地震計(jì)墩改造對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)影響分析

楊亞運(yùn)，傅卓，馬偉

(重慶市地震局，重慶 101147)

0 引 言

相關(guān)研究證實(shí)，隨著地震計(jì)擺放深度的增加，地面干擾尤其是高頻干擾的影響會(huì)相應(yīng)減小。對(duì)沉積層較厚的平原地區(qū)，短周期深井觀測(cè)可以有效降低背景噪聲，提高觀測(cè)系統(tǒng)的信噪比，獲得更多微弱的地球物理信息?；鶐r地區(qū)井下觀測(cè)也可有效減少高頻，即人為活動(dòng)造成的噪聲干擾[1]。處于較深通道的地震計(jì)檢測(cè)到的信號(hào)和噪聲，均會(huì)受到一定程度的抑制，相互影響下，信噪比有提高的趨勢(shì)[2]。此外，不同深度的同類型地震計(jì)有效動(dòng)態(tài)范圍存在差異，深井地震計(jì)有效動(dòng)態(tài)范圍比地表地震計(jì)大20 %左右[3]?；谝陨嫌^點(diǎn)，同址布設(shè)的儀器深度改變，同一地震計(jì)檢測(cè)到的信號(hào)和噪聲會(huì)有相應(yīng)變化。國家烈度速報(bào)與預(yù)警工程項(xiàng)目實(shí)施期間，重慶地區(qū)部分臺(tái)站地震計(jì)坑較深，存在滲水、維護(hù)不便的問題，遂將原地震計(jì)坑改造為地表擺墩觀測(cè)。本文收集到重慶開縣臨江臺(tái)地震計(jì)墩改造前后的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析環(huán)境噪聲及有效觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍的變化情況，以期探索更為合理的改造方案。

1 數(shù)據(jù)資料

重慶開縣臨江臺(tái)設(shè)計(jì)為地面觀測(cè)室，地震計(jì)置放于地面以下2.3 m深坑，臺(tái)基巖性為砂巖，雨季時(shí)地震計(jì)坑內(nèi)滲水嚴(yán)重，地震計(jì)多次被淹，經(jīng)防水處理無法從根本上解決存在的問題，國家烈度速報(bào)與預(yù)警工程項(xiàng)目實(shí)施期間，一次性澆筑加高地震計(jì)墩。改造前一周，布設(shè)流動(dòng)觀測(cè)儀器進(jìn)行同址觀測(cè)(地震計(jì)周期2 s)，2020年3月17日進(jìn)行改造后，地震計(jì)墩高出地面60 cm(圖1)，新臺(tái)基完全凝固后，將原地震觀測(cè)設(shè)備和流動(dòng)觀測(cè)儀器同時(shí)恢復(fù)觀測(cè)。本文主要基于流動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，選取改造前后三個(gè)時(shí)段連續(xù)5天觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄，晚上選取每日3時(shí)數(shù)據(jù)，白天選取每日15時(shí)數(shù)據(jù)。地震計(jì)墩澆筑前3月11～15日為第一組數(shù)據(jù)，表示為R1；澆筑后3月26～30日為第二組數(shù)據(jù)、4月10～14日為第三組數(shù)據(jù)，分別表示為R2和R3。

圖1 開縣臨江臺(tái)地震計(jì)墩改造前后(單位：mm)

2 分析方法

2.1 噪聲功率譜計(jì)算

噪聲功率譜是將噪聲信號(hào)的平均功率分成各個(gè)頻率分量所占有的成分，再按照頻率大小依次畫出各頻率分量所占的功率[4]。噪聲數(shù)據(jù)的處理主要通過對(duì)比噪聲功率譜密度來實(shí)現(xiàn)，對(duì)無明顯事件信號(hào)的噪聲數(shù)據(jù)段進(jìn)行去趨勢(shì)項(xiàng)處理后，計(jì)算地震計(jì)墩改造前后不同通道扣除儀器響應(yīng)后的噪聲功率譜密度分布，結(jié)果以PSD曲線呈現(xiàn)。臺(tái)基噪聲測(cè)試通常用臺(tái)站記錄的噪聲數(shù)據(jù)計(jì)算它的自功率譜密度，對(duì)穩(wěn)態(tài)隨機(jī)地震觀測(cè)數(shù)據(jù)，最常用的計(jì)算功率譜密度方法是離散傅里葉變換，即對(duì)觀測(cè)資料在有限時(shí)間范圍內(nèi)通過快速傅里葉變換進(jìn)行計(jì)算。隨機(jī)信號(hào)x(t)自相關(guān)函數(shù)為Rx(τ)，Rx(τ)傅里葉變換為

(1)

定義Sx(f)為x(t)的自功率譜密度，Sx(f)可理解為x(t)的平均功率相對(duì)于頻率的分布函數(shù)。自功率譜Sx(f)包含Rx(τ)的全部信息。因此，環(huán)境噪聲信號(hào)記錄中含有某種頻率成分，可以從自功率譜中看出。根據(jù)傅里葉逆變換可得

(2)

其中f為頻率，對(duì)周期時(shí)間序列x(t) 的有限范圍傅里葉變換可表示為

(3)

對(duì)穩(wěn)態(tài)隨機(jī)地震觀測(cè)數(shù)據(jù)中離散頻率值fk，傅里葉變換定義為

(4)

式中，fk=k/(NΔt)，其中k=1，2，3，……，N，Δt為采樣間隔(0.01 s)，N為截取時(shí)間段的采樣個(gè)數(shù)。根據(jù)維納—辛欽定理[5]，功率譜密度(PSD)定義為

(5)

2.2 噪聲r(shí)ms值計(jì)算

均方根的定義是一段信號(hào)的振幅值取平方后，再求其在該時(shí)段內(nèi)的平均，然后求其平方根，利用地動(dòng)噪聲的均方根值(rms)可以衡量臺(tái)站的背景噪聲水平[6]，使用rms值衡量噪聲水平的優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)來自不同噪聲源的噪聲可按照相同尺度進(jìn)行比較。臺(tái)站環(huán)境地噪聲r(shí)ms值計(jì)算式為

(6)

其中P為速度功率譜密度或加速度功率譜譜；f0為分度倍頻程中心頻率；RBW為相對(duì)帶寬，RBW=(fu-fl)/f0，fu為相對(duì)帶寬的上限頻率，fl為相對(duì)帶寬的下限頻率。

2.3 有效動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算

地震臺(tái)站的觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍，反映觀測(cè)儀器自身性能和環(huán)境地噪聲水平，動(dòng)態(tài)范圍大小反映記錄地震信號(hào)的能力。由于臺(tái)站環(huán)境地噪聲與地震信號(hào)的疊加，使得儀器達(dá)不到設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍[6]，只能達(dá)到有效測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍D有效(單位：dB)，有效動(dòng)態(tài)范圍D有效通過如下公式計(jì)算：

(7)

其中，VR為滿量程輸入電壓(V)，GC為數(shù)采實(shí)際工作時(shí)的增益，S為地震計(jì)的工作靈敏度，rms為地動(dòng)噪聲的均方根值 (m/s)。

3 結(jié)果分析

3.1 噪聲功率譜計(jì)算結(jié)果分析

地震計(jì)墩改造后，地震觀測(cè)儀器放置位置相比之前升高2.9 m，臺(tái)基背景地噪聲水平會(huì)有一定變化。本文對(duì)地震計(jì)墩改造前后三組連續(xù)5個(gè)白天(15 時(shí))和5個(gè)晚上(3 時(shí))的數(shù)據(jù)(分別以R1、R2、R3表示)樣本段進(jìn)行計(jì)算，以便分別分析地震計(jì)墩改造前后東西、南北、垂直向噪聲的平均功率譜變化情況。原始記錄小時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)分道、去均值、去趨勢(shì)項(xiàng)等預(yù)處理后，進(jìn)行分段、加窗、傅立葉變換等，最后去除儀器響應(yīng)，獲得噪聲功率譜密度，再對(duì)每組數(shù)據(jù)小時(shí)值進(jìn)行均值計(jì)算，平滑處理后以PSD曲線形式呈現(xiàn)(圖2)。

圖2 地震計(jì)墩改造前后平均噪聲功率譜密度曲線

由圖2可見，1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)，改造后各分向噪聲水平有明顯增大，特別是高頻段噪聲變化較大；其中東西向平均地噪聲，在6～20 Hz頻帶范圍內(nèi)，無論白天或是晚上，都明顯高于改造前水平；南北向1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)各頻點(diǎn)噪聲變化不一致，改造后噪聲水平以增加為主，該分向白天和晚上在8 Hz附近，均存在噪聲水平變小的低值區(qū)，可能原因是該方向存在固定干擾源(正南方向高速公路，最近距離950 m)，地震計(jì)墩加高改造后，儀器接收到來自近場(chǎng)的噪聲強(qiáng)度有一定衰減，造成該頻點(diǎn)處的低值；垂直向改造前后地噪聲水平變化不明顯，其中晚上3時(shí)僅在5～10 Hz頻帶范圍內(nèi)，改造前相對(duì)較低，白天15時(shí)改造前后三組數(shù)據(jù)PSD曲線基本一致，證明垂直向受地震計(jì)墩改造影響較小。

為詳細(xì)分析改造后臺(tái)站環(huán)境地噪聲水平變化情況，列出第一組數(shù)據(jù)和第三組數(shù)據(jù)改造前后各頻點(diǎn)PSD差值(表1、2)。前后數(shù)據(jù)作差值分析，各分向晚上噪聲水平均低于白天，但在16 Hz和20 Hz高頻點(diǎn)附近，改造前后各分向均出現(xiàn)白天噪聲水平相對(duì)較低的情況，其中東西向白天比晚間低1.9～7 dB，南北向低1.1～2.8 dB，垂直向低2.3～8.9 dB，可能原因是白天近場(chǎng)高頻干擾疊加，高頻成分相互干涉，儀器最終接收的高頻信號(hào)減弱。

表1 晚上噪聲功率譜密度各頻點(diǎn)值比較

從表1可知，晚上1～5 Hz低頻段，東西向、垂直向噪聲水平改造前后變化較小，改造后噪聲水平增加頻段主要集中在6～20 Hz高頻段，其中東西向變化比垂直向更為明顯，最大增加9.4 dB，垂直向最大增加5.4 dB。南北向各頻點(diǎn)改造前后變化不一，在1 Hz、2 Hz、8 Hz、10 Hz、20 Hz幾個(gè)頻點(diǎn)附近，噪聲明顯增大，最大增加9.2 dB，在4 Hz、12 Hz、16 Hz頻點(diǎn)附近，改造后噪聲水平與改造前相當(dāng)，在8 Hz頻點(diǎn)處出現(xiàn)大幅降低。表明地震計(jì)墩改造后噪聲水平主要還是受到周圍環(huán)境噪聲影響。

從表2可知，東西向白天1～5 Hz低頻段，改造前后噪聲水平變化較小，10～20 Hz高頻段，改造后噪聲增大較為明顯；南北向則在2 Hz以下低頻段和6～10 Hz中頻段變化較大，2～5 Hz、12～16 Hz則幾乎無變化，20 Hz頻點(diǎn)附近又明顯增大；垂直向改造前后噪聲水平變化較小，其中4～5 Hz、10～16 Hz出現(xiàn)改造后噪聲水平相對(duì)略低于改造前水平的情況。可見，該臺(tái)站周圍一直存在固定的噪聲源，地震計(jì)墩改造后，東西向噪聲源大小、位置相對(duì)固定，噪聲水平以增大為主；南北向噪聲源處于動(dòng)態(tài)變化，噪聲有疊加效應(yīng)，噪聲水平變化不一；因垂直向?qū)υ肼曉吹姆较虿幻舾校栽肼曀阶兓^小。

表2 白天噪聲功率譜密度各頻點(diǎn)值比較

3.2 噪聲r(shí)ms值計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求：測(cè)震臺(tái)站》(GB/T 19531.1-2004)規(guī)定，臺(tái)基背景噪聲在1/3倍頻程1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)速度rms值作為評(píng)估地震臺(tái)站臺(tái)基類型的標(biāo)準(zhǔn)。選取第一組數(shù)據(jù)，根據(jù)PSD計(jì)算結(jié)果，分別計(jì)算白天15時(shí)和晚上3時(shí)的速度rms值，并取其平均值作為改造前該臺(tái)站的rms值，改造后選取第三組數(shù)據(jù)來計(jì)算，最終利用各測(cè)向所得值取平均后，作為衡量臺(tái)站地震計(jì)墩改造前后環(huán)境噪聲水平。

表3中分別選取白天、晚上的數(shù)據(jù)進(jìn)行改造前后速度rms值計(jì)算，改造前環(huán)境地噪聲Enl為5.78×10-8，根據(jù)環(huán)境地噪聲水平等級(jí)劃分規(guī)定，當(dāng)3.16×10-8m/s≤Enl< l.00 ×10-7m/s時(shí)，達(dá)到Ⅱ級(jí)環(huán)境地噪聲水平。改造后環(huán)境地噪聲Enl為9.43×10-8，這和改造前的臺(tái)站地噪聲水平等級(jí)一致。根據(jù)中國大陸背景地噪聲區(qū)域劃分，屬于C類地區(qū)的重慶，安放短周期數(shù)字地震儀的臺(tái)站，噪聲水平不大于Ⅲ級(jí)環(huán)境地噪聲即可。可見，改造后地震觀測(cè)儀器受到的環(huán)境干擾有所增大，但依然符合觀測(cè)規(guī)范要求。

表3 改造前后臺(tái)站環(huán)境噪聲r(shí)ms值

3.3 有效動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算結(jié)果分析

選取第一組數(shù)據(jù)和第三組數(shù)據(jù)作為對(duì)比分析數(shù)據(jù)樣本，各頻點(diǎn)處的噪聲均方根值為三分向數(shù)據(jù)計(jì)算出的均值，得到有效觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍反應(yīng)了改造前后儀器整體觀測(cè)情況，同時(shí)繪制改造前后白天(15時(shí))和晚上(3時(shí))的有效觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍(圖3)。

圖3 擺墩改造前后有效動(dòng)態(tài)范圍變化情況

結(jié)果表明，同一觀測(cè)儀器，改造前后高動(dòng)態(tài)曲線一致(紅藍(lán)線重合，只與儀器自身動(dòng)態(tài)范圍有關(guān))，僅在低動(dòng)態(tài)曲線有所差異；晚上有效動(dòng)態(tài)范圍明顯大于白天，說明晚上安靜時(shí)段噪聲干擾較少，干擾強(qiáng)度小，儀器觀測(cè)有效動(dòng)態(tài)范圍更大，記錄信噪比更高。改造前后白天晚上有效動(dòng)態(tài)范圍變化不一致，圖3a可見，改造后晚上實(shí)際觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍，在1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)明顯收窄，頻率越高越明顯，最大減少10 dB；圖3b可見，改造后白天實(shí)際觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍，在1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)反而略有增大，且各頻點(diǎn)的變化不盡相同。地震計(jì)墩改造對(duì)該臺(tái)站儀器觀測(cè)有所影響，但有效觀測(cè)效動(dòng)態(tài)范圍前后整體變化不大。

4 建議和探討

鑒于地震計(jì)墩改造對(duì)地震觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，改造后地噪聲水平有所增大。建議在類似臺(tái)站改造中宜采用淺式半地下室觀測(cè)方案(圖4)，地震計(jì)墩澆筑到地面以下600 mm處(足夠放置地震計(jì)和保護(hù)罩)，地震計(jì)墩面以下300 mm各邊與坑壁間隔100 mm，使地震計(jì)實(shí)際放置位置變化較小(1.7 m)，滿足觀測(cè)需求同時(shí)，能避免潮濕滲水，方便下井維護(hù)。增加井蓋加以保護(hù)，能夠有效降低地震計(jì)墩改造帶來的影響，更利于今后加裝寬頻帶地震計(jì)觀測(cè)使用。

圖4 建議改造方案(單位：mm)

5 結(jié) 論

地震計(jì)墩改造后，對(duì)開縣臨江臺(tái)地噪聲水平造成一定影響，改造后同一儀器記錄結(jié)果表明，各分向噪聲變化不盡相同，東西向、南北向白天晚上噪聲均有明顯增大，特別在6～20 Hz頻段內(nèi)，垂直向晚上噪聲水平相對(duì)改造前有所增大，但幅度相對(duì)較小，白天噪聲水平改造前后幾乎無差別。地震計(jì)墩升高，儀器放置位置離地面更近，記錄到的環(huán)境噪聲水平相比改造前增加60 %，但仍然滿足Ⅱ類觀測(cè)臺(tái)站環(huán)境噪聲水平要求。從同一儀器白天、晚上有效動(dòng)態(tài)范圍來看，改造前后基本一致。鑒于地震計(jì)墩改造對(duì)地震觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響，在類似臺(tái)站改造中建議采用淺式半地下室觀測(cè)方案，減少改造對(duì)地震觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。