本文收到日期:2024-04-02
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)
Site selection and background noise analysis of relocation of Lanzhou Seismic Station
Lanzhou Earthquake Monitoring Center Station, Gansu Province 730000, China
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。
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(Table 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
地震计序列号 |
工作周期/s |
|
阻尼 |
|
输出电压灵敏度/(V·s/m) |
|
标定灵敏度/(m/s2/A) |
UD |
EW |
NS |
UD |
EW |
NS |
UD |
EW |
NS |
UD |
EW |
NS |
G05272VS |
59.6 |
59.9 |
59.2 |
|
0.706 |
0.705 |
0.701 |
|
2 044.95 |
2 088.84 |
2 046.37 |
|
10.578 7 |
10.032 4 |
10.003 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(Table 2
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)
观测时间 |
静态地脉动噪声有效值RMS/(m ·s-1) |
|
观测时间 |
静态地脉动噪声有效值RMS/(m ·s-1) |
UD |
EW |
NS |
UD |
EW |
NS |
2024-01-24T06:00:00 |
8.68×10-9 |
8.11×10-9 |
7.17×10-9 |
|
2024-01-25T18:00:00 |
1.08×10-8 |
1.20×10-8 |
1.18×10-8 |
2024-01-24T07:00:00 |
9.95×10-9 |
9.42×10-9 |
8.15×10-9 |
2024-01-25T19:00:00 |
9.83×10-9 |
1.07×10-8 |
1.03×10-8 |
2024-01-24T08:00:00 |
1.05×10-8 |
1.04×10-8 |
8.12×10-9 |
2024-01-25T20:00:00 |
2.33×10-8 |
1.89×10-8 |
1.58×10-8 |
2024-01-24T09:00:00 |
2.54×10-8 |
1.63×10-8 |
1.56×10-8 |
2024-01-25T21:00:00 |
9.98×10-9 |
1.02×10-8 |
8.90×10-9 |
2024-01-24T10:00:00 |
1.12×10-8 |
1.19×10-8 |
9.50×10-9 |
2024-01-25T22:00:00 |
9.80×10-9 |
1.01×10-8 |
8.79×10-9 |
2024-01-24T11:00:00 |
1.15×10-8 |
1.13×10-8 |
9.97×10-9 |
2024-01-25T23:00:00 |
1.01×10-8 |
1.06×10-8 |
8.80×10-9 |
2024-01-24T12:00:00 |
1.09×10-8 |
1.16×10-8 |
9.19×10-9 |
2024-01-26T00:00:00 |
1.06×10-8 |
1.00×10-8 |
8.73×10-9 |
2024-01-24T13:00:00 |
1.95×10-8 |
2.03×10-8 |
1.74×10-8 |
2024-01-26T01:00:00 |
1.06×10-8 |
1.08×10-8 |
9.21×10-9 |
2024-01-24T14:00:00 |
1.33×10-8 |
1.37×10-8 |
1.14×10-8 |
2024-01-26T02:00:00 |
9.47×10-9 |
9.64×10-9 |
7.79×10-9 |
2024-01-24T15:00:00 |
1.30×10-8 |
1.28×10-8 |
1.12×10-8 |
2024-01-26T03:00:00 |
9.73×10-9 |
9.49×10-9 |
8.24×10-9 |
2024-01-24T16:00:00 |
1.28×10-8 |
1.24×10-8 |
1.07×10-8 |
2024-01-26T04:00:00 |
1.31×10-8 |
1.33×10-8 |
1.15×10-8 |
2024-01-24T17:00:00 |
1.25×10-8 |
1.26×10-8 |
1.06×10-8 |
2024-01-26T05:00:00 |
9.36×10-9 |
9.74×10-9 |
7.45×10-9 |
2024-01-24T18:00:00 |
9.99×10-9 |
9.70×10-9 |
8.75×10-9 |
2024-01-26T06:00:00 |
9.80×10-9 |
9.28×10-9 |
8.02×10-9 |
2024-01-24T19:00:00 |
1.11×10-8 |
1.10×10-8 |
9.94×10-9 |
2024-01-26T07:00:00 |
1.03×10-8 |
1.02×10-8 |
8.12×10-9 |
2024-01-24T20:00:00 |
1.18×10-8 |
1.29×10-8 |
1.07×10-8 |
2024-01-26T08:00:00 |
1.06×10-8 |
1.02×10-8 |
8.81×10-9 |
2024-01-24T21:00:00 |
1.02×10-8 |
1.04×10-8 |
8.93×10-9 |
2024-01-26T09:00:00 |
1.31×10-8 |
1.25×10-8 |
1.07×10-8 |
2024-01-24T22:00:00 |
1.03×10-8 |
1.07×10-8 |
9.10×10-9 |
2024-01-26T10:00:00 |
1.19×10-8 |
1.13×10-8 |
9.73×10-9 |
2024-01-24T23:00:00 |
1.02×10-8 |
1.09×10-8 |
9.19×10-9 |
2024-01-26T11:00:00 |
1.29×10-8 |
1.25×10-8 |
1.06×10-8 |
2024-01-25T00:00:00 |
9.74×10-9 |
1.07×10-8 |
9.30×10-9 |
2024-01-26T12:00:00 |
1.37×10-8 |
1.54×10-8 |
1.09×10-8 |
2024-01-25T01:00:00 |
1.09×10-8 |
1.09×10-8 |
9.16×10-9 |
2024-01-26T13:00:00 |
1.50×10-8 |
1.56×10-8 |
1.30×10-8 |
2024-01-25T02:00:00 |
1.16×10-8 |
1.15×10-8 |
9.61×10-9 |
2024-01-26T14:00:00 |
1.63×10-8 |
1.68×10-8 |
1.42×10-8 |
2024-01-25T03:00:00 |
8.40×10-9 |
8.02×10-9 |
7.04×10-9 |
2024-01-26T15:00:00 |
1.87×10-8 |
1.85×10-8 |
1.31×10-8 |
2024-01-25T04:00:00 |
9.30×10-9 |
1.05×10-8 |
9.47×10-9 |
2024-01-26T16:00:00 |
1.49×10-8 |
1.72×10-8 |
1.51×10-8 |
2024-01-25T05:00:00 |
8.68×10-9 |
9.24×10-9 |
7.82×10-9 |
2024-01-26T17:00:00 |
1.27×10-8 |
1.52×10-8 |
1.42×10-8 |
2024-01-25T06:00:00 |
2.40×10-8 |
2.14×10-8 |
1.84×10-8 |
2024-01-26T18:00:00 |
1.15×10-8 |
1.81×10-8 |
1.90×10-8 |
2024-01-25T07:00:00 |
1.06×10-8 |
1.09×10-8 |
8.59×10-9 |
2024-01-26T19:00:00 |
9.90×10-8 |
1.22×10-7 |
9.83×10-8 |
2024-01-25T08:00:00 |
1.05×10-8 |
1.13×10-8 |
9.63×10-9 |
2024-01-26T20:00:00 |
1.00×10-8 |
9.49×10-9 |
8.83×10-9 |
2024-01-25T09:00:00 |
1.42×10-8 |
1.46×10-8 |
1.12×10-8 |
2024-01-26T21:00:00 |
1.03×10-8 |
9.62×10-9 |
8.96×10-9 |
2024-01-25T10:00:00 |
1.36×10-8 |
1.43×10-8 |
1.10×10-8 |
2024-01-26T22:00:00 |
1.10×10-8 |
1.07×10-8 |
9.72×10-9 |
2024-01-25T11:00:00 |
1.46×10-8 |
1.44×10-8 |
1.24×10-8 |
2024-01-26T23:00:00 |
1.11×10-8 |
1.06×10-8 |
9.04×10-9 |
2024-01-25T12:00:00 |
1.41×10-8 |
1.37×10-8 |
1.17×10-8 |
2024-01-27T00:00:00 |
1.03×10-8 |
9.96×10-9 |
8.49×10-9 |
2024-01-25T13:00:00 |
1.28×10-8 |
1.50×10-8 |
1.39×10-8 |
2024-01-27T01:00:00 |
9.87×10-9 |
9.38×10-9 |
8.19×10-9 |
2024-01-25T14:00:00 |
1.23×10-8 |
1.59×10-8 |
1.51×10-8 |
2024-01-27T02:00:00 |
9.80×10-9 |
9.76×10-9 |
8.32×10-9 |
2024-01-25T15:00:00 |
1.22×10-8 |
1.29×10-8 |
1.17×10-8 |
2024-01-27T03:00:00 |
1.13×10-8 |
1.02×10-8 |
8.91×10-9 |
2024-01-25T16:00:00 |
1.25×10-8 |
1.30×10-8 |
1.15×10-8 |
2024-01-27T04:00:00 |
3.85×10-8 |
4.89×10-8 |
4.23×10-8 |
2024-01-25T17:00:00 |
1.28×10-8 |
1.25×10-8 |
1.18×10-8 |
2024-01-27T05:00:00 |
8.98×10-9 |
8.78×10-9 |
7.60×10-9 |
RMS均值/(m ·s-1) |
UD |
|
EW |
NS |
1.37×10-8 |
|
1.42×10-8 |
1.22×10-8 |
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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)
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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。
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。
由图 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。
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。
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。