台址勘选[J]. 地震地磁观测与研究, 2022, 43(4): 73-79.
马敏伟, 彭登靖, 秦波, 等. 昭通巡龙测震台台基背景噪声特征分析[J]. 高原地震, 2022, 34(4): 55-60.
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徐建权, 孟令升, 贾军, 等. 黑龙江省测震台站背景噪声及动态范围分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2023, 44(5): 65-73.
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T 19531.1—2004地震台站观测环境技术要求第1部分: 测震[S]. 北京: 中国标准出版社, 2004.