万文涛,陈畅,王赟*,穆朝民,贺永胜,汪超

1 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院“多波多分量”地震研究组,北京 100083 2 中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室,北京 100083 3 安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南 232001 4 军事科学院国防工程研究院工程防护研究所,河南洛阳 471000 5 中国科学院地球化学研究所,贵阳 550081

背景噪声对于天然地震观测具有重要的影响.不论从噪声成像的角度还是天然地震事件识别与拾取,大量研究讨论了地震观测环境中的背景噪声及其时频特征(McNamara and Buland,2004; Zhu and Stensrud,2019; 王芳等,2019; Wu et al.,2020; Wang et al.,2020; 王宝善等,2021).其中,Earth′s hum被认为是无震背景下固体地球以2～20 mHz的连续振荡(Deen et al.,2018).Kobayashi和Nishida(1998)利用360 s甚宽频带地震仪首次观测到该长周期信号,并将之归因于海洋重力波(Nishida et al.,2008; Nishida,2013).地脉动也是背景噪声的重要组成部分(Peterson,1993; Berger et al.,2004),其激发机制存在两种模式:一般认为周期10～20 s的第一地脉动信号由海浪与海岸和浅滩的直接相互作用产生(Hasselmann,1963),其频率与海浪相同,也被称为单频(Single-Frequency,SF)地脉动;振幅更大、周期在2～10 s的第二地脉动信号由相反方向传播的海浪之间的非线性作用产生(Longuet-Higgins,1950),频率为海浪的两倍,被称为双频(Double-Frequency,DF)地脉动.地脉动的能量强且稳定,被广泛应用于地壳和上地幔的三维结构成像、海冰强度测量及海浪气候变化监测等(Bromirski et al.,1999; Shapiro et al.,2005; Tsai and McNamara,2011; Sufri et al.,2014).

近年来,随着分布式光纤传感技术(DAS)的发展及其应用于城市地震,人类活动引发的噪声逐渐引起学者们的兴趣.Díaz等(2017)利用宽频带地震仪对城市环境噪声进行了监测,分析不同人类活动引起的噪声在能量与频率上的区别.Wu等(2020)对中国地质大学(武汉)南望山校区校园内噪声的日变化进行了观测和特征分析.Wang等(2020)在美国加州帕萨迪纳玫瑰花车游行期间,利用与花车巡游路线部分重合的光纤电缆与DAS,探究了摩托车、游行花车与游行乐队产生噪声的强度与频带分布.一些学者通过对比新型冠状病毒肺炎(COVID-19)流行前后的地震背景噪声变化,阐述了高频振动噪声与人类活动的强相关性(Xiao et al.,2020; 吴丽慧等,2022; 王宁等,2022),并提出利用地震学方法进行人类活动实时估计的可能(Lecocq et al.,2020).

由于现代经济社会发展严重破坏了地震观测环境,利用地下低振动噪声的优势发展深地观测成为测震领域的热点(Rosat et al.,2018).例如,王芳等(2017)曾利用位于云南普洱大寨井中布设的短周期地震计,验证了井下375 m深处的噪声比地表降低可达40 dB.美国、日本在大量井中布设的地震观测也是充分利用深部地下的这一优势,开展了大量的地震观测、浅层场地效应和地层Q值的研究(Hauksson et al.,1987; Abercrombie,1997; Satoh,2006; Yamada and Horike,2007),但限于井筒环境,所执行的地震观测偏于1 s以上的中高频.

深部地下与地面相比,背景噪声各自具有什么不同的时空特点,却是鲜有讨论的问题.而对不同噪声的广泛研究,不仅是开展深地高精度观测的重要基础工作之一,也将促进相关科学问题的探索(王赟等,2022; 王振宇等,2022).因此,我们在淮南深部地下-848 m巷道(以下简称“深地”)和地面开展了地震的联合观测试验.同期的重力观测已证实井下重力场在0.01～0.5 Hz频段具有近两个量级的低噪声优势(张苗苗等,2021;孙和平等,2022).