地面與地下深部地震背景噪聲對比分析

萬文濤,陳暢,王赟*,穆朝民,賀永勝,汪超

1 中國地質大學(北京)地球物理與信息技術學院“多波多分量”地震研究組,北京 100083 2 中國地質大學(北京)地質過程與礦產資源國家重點實驗室,北京 100083 3 安徽理工大學電氣與信息工程學院,安徽淮南 232001 4 軍事科學院國防工程研究院工程防護研究所,河南洛陽 471000 5 中國科學院地球化學研究所,貴陽 550081

0 引言

背景噪聲對于天然地震觀測具有重要的影響.不論從噪聲成像的角度還是天然地震事件識別與拾取,大量研究討論了地震觀測環境中的背景噪聲及其時頻特征(McNamara and Buland,2004; Zhu and Stensrud,2019; 王芳等,2019; Wu et al.,2020; Wang et al.,2020; 王寶善等,2021).其中,Earth′s hum被認為是無震背景下固體地球以2～20 mHz的連續振蕩(Deen et al.,2018).Kobayashi和Nishida(1998)利用360 s甚寬頻帶地震儀首次觀測到該長周期信號,并將之歸因于海洋重力波(Nishida et al.,2008; Nishida,2013).地脈動也是背景噪聲的重要組成部分(Peterson,1993; Berger et al.,2004),其激發機制存在兩種模式:一般認為周期10～20 s的第一地脈動信號由海浪與海岸和淺灘的直接相互作用產生(Hasselmann,1963),其頻率與海浪相同,也被稱為單頻(Single-Frequency,SF)地脈動;振幅更大、周期在2～10 s的第二地脈動信號由相反方向傳播的海浪之間的非線性作用產生(Longuet-Higgins,1950),頻率為海浪的兩倍,被稱為雙頻(Double-Frequency,DF)地脈動.地脈動的能量強且穩定,被廣泛應用于地殼和上地幔的三維結構成像、海冰強度測量及海浪氣候變化監測等(Bromirski et al.,1999; Shapiro et al.,2005; Tsai and McNamara,2011; Sufri et al.,2014).

近年來,隨著分布式光纖傳感技術(DAS)的發展及其應用于城市地震,人類活動引發的噪聲逐漸引起學者們的興趣.Díaz等(2017)利用寬頻帶地震儀對城市環境噪聲進行了監測,分析不同人類活動引起的噪聲在能量與頻率上的區別.Wu等(2020)對中國地質大學(武漢)南望山校區校園內噪聲的日變化進行了觀測和特征分析.Wang等(2020)在美國加州帕薩迪納玫瑰花車游行期間,利用與花車巡游路線部分重合的光纖電纜與DAS,探究了摩托車、游行花車與游行樂隊產生噪聲的強度與頻帶分布.一些學者通過對比新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)流行前后的地震背景噪聲變化,闡述了高頻振動噪聲與人類活動的強相關性(Xiao et al.,2020; 吳麗慧等,2022; 王寧等,2022),并提出利用地震學方法進行人類活動實時估計的可能(Lecocq et al.,2020).

由于現代經濟社會發展嚴重破壞了地震觀測環境,利用地下低振動噪聲的優勢發展深地觀測成為測震領域的熱點(Rosat et al.,2018).例如,王芳等(2017)曾利用位于云南普洱大寨井中布設的短周期地震計,驗證了井下375 m深處的噪聲比地表降低可達40 dB.美國、日本在大量井中布設的地震觀測也是充分利用深部地下的這一優勢,開展了大量的地震觀測、淺層場地效應和地層Q值的研究(Hauksson et al.,1987; Abercrombie,1997; Satoh,2006; Yamada and Horike,2007),但限于井筒環境,所執行的地震觀測偏于1 s以上的中高頻.

深部地下與地面相比,背景噪聲各自具有什么不同的時空特點,卻是鮮有討論的問題.而對不同噪聲的廣泛研究,不僅是開展深地高精度觀測的重要基礎工作之一,也將促進相關科學問題的探索(王赟等,2022; 王振宇等,2022).因此,我們在淮南深部地下-848 m巷道(以下簡稱“深地”)和地面開展了地震的聯合觀測試驗.同期的重力觀測已證實井下重力場在0.01～0.5 Hz頻段具有近兩個量級的低噪聲優勢(張苗苗等,2021;孫和平等,2022).本文利用寬頻帶地震數據,對比分析深地與地面在地震觀測頻段的背景噪聲特征.

1 觀測

1.1 觀測系統

淮南礦業集團潘一東礦區地處淮河北岸,郯廬斷裂帶西側(圖1a).煤礦停產后,礦區留下了容積可達80多萬立方米的地下空間資源以及配套齊全的井下人員駐留保障設施,為地球多物理場觀測提供了適宜的條件(王赟等,2023).依托淮南深部地下實驗室(簡稱“深地實驗室”),本研究聯合地面(高程22 m)和深達870 m巷道(海拔深度-848 m)的寬頻帶地震觀測數據,以探究深地與地面的背景噪聲特征.

淮南深地觀測試驗開始于2020年1月,地面與地下均使用CMG-40TDE寬頻帶地震儀(圖1b),頻帶寬度為30 s～100 Hz,設置采樣率為50 Hz,由蓄電池供電;地面與井下巷道布設點位如圖2a所示,其中井下采用“L”型陣列(圖2b),三臺儀器觀測表現高度一致性,本研究中僅利用L陣列中心的N32臺站;地面與深地聯測有效觀測時間段為2020年1月18日至2月1日,累計350 h.

圖2 地面與地下地震聯測點位(a)與井下儀器陣列分布(b)

1.2 觀測數據預處理

時間記錄是地震數據最為重要的信息之一,其準確性將直接影響走時拾取和震相識別.深部地下觀測無法直接接收GNSS信號,我們預先在地面對所有儀器進行了統一開機授時.后期室內數據處理中采用0.01 s的滑動時間窗口對井下與地面臺站記錄做互相關,并利用所得最大互相關系數對應的時間偏移量進行校正,以降低時間誤差的影響.

按照不同的對比分析需求,將地面與地下地震臺站聯測時間段內的連續波形數據分割為不同長度的時間序列.進一步預處理包括對數據段進行去均值、去線性趨勢和兩端尖滅,并去除儀器響應,將采集器的電子計數轉換為地動速度.

2 數據處理與分析

2.1 噪聲水平對比

功率譜密度(Power Spectral Density,PSD)是用來定量描述地震臺站背景噪聲水平的常規方法.Peterson(1993)通過分析全球75個地震觀測臺站的環境噪聲PSD,給出了全球新高噪聲模型(New High Noise Model,NHNM)和低噪聲模型(New Low Noise Model,NLNM).這一模型作為衡量臺站噪聲水平的基準,被廣泛應用于評估地震觀測環境.McNamara和Buland(2004)進一步提出無需人為篩選數據的概率密度函數(Probability Density Function,PDF).該方法統計一定時期內不同頻點的PSD概率分布值,在廣泛的時間平均作用下,能夠更客觀全面地反映臺站的噪聲變化特征(林彬華等,2015; 謝江濤等,2018).為此,我們將地面與深地完整觀測時間段內的連續波形數據劃分為長度3600 s (1 h)的數據段,段間重疊50%;采用Welch(1967)方法計算每小時段的加速度PSD,并執行1/8倍頻程平滑;統計整個周期范圍內各中心頻率的概率密度值,得到觀測期間的PDF如圖3所示.計算結果表明,地面和地下觀測的振動噪聲概率密度函數在不同頻段顯示出不同對比特征:

圖3 地面與地下三分量環境噪聲概率譜密度函數分布(頻段:0.033～25 Hz)

(1) 1～25 Hz高頻段,地面的三分量PSD主要分布在-120 dB至-100 dB,大于10 Hz的振動噪聲以垂向為主.同時觀測到地面譜線明顯分裂成多支(圖3a—c橙色虛線框),可能與地面人類活動強度的時間變化有關;地下觀測則具有顯著低背景噪聲特征,其三分量PSD平均小于地面20～40 dB,概率分布相對集中.值得注意的是,地下水平分量也呈現為兩支,而垂直分量無分支現象.經分時段對比發現,較高能量的分支集中在1月19日0時至22日8時.該時段內,地面和地下均觀測到了大量密集排列的尖峰信號且地面振幅明顯高于地下,我們初步判定這些尖峰信號為礦區地表大型設備作業引起的噪聲(孫和平等,2022).圖3黃色箭頭標識了該噪聲在地面和地下PDF中的能量分支.地下僅表現在水平分量,其PSD小于地面20～40 dB,說明上覆地層能夠有效衰減可能源自地表的高頻噪聲,且對垂向振動的抑制更為明顯.

(2) 0.1～1 Hz頻段,地面噪聲幅值仍高于地下,但隨著頻率的降低,二者差異逐漸減小,平均相差10 dB;該頻段地面和地下均觀測到對應第二地脈動(2～10 s)的能量峰值,主要以面波和少量體波組成,一般情況下,基階Rayleigh波和Love波占主導地位(Koper et al.,2010; Juretzek and Hadziioannou,2016).Koper和Burlacu(2015)證實了陸地臺站下方的場地條件對第二地脈動振幅具有調制作用.顯然,本研究中地面臺站受局部場地效應的影響,第二地脈動譜(圖3a—c)表現出明顯的振幅放大特征,優勢頻率在0.3～0.7 Hz,其水平方向功率高出地下10～15 dB,垂直分量差異相對較小.上述特征與場地諧振頻率及不同分量的放大系數有關(Roten et al.,2013; Chen et al.,2018; 張新陽,2020).

(3) 在0.03～0.1 Hz(10～30 s)的低頻段,地面與地下記錄的PSD隨頻率的減小呈現出一致的上升趨勢,并維持在較高水平,推測與儀器本底噪聲水平有關(陳暢等,2022).同時,二者水平分量PSD值均高于垂直分量,主要歸因于地傾斜導致的重力加速度在水平分量上的投影,該規律已被以往的實驗所證明(Peterson,1993; Diaz et al.,2010; 馬鑫等,2019).但在該頻段內,井下記錄PSD-PDF概率分布相對集中,功率略高于地面,這與常規認識有所不同.分析可能的原因是地面地震儀安放在封閉的室內,而井下地震儀直接放置在巷道表面,會受到地下無間斷通風設備產生的氣流干擾,此差異需要補充觀測實驗進一步厘定.

2.2 噪聲時變特征

在聯測記錄中截取2020年1月25日至31日(UTC+8)共7天的連續波形,劃分為7條24 h的數據段;基于功率譜密度曲線,利用短時傅里葉變換(Short Time Fourier Transform,STFT)計算地面與地下環境噪聲24 h的時頻譜,滑動窗口為8192個采樣點(163.84 s),相鄰時窗重疊50%以降低瞬時大振幅干擾信號的影響;對7×24 h的時頻譜進行線性平均,獲得地面與地下三分量環境噪聲的日變時頻特征,如圖4所示.

圖4 地面與地下三分量環境噪聲水平的日變化(頻段:0.033～25 Hz)

對比可見,地面高頻噪聲(>1 Hz)波場復雜,相對其他頻帶能量更強(>-120 dB),且三分量均具有明顯的時變特征,垂向占優,功率峰值集中在6∶00—18∶00,表現出與人類活動的密切相關性,這也解釋了地面PSD-PDF譜線的分裂現象(圖3a—c橙色虛線框);而同頻段的地下觀測不具有這種時變特征,受上覆地層的高頻噪聲吸收衰減作用,若干穩定持續的信號在井下低噪聲背景(<-130 dB)下得以凸顯.值得注意的是,部分非時變單頻噪聲同時存在于地上、地下的時頻譜,如16.7 Hz.此類持續噪聲極大概率來自礦區內的固定干擾,一定程度上影響到地下實驗室的地震觀測,在2.3.2節中進行了厘定.

地面和地下記錄的第二地脈動信號(2～10 s或0.1～0.5 Hz)受人類活動干擾小,能量穩定,均不存在時變、日變特征.受淺層沉積的場地諧振頻率影響,地面觀測到了明顯的面波的放大作用,水平分量在0.4～0.5 Hz加速度功率高出地下10～15 dB;垂直分量差異不大,整體位于-140至-120 dB,與此前分析一致.

相比于較高頻的對比分析結果,地面和地下在0.033～0.1 Hz頻段具有較好的一致性,未表現出時變規律.圖中若干頻帶分布寬、持續時間較短的PSD峰值來自地震產生的瞬變信號,如4～5 h處的能量高值為觀測期間加勒比海發生的MS7.9地震面波.

早在20世紀,Gutenberg(1958)與Asten等(Asten,1978; Asten and Henstridge,1984)就對不同頻帶的噪聲來源開展了大量研究(表1),大致確定1 Hz以上的噪聲主要來自人文活動.上述背景噪聲的時頻特征對比揭示了地面與地下地震觀測在高頻段(>1 Hz)的顯著差異,支持以面波為主的高頻人文噪聲隨深度衰減的認識(Bonnefoy-Claudet et al.,2006).該頻段地面環境噪聲具有較強的時變特征,包括晝夜、季節和節假日等(Yamanaka et al.,1993; McNamara and Buland,2004; Wu et al.,2020; Lecocq et al.,2020),但此類噪聲來自多種源的疊加,其絕對水平及頻率界限隨地區變化.因此,Seo提出通過觀察一段時間的波形及譜值變化,并參考人類活動時間,以更準確地衡量研究區的人文噪聲水平及頻帶界限(Bonnefoy-Claudet et al.,2006).

表1 不同來源噪聲頻帶分布表(單位:Hz)

對2020年1月25日至31日(UTC+8)7天的連續觀測數據進行1 Hz高通濾波處理,以突顯地面與地下的人文噪聲差異,如圖5a1,b1,c1所示.為方便與人類活動時間對比,截取了1月30日0時至24時的單日波形(圖5a2,b2,c2),并分別計算地上、地下晝夜1 h無震時段數據的加速度功率譜密度,執行1/8倍頻程平滑,如圖5a3,b3,c3所示.

圖5 地面與地下三分量波形及晝夜PSD曲線

圖5a1,b1,c1顯示,在人類活動噪聲頻段(>1 Hz)地面7天的三分量波形整體均呈現出強烈的日變化特征,白天垂直分量最大振幅可達2.96×104nm·s-1,約為水平分量的5倍,說明人類產生的噪聲以垂向振動為主.為保證礦區安全,深地實驗室通風班、供電班和安檢班等工作人員周六、周日仍會下井作業,因而地面臺站波形未顯示出工作日幅值大于周末的周變特征;地下觀測的該頻段噪聲三分量波形則不存在日變或周變規律.據現場記錄,若干高振幅的尖脈沖為井下人員在儀器旁走動產生的信號,它們在不同分量的幅值有所差異,與振動源的方位和震相有關.

地面單日波形的變化與人類活動的晝夜模式吻合(圖5a2,b2,c2),在23∶00至05∶00,人員活動少、噪聲水平較低,三分量的平均振幅接近,約1×102至2×102nm·s-1,期間若干峰值信號可能指示宿舍人員的起夜活動;06∶00以后,噪聲逐漸增大,振幅均值比午夜高2～3倍.此外,可以清楚地觀察到白天的兩個峰值:第一個峰值范圍是06∶30至08∶30,噪聲的垂向最大振幅可達2.25×104nm·s-1,該時段為礦上工作人員的上班時間;09∶00后,噪聲有所減小并保持一定水平,至13∶40左右略有上升,與午休人員活動有關;另一個較為明顯的峰值出現在16∶00至18∶00,垂向地動速度最大可達2.5×104nm·s-1,對應工作人員的下班時間.上述同步變化說明,地面臺站監測的高頻(>1 Hz)環境噪聲強度變化與礦上職工的作息活動之間存在著密切的相關性,即地面環境噪聲受人類活動調節.對比可見,地下的同頻帶記錄相對安靜,三分量均擁有更小的幅值,平均速度在0.1×102至0.5×102nm·s-1,是地面午夜噪聲水平的1/10.

圖5a3,b3,c3的平滑PSD曲線揭示,地面白天人文噪聲功率平均高出夜晚10～15 dB,而地下一致性較好.可以界定具有顯著晝夜差異且PSD值明顯高于地下的人文噪聲頻帶范圍在0.7～25 Hz,說明研究區的地面人類活動噪聲下界略向長周期移動.此外,低頻段(<0.1 Hz)的地面噪聲PSD曲線也顯示出晝夜差異,而地下無上述特征.已有的觀測認識表明,長周期頻段(>10 s)的噪聲起伏主要與溫度變化有關(謝劍波等,2007; 王曉蕾,2012).觀測期間,研究區的地面平均溫差在7.06 ℃/日,井下巷道則控制在0.2 ℃/日,深地相對恒溫環境能較好規避溫度變化對地震觀測的影響.

綜上,井下環境噪聲受人類活動影響小,大于0.7 Hz的人文噪聲能被淺層覆蓋有效衰減,該低背景噪聲優勢將為弱的地球核幔邊界(CMB)、內外核邊界(ICB)反射震相(1～2 Hz)的拾取(龍鑫和艾印雙,2018)及地下介質時移變化等的長期穩定監測(王爽等,2018)提供良好的環境.

2.3 深地環境噪聲偏振分析與噪聲源

2.3.1 頻域偏振分析

頻域偏振分析(Park et al.,1987; Koper and Hawley,2010)是一種基于頻率相關的質點運動特征統計分析方法.該方法僅利用單個臺站不同分量的數據來計算偏振信息,同時具有保幅的優點.但當信噪比較低時,頻域偏振分析估計的后方位角往往更加分散、模糊(Harris,1990; Suteau-Henson,1990;Schulte-Pelkum et al.,2004).基于此方法,我們用每小時的三分量地震數據來構建3×3的Hermitian矩陣,其中1 h數據段劃分的子窗口長度為163.84 s,彼此重疊50%.進一步對譜協方差矩陣進行特征分解,從特征值和特征向量中提取隨頻率變化的偏振屬性(Park et al.,1987),包括:

(1)主特征值(λ),反映三分量功率隨頻率變化的總體特征,當有兩個分量的變化特征與另一個不一致時,變化趨勢相同的兩個分量對主特征值(λ)變化特征的影響較大.無論噪聲在三個分量上如何分配,主特征值能很好地捕捉振幅的變化(Koper and Burlacu,2015).

(2)極化程度(β2),根據Samson(1983)的定義用來衡量噪聲的組織性,無量綱,當所有特征值相等時,β2=0;當只有一個非零特征值時,β2=1,代表純線性偏振,如體波.質點(或質元)的線性運動和橢圓運動均會導致β2的高低變化(Koper and Hawley,2010).

(3)ΘH,極化橢球長軸的水平方位角,對應于P波或瑞利波的后方位角,變化范圍從-180°至180°;ΘV,極化橢球長軸與垂線的夾角,對應于P波的入射角,變化范圍從0°至90°;φVH,垂直分量和水平分量之間的相位差,表示該垂直平面內的橢圓度,變化范圍從-90°至90°;φHH,兩個水平分量之間的相位差,表示水平面內的橢圓度,變化范圍從-180°至180°.

2.3.2 深地環境噪聲的偏振特征

為改善單一時段測量極化屬性的不穩定問題,應用McNamara和Buland(2004)提出的概率譜密度函數(PDF)方法,從所有可用的觀測數據中提取不同偏振參數的概率分布值,如圖6所示.在廣泛的時間平均作用下,地震、爆炸等瞬變信號影響可以忽略不計,同時海浪、風等產生的準靜態信號得到增強,更能客觀反映環境噪聲的總體極化特征.

圖6 深地臺站記錄的環境噪聲功率譜和極化特征的概率密度函數

在低頻段(>10 s),噪聲的極化程度較高(圖6e),功率譜(圖6a,b,c)顯示該頻段的水平運動占主導地位,前述地傾斜造成的水平方向加速度是該部分能量的主要來源(Koper and Hawley,2010),同時可能耦合了沿水平方向傳播的第一地脈動面波以及井下氣流的能量,導致ΘV在90°附近的高概率分布(圖6g).該頻段東西向能量與南北向相當,使得ΘH的PDF主要聚集在135°和315°附近.而φVH的PDF相對分散,可能是質點垂向運動能量小的緣故(Koper and Hawley,2010).φHH在一些角度的峰值指示著一定程度的水平橢圓運動(圖6i).

在雙頻(DF)地脈動周期范圍內(2～10 s),三分量功率及主特征值曲線均可見與全球低噪聲模型對應的第二地脈動峰值.3～5 s周期內譜線明顯分裂為兩支能量,最高相差10 dB(4 s處),推測受到觀測期間的大規模海洋活動影響.圖6d顯示的主特征值λ譜線捕捉到了兩個明顯不同的地脈動峰值,周期約為4.0 s、5.2 s.DF頻帶內多個亞峰的形成,與地震儀對同期多個源區的地脈動響應有關(Tanimoto,2007; Bromirski et al.,2013; Koper and Burlacu,2015),一些學者進一步將這種峰值分裂細分為短周期(SPDF,2～5 s)和長周期(LPDF,5～10 s)第二地脈動(Bromirski et al.,2005,2013; Chi et al.,2010).研究中,ΘH(圖6f)和φVH(圖6h)的概率密度可見,兩個譜峰具有不同偏振特征,4.0 s的SPDF后方位角分散在150°～180°及其相反方向(330°～360°),φVH能量聚集在60°附近,表明該信號在R-Z平面內呈較強的橢圓極化.偏振分析計算的瑞利波后方位角會存在180°的模糊,由于第二地脈動的源區一般來自海洋,可以排除指向內陸地區的可能.參照淮南測點的地理位置,進一步確定SPDF為來自SE150°～180°方向的逆進瑞利波能量,指向東?；蛱窖蠛Ｓ?5.2 s的LPDF后方位角分布在90°或270°附近,分析應指向黃海海域,其φVH角度色散嚴重,可能是多種波的混合.上述差異與它們來自不同地脈動源區的認識一致.

值得注意的是,本次觀測的雙頻(DF)地脈動后方位角ΘH相對離散,φVH與φHH的PDF也未能明顯捕捉到對應Rayleigh或Love面波的相位特征.分析可能的原因是,觀測時間內第二地脈動的整體極化程度較低,加之數據長度較短,容易受到海洋風暴演化的影響,而導致極化性質不穩定(Koper and Burlacu,2015).因此,淮南深地實驗室完善供電條件后,應當使用長期的觀測數據來補充研究深地第二地脈動的波場極化特征.

隨著頻率的升高,短周期(<1 s)噪聲的水平分量功率明顯小于垂直分量,這也造成ΘV集中在0°.該頻段時頻譜(圖4)顯示了多個非時變的單頻干擾,其方位角ΘH大致分為兩種不同的模式,大于0.2 s的能量聚集在0°或180°附近,小于0.2 s的則分布在90°或270°附近.同時,二者的極化程度β2均顯示出普遍高值,說明該頻段噪聲波場相對單一,可能來自地震儀周圍固定的干擾.現場踏勘顯示,地下測點位于近東西向和南北向展布的巷道或鐵軌的交叉拐點(圖1b),這與高頻噪聲的兩個優勢方向吻合.因此,我們初步判斷可能是礦區內大型設備(如風井)引發的鐵軌振動或巷道高壓輸電系統產生的電磁激勵響應.

上述結果經過頻域的平滑處理,一定程度上減少了譜估計的方差,但也降低了頻率分辨率,可見偏振分析方法獲得的高頻段PSD曲線并不連續(圖6a—c).為細化對可能人為引入的高頻非時變噪聲研究,以此頻段能量最強的16.63～16.7 Hz干擾(圖4b1)為例,我們利用兩個相隔一定距離的井下臺站N484(圖7c)和N32進行交切定位.

圖7 高頻非時變噪聲的最佳極化方位及交切定位示意圖

2.3.3 深地噪聲來源初步分析

常規的R-T旋轉方法利用振幅能量變化進行角度試算,以獲得信號的最佳極化方位(傅旦丹等,2003; 溫書亮等,2004).旋轉后的徑向R分量波場可能為P/SV型偏振或SH型偏振,因此,真實的震源位置可能在R分量(θ±180°)的方位,或者T分量±180°的連線.我們設置步長為1°,對目標信號頻帶的傅里葉變換(FFT)振幅均值進行遍歷0°～360°的R-T旋轉掃描,獲得兩個井下觀測點的最佳極化方位及交切定位結果,如圖7所示.

地下16.63～16.7 Hz非時變噪聲在N484(圖7a)和N32(圖7b)臺站的最佳極化方位分別為46°/226°和123°/303°,二者在礦區施工平面圖的投影交于風井的位置(圖7c),其中N484臺站距風井約245 m,N32臺站約322 m,因而N484臺站記錄到了此頻帶更高的振幅均值.此外,同期的噪聲專項調查顯示,風機產生的諧波基頻集中在16～17 Hz,一致說明該高頻非時變信號來自風機的振動,井下多點的觀測能夠有效提取震源的位置信息.

3 討論

3.1 儀器帶寬與低頻觀測精度

本次觀測實驗使用的儀器帶寬及采樣率將噪聲的對比限制在30 s～25 Hz.加速度功率譜顯示的地面與地下噪聲記錄在>10 s的長周期段PSD值均存在顯著抬升,無法分辨第一地脈動(10～20 s)的譜峰.為此,我們利用深地同址、同期、不同周期地震儀的觀測對比分析,如圖8所示.CMG-40TDE(30 s)和CMG-3ESPCDE(120 s)地震儀在中高頻段(<2 s)響應基本一致.DF頻帶(2～10 s)內,二者均清晰地捕捉到了第二地脈動峰值的分裂現象,短周期(SPDF)和長周期(LPDF)第二地脈動子峰分別在4.8 s和6.9 s,對應于不同的源區(Tanimoto,2007; Bromirski et al.,2013).此前的分析中,該頻帶第二地脈動峰值分裂并不明顯,一定程度上受到海洋震源區的活動強度及較重的PSD平滑處理的影響(Koper and Burlacu,2015).但是兩種儀器在低頻段(>10 s)產生了顯著差異,長周期儀器清晰地觀測到了第一地脈動的峰值信號(14 s),其PSD曲線與短周期儀器最大相差15 dB,說明前述低頻噪聲的異常高值與儀器的觀測精度和頻帶寬度有關.從而可以推測,未來更寬頻帶、更高精度地震儀的投入,將為深地噪聲補充更充分的實驗數據,進而加深我們對深部地下環境噪聲的認識.同時,這利于捕捉諸如Earth′s hum (2～20 mHz)等弱長周期信號,以用于地球深部結構成像及動力學研究(Nishida et al.,2009; Haned et al.,2016; Deen et al.,2018).

圖8 井下長、短周期地震儀的垂向噪聲PSD對比(頻帶范圍:25 Hz～30 s)

3.2 深地觀測環境

淮南深地實驗室目前的觀測條件較為簡陋,尚未達到標準測震臺站的要求.停產的煤礦井下巷道在提供大深度觀測空間的同時,也帶來了一些諸如電梯、抽水泵和通風系統等設備運行的固有噪聲.此外,儀器未安裝擺罩,可能受到地下無間斷通風設備產生的氣流、氣壓干擾,缺少觀測臺墩導致地震儀傾斜、或與地面耦合不佳,無衛星授時,儀器記錄的時間精度不高等等均會影響震相識別和拾取.

因陋就簡的初次觀測不足以客觀反映深部地下噪聲環境.在深地實驗室后續的建設中,應結合完備的現場踏勘記錄,對井下固定噪聲源進行進一步的專項調查,為干擾信號的分離和濾波提供可靠參考.同時,應提升巷道內的觀測條件,保障儀器的密封性,加裝專用水泥臺墩,使用網絡時間協議(Network Time Protocol,NTP)等授時觀測技術,并計算儀器的傾斜參數(Bell et al.,2015; Hung et al.,2019),通過分量旋轉進行傾斜校正,以進一步提高深地觀測數據質量.可以預期,在裝配高精度平動以及大型旋轉觀測儀器的基礎上(李棟青等,2021; Chen et al.,2023),隨著深地實驗室的改造完成,深部地下將成為優越的地震觀測平臺.

3.3 礦震監測

深地實驗室附近的淮南其他煤礦區采掘作業破壞了煤巖體原巖的應力狀態,內部積聚的能量以微地震的形式釋放.這些微震頻率高、信噪比低(劉勁松等,2013),是煤與瓦斯突出、突水等災害的共性前兆信息(任波等,2021).而深地觀測在高頻段能夠提供遠低于地面的噪聲環境,對于礦區微震的識別具有明顯優勢.另一方面,當開采深度大于500 m時,礦震能量衰減嚴重,地面測站難以拾取有效信號(賈寶新和李國臻,2010).聯合地面、井下不同深度的測點形成的礦震立體監測網絡,將能有效提高震源定位的精度,以服務于采動可能引發災害的預警(楊柳,2022).

3.4 場地效應

淺層場地效應會對背景噪聲及地震波的部分頻帶產生放大和衰減作用(Abercrombie,1997; Roten et al.,2013; Chen et al.,2018).圖9給出了聯測期間東海海域MS5.5地震波及振幅譜,可見地面觀測的水平分量在0.3～0.7 Hz比地下最大高出10倍,而垂向差異較小,這與前文第二地脈動譜(圖3)的優勢放大頻帶吻合.確定淺層沉積的諧振頻率和放大系數是下一步工作的重點,淮南深地實驗室直接位于松散沉積層下方,擁有一般基巖參考站無法替代的優勢,自然成為研究場地效應的理想場所.

圖9 東海海域MS5.5地震三分量波形(a—c)及振幅譜(d—e)

此外,淮南礦區的鉆孔提供了地層巖性、密度、速度、厚度等信息,支持開展場地的數值模擬與實測數據對比(Ferritto,1996),以揭示場地放大特征與土層條件的相關性,并為了解鄰區無鉆孔資料測點的土層地質情況提供參考(Field and Jacob,1993).場地效應是值得深入研究的問題,也是發揮深地優勢的重要一環.

4 結論

淮南深部地下與地面的聯合地震觀測試驗,為研究深地與地面噪聲環境的特點提供了可靠的數據.通過地震觀測噪聲對比和分析,可以獲得如下結論:

深部地下具有遠低于地面的噪聲環境.由于上覆沉積層對高頻噪聲的吸收衰減作用,源于地表或淺層的噪聲得到有效屏蔽,使得井下觀測的1～25 Hz高頻噪聲PSD值比地面低20～40 dB;衰減量隨著頻率的降低而減小,在0.1～1 Hz頻段二者的噪聲PSD值平均相差10 dB.此外,受局部場地效應的影響,我們在該頻段地面地震記錄的第二地脈動譜中觀測到了明顯的振幅放大特征;但地下與地面在0.033～0.1 Hz的低頻段噪聲水平相近,可能受儀器觀測精度的限制和井下氣流干擾.

深部地下噪聲未呈現時變特征.地面觀測的噪聲信號隨人類活動的變化趨勢較明顯,表現為白天能量強、夜晚能量弱的晝夜模式.而地下環境噪聲受人類活動影響小,不具有日變或周變的特征.通過地面與地下的振幅與譜值變化對比,界定了研究區的人文噪聲頻帶下界在0.7 Hz,高于此頻率的人為干擾能被淺層覆蓋有效衰減,十分利于開展深地地震觀測.

深部地下環境的高頻噪聲(<1 s)極化特征明顯,后方位角ΘH集中在0°/180°和90°/270°附近,初步推斷可能是礦區內大型設備引發的鐵軌振動或巷道高壓輸電系統產生的電磁激勵響應;DF頻帶內(2～10 s),第二地脈動譜峰分裂成周期為4.0 s、5.2 s的兩個亞峰,二者具有明顯不同的偏振特征,支持它們來自不同源區的認識;低頻噪聲(>10 s)能量主要來自地傾斜產生的水平加速度,但不可忽略儀器低頻觀測精度的影響.另外,以深地低噪聲環境下突顯的非時變信號為例,通過R-T旋轉掃描和交切定位,確定了該信號的振動源.此類井下穩定噪聲的厘定,可為深地實驗室的后續建設以及開展地下礦震監測提供重要參考.

致謝感謝軍事科學院國防工程研究院、淮河能源集團淮南礦業公司與安徽理工大學對淮南深部地下觀測提供了諸多便利條件,在深地環境安全保障等方面做了大量的支撐工作.