1、本科毕业论文（20 届）近海地区地面振动噪声特性分析所在学院 专业班级 海洋技术 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目 录中文摘要 .I英文摘要 .II第一章 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 国内外研究概况 .11.3 研究路线 .4第二章 地面振动噪声析 .42.1 地面振动噪声的定义 .42.2 地面振动噪声的特征 .62.3 地面振动噪声的应用 .10第三章 海岛地区地面振动噪声分析 .113.1 噪声记录仪器 .113.2 实测数据处理 .123.3 海岛地区地面振动噪声特征分析 .15第四章 讨论与总结 .18参考文献 .19附录 1 英文文献 .20附录 2
2、 中文翻译 .44致谢 .84I近海地区地面振动噪声特性分析【摘要】国内对地震噪声信号与海面风暴之间的相关性研究还比较初步，对其的研究就显得相当重要。本论文通过对陆上地震台站记录数据（地脉动信号）的分析，研究近海地区地脉动信号的特征。地脉动信号携带有丰富的地球内部信息，通过数据分析，获取近海地区陆上地脉动信号特征的同时，基于海岛等近海地区的地理特性，进一步通过对它与海面风场之间的关系研究，探讨它的能量来源。本 文 首 先 介 绍 了 近 海 地 面 的 特 性 ， 研 究 舟 山 及 其 附 近 海 域 的 风 场 。 其次分析地面振动噪声的特性、原理。分析浅水层噪声传播方式，及地面噪声的特性
3、分析，实现噪声源排序的快速分析，包括客观和主观的噪声评估，以及主要传递途径的辨识。通过傅里叶变换地震与仪功率谱分析，在 010Hz 范围内，嵊泗地区 2010 年 1，4，7，10 月的功率谱比较，实现图形的直观展现地面震动信号的处理，7 月功率谱能量显示最大，表现为海洋运动频繁地脉动强，与 7月份风场强度相对应，并通过地脉动在不同时期的变化和台风之间的关系，预测自然灾害。【关键词】地脉动 浅层地震仪 噪声 特性分析 台风IIOffshore area of ground vibration and noise characteristicAbstract Domestic sea seism
4、ic noise signal and correlation between the storm is still relatively preliminary, their study becomes very important. This thesis on land-based seismic stations recorded data (in pulse signal) analysis to study the coastal region to the characteristics of the signal pulse. Pulse signals to Earth ca
5、rrying a wealth of information, through data analysis, access to land in coastal areas, while pulse signal characteristics, based on offshore islands and other geographical features that further through it and the relationship between sea surface wind field research, of its energy source.This paper
6、describes the characteristics of the offshore ground, and nearby Zhoushan sea area of the wind field. Secondly, the characteristics of ground vibration and noise, principle. Shallow layer mode of transmission of noise and noise characteristics of the ground, and the noise source sort of rapid analys
7、is, including objective and subjective noise assessment and identification of the main pathway. Fourier transform power spectrum analysis of seismic and instruments, in the range of 0 10Hz, 2010 1,4,7,10 Shengsi regional power spectrum of the month compared to the visual display of graphics ground v
8、ibration signal processing, July power show the maximum spectrum energy, marine sports frequently showed strong pulse, and in July the relative strength of the wind farm should be, and to pulse at different times through the changes and the relationship between the typhoon, predict natural disasters
9、.Keywords Microtremor Seismic instruments noise Analysis Typhoon1第一章 绪论1.1 研究背景从前人的研究我们发现，由于对脉动的性质、引起脉动的震源还不能完全确定，这就严重影响了脉动在现实地震工程中的应用。脉动的研究虽然很早，但由于滤波技术的限制，脉动的研究也只是最近几年才有新的进展。脉动的不确定性太大，不可预知的干扰总是让科学家顾此失彼，尽管科学家对地脉动做了大量的研究论证，但是仔细分析他们的研究不难发现.他们往往仅是利用了一个台站或者很少几个台站的记录进行研究，而且研究时间也不是很长，一般只有几个月，甚至有的仅有几天、几个小时
10、 4。仅仅利用一个或者很少的几个台站的记录，只能反映出很小的一片区域的脉动的性质，不能反映大区域的脉动的变化，也不能反映出很大的一片区域上的脉动之间的关系。因此，对更大区域的脉动同时进行更长时间的观测就显的很有必要。脉动虽然微小，但是却使精确记录地面振动的问题变得复杂起来，在脉动振动强烈的地区，从地震记录上可以分辨出来的最小震级地震就会变大。在同一时间，不同的地点或者相同的地点、不同的时间， 脉动的振幅特性， 周期特性等都会有很大的变化，这种变化受场地、周围环境、气压、台风以及风暴潮等众多因素的影响，如果能搞清楚地脉动随时间和空间的变化规律，可以更加有效而有针对性的去除地震记录中噪声的干扰，更
11、加精确的记录地震时地面运动的信息，也就能更好的把地震记录应用到实际中来。现在，对于脉动的源以及脉动的性质仍然存在很大的争议，如果能够对于脉动的产生机理、传播特性有个明确的解释，并能够对脉动主要成分的性质研究清楚的话，那么对于脉动在地震工程中应用将是很大的促进。脉动波速异常的研究现在已经被应用于地震预报，但是目前波速的测定往往需要依赖于地震记录其他的一些人工振动的方法，这就有很大的局限性，但是，脉动是随时随地都有记录，如果能利用脉动记录测定出面波在地下不同深度的传播速度，这就很好的克服了上述的局限性，对地震预报、地球物理勘探等等都是一个很大的促进。1.2 国内外研究概况脉动这一随时随地都可以观测
12、到的微小振动，因为其特有的性质而受到越来越多的关注。早在1 9 0 8年，O m o r i就用高放大倍数的测振仪器观测到了这种极微弱的振动并对它进行了研究，这些研究对于以后的科学家有着很大的借鉴意义。W i e c h e r t曾经提出脉动是在激烈的碎浪对陡峭海岸的2作用下产生的，根据这个理论，G u t e n b e r g估计了由激浪的冲击转入沿岸地区的能量，并与造成观测到的脉动所需的能量做了对比，两者在数量级上大致是相符合的。1 9 4 6年时，G i l m o r e , B e r n a r d , M i c h e等经过对脉动卓越周期和海浪卓越周期的对比分析之后认为显著
13、的脉动是由海上形成的很大的驻波产生的，脉动的周期为驻波周期的一半，然而，并不是所有的脉动都是按此方式进行的。随着科技和社会的发展，人们开始希望能够借助地脉动的一些性质来估计场地的性质， 例如通过地脉动的谱的特性来估计场地的特性。我国科学家 ( 胡幸贤，刘曾武等)早在上个世纪6 0年代就开始用脉动法来确定场地的卓越周期、设计所需的场地烈度，并据此来对场地进行分类。上个世纪7 0年代，K u b o , T e r a和O t s u k a等人开始对大于1s 的长周期地脉动进行观测和研究。到了8 0年代，国外一些研究者开始利用长周期脉动台阵来观测分析瑞利波相速度，并且得到了不错的结果。这一时期，
14、国内的一些研究人员 ( 林学文，李文艺等)也开始借助脉动观测来评价场地. 这些方法又以N a k a m u r a 的H / V 方法影响最大，但是该方法的假设条件太多，缺乏足够的理论依据，目前在应用方面仍然存在很大争议。目前，在国内外，关于地脉动的主要成分仍然有很大的争议，地脉动的机理更是各有说辞。这一问题实际上自上个世纪五十年代地脉动开始应用于地震工程以来，就伴随着地脉动应用研究的始终，这也是影响地脉动广泛应用的一个重要因素。 日本学者N o g o s h i 和I g a r a s h i 1 9 7 0年通过计算地脉动的水平分量和竖向分量的振幅比，发现得到的结果与利用瑞利波进行模
15、型分析时计算的水平分量和垂直分量的振幅比比较一致，因此他们认为地脉动的主要成分为瑞利波。还有一些人，如国内的许建聪、简文彬等在将地脉动应用于地震工程时就将地脉动做为一种以剪切波为主的体波。如果能够研究清楚地脉动的主要成分到底是体波还是面波，这无疑会促进地脉动在地震工程中的应用。由于在台风期间， 各个台站的噪声都会有一个明显的增大的过程，因此也有很多人将注意力转向台风的位置、强度、以及中心风速的变化与脉动变化之间的关系， 希望冀此能够揭示脉动源以及脉动的性质。早在上个世纪三、四十年代，G h e r z i , B a n e r r j i等就注意到了台风对脉动幅值的影响，并对脉动与台风之间的
16、联系做了相关的研究，那时由于并没有卫星等现代观测台风的手段，人们主要寄希望于通过研究台风引起的的脉动的变化来实现对台风的定位，但是很多人研究所得到的结果误差普遍偏大 4。在2 0 0 1年，B r o m i r s k i等人又对 1 9 9 1年底发生在西北太平洋上的 完美风暴所引起的海浪的变化以及风暴期间的脉动的变化进行了研究，通过对洋面上不同测点的特定周期的海浪浪高的变化与大陆上一固定台站上记录的特定周期的脉动的变化之间做相关性分析，发现两者之间具有很好的相关性，通过对两者之间时间差的研究，他们认为脉动不是产生在海岸线上，也不是产生在开阔的海3域，而是产生于离海岸线有一定的距离，而且海
17、水深度小于一定深度的特定的洋面上。在国内，金星，康兰池等也利用2 0 0 5年发生的几次对福建省造成重大影响的台风期间福建省地震台网的脉动记录研究了脉动的均方根和卓越周期随着台风的变化( 如中心风速的变化、位置的变化、移动速度的变化等) 而发生的变化，井建立了两个模型，其中一个模型用来描述脉动的均方根速度与台风的强度、台站与台风中心的距离之间的关系;另一个模型用来描述脉动的卓越周期与台风中心风速、台风移动速度以及台风移动方向之间的关系。至于脉动和地震有没有关联，1 9 7 1年，傅承义曾提出了 “ 红肿理论” ，他认为在大地震来临之前的一段时间， 地球内部的岩体的破裂活动会加剧，如果脉动是由地
18、球内部岩体和岩浆活动引起的，那么在大地震之前，脉动应该就会变的比平时剧烈。作为一种探讨，本文也研究了一下脉动的幅值与能量的对应关系。 4对于未来的地脉动研究方向主要体现在脉动的本质上，现行的研究可以解决一些特殊的现象，可一般的，不明显的现象却被忽略，是无关紧要，还是前兆，归于本质的研究。图 1：台风路过是各观测站的振动响应密度4最近，有学者研究分析了地脉动信号和飓风（或台风）之间的关系，指出两者之间具有很好的对应关系，台风期间地脉动信号增强，且质点偏振方向指向台风中心（如图1） 。Zhang et al（2010）年在美国加州地区利用地震台网监测到了墨西哥湾洋面上的Katrina飓风，充分证明
19、了陆上地脉动信号的部分能量来自于海面运动 19。1.3 研究路线由于地脉动信号中相当大一部分能量与海洋相关，因此，我们拟通过近海及海岛地区的地面振动噪声数据的处理与分析，探讨海岛地面振动噪声的特性以及它与海洋现象之间的关系。首先介绍了近海地面的特性，研究舟山及其附近海域的风场。其次分析地面振动噪声的特性、原理。分析浅水层噪声传播方式，及地面噪声的特性分析，实现噪声源排序的快速分析，包括客观和主观的噪声评估，以及主要传递途径的辨识。主要表现为使用最新国内浅海地震仪McSEIS-SX对舟山嵊泗海域附近进行实时探测，每一组数据都进行噪声特性分析，整理成表以.DAT的文件形式保存，再通过远程传输发到学
20、校以达到实时数据的处理，主客观噪声分析，及噪声过滤讲通过大型计算机进行处理，这里不做讨论。 通过傅里叶变换地震与仪功率谱分析，在010Hz范围内，嵊泗地区2010年1，4，7，10月的功率谱比较，实现图形的直观展现地面震动信号的处理，7月功率谱能量显示最大，表现为海洋运动频繁地脉动强，与7月份风场强度相对应，我们将台风中心视为一个移动源，这种振动主要体现在垂直向分量，其垂直向分量要大于水平分量，作为台风信号与噪声的对比。在地脉动的众多成因中，海浪拍击泊岸而形成的拍岸浪波是其中之一，这种拍岸浪波对沿海地震台站是个严重干扰，若值天文大潮期，这种干扰更加严重。有时幅值未见异常，与大潮期间幅值相当，但
21、周期明显变在台风形成，在中心附近，台风信号周期明显大于噪声，而此时正是台风形成之时，那么我们可以利用频率的变化来判断台风的形成。并通过地脉动在不同时期的变化和台风之间的关系，预测自然灾害。第二章 地面振动噪声2.1 地面振动噪声的定义由地球内部物质突然错动引起的一般地震，以及人为的一些活动(如爆破，重物下落等)所引起的地面振动，可以根据地震记录的特征辨认出来，除去这些5震动之外，在所有的观测台的地震记录图上，还有另外的一些微小的地面运动，通常称其为地脉动，相对与地震记录而言，这些微小的地面运动又是作为一种干扰出现的，因此也称其为噪声。 【5】图 2：典型的地脉动信号在一般情况下,任何时刻在地球
22、表面的任何地点,都可以用高灵敏度的仪器观测到非地震引起的一种振幅很小的微弱震动噪声,其位移一般只有几微米到几十微米,把这种人体难以察觉到的微小振动称为地脉动 【8】 。脉动通常为中长周期地微动 ,一般为 1 秒至几十秒 ,波长较长 ,是地微动中反映振源特性的分量 ,主要是由海浪、风雨、气候、雷电、火山、 地震等自然现象变化引起的 ,由较远距离的振源或海洋波浪、 大气环流及地球深部构造运动激发 ,可利用它研究地震、 台风、 火山及地球内部的其它运动 ,理论上可用面波传播特征解释。相对于常时微动而言 ,是一短期内的振动现象 ,故称之为 “脉动” 。在场地现场测试 ,常时微动白天、 晚上均可测量 ,
23、干扰的因素较少 ,且测得的卓越周期变化不大 ,较稳定;而脉动应在晚上进行 ,因为白天有噪声干扰 ,测得的数据失真。按噪声信号的周期分类 【9】1.短周期地脉动 一般周期在0. 11 s之间 ，波长相对较短，是地脉动信号中反映场地土动态特性的成分 。主要是近距离的人类活动、交通运输、机械振动等人为振动因素引起的 。2.长周期地脉动 6一般周期为一秒至几十秒，波长相对较长，是地脉动中反映振源特性的成分 。主要是由海浪、风雨、气候、雷电、火山、地震等自然现象变化引起的，由较远距离的振源或海洋波浪、大气环流及地球内部构造运动所激发 。2.2 地面振动噪声的特征图 3：地球背景噪声加速度功率谱密度曲线产
24、生地脉动的震源的位置对于地脉动应用也有很重要的意义。目前，关于产生脉动的震源，主要有三种观点，一种认为脉动是主要是由台站周围的一些不确定的振动产生的，这种震动类似于白噪声;还有人认为脉动是地下岩体或者岩浆活动产生的，能够反映出地球内部活动的一些性质;目前最普遍的观点认为脉动是山于洋面上海浪的活动而产生的。实际上，自上个世纪五十年代起，就有许多学者开始研究引起地脉动的震源。1978年 Asten回顾前人的研究成果，他把 0. 5-3. OHz的脉动分为人工源、海岸的作用、海洋热气旋以及大气荷载和风的作用，前两种主要是由Rayleigh波组成，第三种由P波组成，第四种类型不确定.1998年 Bard综合 T Kamura和 See等人的工作之后认为:长周期的地脉动 (大于 2-3秒)是由远距离的海浪产生的;中等周期的地脉动 (1-2秒)主要是由近海岸的海浪和风产生的;短周期的地脉动主要由人类的活动产生。但是Bard没有对各个频率段的波的性质作出分析。
