蒙城数字地震台台基噪声分析

摘 要：台基的噪声是反映在此台基上能否进行测震数字化观测的基本条件和观测环境的优劣，台站的监测能力不仅取决于仪器的性能，还与台基的噪声背景有关，通过分析我台的台基噪声水平及其特征，深入认识本台台基噪声对测震各类数字化仪器观测的影响程度，并提出合理化建议。

关键词：蒙城台 台基噪声 噪声评价

中图分类号：TH76 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（c）-0248-03

不同频段的地震记录仪，除了能记录到地球上不同类型地震波的传播外，还能记录到了很多复杂的噪声信号，如潮汐、台风等影响就是台基噪声之一，它包括岩石本底噪声，周围环境噪声和人为干扰等产生的噪声，是所有噪声叠加在一起的综合作用，在不同频段，不同动态范围，不同灵敏度的仪器上记录到的脉动情况是有所差异的。通过九五、十五改造，安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站相继增上了FSS-3M短周期、BBVS-120甚宽频带地震计、JCZ1-360超宽带地震计，基本上达到了全频带观测，为了充分地发挥这些仪器在地球物理科学研究方面的作用，就现有的台基条件能否满足各种仪器的观测规范要求，有必要对本台台基背景噪声进行评估。

1 地震台站台基噪声的分析计算

1.1 资料的选取

一般情况下，台址的干扰背景与时间有关，白天噪声大，夜间较平静，数据样品应在比较平静的时间段内采集。数据选取在23点到凌晨5点之间进行，要保证选取的数椐没有地震记录，而且记录长度足够长（1小时）。

1.2 去直流分量

在数字地震记录中有直流偏移，也就是说在记录的信号中包含有直流分量，它不表示地面运动，在计算中必须扣除直流分量。

式中，Xi为每个采样点的值；N为记录长度的总采样个数。

1.3 计算公式和方法[1]

实测地脉动速度值计算公式为：

式中，V为实测地脉动速度值（单位m/s）；N为实际记录背景噪声值（单位counts）；U为输入峰值电压（单位V）；K为数据采集器实际工作时的增益；S为地震计工作灵敏度（单位v・s/m）；R为仪器分辨率（单位counts）。脉动噪声的均方根：

RMS值为脉动噪声的均方根值，可以衡量台基的背景噪声水平。其中：

V为实测地脉动速度值（单位m/s）；Vi为某点实测地脉动速度值（单位m/s）。

2 观测动态范围计算方法和观测动态范围计算公式[2]

2.1 观测动态范围计算公式为

20log系统满量程（r・m・s）/地脉动噪声（含仪器噪声）（r・m・s）即：

（1）

2.2 观测动态范围的计算方法为

设台站一个噪声样本中的数据点值为Xi，i=1，2，…，n-1，n为数据点数，则按如下步骤分析台站记录的地动噪声数据：去除直流分量（地震观测系统中存在的偏移），

（2）

2.3 求地动噪声记录的有效值e

（3）

e为以count为单位的记录数据。

2.4 将记录有效值e换算成背景噪声速度有效值

eV=e・P/（S・G・2m），式中：S为地震计的速度灵敏度，单位是v・s/m；P为数据采集器输入允许峰―峰电压值，单位是V；G为数据采集器的设置放大倍数；m为数据采集器的位数，如使用的是16位采集器，m=16。

将计算得到的地脉动噪声值eV代入观测动态计算公式（1），即得到某一台站的观测动态范围。注意系统满量程（r・m・s）是以一个周期的正弦波计算的有效值。前提是数字记录信号分辨率应高出记录地动噪声1倍，相当于模拟可分辨记录2mm（p-p），即数字分辨率为2×RMS。

3 国际上流行的噪声功率谱[4]

目前除了观测规范要求的以地脉动的有效（均方根）值来衡量台站的噪声水平外，国际上流行以噪声功率谱来衡量台站的噪声水平，它可以表征整个观测频带的噪声水平状况。即目前通常采用皮特森地脉动噪声加速度功率谱密度曲线描述台站台基噪声水平见图1所示。图中（NHNM、NLNM）是皮特森地动加速度高噪声边界曲线和低噪声边界曲线，现已成为人们评价地球上任意一个地震台站台基背景噪声水平的基本标准。

本分析采用地动背景噪声加速度功率谱密度，单位m/s2/Hz和地动背景噪声速度功率谱，单位m/s/Hz，取1～20 Hz观测频段内。

4 蒙城台各类测震仪的计算结果

用中国地震局港震公司数字地震仪观测系统测定软件，参照北京港震机电有限责任公司.数字地震仪参数测定软件使用手册，2005，对我台各类测震仪器，抽取在00-05时之间的平静（无地震、爆破）记录（为减少篇幅仅给出FBS-3A+EDAS16一例，其他略去），进行测试计算的结果见表1。

5 对参数结果进行分析

根据台基噪声水平划分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类台的标准：Ⅰ类台数字记录的台基噪声RMS值在1.047198×10-8～3.141593×10-8（m/s）之间，相当于模拟放大倍数10万～30万（倍）；Ⅱ类在3.490659×10-8～1.047198×10-7（m/s）之间，相当于模拟放大倍数3万～9万（倍）；Ⅲ类在1.256837×10-7～3.141593×10-7（m/s）之间，相当于模拟放大倍数1万～2.5万（倍）。台基噪声干扰水平，速度背景噪声的有效值应小于1×10-7（m/s），甚宽频带加速度（100～1000 s）背景噪声有效值应小于2×10-9，才能达到满足正常运行观测的环境噪声要求。

①对于速度型地震计，FBS-3A+EDAS-16和KS-2000+EDAS24IP达到Ⅱ类台站，JCZ-1T加速度计、BBVS-120速度计达到Ⅲ类台基，其它仪器都达到Ⅰ类台基噪声背景表1。②对于加速度PA-23强震计三个分向基本上达到Ⅱ台基噪声要求，JCZ-1T加速度计三分向达不到Ⅱ台基噪声要求，在低频段两水平向基本进入皮特森曲线边界线，在高频段只有部分垂直向进入皮特森曲线边界线，不能满足Ⅱ类台基观测要求，可以通过如消除温度变化的影响，气压扰动，气流扰动的影响等来满足观测噪声背景要求。③对于BBVS-120地震计，东西向达到了二类台基标准，垂直向与南北向仅达到三类台的噪声标准，噪声脉动比较高在300counts以上，不满足二类台基观测规范要求见表1，需要将台基、摆墩进一步改造使之达到国家二类台的标准。④其他仪器带宽基本在皮特森曲线范围内，能满足地震观测要求。⑤除BBVS-120+EDAS24IP垂直向和南北向外，噪声脉动基本在50counts以下，还是比较低的，说明我台的台基环境比较适合大部分地震仪器观测，但不太适合BBVS-120速度地震计、JCZ-1T加速度地震计观测，从本台的皮特森地动噪声曲线图明显的可以看出，见表1。

6 结论

通过对蒙城数字地震台站台基噪声和观测动态范围的分析计算可以看出：①有效观测动态范围的大小与数字地震仪的种类有关；②根据所测结果与“中国数字测震台网技术规程”相对比，绝大部分达到到Ⅱ台基标准，对于个别观测仪器甚至达到Ⅰ类台基的标准，如PA-23加速度地震计。甚宽频带BBVS-120地震计的垂直向和南北向达不到二类台基的噪声要求，仅达到三类台基的噪声标准，JCZ-1T速度地震计能达到Ⅰ类台的噪声标准，而加速度计仅达到Ⅲ类台基要求。建议按照现行技术标和观测规范重新建设摆房，改造摆墩，清除附近的干扰源，加强观测环境的保护，使仪器有一个更良好的工作环境，充分发挥测震全频带数字观测系统的作用。

参考文献

[1] 中国地震局.地震学与测震技术[M].北京：地震出版社，2001.

[2] 任枭，刘瑞丰，梁建宏，等.国家数字地震台网台站地动噪声功率谱分析[J].地震地磁观测与研究，2004，25（1）：24-29.

[3] 童汪练.数字地震仪参数测定软件使用手册[M].北京：港震机电有限责任公司，2005.

[4] 陈会忠.台站（网）的建设与运行.中国地震局监测预报司，2006.