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垂直摆的背景噪声水平

已有 110 次阅读 2026-2-4 10:43 |个人分类:钻孔应变|系统分类:科研笔记

垂直摆和水平摆等摆式仪器,可以连续测量近地表或地壳的倾斜运动。由于这种观测手段具有分辨力高(<0.2毫角秒,毫角秒ms)和频带宽(零至数十赫兹)等优点,所以在震源物理、慢滑移、地潮、地球内部结构、火山活动Ueda et al., 2013、海啸Kimura et al., 2013滑坡(Burda et al., 2022)、核爆(Romig et al., 1972)、水力压裂水文等领域得到了广泛应用。

但不足之处,是气温、洞温、洞室湿度、降雨(木村一洋等,2024)、气压、气流运动、多尺度天气系统、水文、潮汐、地脉动和仪器噪声等众多因素,会在不同频段内降低地倾斜测值的信噪比。例如,台风事件会导致摆式倾斜仪在2~5 min20~30 min周期内记录到显著的震颤噪声波,而此类噪声也往往被误解成地震前兆波;又如,黄河揭底所引致的区域地下水流动,会造成沿岸地区产生形似慢滑移信号的非线性倾斜噪声。因此,厘清不同频段地倾斜的噪声水平和机理,不仅有助于噪声的识别、溯源和模型构建,而且还能为台站选址和仪器改进等提供参考。

  截止目前,我国垂直摆台站数量已超过100个,经过数十年的连续观测,这些测站记录并积累了丰富的噪声“大”数据。为此,不少学者对其特征和本源等进行了诸多研究。比如,张小艳等(2023)、高翠珍等(2024)、杨绍富等(2024)和周硕等(2024)就分别对内蒙古、山西、新疆和河北地区的垂直摆台站进行了定量解析;而为了进一步揭示这些背景噪声的时空分布规律,赵莹(2019)还对我国123个垂直摆台站进行了系统诊断。尽管这些研究较好地解算了不同台站的背景噪声谱,但一个关键问题是,这些研究的处理方法均是选择数天相对平静和不含地震波的地倾斜记录,并通过功率谱密度(power spectral density,简写为PSD)来定量刻画各台的背景噪声水平,而如此解算既增加了工作量,又难以客观反映台站噪声水平的全貌(McNamara and Buland, 2004)。鉴于此,本文将以陕西地区的3个垂直摆台为例(图1,3),并率先采用概率密度函数(probability density function,简写为 PDF),来对其背景噪声水平的共性和个性特征予以系统诊断(图4)。相关结果,一方面可以为陕西地区垂直摆观测质量的定量评估提供依据,另外还能为我国定点地壳形变台站背景噪声水平的科学计算提供算法参考。

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