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常德近 2 km 深井地震观测噪声抑制的定量证据及其观测优势

Quantitative evidence of noise suppression in a ~2 km borehole in Changde, China, and its observational advantages

  • 摘要: 深井地震观测能够有效削弱近地表环境噪声对地震记录的影响,对于提高弱信号识别能力、改善震源过程研究和推动地下地震观测网络建设具有重要意义。然而,目前针对千米级深井观测系统噪声抑制能力和信噪比提升效果的系统定量评估仍相对有限。本文依托湖南常德深井地震观测实验平台,利用安装于 1972.7 m 深度的两套国产 TDE-120VB 甚宽频带地震计及井口附近同址地表观测仪器,开展深井与地表同步观测对比,系统评估深井环境对背景噪声、信号识别和观测稳定性的影响。研究首先对 2025 年 1 月 1-7 日连续三分量记录进行统一预处理,包括去均值、去趋势、加窗和仪器响应校正,并采用功率谱密度概率密度函数、功率谱密度中值曲线和分频段统计方法,对地表与井下背景噪声水平进行定量比较。结果显示,在 0.001-25 Hz 频带内,深井记录的背景噪声功率谱密度整体比地表低约 20-40 dB,部分子频带降幅可超过 60 dB;相应地,地震事件记录的信噪比提高约 2-4 个数量级。尤其在 1-25 Hz 高频段,深井观测能够有效削弱交通、人类活动和近地表环境扰动引起的高频噪声扩散,表现出更低的噪声能级和更集中的频谱结构。为进一步分析深井观测在时间稳定性方面的优势,本文利用短时傅里叶变换考察日变化特征。地表台站在 1-10 Hz 频段表现出明显的昼夜差异,白天噪声增强,夜间噪声降低,反映出人类活动和环境扰动对地表观测的显著影响。相比之下,两套深井仪器在相同频段内的功率谱密度日变化幅度较小,1-25 Hz 频段的昼夜差异通常不超过 1-2 dB,而地表台站可达约 6-7 dB,说明深井环境具有更强的环境屏蔽作用和长期观测稳定性。除传统能量指标外,本文还将谱熵方法引入深井地震数据分析,并结合谱熵均值时间序列、均值—方差统计框架和双侧累积和变点检测方法,用于区分地震信号与背景噪声。谱熵从频谱能量分布的有序性和复杂度角度描述信号结构,能够补充传统 PSD 和 STA/LTA 方法对能量或振幅变化的刻画。以 2025 年定日地震为例,井下台站在震后维持低谱熵状态约 4.5 h,而地表台站约为 2 h,表明深井记录中地震信号的频谱能量更加集中、相干结构更加清晰,且不易被背景噪声掩盖。二维谱熵统计结果进一步显示,深井数据具有更低的熵离散度和更少的随机异常点,有利于自动化地震信号识别和噪声判别。综合分析认为,常德近 2 km 深井观测系统的噪声抑制优势主要受传播衰减、近地表环境屏蔽和井壁刚性耦合共同控制。深井环境不仅降低了背景噪声能级,也提高了记录的时间稳定性和信号结构清晰度。该研究为国产 TDE-120VB 深井甚宽频带地震计的实际观测性能提供了定量验证,也为深井地震观测系统优化、地下地震台网建设、弱震监测和震源过程研究提供了重要参考。

     

    Abstract: By effectively isolating noise, deep borehole seismic observations offer clear advantages related to signal identification and seismic source research. However, quantitative assessments of noise reduction and signal-to-noise ratio (SNR) improvements in km-scale boreholes are limited. In this study, a deep borehole seismic observation platform in Changde, China, was used to investigate noise reduction and SNR improvement. Two Chinese TDE-120VB very broadband seismometers were deployed at a depth of 1972.7 m and synchronous observations were made by co-located surface instruments. The results indicate that the background noise power spectral density (PSD) of the borehole system was 20–40 dB lower than that of the surface instruments at 0.001–25 Hz, with decreases of up to 60 dB in certain sub-bands. This corresponds to SNR improvements of 2–4 orders of magnitude. For the first time in deep borehole seismology, spectral entropy was applied to downhole seismic data, and cumulative sum change-point detection within a mean-variance statistical framework was introduced into the entropy series, which enhanced automatic seismic signal identification and noise discrimination. Spectral entropy analysis of the 2025 Dingri earthquake indicates that the borehole station maintained a low-entropy state for ~4.5 h, which is more than twice the length of that observed at the surface (~2 h). The findings support the optimization of deep borehole observation systems and provide a valuable reference for underground observation network development and seismic source research.

     

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