山西龙祠地震台毗邻的麦圪岭小山地形对背景噪声的影响研究

陈学良 高孟潭 孙为国 李铁飞 鄢兆伦

（中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

大规模流动地震台阵观测已经成为高分辨率深、浅部结构成像的重要手段和发展方向，台基条件和背景噪声是影响流动地震观测质量的关键因素。山西龙祠地震台为国家综合观测基准台，除测震（区域数字测震、国家数字测震）外，还包括地磁（FHD）、地电（地电阻率、地电场) 、地形变（模拟金属水平摆、数字水平摆、数字垂直摆、数字钻孔地应变、定点水准）、数字气象等多种观测手段。位于临汾市尧都区金殿镇的麦圪岭小山下（龙祠村北约1.5km），占地约9亩，距临汾市区21 km。龙祠地震台周围有罗云山山前断裂、离石断裂、郭家庄断裂、塔儿山西缘断裂、大阳断裂、洪洞断裂、万安断裂、襄汾凸起南缘断裂等多条断裂；在其附近几十公里范围内，5.0～8.0级的地震就发生了9次，地震活动性强；可以认为麦圪岭小山地形位于较为破碎的地质构造单元，目前可以获得的断层地下信息（几何尺寸、介质参数等）不够丰富，本文不将包括多个断裂的周围大区域作为研究对象，而仅将麦圪岭小山地形加以单独研究。研究地形对地脉动的放大特性，主要是为研究地形对地震动的放大特性服务。理论上讲，只要地形模型为线弹性，则体系的传递函数是基本一致的，与体系的输入无关，不管是白噪声信号、近似δ脉冲波、还是地震动作用，而且放大倍数也是基本相同的。

在麦圪岭小山地形上布设4个观测点，自山顶到山脚的仪器分布为：LCT04，布设在山顶；LCT03，布设在山腰（山中上部）；LCT05，布设在山洞（山中部）；LCT01，布设在山脚（山底），位于地表以下深2m坑内的摆墩上，该摆墩处于厚覆盖土层之上。从持续观测的第200天-第250天这51天之中，选择210,220, 230, 240, 250的夜间平静时段，分析山顶、山腰、山洞、山脚土层四测点的EW、NS、UD的白噪声时程信号，分析山顶、山腰、山脚土层相对于山洞信号的傅里叶谱谱比特征，观测结果表明：覆盖土层的地脉动信号（背景白噪声）信号明显强于山顶、山腰、山洞中的地脉动信号。存在山顶到山腰、到山洞地脉动信号逐渐减小的规律。在13～22Hz之间，更严格，约为17～18Hz之间，存在显著的地形放大特性。

利用廖振鹏等提出的解耦近场波动数值模拟思想，即将多次透射公式(MTF)与集中质量显式有限元方法相结合，即采用“波动有限元的方法”求解处于半无限域开放体系的动力响应问题。该方法的“内点”计算需要一种时域显式数值积分格式，采用 Newmark“新”显式数值积分格式（γ=1/2，β=1/6）时的第三种积分格式）求解。该方法在空间上解耦、在时间上显式，具有占用计算机内存小、计算效率高的特点。针对上述特性，建立了小山地形的有限元计算模型，输入了近似δ脉冲波和人造高斯白噪声信号，开展了开放体系的时域显式波动有限元SH、P-SV波动数值模拟分析。

结果表明：①不管是水平向还是竖向、是脉冲波还是白噪声输入，数值模拟的震动响应均是从山顶、山腰、山洞、到山脚，逐渐减小，从波形的峰值上，体现了小山地形的地形放大效应。山顶相对于山洞的放大因子约为2.0。②不管是把白噪声信号当作SH型地震动，还是当作P-SV型地震动，山顶相对于山洞的传递函数，在频率16～18 Hz之间，发现了由于山体地形导致的背景噪声的放大效应，该结果与背景噪声的观测结果相一致。③ P-SV型震动信号输入地震响应分析可知，不管是输入近似δ脉冲波还是高斯白噪声信号，小山地形模型均发生了可观的波型转换现象。即，输入水平向的剪切震动时，虽然小山地形主要产生水平向震动，但是还产生了可观的竖向震动；输入竖向震动时，虽然主要产生竖向震动，但也产生了可观的水平向震动。可理解为P波受地形效应的影响，除产生P波外，还产生了次生SV波， SV波受地形效应的影响，除产生SV波外，还产生了次生P波。SH波虽然也受地形效应的影响，但不发生波形转换，数值计算与理论分析相一致。④场地土层对背景噪声的放大效应显著，甚至远超过地形效应的影响。由于覆盖土层的存在，导致山脚土层信号强度增强为原来山脚基岩信号强度的3倍左右。从信号幅值来看，覆盖土层的放大效应（3.0倍），超过了小山地形放大效应（2.0倍），约为小山地形放大效应的1.5倍。