小北湖火山台迁建前后观测数据对比分析

梁阿全 赵建通

（中国黑龙江 157009 黑龙江省牡丹江地震台）

0 引言

镜泊湖火山群位于吉林、黑龙江两省交界的黑龙江省宁安县西南，张广才岭主脊东侧的丛山之中，全新世形成的火山口群集中在宁安县小北湖林场管辖的“火口森林”和蛤蟆塘2个地区（盛中方等，1983）。镜泊湖火山台网中的小北湖火山台位于小北湖林场西北20 km处的山坡上。2010年台站所在地国家重点保护林场——小北湖林场发生火灾，主管部门停止对林场以外区域供电，小北湖火山台处于断电断记状态。为解决此问题，经中国地震局批准，2018—2019年对小北湖火山台进行迁建。新址位于小北湖林场办公楼南侧，仪器用电和网络传输顺畅，距乡村公路和居民点约30 m。为评估迁建后台站观测质量，对小北湖火山台迁建前后地震背景噪声进行了对比分析，以判断迁建前后数据质量的变化情况，以期为判断观测环境的变化情况、仪器维护和如何进一步提高观测质量等工作提供参考。

1 台站概况

镜泊湖火山台网2005年建成投入使用，小北湖火山台原台址位于半山坡岩石上，高程496 m，地表出露破碎花岗岩，地震数据通过光纤传输到黑龙江省地震局地震台网中心，地震计为英国CMG-3ESPC型，数据采集器为北京港震仪器设备有限公司生产的EDAS-24IP型。为避免周边居民活动的干扰，另选址安装井下地震计，新址高程450 m，井深60 m，井斜1.67°，采用北京港震仪器设备有限公司生产的GL-CS60B型井下地震计及EDAS-24GN型数据采集器。仪器参数见表1。

表1 小北湖火山台地震仪器参数Table 1 Parameters of seismometer at Xiaobeihu seismic station

2 资料及处理方法

2.1 资料

选取安静时段的数据，以保证数据连续性，避免所选时段内有地震、爆破和人为干扰。数据分为2组，第1组为原址2010年3月26日24 h数据；第2组为安装井下地震计后2019年12月9日24 h数据。

2.2 资料预处理

（1）直流偏移消除处理。在计算噪声功率谱前，需对选取数据进行消除直流偏移处理。具体方法：对整个记录长度求和后再除以记录总数，即取记录的平均值作为直流偏离量，然后逐点减掉直流偏离量。公式如下

式中，fj为每个采样点的值；N为记录总数。

（2）仪器响应扣除。数字记录是地震动经过拾震器、放大器、模数转换后得到的，只有将此过程中的影响从实际记录中去除，才能得到真正的地面振动。主要利用拾震器传递函数扣除仪器响应。公式为

式中，Sd为地震计的灵敏度；A0为地震计的归一化因子；N为复零点数；M为复极点数；rn为地震计的复零点值；pm为地震计的复极点值。

2.3 地动噪声有效值计算

使用北京港震仪器设备有限公司童汪练编写的地动噪声功率谱密度测定软件计算地动噪声有效值RMS（单位：m/s），计算公式为（中国地震局，2009）

式中，f0为分度倍频程中心频率；RBW相对带宽，其计算公式为

式中，fu为分度倍频程上限频率；f1为分度倍频程下限频率。

2.4 有效动态范围计算

台站观测动态范围可反映观测仪器自身性能和台基环境噪声背景水平，且有效动态范围反映了台站可以记录到地震信号的最大能力。然而，由于台站环境噪声与地震信号的叠加，仪器往往达不到所设计的动态范围，只能达到有效测量动态范围，后者计算公式为

式中，V0为模拟输入峰值电压；Gm为数据采集器实际工作时的增益；S1为地震计的工作灵敏度。

3 计算结果

地震台站环境噪声水平在1天的不同时段内存在差异，白天噪声较大，夜间较小，噪声与季节之间也存在密切关系（任枭等，2004）。一般来说，小北湖林场所处区域春夏季人文活动较多，干扰也较多；秋冬活动少，干扰相对较少。故选择冬季3月、12月较平静时段的数据。

3.1 噪声功率谱

Peterson（1993）统计了全球地动噪声，得到新的全球公认的地区正常噪声新模型，包括新高噪声模型（NHNM）和新低噪声模型（NLNM），分别确定地动加速度高噪声边界曲线和低噪声边界曲线（图1），表征整个观测频带的噪声水平状况，是评价地球上任意地震台站台基背景噪声水平的基本标准。图1显示：①在0.001—0.100 Hz频段，功率谱曲线差别明显，GL-CS60B型井下地震计三分量噪声比CMG-3ESPC型地震计噪声小，在长周期地震记录中占优势；②在0.1—1.0 Hz频段，2套仪器记录曲线较一致，井下地震计记录曲线相对集中平滑；③在1—20 Hz，2套仪器记录良好，噪声水平均在标准范围内，对于地方震和近震都能获得理想的监测效果。

图1 小北湖火山台迁建前后背景噪声功率谱（a）2010年3月26日CMG-3ESPC型地震计；（b）2019年12月9日GL-CS60B型地震计Fig.1 Background noise power spectrum curves before and after the relocation of Xiaobeihu Seismic Station

选取2套仪器UD向观测数据，将台站迁建前后24 h功率谱数值按时间序列绘制成图，横轴表示时间，纵轴表示频率，展示出1天中功率谱数值的变化（图2）。由图2可见：①迁建前CMG-3ESPC型地震计，在时间域7时、19时会出现2个峰值区；在频率域，峰值主要出现在10—12 Hz、18—20 Hz区域。②迁建后GL-CS60B型井下地震计，在时间域14时出现峰值；在频率域，峰值集中在20 Hz左右。从时间序列的整体效果来看，迁建后功率谱噪声值普遍降低10—20 dB，明显低于迁建前仪器记录，迁建后功率谱峰值较少，数值波动更平缓，可满足提高监测质量和数据精度的要求。

图2 台站迁建前后各时间点 PSD 值比较（a）原址；（b）迁建后Fig.2 Comparison of PSD values at various time points before and after relocation

3.2 RMS值

图3、4分别为小北湖火山台台基地动噪声RMS小时均值（1—20 Hz、0.01—0.33 Hz）。由 图3、4可见，在1—20 Hz频段，台基地动噪声RMS值（3个分量），由迁建前平均1.5×10-8m/s，降低到迁建后的0.5×10-8m/s左右；在 0.01—0.33 Hz频段，台基地动噪声RMS值（3个分量）由迁建前平均0.4×10-8m/s降低到0.08×10-8m/s左右，降幅明显。在选取的24 h数据里，1—20 Hz频段内，有2个噪声RMS高值区，分别为6—7时、14—16时，迁建前后都有出现。表2为迁建前后台基础噪声RMS均值、差值。由表2可见，（李雷等，2017）迁建后地动噪声RMS值整体下降，其中，UD向降幅22.0%，EW向降幅58.2%，NS向降幅62.8%。

表2 迁建前后台基础噪声RMS均值、差值Table 2 Average and different values of the ground motion noise RMS before and after relocation

图3 小北湖火山台台基地动噪声RMS小时均值（1—20 Hz）（a）原址；（b）迁建后Fig.3 The hourly average ground motion noise RMS values (1—20 Hz)

图4 小北湖火山台台基地动噪声RMS小时均值（0.01—0.33 Hz ）（a）原址；（b）迁建后Fig.4 The hourly average ground motion noise RMS values (0.01—0.33 Hz)

4 结论

选取镜泊湖火山台网——小北湖火山台迁建前后观测数据进行对比分析，得出以下结论。

（1）迁建前台站CMG-3ESPC型地震计位于近东西走向山坡的迎风坡上，频率域峰值出现在10—12 Hz，18—20 Hz区域。因台站地处山坡，且距居民点较远，可初步排除人为活动干扰，可能主要是风引起山中树木摇摆或直接作用在山体上引起地表轻微晃动或倾斜（葛洪魁等，2013），形成高频噪声。

（2）在1—20 Hz频段内，迁建后功率谱噪声值普遍降低10—20 dB；由RMS值来看，UD向降低22.0%，EW向降低58.2%，NS向降低62.8%，迁建后井下仪器地动噪声RMS值 基本稳定在0.08×10-8m/s左右，没有峰值，没有周期性波动，进一步说明了井下仪器受外界影响较小，监测数据质量良好。

（3）小北湖火山台迁建前地噪声水平为0.94×10-8m/s，迁建后为0.58×10-8m/s；据中国地震局（2009），Ⅰ级环境地噪声水平Enl＜3.16×10-8m/s，因此，小北湖火山台选址符合规范要求，迁建前后均达到Ⅰ级台基水平，迁建后井下环境抗干扰能力更强，观测效果更好。