上海测震台网数据质量综合分析.pdf
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1、SEISMOLOGICAL AND GEOMAGNETICOBSERVATION AND RESEARCH第 44 卷 第 2 期2023 年 4 月Vol.44 No.2Apr.2023地 震 地 磁 观 测 与 研 究doi:10.3969/j.issn.1003-3246.2023.02.008第一作者简介:潘国勇(1988),男,工程师,主要从事地震监测和仪器运维工作。E-mail:通讯作者:周伯昌,女,硕士,高级工程师,主要从事地震工程研究。E-mail:基金项目:上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站研究室课题(项目编号:2022SSY02);上海市科委项目(项目编号:22dz12
2、00200)本文收到日期:2023-01-09上海测震台网数据质量综合分析潘国勇1),2)夏 波1),2)刘 菲1),2)王成睿1),2)王 军1),2)林航毅1),2)周伯昌1),2)1)中国上海 200062 上海市地震局2)中国上海 200062 上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站摘要 地震数据质量直接影响地震监测和速报的准确性及可靠性,对防震减灾事业具有重要意义。以上海测震观测资料为研究基础,采用定性和定量分析相结合的方法,围绕测震台网运行率、波形可用率、台基背景噪声、干扰以及台网布局合理性,对测震观测数据质量进行综合分析。结果发现:上海测震台网总体运行稳定,数据连续率较高;部分地
3、震台站背景噪声偏大;受基岩出露影响,上海东部和西北部地区布设台站较少,导致地震监测能力较弱,测震台网布局有待优化。本项工作的开展对今后地震台站改造以及新台站建设具有参考意义。关键词 运行率;波形可用率;台基背景噪声;台网布局0 引言 上海地处长江口南岸,位于下扬子准地台东部边缘。历史研究资料表明,上海地区被众多断裂所围限,其中以 NE 向断裂最为发育,对沉积形成有明显的控制作用,并与基底褶皱伴生,而 NW 向断裂切割了其他方向的断裂,具有较强的新生特点(顾澎涛,1993;章振铨等,2004)。上海行政区内发生的地震以弥散活动为主要特征,无密集分布现象,呈现北部强南部弱、海域强陆域弱的特点。上海
4、及邻近海域以弱震和有感地震为主,中强地震偶有发生,地震活动的频度和强度远不如我国西部地区高(刘昌森等,1980;竺清良等,1983;刘昌森,2002;章振铨等,2004;谢建磊,2018;于海英等,2021)。较之陆上地震,上海东侧长江口海域地震频度高、强度大,对上海影响较大。此外,上海人口密集、构筑物林立,在我国国民经济生产中占有重要地位,有必要加强上海及邻近地区的地震监测。高质量地震数据是地震监测和速报的基础,亦是为城市安全保驾护航的前提(潘国勇等,2021,2022)。近年来,诸多学者相从不同角度对地震观测数据开展研究,集中在波形特征分析(陈辉等,2019)、特定干扰分析(肖攀等,201
5、3;张慧等,2017;陈凯男等,2018;何思源,2018;周冬瑞等,2019)、台基背景噪声分析(裴晓等,2012;侯颉等,2019;立凯等,2021;王良等,2021)、波形质量自动监控(黄玲珠等,2017)、数据质量对比分析(Nanjo et al,2010;任烨等,2012;65第 2 期邓明文等,2021),等等。以上多针对地震观测数据某方面开展研究,分析内容比较单一,关于数据自身质量的综合性分析相对较少。文中对上海测震台站数据质量进行综合分析,在目前上海地区地震监测数据分析中尚属首次,期望通过数据质量分析,为今后日常地震监测工作提供参考。1 测震台网概况及资料选取上海测震台网共由
6、13 个参评台站组成,分别是佘山台(SSE)、秦皇山台(QHS)、天马山台(TMS)、小昆山(XKS)、天平山台(TPS)、横湖台(HUH)、大洋山台(DYS)、东滩台(DOT)、竹园台(ZHY)、金泽台(JIZ)、大新中学台(DAX)、南汇台(NAH)、上戏台(SHX)。其中,地表基岩台 6 个,分别是佘山台、秦皇山台、天马山台、小昆山、天平山台、横湖台;海岛台 1 个,是大洋山台;深井台 6 个,井深均在 500 m 以上,分别是东滩台、竹园台、金泽台、大新中学台、南汇台、上戏台。地表基岩台均部署 120 s 甚宽频带地震计,井下台除在南汇部署 20 s 宽频带井下地震计外,其余台均部署
7、2 s 短周期井下地震计。目前,上海市行政区域地震监测能力达 1.0 级,邻近地区(行政区域边界外 50 km)地震监测能力达 2.0 级,佘山地区监测能力可达 0.5级。测震台网各子台地理位置示意见图 1。选取 2018 2022 年上海测震观测资料,采用统计学方法,对上海测震台网运行率和数据波形可用率进行统计分析。采用童汪练老师研制开发的基于 P Welch 方法的计算软件,计算得到地动噪声 RMS 值。采用频谱分析法,对测震台站进行干扰分析。采用 PMC 方法,对测震台网地震监测能力进行评估,分析台网布局的合理性。2 数据质量综合分析采用定性和定量分析相结合的方法,围绕测震台网运行率、波
8、形可用率、台基背景噪声、干扰以及台网布局合理性,对上海测震观测数据质量进行综合分析。2.1 运行率分析运行率是反映地震台站是否正常运行的重要指标。对 2018 2022 年上海测震台网13个测震台站运行率进行统计(图2),发现:2020 年以前运行率浮动较大,随着第二信道的部署,台站运行率逐年提升,现已稳居全国前列。服务器重启、传输专线中断是影图 1 测震台站分布Fig.1 Distribution of seismic stations图例测震台站km122 E1211200 10 20 30无锡市苏州市奉贤区舟山市嘉兴市金山区浦东新区湖州市杭南通市崇明区州市31 NTPSSSETMSZHY
9、SHXDYSJIZQHSXKSHUHDAXDOT图 2 上海测震台网年均运行率Fig.2 The average annual operation rate of the Shanghai Seismic Network10099.599.098.520182019202020212022年份年平均运行率(%)潘国勇等:上海测震台网数据质量综合分析地震地磁观测与研究44 卷 66响测震台网运行率的重要因素。由于观测系统、设备或通讯线路等故障,大洋山台、东滩台、天马山台、佘山台、小昆山台、秦皇山台运行率持续偏低,严重影响了观测数据质量和速报产品的准确性(图3)。基于此,对运行率偏低台站进行深入分
10、析,采取相应措施进行改进,具体措施见表 1。此后,观测数据的连续性和可靠性得到显著提高。此外,采取以下措施提高测震台网运行率:对电源控制器和数据采集器等进行备机备件,出现问题及时更换;部署第二信道,与现有传输在线并行,若台站出现数据采集器网口故障、网络故障或供电故障等,可及时启用第二信道尽快恢复数据传输,减轻对台站运行率的影响;建立运维、速报、网络三组联动响应机制,一旦台站出现故障能快速响应、密切配合,在最短时间内恢复数据的正常传输。图 3 上海测震台网 13 个台站 20182022 年运行率Fig.3 Operation rates of 13 stations in the Shangh
11、ai Seismic Network from 2018 to 202210090100901009010090100901009010090100901009010090100901009010090t/mont/mon0918273645540运行率(%)运行率(%)91827364554QHSNAHJIZHUHDYSDOTDAXZHYXKSTPSTMSSSESHX表 1 台站运行率偏低原因及解决方案Table 1 Cause analysis and solution for low operation rate of stations台站名称主要原因改进措施改进结果大洋山台、东滩台4G
12、 网络传输不稳定,造成丢包、堵包或光端机死机2021 年初开通了光纤专线,2 月初开始并行测试。现已正式上线运行率显著提升,维持高稳定状态天马山台、小昆山台公园施工、松鼠活动导致光缆被破坏光纤能埋地的全部进行套管埋地处理,并设立警示标志;需架空部分的光纤用套管保护秦皇山台电源控制器和数据采集器故障做好电源控制器和数据采集器等设备的备机备件,一旦出现问题及时更换佘山台光端机故障更换光端机2.2 可用率分析2018 2022 年上海测震台网共记录近震 357 个、远震 2 554 个,无速报地震。通过对地震事件波形的分析发现:上海测震台网台站的整体运行情况良好,数据记录正常,部分台站存在噪声过大、
13、测定震级偏大及长周期干扰等现象。2.2.1 东滩台测定震级偏大(偏差超过 1.0)。从单纯型法地震定位结果可知,东滩台测定震级偏大(图 4)。分析发现,该台井下地震计设备故障,于 2018 年 12 月进行维修,后因67第 2 期观测井出现轻微变形,地震计无法安装至井底基岩处,实际安装位置在井下约为 280 m 处。受台基影响,存在明显的软土覆盖层放大效应,故东滩台测定震级明显偏大,目前采取手动扣除方法进行人工校正,建议对井孔进行矫正或选择直径更小的地震计进行观测。图 4 江苏苏州市吴中区地震上海测震台网定位结果Fig.4 Location results for the Wuzhong ea
14、rthquake using the Shanghai Seismic Network2.2.2 南汇台观测数据存在钟差。自 2019 年 12 月起,南汇台井下地震计出现脉冲标定异常。为不影响观测,临时部署地表观测系统。将 TVG-33S 一体机 GPS(天线较短)置于室内,因信号接收不良致出现钟差(图5),后定购加长线引至观测室外,信号畅通,成功解决上述问题。图 5 南汇台存在钟差Fig.5 Clock error in NAH station潘国勇等:上海测震台网数据质量综合分析地震地磁观测与研究44 卷 682.2.3 秦皇山台和竹园台台基背景噪声偏大。秦望山山体内部掏空,地震计部署在
15、坑道上方,存在明显的腔体放大效应,致该台台基背景噪声偏大,目前已与相关部门协调沟通,拟在洞内架设一套对比观测系统,若山洞内噪声水平偏低、数据可用率高,可参照佘山台样例将台址迁至洞内。竹园台周边分布有 3 条地铁线路,最近直线距离 230 m,加之台站周边高楼林立,地下结构复杂,导致该台台基背景噪声偏大(图 6),其环境噪声水平已不满足测震台站建设要求,建议选址搬迁。(a)NHNMNLNMUDNSEWNHNMNLNMUDNSEW(b)NHNMNLNMNHNMNLNM-60-80-100-120-140-160-180-200-60-80-100-120-140-160-180-200f/Hzf/
16、Hz功率谱密度/dB功率谱密度/dB10-310-210-110010110010110210-210-1102图 6 秦皇山台和竹园台台基噪声 PSD 曲线(a)QHS 台(GL-120 测定);(b)ZHY 台(FSS-3DBH 测定)Fig.6 The PSD curves of the noise of QHS and ZHY stations2.2.4 上戏台、大新中学台设备记录异常。自 2019 年起,上戏台和大新中学台井下地震计出现脉冲标定异常现象,临时部署地表观测系统,台基背景噪声大,对观测数据造成严重干扰。申请并完成井下地震计维修升级专项,现该问题已成功解决。2.2.5 与井
17、下短周期地震计相比,井下宽频带地震计波形记录质量好,数据可用率高。日常波形记录:与井下宽频带地震计相比,井下短周期地震计日常脉动记录不够稳定、丰富。地震事件记录:井下短周期地震计可记录 M 1.0 近震数据,但在记录较远地震事件时,存在震相无法识别或无记录的情况。在科学研究上的数据可用率:井下宽频带地震计记录波形包含信息更丰富,不存在某些频段范围内的波形畸变现象,数据可用率高。总之,井下测震台使用宽频带地震计进行观测,脉动记录更加稳定、丰富,震相更加清晰可辨,数据可用性更强,建议井下地震台配备宽频带地震计进行地震观测,以为相关研究提供高质量基础数据。2.3 台基背景噪声分析台基背景噪声是台址堪
18、选、观测环境变迁及数据记录质量评估的重要依据,可为新建台站的台基选择及仪器选型提供重要的理论依据(王良等,2021;立凯等,2021)。实测地动速度及计算公式如下 SKRFNV=s(1)式中:V 为实测地动速度值,单位 m/s;N 为实际记录数字值,单位 counts;Fs为采集器输入的满幅电压,单位 V;R=2n,n 为 ADC 字长;K 为数据采集器实际工作时的增益;S 为地震69第 2 期计工作灵敏度,单位 Vs/m。地动噪声均方根值计算公式如下 =niiVVn1)(11RMS(2)式中:V_为实测地动速度均值,单位 m/s;Vi为实测地动速度值,单位 m/s。为使台基背景噪声评价结果更
19、加客观、真实,选取各台站 24 h 内无震、无明显干扰的波形记录,计算得出 1 20 Hz 频带内 1/3 倍频程各中心频点处地噪声 RMS 均值(表 2),绘制台站地动噪声功率谱密度图和 24 h 内地动速度噪声 RMS 值各时段分布柱状图。限于篇幅,文中仅以秦皇山台(QHS,地表基岩台)和大新中学台(DAX,深井台)为例,给出台站地动噪声功率谱密度图和 RMS 值随时间分布的柱状图,见图 7、图 8。(a)NHNMNLNMUDNSEWNHNMNLNMUDNSEW(b)NHNMNLNMNHNMNLNM-60-80-100-120-140-160-180-200-60-80-100-120-1
20、40-160-180-200f/Hzf/Hz功率谱密度/dB功率谱密度/dB10-310-210-110010110010110210-210-1102图 7 功率谱密度曲线(a)QHS 台(GL-120 测定);(b)DAX 台(FSS-3DBH 测定)Fig.7 The noise power spectrum curves图 8 24 h 内地动速度噪声 RMS 值随时间的变化(a)QHS 台(1 20 Hz);(b)DAX 台(1 20 Hz)Fig.8 Variation of the RMS values of ground motion noise over time withi
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