华北地区地震环境噪声特征研究

吴建平 欧阳飚 王未来 姚志祥 袁松涌

1）中国北京100081中国地震局地球物理研究所

2）中国北京100029中国地震局地质研究所

华北地区地震环境噪声特征研究

吴建平1），欧阳飚2）王未来1）姚志祥1）袁松涌1）

1）中国北京100081中国地震局地球物理研究所

2）中国北京100029中国地震局地质研究所

利用华北流动地震台阵观测的垂直分向连续波形数据，通过计算功率谱密度和相应的概率密度函数，对华北地区地震环境噪声特征进行了分析研究.结果表明，东部平原和沉积盆地2Hz以上的高频环境噪声水平与全球新高噪声模型（NHNM）相近，周期3—18s的平均噪声水平低于NHNM和新低噪声模型（NLNM）的平均值；山区及西部高原的高频噪声水平明显低于NHNM，周期1—18s的噪声水平大多明显低于NHNM和NLNM的平均值；不同区域18s以上周期的噪声水平差异相对较小.流动地震台阵部分台站的环境噪声存在明显的昼夜变化，个别台站噪声水平明显高于周边台站，表明这些台站受人类活动干扰较大.不同台站的噪声水平分析表明，将台站布设在摆坑内，能在一定程度上降低高频和低频段的噪声水平.台站环境噪声特征的研究结果可为流动地震台阵观测数据质量的定量评估，观测期间的台站优化调整等提供重要依据.

华北地区 地震台阵 环境噪声 噪声水平 概率密度函数

引言

由大量宽频带地震仪组成的密集地震台阵观测已成为开展地球内部高分辨成像的重要途径.“十五”期间，中国地震局建立了以600套流动地震仪为核心的地震科学探测台阵系统，用于地震科学研究.为了检验流动地震仪的野外运行性能，同时开展一次有重要科学意义的大规模流动地震台阵观测，吴建平、欧阳飚等组织在华北地区开展了一次为期1年的流动地震台阵观测实验.本次实验从2006年10月开始，共采用200套宽频带地震仪和50套短周期地震仪.其中宽频带地震仪和短周期地震仪的频带范围分别为60s—50Hz和2s—100Hz.考虑到华北地区的地质构造，以及活动断层分布和强震活动特点等多种因素，流动地震观测的设计范围确定在111°—119°E，37°—42°N（图1）.

图1 华北流动地震观测台阵的地震台站分布图三角形表示宽频带地震台，菱形表示甚宽频带地震台，圆圈表示短周期地震台Fig.1 Deployment of temporary seismic stations of North China seismic arrayBroadband stations are shown as triangles，very broadband stations are represented as diamonds，and circles indicate short period seismic stations

地震台阵主要包括3个部分：由宽频带流动地震仪和固定地震台站组成的台间距约35km的地震台阵；在唐山附近由50套短周期地震仪组成的台间距10—12km的密集地震台阵；与该地区一系列北东向活动断裂垂直的两条500km以上的宽频带密集地震台阵观测剖面.在台址勘选和仪器布设过程中，我们对流动地震台站周围环境进行了认真调查，尽可能选择相对安静的位置作为流动地震台站的观测点，并采取挖坑掩埋等方法进行降噪处理.考虑到流动地震观测设备的安全性，仪器均布设在有人居住但相对安静的村落.其中地震计大多数放置在临时建造的1.2—1.5m深的摆坑或地窖内（图2），部分地区由于受条件限制或民俗习惯等多种因素的影响无法建造摆坑的，放置在闲置民房内.地震计安装后，用保温材料进行封闭保温.

图2 流动地震台站台基建设照片（a）摆坑和水泥基墩；（b）保温材料未封顶时地震计安装照片Fig.2 Construction of sensor vault at a temporary seismic station（a）Sensor vault and concrete pad；（b）Photo of installed sensor with uncapped insulation material

台站噪声研究一直受到地震学家的重视 （Brune，Oliver，1959；Frantiietal，1962；Murphy，Savino，1975；Agnew，Berger，1978；Webb，1998；Bergeretal，2004）.Peterson（1993）通过对全球台网75个台站噪声观测资料的研究，给出了著名的全球噪声模型，即新高噪声模型（new high noise model，简写为NHNM）和新低噪声模型（new low noise model，简写为NLNM）.这一模型已成为衡量台站噪声水平的重要依据.Stutzman等（2000）对GEOSCOPE台站的噪声水平进行了分析.近年来，随着观测技术和计算技术的不断进步，台站噪声水平的实时或近实时分析已成为评估地震台站运行质量的重要技术指标.对一个地区地震噪声水平的正确评估和全面了解成为进一步改善地震观测质量的重要步骤.

在传统方法中，通常选择相对平静的一段地震记录，通过计算功率谱密度评估台站噪声水平（Peterson，1993；Stutzmanetal，2000）.该方法虽然在台站背景噪声水平的评估中获得了广泛的应用，但如何合理选择噪声记录往往存在一定的人为因素影响，难以客观反映台站噪声水平的全面特征，如经常性、有规律的干扰和季节性变化等.近年来，McNamara和Raymond（2004）提出了一种能更加全面地反映地震环境噪声水平的新方法——地震噪声概率密度函数（probability density function，简写为PDF）表示方法.它可以较好地反映台站噪声的变化特征.IRIS数据中心等已将该方法应用于台站数据质量的评估.

华北地区流动地震台阵观测积累了大量的连续地震波形数据.为了比较客观地评估华北流动地震台阵观测台站的环境噪声特点，我们采用概率密度函数方法，系统地计算了地震台站的噪声水平，通过与全球噪声模型的对比（Peterson，1993），对实验场不同区域、不同频率噪声水平的变化特征进行分析研究.

1 功率谱密度

定量评价地震台站背景噪声水平的常规方法是计算噪声的功率谱密度（power spectrum density，简写为PSD）.对稳态随机地震观测数据，最常用的计算功率谱密度方法是离散傅里叶变换，即对观测资料在有限时间范围内通过快速傅里叶变换进行计算.

周期时间序列g（t）的有限范围傅里叶变换可表示为

式中，tr为时间序列段的长度，f为频率.

对离散频率值fk，可定义为

Δt为采样间隔，N为截取时间段的采样点数.

功率谱密度（PSD）定义为

通常将1小时划分为13个时间段，每段之间在时间上部分重叠，每一小时的PSD估计由13个时间段的PSD平均获得.

利用地震观测波形数据计算地震噪声功率谱密度时，要扣除仪器传递函数的影响，以反映真实的地面运动特征.对于线性时不变系统，地震观测记录y（t）可以表示为

式中，g（t）为真实的地面运动，可以是地面位移、速度或加速度；h（t）为仪器的脉冲响应.在频率域中可表示为

式中，H（ω）即为地震仪器的传递函数，通常表示为

式中，c为常数，zi为零点，pi为极点.

以分贝（dB）表示地面速度功率谱密度时，式（3）可表示为

计算环境地震噪声功率谱时，一般只选择仪器频带范围内及附近的频段进行计算.此时，是否扣除归一化传递函数随频率变化的影响，对PSD曲线的总体形态影响不大（仪器的频带端点通常定义为归一化传递函数下降至0.707时对应的频率，相应的值为3dB）.在计算仪器频带范围之外的环境地震噪声功率谱密度时，超出的频带范围越远，仪器自噪声等其它干扰因素的影响越大，在频率域扣除仪器传递函数影响时与地面震动无关的干扰可能得到放大，获得的结果可能会明显失真.

上述PSD计算方法对0.05—100s的周期范围可以提供比较稳定可靠的频谱估计.图3给出了K008地震台站的PSD曲线.可以看出，仅作仪器放大倍数校正后PSD曲线与经过仪器传递函数校正的PSD曲线对比，在仪器频带范围内（50Hz—60s）相差很小，但在100s附近出现9dB的差异.

图3 K008台站2006年10月27日2个不同时段的PSD曲线上、下黑实线分别表示Peterson（1993）给出的NHNM和NLNM，中间的黑实线和虚线表示经过仪器传递函数校正后的PSD曲线，“十”字和圆点为仅考虑单一的放大倍数校正后的PSD曲线Fig.3 Noise power spectrum density（PSD）curves of station K008 during two different periods on October 27，2006Two black solid lines at the top and bottom represent the new high noise model（NHNM）and the new low noise model（NLNM）given by Peterson（1993）；black solid and dashed lines in the middle denote the PSD curves after instrument transfer function correction；crosses and dots indicate the PSD curves with only constant amplification correction considered

2 概率密度函数

为了评估台站噪声水平的整体特征，可以利用由观测记录获得的大量功率谱密度曲线，计算台站地震噪声概率密度函数（PDF）.为了对功率谱密度进行充分采样，通常按1／8倍频程间隔计算整个周期范围内各点的平均值.功率值在短周期Ts与长周期Tl＝2×Ts端之间进行平均，对应的周期Tc为倍频程内的几何平均值：

Ts按1／8倍频程增加（Ts＝Ts×20.125），用于计算下一个间隔的平均功率.重复这一过程，持续至原始资料时间序列窗长度最长的有效周期，大致为Tr／10.通常对每小时的PSD进行计算，产生大量光滑的PSD曲线，然后在周期－功率密度值（1dB间隔）坐标系中进行频数统计.

对于每一个给定的中心周期Tc，概率密度函数可以按下列公式进行计算：

式中，NPTc是功率谱密度值落在某个1dB间隔范围内的数量.NTc是中心周期Tc在整个功率谱密度值范围内估计值的总数.通过绘制给定功率值和周期点的发生概率，可以与NHNM和NLNM进行对比，从统计学的观点在很宽的频带范围内获得大量与地震噪声有关的信息.

图4给出了观测区西北部两个地震台站的环境地震噪声概率密度函数分布图像.其中图4a根据K008台2006年10月—2007年4月的连续观测数据计算得到，图4b根据A107台站2006年9月—2007年2月的连续观测数据计算得到.由于概率密度函数分布图像是通过对整个连续波形记录计算获得的，图像中包含了地震发生时产生的地震波信号.图中一些明显偏离正常背景分布的高功率谱密度值，往往与地震事件较强的地震信号有关.

图4 根据K008台站（a）和A107台站（b）连续观测数据计算得到的环境地震噪声PDF分布图.色标表示概率值Fig.4 Ambient seismic noise PDF distribution of temporary seismic stations obtained from continuous observation data at K008（a）and A107（b）.Color bar shows probability values

3 华北流动地震台站地震环境噪声分析

为全面了解华北流动地震台阵的地震台站噪声水平，我们用连续波形数据计算了各台站不同时间的噪声功率谱密度，并在此基础上获得了台站环境地震噪声的概率密度函数图像.图4和图5给出了4个不同台站的环境地震噪声PDF分布图像.A107和A006的PDF图像在高频段同一周期出现了双峰值，初步分析认为可能是噪声的昼夜差异造成的.为进一步确认其形成机制，我们绘制了噪声功率谱密度的昼夜变化图（图6）.可以看出，在1Hz以上的高频段噪声水平存在明显的周期性变化，白天高频噪声明显增加，形成了上部的峰值，晚上噪声水平降低，形成下方的低谷.这一现象表明该台站受人类活动的干扰明显.周期大于1s的噪声水平昼夜变化幅度明显降低，周期4s以上的噪声水平似乎没有明显的昼夜变化.图4、图5中少量功率谱密度值较大的点大多是由观测期间的地震事件造成的.图4b中，在－195—－175dB出现一条明显的蓝线，与仪器故障有关.通过分析PDF图像，可以了解台站的记录质量，分析仪器的工作状态.

为了直观了解流动地震台站噪声水平在平面上的分布状况，我们将不同台站、不同周期噪声概率密度函数的最大概率值所对应的功率谱密度值，绘制在平面图中台站位置上（图7）.在华北平原地区，1.5Hz以上的噪声水平大多接近NHNM模型，唐山等重工业区附近噪声干扰最强，延怀盆地、大同盆地及其边缘的一些台站短周期噪声水平明显高于周边地区，燕山山脉、太行山及其以西的山脉地区，短周期噪声水平接近或略高于全球NHNM和NLNM的平均值.

图8 流动地震台站昼夜噪声水平比较图（a）和（b）为8—16时（北京时间）的噪声水平；（c）和（d）为21—5时（北京时间）的噪声水平.圆圈表示流动地震台站的位置，圆圈中的颜色表示PDF在不同周期出现的最大概率所对应的功率谱密度值，三角形表示布设在固定地震台站的流动地震台.色标给出了功率谱密度的范围以及NHNM和NLNM所对应的颜色Fig.8 Comparison between daytime and night time ambient noise levels at temporary seismic stations（a）and（b）show the noise levels for 8：00to 16：00（Beijing time）；（c）and（d）show the noise levels for 21：00to 5：00（Beijing time）.Circles represent locations of stations；colors in circles represent the power spectral density values corresponding to the PDF maximum probability at different periods；triangles indicate temporary stations deployed at permanent seismic stations.Color bars show the range of power spectral density and corresponding colors of NHNMand NLNM

在周期1s以上，与NHNM相比，地震台站的噪声水平明显降低.华北平原地区除了唐山、天津附近的台站外，周期为2s的台站噪声水平已接近NHNM和NLNM的平均值.西部和北部山区，周期为2.0，4.0，10.3s（图7）的地震台站噪声水平大多低于NHNM和NLNM的平均值.在周期为20.6s和41.2s的噪声水平分布图上，东部平原和西部山区的噪声水平相近，区域性差异明显减小，大多数台站的噪声水平均表现为略高于NHNM和NLNM的平均值.

为进一步了解夜晚安静时段与白天人为干扰相对较大时段噪声水平的差异，我们参考图6噪声水平随时间的变化特征，分别计算了北京时间夜晚21：00—05：00和白天08：00—16：00时段的噪声水平（图8）.结果表明，差异较明显的主要是高频段.可以看出，周期为0.12s的噪声水平在夜晚明显低于白天，而周期为0.5s的噪声水平的差异已明显减小.随着周期的进一步增加，白天与夜晚噪声水平的差异则更小.从图8中可以看出，位于山区的固定地震台站噪声水平昼夜变化较小，但位于平原地区的固定地震台站噪声水平仍然存在明显的变化.其主要原因是，固定地震台站在台址勘选时地点的选择范围较宽，通常可较好地避开场点的干扰源，减少了人为干扰的影响幅度.流动地震台站的勘选需要充分考虑到观测研究的目的，仪器的安全性等多种因素，有时不可避免地要在人为噪声干扰较大的地区布设台站.在这些地区布设台站，需要正确认识观测区的噪声水平，通过合理延长观测时间，弥补可能出现的有效观测数据不足的缺陷.

图9给出了西部及北部地区的平均噪声水平与东部平原地区平均噪声水平的比较.可以看出，在高频段，东部地区的噪声水平远高于西部和北部地区，在0.4s附近，最大差异可达26dB.周期大于1s后，东、西部平均噪声水平的差异逐渐减小，周期大于5s的噪声水平已相差不大.东部平原和沉积盆地2Hz以上的高频环境噪声水平与全球NHNM相当，周期为3—18s的平均噪声水平低于NHNM和NLNM的平均值.山区及西部高原的高频噪声水平明显低于NHNM，周期为1—18s的噪声水平大多明显低于NHNM和NLNM的平均值.不同区域18s以上周期的噪声水平差异相对较小.东部地区的高噪声背景与沉积层的放大效应、繁忙的交通和较为发达的工业及人文活动干扰有关.在台站选址过程中需要在设计点附近进行仔细的勘选，尽可能避免各种近距离强干扰源，选择相对比较安静的地点布设流动地震台站，以便最大限度地减少背景噪声的干扰.

图9 西部、北部地区与东部平原地区平均噪声水平比较图上、下黑实线分别为NHNM和NLNM模型，中间黑实线为西部及北部地区的平均噪声水平，黑虚线为东部平原地区的平均噪声水平Fig.9 Comparison between the average noise level in western and northern regions and that in eastern plain regionSolid curves at the top and bottom represent NHNMand NLNM，respectively；black solid line in the middle means the average noise level in western and northern regions，and black dashed line stands for the average noise level in eastern plain region

在华北流动地震台阵的布设过程中，如果条件允许，通常会建造1.2—1.5m深的摆坑，用于布设地震计.摆坑内浇注边长约0.4m的立方体水泥基墩，其顶面高出坑底约0.2m.地震计架设在基墩上，数据采集器等设备布设在民房内.在有些地区，由于条件限制或民俗习惯等原因无法建造摆坑的，将地震计布设在相对安静的闲置空房内.为了解两种不同布设方式可能对台站噪声水平产生的影响，我们选择了相互邻近的42对地面与坑内地震计记录进行对比.考虑到噪声水平存在地区差异，未选择坑内或地表成片布设的地震计进行对比.图10给出了地表与坑内台站的噪声水平比较图.可以看出，与布设在闲置房屋内地面上的台站相比，摆坑内的流动地震台站噪声水平在整个频段内有不同程度的降低，其中高频段降幅比较明显，低频段次之，4s附近似乎影响较小.我们认为，在摆坑内布设地震仪可以在一定程度上降低噪声水平的原因可能有两个：① 摆坑一般设计在房屋之外，与房屋内相比，减少了人员和家用电器等的干扰；②摆坑及基墩的设计本身降低了噪声的水平，包括坑内的温度和空气压力变化更小等.需要指出的是，这里给出的并不是严格意义上的同一地点不同布设方式的比较，但考虑到采用的42对台站均为相邻台站，结果仍然具有一定的可信度.

图10 （a）挑选的布设在地面（空心圆）和摆坑内（实心圆）的地震台站分布图；（b）地面和摆坑内流动地震台站的噪声水平比较图.中间的黑实线为布设在摆坑内的地震计的平均噪声水平，黑虚线为布设在地表的地震计的平均噪声水平Fig.10 （a）Distribution of selected stations with sensors deployed on ground（circles）and in vaults（solid circles）；（b）Ambient noise level comparison of seismic stations between the cases with sensors on ground and in vault.Black solid line in the middle represents the average noise level when the sensors were deployed in vault，and black dashed line stands for the average noise level when the sensors were on ground

4 讨论与结论

连续观测记录的功率谱密度概率分布，能客观反映流动地震台站地震环境噪声特点，人类活动等干扰可以得到较好地反映.不同台站、不同频率功率谱密度的优势概率对应的噪声水平分布图像，是判断流动地震台站布设质量，及时进行台站调整的重要参考依据.

华北地区环境噪声水平，主要受地质构造和人类活动的影响，在沉积平原和沉积盆地高频噪声干扰明显，在沉积层厚度较薄和基岩广泛出露的地区噪声水平明显降低.东部平原和沉积盆地2Hz以上的高频环境噪声水平与全球NHNM相当，周期为3—18s的平均噪声水平低于NHNM和NLNM的平均值.山区及西部高原的高频噪声水平明显低于NHNM，周期为1—18s的噪声水平大多明显低于NHNM和NLNM的平均值.不同区域18s以上周期的噪声水平差异相对较小.这一结果表明，华北平原地区较强的噪声背景对频率较高的近震影响较大，对频率较低的远震波形，特别是面波波形的影响相对较小.

通过对华北地区流动地震台站观测记录环境噪声的分析发现，将流动地震仪布设在摆坑内可以在一定程度上降低噪声的干扰水平，但平均降幅有限.我们认为，降低台站噪声干扰水平，仍然需要从多方面入手，特别是在站点勘选阶段必须开展仔细的周边噪声环境调查，在设计观测点附近区域找到相对安静的地点布设台站.

将同一频率的台站噪声概率密度函数最大概率值对应的功率谱密度值作为台站在该频率的噪声水平，将各台站的噪声水平进行横向比较，不仅可以获得有关该地区噪声水平空间分布的总体认识，而且可以比较容易地对台站布设的质量进行分析.在流动地震观测中，应充分认识观测区的噪声干扰水平，根据观测研究的科学目标合理设计流动地震台阵的布设时长，避免在高背景噪声水平干扰区出现有效观测数据不足的情况发生.

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Ambient noise level of North China from temporary seismic array

Wu Jianping1），Ouyang Biao2）Wang Weilai1）Yao Zhixiang1）Yuan Songyong1）

1）InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China
2）InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China

Using vertical component continuous waveform data observed by North China temporary seismic array，we analyzed the seismic ambient noise characteristics in North China by calculating the power spectrum density and corresponding probability density function.The results show that high－frequency（above 2Hz）ambient noise levels in the eastern plain and sedimentary basin region are similar to the global new high noise model（NHNM），the average noise levels at 3—18speriods are lower than the average values between NHNMand new low noise model（NLNM）；high－frequency noise levels in the mountain and western highland region are significantly lower than NHNM，and most of the average noise levels at 1—18speriods are significantly lower than the average value between NHNMand NLNM；the noise levels with periods over 18 s in different regions show small difference.There is a clear diurnal ambient noise variation in some observations of the temporary seismic array；the noise levels at a few stations are significantly higher than at surrounding stations，implying human activity interference.The noise levels at different stations reveal that high－and low－frequency noise levels can be reduced to some extent by placing the sensor in a vault.The analysis results of station ambient noise characteristics can provide an important basis for quantitative assessment of the seismic array data quality，station optimization and adjustment during observation.

North China；seismic array；ambient noise；noise level；probability density function

10.3969／j.issn.0253－3782.2012.06.008

P315.63

A

吴建平，欧阳飚，王未来，姚志祥，袁松涌.2012.华北地区地震环境噪声特征研究.地震学报，34（6）：818－829.

Wu Jianping，Ouyang Biao，Wang Weilai，Yao Zhixiang，Yuan Songyong.2012.Ambient noise level of North China from temporary seismic array.ActaSeismologicaSinica，34（6）：818－829.

地震行业专项“地震科学台阵观测技术研究与规范制定”（200908008）资助.

2011－12－01收到初稿，2012－02－27决定采用修改稿.

e－mail：wjpwu＠cea－igp.ac.cn