利用背景噪声功率谱曲线变化判断备选台站台基质量
1.云南省通海地震监测中心站，云南 通海 652700;2.云南省红河州哈尼族彝族自治州地震局，云南 蒙自 661199
关键词： 测震台站选址 ;噪声 功率谱密度" target="_blank">噪声 功率谱密度;台基质量判断 ;噪声 ;干扰
Judging the Quality of Alternative Station Foundation by the Change of Power Spectrum Curve of Background Noise
CHEN Yang1 ，SHI Tianhong1 ，ZHU Tao1 ，WANG Enkang1 ，WANG Xijun1 ，LI Bo1 ，LIU Fei2
1.Tonghai Earthquake Monitoring Center of Yunnan Province ， Tonghai 652700， China;2.Seismological Bureau of Honghe Hani and Yi Autonomous Prefecture ， Mengzi 661199， China
Keywords： Seismic station site selection ;Noise power spectral density" target="_blank"> Noise power spectral density; Station fundation quality judgment ;Noise ;Interference
DOI : 10.13512/j.hndz.2025.03.05
备注
收稿日期：2024-10-08
作者简介：陈阳（1980-），男，工程师，主要从事地震监测、震相分析及预警运维工作。E-mail：
27363555@qq.com
以云南金平、麻栗坡和河口三个测震台站选址为例，通过对比初勘台和复勘台台址24h背景噪声功率谱曲线的差异，阐述了功率谱曲线离散程度所揭示的台基质量问题：功率谱曲线离散程度大的台址，容易受到干扰的影响；而功率谱曲线收敛、离散程度小的台址，质量较好，不容易受到近场干扰的影响；表明功率谱曲线的离散程度反映了台址对近场干扰的免疫能力。进一步的研究结果显示，短周期地震计记录数据功率谱曲线的低频离散主要来源于通带外记录到的倾斜信号等效，而高频段的干扰信号主要来源于近场的震动干扰，降低上述干扰的关键在于将仪器架设在基岩而不是滚石上。这一认识在后续的复勘调查中得到了证实。
Taking the sites of three seismic stations in Jinping，Malipo，and Hekou，Yunnan Province as exam⁃ples， this paper explained the quality of the station foundation revealed by the degree of dispersion of the power spectrum curves by comparing the differences in the 24-hour background noise power spectrum curves of the sites of the preliminary survey and re-survey stations. The station sites with a high degree of dispersion of the power spec⁃trum curves were susceptible to the influence of interference， whereas those with a convergent and low degree of dispersion of the power spectrum curves had a superior quality and were not susceptible to the influence of near-field interference. This result suggests that the degree of dispersion of power spectrum curves is indicative of the im⁃munity of the station sites to near-field interference. Further investigation indicates that the low-frequency disper⁃sion of the power spectrum curve of short-period seismometer recording data mainly originates from the equivalent tilt signals recorded outside the passband. Conversely，the interfering signals in the high-frequency band predomi⁃nantly emanate from the near-field vibrational interferences. The key to reducing the aforementioned interference lies in setting up the instrument on bedrock rather than on rolling stones. This hypothesis has been substantiated by the subsequent re-survey.
引言
环境干扰是影响测震台站监测质量的主要因素。为降低干扰的影响，我国地震台站选址的指导思想是远离干扰源。为此，《地震台站观测环境技术要求第1部分：测震》（GB/T 19531.1-2004）列出了测震台站对铁路、公路、河流、湖泊等重要干扰源的建议规避距离。然而，测震台站受干扰的程度不仅与干扰源的距离、强度有关，还与台基的岩性及完整性有关[1] 。其中，前两个因素随外部环境的变化而迅速改变，而第三个因素长期稳定不变，它决定了台基对干扰的“免疫能力”，决定未来新增干扰源对台站观测质量的影响程度。因此，在环境干扰日益严重的今天，台基质量是台站选址中需重点考虑的问题[2] 。
背景噪声功率谱密度曲线是评价测震台站台基质量的国际标准。1993年，Peterson基于全球75个测震台站近2000条背景噪声功率谱密度曲线的计算结果，得出全球高噪声模型（NHNM）和低噪声模型（NLNM）。该模型为判断地震台站环境噪声水平提供了科学依据[3] 。在当前测震台站勘址中，常规方法是在备选台址上进行观测实验，计算测点24 h时间段内每一个小时的噪声功率谱密度曲线，得到24条曲线；绘制曲线簇并与Peterson噪声模型相比较，即可评判备选台站台基质量。
测震台站勘址实践表明，24 h噪声功率谱密度曲线能够评价台址的环境条件，揭示备选台址对近场环境噪声的免疫能力。当测点选择在致密完整的基岩上、且周围环境干扰较小时，24条噪声功率谱密度曲线集聚成束；当测点选择在松散覆盖层上、且环境干扰影响较大时，24条噪声功率谱密度曲线极度离散。本文以云南金平、麻栗坡和河口三个测震台站选址为例，详细阐述了功率谱曲线离散程度所揭示的台基质量问题。
1 数据来源和方法
云南省地震局金平区域数字测震台，因附近497 m处改扩建国道G219线（绿春大兴—金平金河），不满足地震台站观测环境技术要求（第一部分：测震）中所建议的基岩类Ⅱ类测震台距离县级公路最低1.7 km的要求，需要对金平测震台进行重新选址。按照《中国测震站网规划（2020-2030年）》要求，为了加强边境地区地震监测，开展对河口以及麻栗坡两个沿边新建台站的选址工作。三个备选台站第一次初勘结果显示，各频段24 h功率谱曲线都存在不同程度的离散（表1 ），预示台址可能受周围环境或地质条件的影响。因此，深入分析影响因素并及时避让，对于确保测震台站观测质量至关重要。6次勘选均采用同一套短周期地震计，主要技术参数见表2 。本文中功率谱曲线计算以及图件绘制采用巫立华老师的软件[4] 。功率谱曲线计算过程均对原始数据进行了传递函数校正。
表1 三个台站第一次勘选台址存在的主要问题Table 1 Main problems in the first survey of three stations
2 各频段噪声功率谱曲线离散分析
2.1 功率谱低频段噪声离散分析
金平台初勘24小时功率谱曲线的低频段在0.1 Hz以下极度离散，90%累计概率值与10%累计概率值差值在30 dB左右，表明低频段记录到的噪声信号较为丰富（图1 a）。其信号可能来自地震计自身弹簧系统的悬挂噪声[5] （0.0095～0.21 Hz）也可能来自外界风扰[6] 引起的气压噪声，或者是浪涌与堤岸的相互作用（0.005～0.3 Hz）[7-11] 。备选台址远离湖泊、水库；地震计架设中进行了调水平，采用保温罩、防水布等各种材料对地震计进行了防风、防潮、保温处理；测试期内地震计的脉冲标定和正弦波标定正常。因此，基本可以排除气压、浪涌干扰、地震计故障等问题。实地调查后发现，该点位西侧距离约40m有一条车流量较大的乡村公路。分析认为，记录到的低频噪声干扰可能是车辆经过导致。由于低频段中大部分频段处在短周期地震计的通带范围外（50～0.5 Hz），采取对原始数据进行仿真等常规方法，无法快速准确识别干扰源。前人通过实践证明，短周期仪器记录到的通带外的数据信号可能来源于地震波传播过程中引起的等效倾斜，或地震计幅频特性对通带外信号的不完全截取，或者两者兼而有之[12] 。另外，传统地震观测系统的记录数据中既有平动成分，也有转动地倾斜信号成分[13] ，如果同时考虑地震计的平动和倾斜信号响应，那么地震计记录到的倾斜信号可以用摆体的运动方程[14] 计算：
在式（1）中，y为摆体运动位移，x为地面运动位移，L为摆体的等效倾斜长度，θ为地面倾斜角度， g为重力加速度，ω0 为摆体的自振角频率，β为摆体的阻尼系数。将短周期仪器记录到的地面信号代入式（1）中，可计算出车辆经过时对地面造成的倾斜角度θ。根据地震倾斜模型，地震计底盘的倾斜角度θ越大，其产生水平向载荷越大，仪器记录到的噪声越大[6] 。我们对产生车辆干扰的水平分量数据进行频谱分析（图2 a和2c），发现低频段0.02～0.04 Hz和高频段25～30 Hz是其优势频率，进行低通滤波和高通滤波后对比发现，高频段明显记录到了车辆经过产生的高频震动干扰，低频段是载荷变化引起的倾斜变化效应（图2 d），车辆由远及近，变形逐渐增大，车辆逐渐远去，变形逐渐减小直到恢复。分析认为，该备选点出现低频噪声信号过度离散的主要原因是地面倾斜载荷干扰对地震计自身弹簧系统产生了间接影响。表明该台址的基岩对于干扰信号的抑制能力较差，会严重影响记录地震数据的准确性。因此，在选址时需要重点考察台基的抗干扰品质。
表2 地震计主要参数Table 2 Main parameters of seismometer
图1 金平台两次勘选功率谱曲线Fig.1 Power spectrum curve of surveys at Jinping Station for two times
图2 车辆干扰波形Fig.2 Waveform of vehicle interference
更换备选点后，2023年6月27～28日进行24 h复测。新备选点距离国道直线距离105 m，复测功率谱背景噪声曲线在0.1 Hz以下频段集聚成束（图1 b），与初勘结果相比，90%累计概率值与10%累计概率值差值在10 dB以内，表明低频段记录到的噪声信号源相对稳定，主要来自仪器自身的噪声。1～10 Hz频段，出现几条相对离散的功率谱噪声曲线，经查发现记录到了几次震级较小的近震。经过计算分析，确定该点位属于Ⅰ类台基。尽管新的备选点未达到地震台站建设规范中建议的避让距离，然而24 h内的功率谱曲线在各频段均表现出较好的收敛性，说明基岩对于道路干扰有较好的抑制作用。
2.2 功率谱全频段过度离散分析
麻栗坡台备选台址位于废弃采石场内，距离乡村公路直线距离为80 m。初勘功率谱曲线如图3 a所示，全频带范围内均呈现出过度离散的特征， 0.1 Hz以下低频段和25 Hz以上高频段90%累计概率值与10%累计概率值差值在30 dB左右，表明该备选点记录到了较多的低频和高频干扰。测试期间，拟勘选点位附近正在进行采石场设备的撤离作业，直线距离10 m，分析认为低频段过度离散可能是各种运输车辆反复进出所致。此外，距离勘选点位直线距离3.8 km处的另一处采石场仍在开采，是导致高频段功率谱曲线过度离散的原因。
在确定所有干扰源已经结束后，2023年8月19日～20日在原备选台址复测24 h，功率谱噪声曲线如图3 b所示。其测试结果表明，在没有采石设备、大型车辆等近场作业干扰的情况下，与初勘结果比较，0.1 Hz下低频段和25 Hz以上高频段90%累计概率值与10%累计概率值差值降为10 dB以内，且功率谱曲线在全频带范围内集聚成束。也证实第一次勘选中功率谱曲线低频离散的原因为重型车辆离场和进场产生低频倾斜信号，高频过度离散的原因为采石设备机械震动反复加载产生高频震动信号。
2.3 功率谱高频段曲线离散分析
河口台备选台址距离乡村公路约104 m，初勘功率谱曲线如图4 a所示，1 Hz附近多条功率谱曲线过度离散，其中一条功率谱曲线超越了全球最高背景噪声水平。通过查阅数据波形，发现3月8日12时记录到了连续3次干扰信号（图5 ），表明该点位的基岩对干扰信号的抑制性较差。先前的研究结果表明，当面波信号跨越不同地质背景区域[15] 或者断层分界面[16] 时，其记录特征将发生明显的改变。而且，孤石、断裂的基岩露头上记录到的干扰信号与周围覆盖层相比没有明显的衰减[2] 。以上说明近场的高频震动干扰叠加到数据里，信号被不等比例放大，可能是因为该点位存在滑坡体、滚石、地下有溶洞或者破碎的基岩等地质情况（图6 a）。
图3 麻栗坡台勘选功率谱曲线Fig.3 Power spectral curve of surveys at Malipo Station
图4 河口台勘选功率谱曲线Fig.4 Power spectral curve of surveys at Hekou Station
图5 河口台第一次勘选记录到的干扰事件Fig.5 Interference events recorded by first survey at Hekou Station
2023年8月17日，在原备选台址40 m外寻找到一处确认为基岩的岩石作为复勘台址，并进行了24 h的连续测试（见图6 b）。结果显示（图4 b），尽管记录到了几次近场的高频干扰，但该备选点功率谱曲线形态在1～20 Hz范围内比之前收敛很多，说明该点位的基岩比较致密，干扰产生的高频震动信号被基岩阻挡，对干扰源产生了较好的抑制作用。
图6 河口台两次勘选基岩对比Fig.6 Comparison of bedrock between the two surveys at Hekou Station
3 结论
通过以上分析和讨论，得到以下认识：
（1）功率谱曲线离散程度可以直观的反映基岩对近场干扰的免疫力，离散程度大的备选台容易受到近场干扰的影响；曲线收敛、离散程度小的备选台质量较好，不容易受到近场干扰的影响，结合功率谱曲线可以快速判断测震台站备选点的可用性。
（2）实测数据可以准确地反映干扰源对台基的影响程度，从而为测震台站选址和建设提供更可靠的依据。短周期地震计记录数据功率谱曲线的低频离散主要来源于地震通带外记录到的倾斜信号等效。对于高频震动干扰，如果功率谱曲线接近或超过全球最高标准曲线，这可能意味着该选址存在一些特殊情况。这些情况可能包括孤石、地下有裂隙的基岩、或者存在地下溶洞等地质特征。
（3）综上所述，通过对功率谱曲线不同频段特征的深入分析，可以很快评估周边环境对地震监测的影响程度以及基岩的完整性。结合实地走访和分析数据，能够迅速而有效地确定潜在的干扰源，并为地震台基质量的快速评估提供有力支持。
表1 三个台站第一次勘选台址存在的主要问题Table 1 Main problems in the first survey of three stations 表2 地震计主要参数Table 2 Main parameters of seismometer 图1 金平台两次勘选功率谱曲线Fig.1 Power spectrum curve of surveys at Jinping Station for two times 图2 车辆干扰波形Fig.2 Waveform of vehicle interference 图3 麻栗坡台勘选功率谱曲线Fig.3 Power spectral curve of surveys at Malipo Station 图4 河口台勘选功率谱曲线Fig.4 Power spectral curve of surveys at Hekou Station 图5 河口台第一次勘选记录到的干扰事件Fig.5 Interference events recorded by first survey at Hekou Station 图6 河口台两次勘选基岩对比Fig.6 Comparison of bedrock between the two surveys at Hekou Station
