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流动地震观测背景噪声的台基响应_图文

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流动 地震 观测 背景 噪声 台基 响应 图文
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第 56卷 第 3期2013年 3月地球物理学报CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSICSVol.56,No.3Mar.,2013葛洪魁 ,陈 海 潮 ,欧 阳 飚 等 .流动地震观测背景噪声的台基响应 .地 球 物 理 学 报 ,2013,56(3):857-868,doi:10.6038/cjg20130315.Ge H K,Chen H C,Ouyang B,et al.Transportable seismometer response to seismic noise in vault.Chinese J.Geophys.(inChinese),2013,56(3):857-868,doi:10.6038/cjg20130315.流动地震观测背景噪声的台基响应葛洪魁1,2,陈海潮1,欧阳飚3,杨微1,张梅4,袁松湧1,王宝善11中国石油大学(北京 )非常规天然气研究院 ,北京1022492中国地震局地震观测与地球物理成像重点实验室,北京1000813中国地震局地质研究所,北京1000294山西省临汾市地震局,山西临汾041000摘要大规模流动地震台阵技术发展为高分辨率深部结构成像提供了重要基础 ,背景噪声是影响流动地震观测质量的关键因素 .为掌握流动地震观测噪声规律 ,发展流动地震观测降噪技术 ,编制流动地震观测技术规范 ,我们开展了针对不同台基流动地震观测背景噪声的观测实验与分析 .其中 ,山西省临汾市五个地点架设了共 22个对比观测台站 ,进行了超过一年半的连续观测 .通过计算不同频段范围内背景噪声记录的加速度功率谱密度 ,研究了不同场地条件和环境噪声下流动地震观测台站的噪声特征及其台基响应 ,分析了不同台基处理方式对噪声的抑制效果 .结果表明 :(1)高频人为噪声和长周期自然噪声是影响流动地震观测质量的主要噪声 ,可以通过增加台基深度和改善台基处理方式等方法降低其影响 ;(2)增加台基深度能有效地降低长周期噪声和高频噪声 ,2m深坑能使高人为噪声台站各分量的高频频段和长周期频段分别降低 5dB和 10dB;(3)由于其不稳定性 ,沙子台基的水平分量在长周期频段一般要高于摆墩台基 5dB,流动地震观测中推荐使用摆墩台基 ;(4)台站位置 、台站内部温度和空气流动都是影响台站噪声的重要因素 .在此基础上提出了不同场地条件和噪声环境下的台基处理建议和适合国情的移动地震台阵台站建设参考方案 ,有助于流动地震观测野外工作的标准化和规范化 .关键词宽频带地震计 ,流动地震台站 ,噪声 ,功率谱密度 ,台基处理 ,对比观测doi:10.6038/cjg20130315 中图分类号  P315 收稿日期 2012-04-19,2012-10-28收修定稿基金项目行业专项 (200908008,201008001)和院所长基金项目 (DQJB09B12)资助 .作者简介葛洪魁 ,男 ,1963年生 ,博士 ,研究员 ,主要从事实验地球物理 、地震主动探测技术和岩石物理学方面的研究 .E-mail:gehongkui@163.comTransportable seismometer response to seismic noise in vaultGE Hong-Kui 1,2,CHEN Hai-Chao1,OUYANG Biao3,YANG Wei 1,ZHANG Mei 4,YUAN Song-Yong1,WANG Bao-Shan11 Unconventional Natural Gas Institute,China University of Petroleum,Beijing102249,China2 Key Laboratory of Seismic Observation and Geophysical Imaging,Institute of Geophysics,China Earthquake Administration,Beijing100081,China3 Institute of Geology,China Earthquake Administration,Beijing100029,China4 Seismological Bureau of Linfen,Shanxi Linfen 041000,ChinaAbstract Dense transportable seismic arrayis now an essential tool for subsurface structureimaging.Ambient seismic noise is one of the critical factors that influence seismic recordingquality especialy in sedimentary cover and noisy condition.With the advent of ever largercampaign deployment of seismic array,it is increasinglyimperative to standardize and optimizethe seismic station construction.We have conducted a comparative observation experiment inLinfen cityof Shanxi Province.22stations were built in 5localities of different geologic settings地 球 物 理 学 报 (ChineseJ.Geophys.)56卷  (sedimentarydeposit and bed rock)and different background noise levels(quiet and high culturenoise).The focus of the experiment is to determine the ambient noise characterization and siteresponse under various noise levels or different vault construction,and evaluate the denoisingeffect for improvingthe recordingquality.Ambient noise power spectral densities(PSDs)werecomputed as a function of frequencyfor stations usingcontinuous data recorded from Jun 2010toJun 2011,and al PSDs are smoothed in ful-octave averages at 1/8octave intervals and then astatistical analysis is applied to yield probabilitydensityfunctions(PDFs).The analysis resultsare then compared with NLNM and NHNM to identifynoise levels.The result shows that:(1)High-frequencyculture noise and long-period natural environmental noise are the main sourceof transportable seismic noise,which can be significantlyreduced with specific vaultconstruction;(2)Deepvault is a remarkablyeffective method for seismic background noisereduction,and a 2mdeepvault can lower high-frequencyand long-period noise approximatelyby5dB and 10dB respectively.(3)Rather than sand-slate vault,pier vault should be adopted fortransportable deployment,attributed to its stabilityand sustainability.(4)The station site,thetemperature and air flow in the vault are also important factors that should be treated carefulyduringstation deployment.Based on the above analysis,we present vault construction advices fordifferent geologic settings and noise levels,also proposed is reference station scheme fortransportable array.The research wil facilitate field work standardizingof transportable seismicstation deployment.Keywords Broadband seismometer,Transportable seismic station,Seismic noise,PowerSpectral Density,Vault construction,Comparative observation1 引言大规模流动地震台阵已经成为高分辨率深部结构成像的重要手段和发展方向[1-3].电子及传感器技术的发展已经使地震仪器向小体积 、高性能方向发展 ,以便研究人员能在感兴趣的区域布设密集的流动地震观测台站 ,从而达到提高成像分辨率和事件检测能力的目的.近些年国内中国地震局 、中国科学院 、国土资源部等单位陆续建立了大型地震台阵探测系统 ,为大型探测计划 (如华北地震探测 )的实施创造了条件.目前 ,中国地震局正在组织实施中国地震科学台阵探测计划 ,计划用12年左右的时间 ,完成全国范围内的地震台阵探测 ,获得整个中国大陆地区地壳与上地幔精细结构图像和介质物性的分布特征 ,提高对深部孕震环境和地震发生机理的认识水平.噪声是影响地震观测质量的主要因素之一.地震观测台站的一个重要挑战就是通过改善台基处理和地震计安装方式 ,降低噪声水平 ,保证仪器长期稳定地运行 ,提高观测质量.美国地质调查局阿尔伯克基地震实验室 (USGS/ASL)开展了噪声特征分析及改进地震计安装方式的研究[4-7].Peterson[4]定量分析了全球各地75个固定地震台站的地震背景噪声功率谱密度 ,得到了全球地震背景噪声模型 ,包括新高噪声模型 (NHNM)和新低噪声模型(NLNM).McNamara等[5]在Peterson的基础上分析了美国大陆的背景噪声水平 ,提出了用概率密度函数 (PDF,ProbabilityDensityFunction)统计地分析地震观测台站噪声水平的方法.该方法已经成功地应用于美国IRIS、ANSS数据管理中心和其它流动台阵观测进行质量控制[6-7].流动 台 阵 (Transportable array)与 固 定 台 站(Permanent station)和灵活台阵 (Flexible array)都不同.固定台站已经有了相应的国家标准和规范(GB/T 19531.1—2004《地震台阵观测环境技术要求 第1部分 :测震 》),而由于流动台阵覆盖和密集布设要求 ,会遇到多种地质条件和噪声环境 ,且很难避开人为噪声源.与灵活台阵相比 ,流动台阵对台站及其数据质量的要求更高.目前国际上还没有统一的流动地震观测技术规范.美国IRIS/PASSCAL仪器中心有自己的仪器架设标准[8],英国Guralp等地震仪厂家在说明书中也给出了地震计在基岩 、深坑等不同环境中的安装方法及建议[9].如沙子台858 3期 葛洪魁等 :流动地震观测背景噪声的台基响应基安装方法能降低地震计的安装成本 ,提高其可移动性[10].用沙子填充在深井地震计周围能显著地减少由于空气对流引起的水平分量长周期噪声[11].一般来说 ,不同地质区域 ,噪声的影响及其衰减不尽相同 ,因此希望通过不同的台基处理尽量降低背景噪声 ,提高地震记录质量.目前 ,我国大规模流动地震观测技术仍处在发展阶段 ,还没有建立起相应的技术规范 ,野外观测人员往往根据经验进行操作 ,随意性强.虽然国外已经有流动台阵的架设标准 (IRIS/PASSCAL),但由于我国地质 、地形复杂 ,且没有专门的施工队伍 ,以及要考虑成本约束 ,这就要求制订适合我国国情的经济 、快捷 、实用的流动地震观测技术规范.基于这种思路 ,我们在山西临汾市开展了流动地震台站对比观测实验 ,通过定量分析噪声主要来源和特征及不同台基处理的降噪效果 ,为发展流动观测降噪技术 、编制 《流动地震观测技术规范 》打下基础 ,为大型观测计划的实施提供技术支撑.2 对比观测台站在山西省临汾市五个具有典型地质条件和环境噪声的地点 ,分别进行了不同台基条件和环境噪声的对比观测实验 ,建立了5个子台阵共22个流动地震对比观测实验台站 ,台站的分布如图1b.表1给出了各子台阵的地质条件 、噪声水平及实验目的.图2是各子台阵中台站分布示意图.图3a是本实验中采用的摆墩台基安装方式 ,图3b是沙子台基安装方式.所有台站采用统一的架设方案 ,图3c是流动观测台站的外观 ,简洁 、美观 ,并且基本能满足流动地震观测的需要.表 1流动子台阵环境噪声和实验目的Table 1 Locations and other parametersof transportable subarray地质条件 子台阵 环境噪声 实验目的山区基岩 LCT弱人 为 噪 声 ,主 要为自然噪声基 岩 上 不 同 台 基 类型和台站位置对比薄沉积层 FST矿 山 开 采 中 公 路 车辆噪声薄 沉 积 层 上 不 同 台基深度和类型对比薄沉积层 SCT单一 噪 声 源 ,主 要是人的活动沉 积 层 上 离 噪 声 源不同距离对比厚沉积层 YDT复杂 噪 声 源 ,繁 忙公路旁 ,强人为噪声沉 积 层 上 高 噪 声 环境不同台基深度对比厚沉积层 LGT复杂 噪 声 源 ,繁 忙公路旁 ,强人为噪声沉 积 层 上 高 噪 声 环境不同台基深度对比图 2各子台阵中台站几何分布示意图Fig.2 Geometry distribution of seismometersin each subarray图 1(a)临汾盆地构造背景.(b)本实验中流动地震对比观测台站分布图 ,黑色三角形表示子台阵 ,由 LCT、SCT、LGT、YDT和 FST共 5个子台阵组成 ,每个子台阵包括 4~5台地震计 .Fig.1 (a)Topography and tectonic sketch maps of Linfen Basin.(b)Distribution of transportable seismic comparativestation(black triangle),including LCT,SCT,LGT,YDT and FST subarray.Each subarray is composed of 4or 5seismometers.958地 球 物 理 学 报 (ChineseJ.Geophys.)56卷  图 3(a)摆墩台基地震计安装示意图 ;(b)沙子台基地震计安装示意图 ;(c)流动地震观测台站外观 ;(d)CMG-3ESPC宽频带地震速度频率响应曲线,速度的频率响应范围为60s~50Hz.Fig.3 (a)Seismometer with pier vault construction;(b)Seismometer with sand vault construction;(c)The appearanceof transportable seismic station;(d)Frequency response of CMG-3ESPC broadband seismometer,with flat velocityfrequency response range 60s~50Hz.虽然结合已开展的流动台阵观测项目可以对噪声规律 、台基处理等进行评价 ,但存在场地条件可比性 、仪器一致性等方面的不足 ,使得到的规律是统计性的[12].而本实验中 ,各子台阵的各台站除对比观测要素外 ,其它条件完全相同 ,排除了其它因素的干扰.台站均 使 用 英 国Guralp公 司 生 产 的CMG-3ESPC宽 频 带 地 震 计 ,仪 器 频 带 范 围 为60s~50Hz(图3d),该地震计是地震台阵观测的主要仪器类型.所有地震计在使用前经过统一标定以确保仪器的一致性.每台地震计配备Reftek 130B数据采集器 ,采用GPS进行时间同步 ,以采样率100sps连 续 记 录.台 站 从2010年6月6日 开 始 陆 续 投 入观测.期间由于强降雨等其它原因 ,4台地震仪停止工作导致数据缺失.本文使用2010-06—2011-07约一年的观测数据.3 数据处理方法确定台站背景噪声水平的标准方法是计算噪声功率谱密度PSD(Power Spectral Density).我们采用McNamara[5]的方法 ,计算了各台站加速度功率谱密度及相应的概率密度函数PDF.该方法在计算过程中不必排除地震等突发事件 ,不需要挑选连续平静的噪声记录 ,而是将这些统一进行处理 ,这些扰动将作为低概率事件存在于PDF中 ,因此PDF能统计地反映台站噪声水平的动态变化范围.3.1 数据处理我们将各台站各分量 (U-D,N-S,E-W)的连续地震波形记录分为长度为1h(3600s)的数据段 ,数据段重合50%,这样每个台站的每一分量每天有48条数据段 ,约一年的数据被分成约17500条数据段.每条数据段处理步骤如下 :(1)根据宽频带地震计CMG-3ESPC的传递函数 ,去除仪器响应 ,得到地面运动的速度记录 (m/s);(2)为尽可能地减少PSD的方差 ,1小时的数据段被分成14小段 ,每小段数据的长度为1000s,数据段重合率为80%;(3)对于每一小段数据去均值与线性趋势 ;(4)将Welch窗口叠加到数据段上 ,以压制计算数据序列FFT的旁瓣效应 ,平滑FFT的计算结068 3期 葛洪魁等 :流动地震观测背景噪声的台基响应果 ,加窗造成的影响将在后面的计算过程中纠正 ;(5)计算时间序列的功率谱密度 ;(6)重复步骤 (3)—(5),计算所有14小段的速度功率谱密度 ,取平均值 ,得到1h长度数据段的速度功率谱密度随频率的分布 ;(7)对得到的速度功率谱密度进行1/8倍频程滤波 ,得到平滑且在对数坐标上均匀分布的速度功率谱密度 ;(8)将速度功率谱密度转化为加速度功率谱密度 ,并进一步变换为以dB为单位 ,以便于后面和NLNM、NHNM进行对比分析 ,分不同的频段研究加速度功率谱密度的特征.图4b是LCT05台站垂直分量典型的1h地震噪声记录的加速度功率谱密度.图 4(a)LCT05台站垂直分量的 PDFs(4369条 PSDs),能明显地看出人为噪声 、微震噪声和长周期噪声等 ;(b)LCT05台站垂直分量加速度功率谱密度(黑线 )及其经1/8倍频程平滑后的结果(红点 );(c)(a)中四根竖直虚线处中心频率功率谱密度分布直方图Fig.4 (a)PDF of seismic station LCT05,constructed using 4369PSDs.Culture noise,microseisms and long-periodnoise are observable in the PDF.(b)PSD of vertical component of LCT05station(black line)and the PSD averaged overful octaves in 1/8octave intervals(red points).(c)Histograms of PSD at four separate frequency marked by verticaldotted lines in(a)168地 球 物 理 学 报 (ChineseJ.Geophys.)56卷  3.2 概率密度函数上面计算得到的是单条数据段的加速度功率谱密度随频率的分布.由于外界环境的变化 (如温度 )和突发事件 (地震和人为噪声 )的影响 ,功率谱密度将随时间不断变化.如何评价台站的平均噪声水平呢 ?McNamara等[5,7]提出PDFs以统计地分析功率谱密度在长时间段内的分布规律及其随时间的变化.该方法的基本思想是统计各个频率的功率谱密度长时期内取某一值的概率.本文中我们对1/8倍频程滤波后的功率谱密度进行统计.设f为统计的中心频率 ,以1dB为间隔进行统计 ,统计范围为-200~ -80dB(加速度功率谱密度绝大部分在此范围内 ),Nf是以f为中心频率的所有功率谱密度数 ,Ndf是频率f处功率谱密度在 (d~d+1)dB范围内的个数 ,则 (f,d)处的概率密度为 :P(f,d)=Ndf/Nf.统计所有的中心频率 ,得到功率谱密度在-200~ -80dB上的统计分布.图4a是LCT05台站的垂直分量加速度功率谱概率密度函数分布 ,第5百分位数和第95百分位数分别表示功率谱密度的下限和上限 ;众数是功率谱密度最可能的取值 ,最能反映台站的平均噪声水平 ,但是在5Hz以上的频段由于人为噪声规律变化的影响 ,容易出现跳变 ;平均值容易受极值的影响 ,偏离众数统计较远 ;中值统计曲线平滑 ,且基本和众数统计曲线重合 ,在后面的分析中我们取中值统计代表台站相应分量平均噪声水平.4 观测结果分析与讨论4.1 主要噪声来源及特征地震计的噪声主要来自两方面 :仪器自身噪声和环境噪声.现代宽频带地震计在工作频带内的自身噪声要远低于环境噪声[13],因此我们主要考虑环境噪声的影响.由于不同频率的噪声来源和特征不同 ,为便于对比分析 ,我们根据宽频带地震计GuralpCMG-3ESPC的频带范围 (60s~50Hz),分成四个频段 :高频 (0.025~0.2s)、短周期 (0.2~1s)、微震 (1~10s)、长周期 (10~50s)(图4a).下面是几种典型的噪声及其特征.4.1.1 人为噪声(Culture noise)人为噪声是指是人类活动引起的环境噪声 (如城镇附近公路 、铁路 、工厂等引起的噪声 ),主要集中于 短 周 期 频 段 和 高 频 频 段 ,尤其是在高频频段[14].这种噪声在PDFs中的高频频段也能观察到(图4a).图4c是图4a中虚线对应频率处的功率谱密度分布直方图 ,高频噪声 (0.05s)的分布范围较宽 (-145~-120dB).人为噪声源大多数是分散或移动的 ,来自各个方向的波叠加形成相当复杂且近似稳定的随机噪声场 ,以高频面波的方式传播 ,随距离和深度迅速衰减.4.1.2 微震噪声(Microseism)微震噪声分别在10~20s和3~8s有两个峰值 (图4a,4b).较小的峰值称为主微震 (Primarymicroseism),较大的峰值称为次级微震 (Secondarymicroseism)[5,14].传统上认为其形成机制是海洋波与海底或海岸线的非线性相互作用引起海底压力扰动[15].其主要成分为Rayleigh和Love面波 ,也包含一定的体波成分[16-18].微震噪声源主要集中在全球几个海洋活动强烈的海岸线区域 ,深海区域中的强烈风暴活动也可能引起微震噪声[19].微震噪声在全球的地震观测台站中稳定存在 ,随着海洋的活动出现规律性季节变化[17-20].4.1.3 自然噪声(Natural noise)自然噪声是指自然因素引起的噪声[16],如风 、急流 (瀑布和河流 )、温度变化 、地倾斜等 ,主要导致长周期噪声[21],也可能形成高频噪声[22-23].风是自然噪声的主要来源 ,风与粗糙的地面上摩擦 、树或高大建筑物随风摇摆以及地震计周围的空气流动都会引起长周期噪声[11].温度扰动[21]和大气 压 变化[24]引起的地倾斜是长周期噪声的另一重要的来源[14],地倾斜使重力耦合到水平分量中 ,会显著地增大水平噪声 ,而对垂直分量影响不大 ,因此同一台站的水平分量长周期噪声一般要高于垂直分量20~30dB(图6,图7).由于自然噪声的影响因素众多 ,一般其功率谱密度分布相当分散 ,LCT05台站在30s处的长周期噪声变化范围为-180~-135dB(图4a,4c).和人为噪声类似 ,自然噪声的主要成分也是面波 ,随距离和深度迅速衰减.综上所述 ,概率密度函数 (PDFs)能统计地分析各频段的功率谱密度 ,直观地反映长时期内台站的噪声水平.流动地震观测中 ,高频人为噪声和长周期自然噪声是主要噪声来源.4.2 不同台基深度对比观测本节我们讨论不同台基深度处理的降噪效果对比.在强噪声 (人为噪声或自然环境噪声 )的区域 ,固定地震观测台站一般采用深井观测方法才能取得信噪比相对较高的观测数据 ,因此在流动地震观测中 ,作为一种折衷的方案 ,通过将地震计安装在地268 3期 葛洪魁等 :流动地震观测背景噪声的台基响应图 5YDT子台阵各台站的日变化 (PDF中值统计 ,17652PSDs)(a)YDT01台站,地表台基 ;(b)YDT04台站,3m深台基;(c)频率0.05s处 YDT子台阵各台站的日变化 .四个台站在短周期频段和高频频段均呈现强烈的日变化 .Fig.5 Diurnal variations for the four stations of YDT subarray(PDF median,17652PSDs)(a)YDT01station,surface;(b)YDT04station,3mdepth;(c)Diurnal variations at the frequency 0.05s.Al the four stations show strong diurnal variations over short-period band and high-frequency band.表下几米的深坑中 ,也能一定程度上降低人为噪声.由于台站覆盖和密集布设要求 ,在架设流动地震观测台站时 :一方面 ,需要将地震观测台站架设在人员活动密集的地点.YDT子台阵和LGT子台阵就是在这种复杂人为噪声源的区域不同台基深度观测对比 (图2d);另一方面 ,需要在自然环境恶劣的环境中 (风速高 ,日夜温差大等 )架设地震观测台站 ,FST子台阵就是在这种环境中不同台基深度和类型的对比 (图2b).4.2.1 YDT和LGT子台阵—不同台基深度对比YDT子台阵位于临汾市尧都区区政府的办公大院内 ,LGT子台阵位于龙岗区一条繁忙的公路旁边 ,均受到强烈的人为噪声干扰.YDT和LGT子台阵均由四台不同台基深度的地震观测对比台站组成 ,台基深度依次为0m,1.5m,2m,3m,均为摆墩台基.从YDT01和YDT04两个台站的南北分量加速度功率谱密度对比 (图5a和5b)可以看出 ,短周期频段和高频频段均呈现强烈的日变化特征.当地时间8∶00—18∶00的功率谱密度要明显高于其它时间段 ,分别在9∶00和16∶00存在两个高峰 ,而在12∶00出现相对的低谷 ,这和人的作息规律一致.微震频段的功率谱密度随时间基本保持不变 ,表明该频段不受局部噪声的干扰 ;上述分析表明人为噪声主要集中在短周期频段和高频频段.图5c给出了YDT子台阵四个台站在频率0.05s处功率谱密度的日变化.尽管这四个台站的高频噪声都较强 ,但是随着台基深度增加 ,各时间段内的功率 谱 密 度 逐 渐 降 低 ,YDT04台 站 (3m)比YDT01台站 (0m)低约10dB,说明增加台基深度能有效地降低短周期频段和高频频段的人为噪声368地 球 物 理 学 报 (ChineseJ.Geophys.)56卷  干扰.为了排除强烈的功率谱密度日变化对分析结果的影响 ,后面的统计分析中只使用平静期 (当地时间00∶00—05∶00)的地震记录.图6a和6b是YDT子台阵和LGT子台阵中0m深台基和2m深台基垂直分量 (实线 )和南北分量 (虚线 )功率谱密度中值统计及其两者的差 (蓝线 ).可以看出 :(1)对于单个台站的长周期频段 ,水平分量比垂直分量高10~20dB,说明在长周期频段 ,水平分量比垂直分量更容易受噪声影响.(2)YDT和LGT子台阵中台站垂直分量和水平分量在短周期频段和高频频段都超出NHNM 10~20dB,表明其受到强烈的人为噪声干扰 ,且人为噪声主要集中在短周期频段和高频频段.(3)在短周期频段和微震频段 ,0m深台基和2m深台基基本一致 ,说明增加台基深度对这个频段的噪声影响不大.在高频频段 ,2m深台基的噪声水平比0m深台基降低约5dB.这表明由于高频噪声随深度迅速衰减 ,加深台基深度能有效地降低垂直分量和水平分量的高频噪声.(4)在长周期频段 ,2m深台基也比0m深台基有明显改善 ,垂直分量和南北分量的噪声水平降低10~15dB.注意到LGT01台站 (0m)的垂直分量噪声水平比其南北分量还要高 ,具体原因尚不明确.但是LGT03台站 (2m)正常 ,比LGT01台站有极大改善 ,且和YDT03台站 (2m)的噪声水平相当.这表明增加台基的深度 ,能有效地减少长周期噪声 ,可能是由于屏蔽或减弱了风等因素的干扰 ,提高了观测环境的稳定性.4.2.2 FST子台阵—不同台基深度对比FST子台阵位于浮山县郊区 ,FST01和FST02台站台基深度分别为0m和2m,均为摆墩设计.附近由于矿山开采 ,有很强的人为噪声 ,并且由于山区风速高等影响 ,自然环境噪声也较强.FST03、FST04和FST05台站也位于浮山县郊区 ,FST03和FST05均为摆墩台基 ,台基深度分别为0m和2m,FST04为沙子台基 ,台基深度为0m(图2b).其噪声环境与FST01、FST02类似 ,只是人 为 噪 声 较 低.图6c是FST01和FST02对 比 ,图6d是FST03和FST05对比.主要有以下几个特点 :(1)由于强人为噪声和自然环境噪声 ,FST01和FST02在长周期频段和高频频段的功率谱密度均较高 ,FST02的垂直分量在长周期频段变化范围为-160~-150dB,在高频频段接近NHNM,约为-100dB.(2)FST02(2m)的垂直分量在长周期频段和高频频段分别比FST01(0m)低约5dB,南北分量在长周期频段和高频频段分别低10dB.这说明2m的台基深度能有效地降低长周期噪声和高频噪声.(3)FST03(0m)和FST05(2m)的垂直分量和水平分量除高频频段外 ,其它基本接近.这是因为FST03架设在窑洞内的地表 ,密封性较好 ,且其周围基本没有人活动 ,人为噪声较低 ,而FST05由于更接近 人 活 动 区 域 ,在 高 频 频 段 比FST03约 高10dB.这表明密封性良好的密闭空间也能够有效地降低长周期噪声和高频噪声 ,达到和深坑一致的观测效果.但是在长周期频段FST03台站垂直分量的噪声水平还是比FST05台站的略高 (约4dB).综上所述 ,增加台基深度能够有效地降低不同噪声环境中流动地震观测台站的高频噪声和长周期噪声 ,2m台基深度是经济合理的选择.4.3 不同台基类型对比通过改善台基处理方式 ,增强地震计与地面的耦合 ,提高台基的稳定性 ,能够减少地倾斜等因素的影响 ,降低长周期噪声.Holcomb提出了一种安装宽频带地震计的方法[10],其操作是先在地表铺一层细沙以增强与地面的耦合 ,然后将石板水平地放在沙子上 ,最后将地震计安装在石板上 ,其示意图见图3b,本文中称这种安装方法为沙子台基.沙子台基能够降低安装成本 ,提高台站的可移动性.如果维护良好 ,能够满足大部分观测的需要.本实验中对比了沙子台基和摆墩台基的观测效果.建造沙子台基时 ,在摆墩大小的坑里加满颗粒小于0.25mm的建筑用细沙 ,并捣实 ,然后在细沙上放置厚度约为4cm的大理石板 ,并调整细沙使石板尽可能水平且与沙子耦合.LCT02台站和FST04台站为沙子台基 ,与之相应的摆墩台基对比观测台站分别为LCT01台站和FST03台站 ,其地质条件和环境噪声情况如表1.图7是摆墩台基与沙子台基垂直分量和南北分量噪声水平对比.LCT02台站 (沙子 )的垂直分量与LCT01台站 (摆墩 )在所有频段上基本一致 ,而南北分量在长周期频段要比LCT01台站 (摆墩 )高约5dB,其它频段也基本一致.图7b是FST03台站 (摆墩 )和FST04台站 (沙子 )的对比 ,噪声水平对比 结 果 与LCT01/LCT02台 站 对 的 结 果 类 似 ,468 3期 葛洪魁等 :流动地震观测背景噪声的台基响应FST04台站 (沙子 )的南北分量在长周期频段要比FST03台站 (摆墩 )高约5dB.这可能是在大气压扰动等因素的影响下 ,由于沙子台基不稳定 ,导致石板发生倾斜 ,引起水平分量的长周期噪声.在流动地震观测中 ,经常要将地震台站架设在环境恶劣的区域 ,并且很难进行及时和有效的维护 ,因此应568地 球 物 理 学 报 (ChineseJ.Geophys.)56卷  避免使用沙子台基.4.4 不同位置对比由于中国西部大部分地区属于高原和山区 ,在这些地区架设流动地震观测台站 ,经常会碰到山区地形 ,因此本实验中我们进行了山区不同位置的观测对比.LCT子台阵位于国家地震台龙祠台周围 ,离地面的垂直高度约为0~50m不等 ,具体分布见图2a.图8是LCT子台阵中不同位置摆墩台基(LCT03和LCT04的台基为水泥浇铸地面 ,可视为摆墩台基 )的噪声水平对比.主要有以下几个特点 :(1)各台站垂直分量和水平分量的噪声水平在微震频段均极其一致 ,在次级微震的峰值处 ,垂直分量比NLNM高5dB,水平分量比NLNM高约4dB,表明微震噪声不受局部噪声的影响.(2)由于当地为基岩出露区且人为活动较少 ,在短周期频段和高频频段 ,除LCT01台站 (山脚 )噪声水平稍高外 ,其余都较低.垂直分量在短周期频段和高频频段高出NLNM 30~40dB,在长周期频段高出NLNM 15~25dB.LCT05台站由于架设在国家地震台龙祠台的山洞基准台面上 ,在所有频段上的噪声水平都是最低的 ,表现出高的记录质量.尽管LCT01台站位于基岩区域且采用了2m深坑台基处理 ,但由于人为噪声 ,在短周期频段接近NHNM,比其它台站约高20dB,在高频频段也高出其它台站约10dB.这说明在基岩区域架设台站时也要尽量避开人为噪声.(3)随着台站位置变化 ,各台站的噪声水平呈现出有规律的变化.对于垂直分量 ,在长周期频段依次为LCT04(山顶 )>LCT03(山腰 )>LCT01(山脚 )>LCT05(山洞 ),LCT04台站高出LCT05台站约15dB.在高频频段不考虑LCT01台站依次为LCT04(山顶 )>LCT03(山腰 )>LCT05(山洞 ),LCT04台站高出LCT05约20dB,台站噪
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