环境干扰是伴随着社会现代化进程而加剧的制约当前地震监测事业发展的主要障碍之一。为降低干扰的影响,自20世纪60、70年代至今,我国地震台站选址的指导思想是“在满足基本生活条件的前提下尽可能远离干扰源”。

然而,随着城市化进程的推进,在上述指导思想下选址建设的大批台站纷纷因干扰源的逼近而停测或迁址(崔庆谷等,2008)。以云南为例:1956～1984年间建成的22个测震台站有11个受干扰严重,占台站总数的1/2,其中8个台站已停测或迁址(楚雄台、弥渡台、通海台、巧家台、澜沧台、剑川台、云县台、东川台),仅有7个台站(永胜台、洱源台、云龙台、丽江台、个旧台、盐津台、芒市台)受干扰程度较轻。

事实上,台站受干扰的程度不仅与干扰源与台站的距离、干扰源的强度有关,还与台基的岩性及完整性有关(彼得·鲍曼,2006)。其中,前两个因素随外部环境的变化而迅速改变,而第三个因素长期稳定不变,它决定了台基对干扰的“免疫”力,称为台基的抗干扰品质。

台基抗干扰品质是指干扰信号在传输过程中遇到基岩露头时的衰减比例。台基抗干扰品质不仅影响台站初选时的噪声水平,而且决定未来新增干扰源对台站噪声水平的影响程度。因此,在人文干扰日益严重的今天,台基的抗干扰品质是台站选址中需重点考虑的问题。

另一方面,在台站抗干扰改造实践中,是选择原址改造还是迁址新建,在决策之前必须根据干扰的现状及恶化趋势,结合台基的抗干扰品质做出决定,否则将造成投资的浪费。

本文在总结云南地震观测实际经验的基础上,通过分析干扰信号及地震波在传输介质分界面两侧的衰减差异,给出用多套地震仪测试台基抗干扰品质的方法并应用于昭通地震台的抗干扰改造实践,取得良好效果。

台基的抗干扰品质由基岩的岩性及完整性决定,其中完整性是台址勘选中应重点考察的环节。完整性好的基岩露头上的干扰信号会远远低于近旁覆盖层或孤石上的干扰信号。而孤石、断裂的基岩露头上记录到的干扰信号与周围覆盖层相比没有明显的衰减。

物探实践证明,当面波信号跨越不同地质背景区域(赖思静等,2005)或者断层分界面时(杨润海等,1999),其记录特征将发生明显的改变。因此,可以通过测量台基与附近覆盖层上的干扰信号振幅差异来得到台基的抗干扰品质。

实验安排如下:在易门地震台的完整灰岩露头和近旁孤石上架设相同的两套地震仪,相距3.5 m,在两套地震仪连线的中垂线上(距两套仪器12 m)用人工震源产生干扰信号,基岩和孤石上记录到的干扰信号波形对比见图1,地震事件波形对比见图2。

图1 2009年5月16日16:33易门地震台基岩和孤石上记录的干扰信号时程对比
Fig.1 Contrast diagram of disturbance's recordings got from bedrock outcrop and isolated stone (16:33,16th May,2009 at Yimen Seismic Station)

R_d=1-(σ_R)/(σ_B).(1)

其中,R_d为台基抗干扰品质,R_d∈[0,1]; σ_R为台基上的干扰信号标准差; σ_B为覆盖层(或孤石)上的干扰信号标准差。根据(1)式,得到易门台台基抗干扰品质平均值为0.585,属中等偏上(表1)。

表1 易门台台基抗干扰品质实验结果
Tab.1 Test result of noise immunity of Yimen Seismic Site

实验结果表明:干扰信号遇到基岩时振幅有较大的衰减,说明完整的基岩对来自于地表的干扰信号具有较强的抑制作用,基岩的完整性越好,台基的抗干扰品质就越高。

台基的抗干扰品质仅仅表现为对干扰信号的抑制,对地震波却没有影响,即选择性抑制。实验结果表明:地震波在基岩和孤石(覆盖层)上的记录基本重合,基岩上的地震波相对于覆盖层(或孤石)没有衰减(图2)。

图2 2009年5月16日06:24易门地震台基岩和孤石上记录的地震波对比
Fig.2 Contrast diagram of seismic wave got from bedrock outcrop and isolated stone (06:24,16th May,2009 at Yimen Seismic Station)

易门地震台的实验结果表明:产生于地表且沿地表覆盖层传输的干扰信号在传输路径上遇到基岩露头时,信号振幅急剧衰减(图1); 而地震波遇到基岩露头时,振幅基本保持不变(图2)。引起上述差异的直接原因在于干扰信号与地震波到达基岩露头的传输路径不同。

干扰信号是产生于地表并沿地表传播的全向面波(Mykkeltveit et al,1983),其强度随深度的增加而急剧衰减(Carter et al,1991),因而可以采用开挖隔振槽的措施来切断部分干扰信号的传播路径(朱炳寅等,2007),从而达到抑制干扰的目的。干扰信号在地表的传播速度和衰减情况决定于地表覆盖层的性质和状况(胡家富,苏有锦,1999; 刘国华等,2008)。当干扰信号传输到基岩与覆盖层的分界面时,由于界面反射导致传输到基岩内的干扰信号急剧减小。对于孤石则不存在上述情况。

在实际工作中,有两种情况可能导致分界面两侧的干扰衰减很小具有良好相关性:一是干扰源直接作用于与台基为同一地质单元的基岩上而不是覆盖层上; 二是台基误选在覆盖层或孤石上。对于前者,干扰信号的衰减程度由岩石的声阻抗决定。

与干扰信号不同,地震波由基岩内的震源激发并穿越岩层到达地表,其成分包括体波和面波,体波不经覆盖层直接由基岩到达基岩露头,因而基岩与覆盖层的分界面对地震体波的传播没有影响、对地震面波的影响也小于干扰信号。因此地震波在基岩与孤石上的记录基本相同。

基岩台基对干扰和地震波的选择性抑制可以用台基的抗干扰品质来描述。台基抗干扰品质反映了台站对未来干扰的“免疫能力”,是台站选址、台站抗干扰改造中需要重点考虑的问题。在台址勘选中,通过选择抗干扰品质高的台基可以达到有效抑制干扰的目的。台基的抗干扰品质可以用多套地震仪组成简易台阵来测量。