钻井对红山基准地震台测震数据的干扰特征及去噪浅析

陈凯男,王利兵,田 勤,刘立申,罗 娜,贾 华

(1.河北省地震局红山基准地震台，河北 邢台 054000；2.河北省地震局邯郸中心地震台，河北 邯郸 056002)

0 引言

地震数字化记录信号在采集、处理等过程中，不可避免地叠加各种干扰信息，影响观测质量，增加震相分析难度，为地震信号的精确识别造成一定的困难。因此，在地震信号的处理过程中，提取地震信号中的有用信息，提高地震资料的信噪比，对后续的信号分析研究是十分重要的[1-2]。近年来，除观测规范要求的以地脉动有效值(均方根)来衡量台站的噪声水平外，国际上流行以噪声功率谱来衡量台站的噪声水平，它可以表征整个观测频带的噪声水平状况[3]。利用噪声功率谱密度方法分析钻井作业对台基噪声的干扰成分，进而有针对性地对干扰频率进行滤波，提高地震数字化记录的观测质量。

1 台站观测环境

红山基准地震台(以下简称红山台)海拔高程37 m，周围是大面积冲积平原,基岩裸露，台基为震旦纪石英砂岩。从区域地质构造上看，这一地区隶属于太行山山前断裂带分支断裂-隆尧、束鹿断裂的南段。台站周围构造复杂，基层断裂纵横交错，甚为发育。特别是东南部束鹿断陷为一新生代断陷盆地，断陷内新构造运动十分强烈，西北部被赵县凹陷边缘的北东向断裂切割。东南部被东鹿断陷带阻止，西南部顶端被巨鹿断陷带内的东断裂拦截。行政区划隆尧县境内，台站东面和北面无公路和工厂，西面距县级公路2 km，南面距县级公路3 km。四周皆为农田，远离村镇，人为活动较少，地震监测环境较好。

2 台基噪声水平

红山台2010年至今的地震观测环境背景噪声年平均水平基本呈下降趋势，地震观测环境在逐渐变好。目前,红山台台基地噪声水平处于Ⅰ级环境(见表1、第39页图1)。

实测地脉动速度及计算公式为：

(1)

式中:V为实测地脉动速度值(m/s);N为实际记录背景噪声值(counts);U为输入峰值电压(V);R为仪器分辨率(counts);S为地震计的工作灵敏度;K为数据采集器实际工作时的增益。

利用地动噪声的均方根值(RMS)可以衡量台站的背景噪声水平。用此值衡量噪声水平的优点在于对来自不同噪声源的噪声可按照一个相同的尺度进行比较。地动噪声均方根值公式为：

(2)

式中:Vi为实测地脉动速度值(m/s)。

表1 红山台2016年观测环境背景噪声年平均水平Table 1 Annual average level of observation environment background noise at Hongshan station in 2016

国际上目前通常采用新皮特森地脉动噪声加速度功率谱密度曲线描述台站台基噪声水平。我国《地震台站观测环境技术要求》(GB/T 19531.1-2004)将测震台站环境地噪声水平分为五级：

图1 钻井前功率谱密度曲线Fig.1 Power spectral density before drilling

Ⅰ级环境地噪声水平：Enl<3.16×10-8m/s;

Ⅱ级环境地噪声水平：3.16×10-8m/s≤Enl<1.00×10-7m/s;

Ⅲ级环境地噪声水平：1.00×10-7m/s≤Enl<3.16×10-7m/s;

Ⅳ级环境地噪声水平：3.16×10-7m/s≤Enl<1.00×10-6m/s;

Ⅴ级环境地噪声水平：1.00×10-6m/s≤Enl<3.16×10-6m/s。

3 钻井对台基噪声及地震波形记录的影响

钻井干扰主要是钻机的钻头在地层钻进的过程中，钻头凿击地层产生的震动在地层中传播，到达地面后，与地震波同时被记录到地震上，相对于地震波而言则称之为钻井干扰[4]。红山台钻井作业地点距离测震地震计西北方约20 m处。

3.1 波形记录特征

选取2017年7月17日10时钻井作业开始前波形记录(见图2a)，8月25日10时钻井作业时波形记录(见图2b)。通过钻机开始工作前后地震信号记录的图形可清晰地分辨出此干扰的记录特征。

由图2b看出，钻井作业时产生的振动在数字地震信号中叠加了高频干扰成分，对于短周期震相分析会产生严重影响。要剔除这些干扰，观测人员首先要对这些干扰成分进行频谱分析。

图2 钻井作业前后地震波形记录对比图Fig.2 Contrast of seismic waveform record before and after drilling

3.2 钻井作业时台基噪声变化

用公式(1)、(2)对钻井作业进行时的数字地震信号计算RMS值(选取2017年7月28日15时)。由于钻井作业影响，此时地噪声水平为Ⅲ级环境(见表2)。

表2 打井期间红山台RMS值Table 2 RMS values during drilling at Hongshan station

通过对钻井作业期间地震波形数据的分析，得出如下结论：

(1) 从波形数据上看出，钻井对地脉动信号产生干扰，特别是对地震数据的干扰，影响震相的识别。

(2) 对干扰波形数据噪声分析，其RMS值降到Ⅲ类。

(3) 对台基噪声功率谱密度分析看出，干扰频率主要集中在5 Hz以上的高频。

4 地震信号去噪

选取钻井作业时的地震波形数据，做台基噪声功率谱密度分析如第40页图3所示，可见干扰的频率大于5 Hz，特别是10 Hz左右的高频干扰十分严重，对体波干扰较大。

图3 钻井期间台基噪声PSD曲线Fig.3 PSD of station base noise during drilling

地震事件分析时，初至震相全部淹没在钻井的噪声干扰中(见图4)。将高频干扰作为滤波的主要频段，地震波体波的周期主要集中在0.1～3 s，所以将带通初步设置在0.3～10 Hz。小于0.3 Hz的信号基本不受干扰，大于10 Hz的信号大致排除为地震信号，可去除。5～10 Hz间的地震信号也叠加有钻井的干扰信号，滤波时需权衡。

图4为2017年8月3日汤加群岛地区Ms6.1地震波形，发震时刻16:53:34，震中距(相对红山台)为85.8°，初至震相P波到时17:06。震中距较大，体波周期相对较长。图4a能大致看出初至震相P波的到时，但远远达不到地震分析所要求的精度，对其做噪声功率谱密度曲线(见图4b)，干扰频率清楚，滤波带通设在0.3～5 Hz。图4c为滤波后的地震波形，图4d为滤波后噪声功率谱密度曲线，发现经过滤波后，地震信号清晰地显露出来。

图4 2017年8月3日汤加群岛地区地震波形处理图Fig.4 Seismic waveform processing in Tonga Islands area on August 3, 2017

第41页图5为2017年7月22日日本本州东岸近海Ms5.2地震波形，发震时刻09：46：55，震中距为21.1°，初至震相P波到时09：51。图5a为滤波前叠加钻井干扰的波形，图5b为滤波后的地震波形。滤波带通设为0.3～10 Hz，滤波后地震波初至震相清晰可辨。

第41页图6为2017年8月9日阿留申群岛Ms5.0地震波形，发震时刻05：46：48，震中距为41.9°，P波到时05：54。图6a为滤波前叠加钻井干扰的波形，图6b为滤波后的地震波形。

图7为2017年8月31日陕西省榆林市榆阳区ML3.5地震波形，发震时刻07：25：06，震中距为430.4 km，初至震相PG到时07：26。图7a为滤波前叠加钻井干扰的波形，图7b为滤波后的地震波形。

图6 2017年8月9日阿留申群岛地震波形处理图Fig.6 Seismic waveform processing in Aleutian Islands on August 9, 2017

图7 2017年8月31日陕西省榆林市榆阳区地震波形处理图Fig.7 Seismic waveform processing in Yuyang District, Yulin City, Shaanxi Province on August 31, 2017

5 结论

(1) 通过对钻井作业期间地脉动数据、地震事件数据做台基噪声功率谱密度分析，确定钻井作业对测震数字记录产生的干扰为高频干扰，频段大于5 Hz，尤其是10 Hz左右的干扰最为明显，低频段几乎不受影响。钻井产生的干扰严重影响地震数据质量，加大震相识别的难度。

(2) 对不同震中距地震事件数据做滤波实验，滤波频段的上限从10 Hz往下调整，要既能去掉干扰频率又不影响地震信号。滤波频段选取0.3～10 Hz可以滤掉绝大多数的干扰，使初至震相清晰显露。