西拉木伦断裂带东沿背景噪声特征分析

安 全,韩晓明,刘甜甜,郭延杰,翟 浩,尹战军

(1.内蒙古自治区地震局,内蒙古 呼和浩特 010080；2.巴彦淖尔地震监测中心站,内蒙古 巴彦淖尔 015001；3.赤峰地震监测中心站,内蒙古 赤峰 024000)

0 引言

背景噪声是地震台站记录的观测数据主要组成部分,也是影响观测数据质量的主要因素之一。背景噪声越大,监测小地震事件的能力越弱,观测动态范围越小[1]。在地震台站进行监测时,因微地震信号具有能量弱、近地表吸收衰减严重、地面背景噪声源较多等因素导致信噪比底、初至震向难以被准确地判别和拾取等特点,严重制约微地震事件的定位精度[2-4]。为提高地震观测数据信噪比唐杰和许子龙等分别应用Deep-KSVD和小波阈值等去噪法的背景噪声压制取得了较好的成果[5-6]。背景噪声也包含了大量有用的信息,利用背景噪声记录进行互相关函数计算提取台站间的格林函数,可获取壳幔速度结构和分析地下结构[7-11];而计算台站间格林函数,获取壳幔速度结构和地下结构时会受到相干背景噪声在不同频带的强弱影响[12],因此地震台站背景噪声的评估与研究有非常重要的实际意义。

Peterson等[13]通过对全球正常背景噪声功率谱密度(PSD值)的研究,给出了全球低噪声新模型(NLNM)和高噪声新模型(NHNM),已被广泛应用于地震台站背景噪声水平评价,该方法计算数据经过筛选后才能应用。为了减免数据筛选这一预处理环节,McNamara和Buland等[14]提出了应用PSD概率密度函数(PDF)方法进行地震背景噪声PSD值的计算。该方法在国内外被广泛应用于地震数据质量检测、地震台站背景噪声水平评估、台站勘选数据处理等方面。如在国外,PDF方法被意大利[15]、新西兰[16]等国用于地震台站背景噪声水平评价;在国内,林彬华等、黄玲珠等应用PDF方法进行了地震背景噪声异常实时监测与观测数据质量自动检测[17-18];廖诗荣和陈绯雯基于PDF方法开发了地震台站勘选数据自动处理软件[19];2014年刘旭宙等研究了青藏高原东北缘地区噪声分布特征[20];2015年杨龙翔等[21]、2016年颜文华等[22]、2021年安全等[23]分别研究了河南地区、甘肃南部地区和内蒙古地区噪声特征。目前为止,尚没有人针对西拉木伦断裂带东沿地区进行噪声特征的小区域研究。该地区曾发生过几次破坏性地震,最近一次是2013年4月22日科左后旗5.3级地震。由此可见,研究该地区背景噪声分布特征有助于进一步了解该地区背景噪声产生机制,对该地区地震监测和地下结构研究提供高质量连续观测数据有很大帮助。

1 构造背景和数据来源

1.1 构造背景

西拉木伦深断裂位于内蒙古自治区东部,是中国东北地区的一条规模较大的断裂带。是石炭系、二叠系地层的分区界线,断续出露蛇绿岩带,是一个较深层的断裂带。断裂带主体位于天山—兴蒙地槽系的中东部,为沿西拉木伦河近EW向延伸的大型断裂构造。断裂带向西经达里诺尔—温都尔庙—白云鄂博北侧而掩没于沙漠戈壁中;向东沿西拉木伦沿通辽市—长春—延吉一线,掩没于松辽盆地内部。断裂带宽几十公里,长达一千余公里,是一条长期活动的深大断裂。西拉木伦断裂有三分之一被中、新生代沉积物所覆盖,出露较好、特征明显的主要分布在内蒙古赤峰市西拉木伦河一带。在基岩出露较好的西拉木伦河流域,构造现象极为明显[24],有利于地震背景噪声研究。

1.2 数据来源

中国地震局的“中国地震科学台阵——华北地区东部”(简称:科学台阵3.2期)地理区域为115.0°E以东、34.8°N以北、43.5°N以南区域,基本包括了整个西拉木伦断裂带;2018年初布设了平均台间距为40 km的342个陆地流动宽频带地震台阵观测点。

2020年9月完成了为期30个月的观测,产出了大量的连续观测数据。本文从这342个台站中选取西拉木伦断裂带东沿附近26个台站(图1)连续观测数据用于该地区背景噪声特征研究。26个台站观测仪器全部采用REFTEK-130B系列24位数据采集器和CMG-3ESPC系列宽频带(60 s～50 Hz)地震计。观测方式为浅井式(图2),井深(2±0.2) m。

图1 台站分布及1～20 Hz频段RMS值空间分布图Fig.1 Spatial distribution map of stations and RMS value in 1-20 Hz frequency band

图2 观测井台基Fig.2 Base of the observation well

2 数据处理

(1) 数据准备。首先把需要处理的数据段截成长度为一小时的数据段(采样率100/s),再把每小时数据段分为42个记录段,为了减少PSD值方差,邻近记录段间重叠50%,每个记录段长度约为160 s。

(2) 数据预处理。每个记录段数据进行去均值和去长周期处理,以减少长周期对功率谱估计的偏差;每个记录段数据扣除仪器传递函数响应,使记录段数据转为地动速度值。

(3) 加速度PSD值计算。预处理后的记录段数据进行快速傅里叶变换,得到以频率为自变量的速度PSD值,再把速度PSD值转换至加速度PSD值。为便于与全球高噪声模型(NHNM)、低噪声模型(NLNM)进行对比分析,最后把加速度PSD值以dB单位表示。

(4) 平滑处理。得到的加速度PSD值采用1/3倍频程平滑处理,使加速度PSD值在对数坐标上均匀分布。

(5)PDF值计算。重复步骤(1)～(4),得到每小时加速度PSD均值分布;依次得到每个台站选取数据段PSD均值分布。以-200～-50 dB变化范围、1 dB步长计算加速度PSD值相应PDF值。然后,以频率为横坐标、PSD值为纵坐标、色块颜色深浅绘制二维平面图,得到功率谱概率密度函数(PDF)分布图,不同色块代表某频点在一定PSD窗内功率谱概率数。

(6) 速度噪声均方根值(RMS)计算。根据2012年Bormann[25]提出的方法进行1～20 Hz频段(RMS)均值计算。

3 背景噪声特征分析

为便于分析西拉木伦断裂带东沿地区26个流动台站不同频带背景噪声特征,将观测数据分析频段分成3个频段,高频(0.5～50 Hz)、微震(0.5 Hz～20 s)、长周期(20～60 s)。其中微震又分为低频(0.5 Hz～10 s)微震和高频(10～20 s)微震,微震其产生机制与海浪和海岸的相互作用有关[26-27]。

3.1 1～20 Hz频段RMS值分布特征分析

为定量分析高频段RMS值空间分布特征,首先计算了26个台站同一时间段连续7天观测数据三分向1～20 Hz频段RMS平均值,并根据《地震台站观测环境技术要求第1部分:测震(GB/T 19531.1—200)》噪声水平分级规范[1]进行分类,以不同颜色代表不同级别噪声水平,画每个台站RMS平均值空间分布图(图1)。

由图1可看出,西拉木伦断裂带东沿地区26个流动台站背景噪声水平属于I类台站有4个,Ⅱ类台站有14个,Ⅲ类台站有8个。该区域东北地区RMS值明显高于其他地区,这与该地区人口密集与交通、工业相对发达有关;而人口稀疏、工业少的西部地区RMS值明显低于其他地区,说明高频段的噪声主要来源于人类活动;部分台站间RMS值相差10 dB以上,说明高频段RMS值区域性差异显著。

为进一步了解该区域RMS值时空变化特征,以下把7天连续数据分为夜间(21:00～8:00)和白天(8:00～21:00)数据进行1～20 Hz频段RMS值计算,并以三分向RMS平均值画昼夜对比图(图3)。

图3 白天和夜间1～20 Hz频段RMS值分布图Fig.3 The distribution diagram of RMS values in the 1-20 Hz band during the day and night

由图3可看出,昼夜RMS值空间分布曲线形状基本一致,说明RMS值区域性差异基本不随昼夜变化,既台站RMS值区域性特征显著;所有台站RMS值白天均高于夜间,且台站间昼夜差异相差较大,这种昼夜差异特征与人类作息规律一致,再次说明了高频背景噪声主要受人类活动影响,且不同区域受影响程度不同。

3.2 典型台站背景噪声特征分析

由图3可看出,3号台昼夜RMS值差异最大,大于10 dB,12号台昼夜RMS值差异最小,接近1 dB。以下选取该两台同一时间段7天连续数据,分为夜间(21:00～8:00)和白天(8:00～21:00)数据,计算垂直向昼夜PSD值,并画相应PDF值分布图,并随机选取一天连续观测数据1～20 Hz频段RMS值随时间分布,分析该两台背景噪声变化特征(图4),图中黑色实线代表最高PDF值对应的PSD平均值。

图4 3号台和12号台垂直向PDF值分布图Fig.4 Vertical PDF diagram of station 3 and 12

由图4中(a)和(b)可看出,在高频频段,3号台PSD值白天明显高于夜间,动态范围白天大于夜间10 dB左右,最高PDF值对应的PSD平均值在白天高于夜间10 dB左右,说明该台昼夜背景噪声水平差异较大,这种变化与白天人为活动频繁,夜间较为安静规律一致;由图4可看出,12号台昼夜PSD值差异不大,接近同一水平,但整体噪声水平并不低于3号台,甚至夜间高于3号台同一时间噪声水平,根据余大新等研究场地放大因子与沉积层厚度成正比结论[28],这可能与12号台地处沙漠,较厚沉积层对噪声源放大效应相对大有关。由图4可看出,在高频微震频段,3号和12号台昼夜PSD值及PDF分布图保持一致,没有区域性差异,说明高频微震频段背景噪声不受人为活动影响且时空分布差异不大,噪声源主要来自自然环境;在低频微震段,3号和12号台白天PSD值均略大于夜间,且两台同一时间PSD值有微小差异,说明低频微震段背景噪声时空分布有一定差异性,但差异性不大,这可能是白天环境因素变化大于夜间,且每个地区环境变化因素不同造成的;由图4(a)、(b)、(d)可看出,3号台昼夜和12号台白天PSD值图在微震段动态范围较大,部分PSD值高出了NHNM,这主要由于记录段数据分别监测到了几次不同的远震有关,但这低概率地震事件对最高PDF对应的PSD平均值分布影响不大。在长周期频段,由图4可看出,3号和12号台最高PDF值对应的PSD平均值白天略高于夜间,白天PSD值动态范围大于夜间,主要是因白天温度变化大、地倾斜显著引起[1];12号台最高PDF值对应的昼夜PSD平均值明显高于3号台,即区域性差异较为显著,这可能与12台对噪声源放大效应大有关。图4中所有PSD曲线低频截止频段都有个异常跳动是因为PSD计算时低频截止频带外数据没有扣除传递函数放大倍数引起,对计算频段内数据计算结果没有影响。

由图5(a)可看出,3号台RMS值昼夜差异显著,白天明显高于夜间。由图5(b)可看出,12号台RMS值基本没有昼夜差异,这一结果与图4高频段PSD分布结果基本一致,说明在给定倍频程相对宽度后,RMS值与PSD值一一对应,都能评估台站背景噪声水平。

图5 3号和12号台垂直向24小时RMS图Fig.5 Vertical RMS diagram of station 3 and 12 in 24 hours

3.3 最高PDF值对应PSD平均值特征分析

为进一步研究微震和长周期频段背景噪声特征,以下分别选择了1号台和20号台与邻近地区赤峰台(山洞观测固定台)、大沁塔拉台(地表观测固定台)连续7天同一时间段观测数据,并把数据分为夜间(0点～3点)和白天(9点～12点)观测数据,计算其最高PDF值对应的PSD均值,进行微震和长周期频段背景噪声特征分析。

由图6可看出,在高频微震频段,同一个台站三分向昼夜背景噪声水平保持一致,不同台站间三分向背景噪声值有较高一致性,均在2.5 s左右均有个-140 dB左右峰值,说明在高频微震频段背景噪声不随时空变化而变化,与人为活动相关性不大,噪声源主要来自自然环境,前人研究认为该峰值是由两组周期相同、传播方向相反的波经过干涉而生成的[29];在低频微震频段,由图6(a)、(c)、(e)、(g)可看出,夜间噪声在12～15 s左右明显有个峰值频段,且每个台站三分向记录特征基本一致,前人研究认为该峰值是由海洋波与海底或海岸线的非线性相互作用引起的压力扰动所致[30];由图6(b)、(d)、(h)可看出,1、20号和DQL台水平向14 s左右峰值白天不明显或没有,但垂直向较明显,这可能由于1和20台属于流动观测,台站建设方式为拼装式观测井,白天相比夜间温度变化大和受人为活动导致观测井微变形而干扰观测数据有关,DQL台属于地表台,白天附近公园建筑物因人为活动因素晃动而干扰观测数据有关,且这些干扰对水平向更敏感;由图6(e)、(f)可看出,赤峰台昼夜噪声特征一致,这是由于赤峰台观测方式为山洞,保证了台站仪器观测环境恒温、恒压、恒流,对提高观测数据质量在低频微震段效果显著。在低频段,由图6(a)、(b)、(c)、(d)、(g)、(h)可看出,1、20号和DQL台白天PSD值和PSD值动态范围大于夜间,水平向昼夜PSD值差异大于垂直向,且水平向PSD值均高于垂直向10 dB左右,这主要是白天温度变化和地倾斜大于夜间引起,温度变化使地震计内部失去平衡状态,地倾斜使重力耦合到水平向,对水平向的影响远大于垂直向,是形成这一频段背景噪声特征的重要原因[1];由图6(e)、(f)可看出,赤峰台昼夜三分向长周期PSD值基本保持一致,这是山洞观测台站温度、湿度、气压变化相对流动台恒定的益处,也是固定台站建设尽量选择山洞观测的主要原因。图6中所有PSD值曲线低频截止频段都有个异常跳动是因为PSD值计算时低频截止频带外数据没有扣除传递函数放大倍数引起,对计算频段内数据计算结果没有影响。

图6 最高PDF值对应的PSD均值Fig.6 The average PSD corresponding to the highest PDF value

4 讨论与结论

本文利用西拉木伦断裂带东沿地区台站观测数据,计算了每个台站PSD值及其相应PDF值和1～20 Hz频段RMS值,主要得以下结论:

(1) 高频段,西拉木伦断裂带东沿背景噪声随时空变化特征显著,变化特征与人类活动规律一致,说明人类活动是高频段噪声主要来源;在给定倍频程相对宽度后,RMS值与PSD值均能评估台站背景噪声水平;位于沙漠地区台站昼夜RMS值差异小,但相对RMS值并不低,这可能与沙漠地区沉积层厚,对背景噪声放大效应相对大有关。

(2) 在微震频段,背景噪声在2～10 s和10～20 s有两个峰值,分别为高频微震和低频微震;在高频微震频段,背景噪声在2.5 s左右均有个-140 dB左右峰值,背景噪声随时空变化特征不明显,噪声源与人类活动规律相关性不大;在低频微震段,夜间噪声没有明显区域差异,14 s左右明显有个峰值;流动台昼夜背景噪声在低频微震频段有一定差异,白天噪声有一定的区域性差异,固定台昼夜三分向背景噪声值一致,这主要与流动台白天温度变化大和受人为活动导致观测井微变形有关。

(3) 在低频段,流动台背景噪声有一定的昼夜差异,水平向昼夜PSD值的差异大于垂直向,且水平向PSD值均高于垂直向10 dB左右,固定台三分向PSD值变化不明显,这主要是流动台白天温度变化使地震计内部失去平衡状态与地倾斜使重力耦合到水平向,对水平向的影响远大于垂直向引起。

为了降低由人为活动引起的背景噪声干扰,在西拉木伦断裂带东沿地区26个台站勘选过程中,在满足台站布局、信号处理、仪器安全等要素的前提下尽可能选择较为偏僻的地区作为台站拟建设区域,有效提高该地区流动台站观测数据质量,使所有台站背景噪声水平满足低于-127 dB的观测要求。在台站建设过程中使用浅井式观测方式,在仪器安装时使用双层保温罩,这一措施有效保证仪器观测环境相对恒温,降低低频段背景噪声水平,但拼接式观测井相比山洞观测在恒温、恒压方面还有一定的差距。在经过实际观察波形数据和数据定量分析发现,观测井变形引起的背景噪声变化主要体现在水平向低频和微震频段上,这对流动台站观测数据质量有一定的影响,也是后续“一带一路”科学台阵观测中需要改进的地方,比如观测桶内挖深井,传感器安装在深井,其他设备安装在观测桶。