中国常德约2公里钻孔中噪声抑制的定量证据及其观测优势

《Earthquake Science》：Quantitative evidence of noise suppression in a ～2 km borehole in Changde, China, and its observational advantages

　　

通过有效隔离噪声，深钻孔地震观测在信号识别和震源研究方面具有明显优势。然而，对千米级钻孔中噪声降低和信噪比（SNR）改进的定量评估有限。在本研究中，研究人员利用中国常德的一个深钻孔地震观测平台，研究了噪声降低和SNR改进。两台中国TDE-120VB甚宽带地震仪部署在1972.7米深度，并与共址地表仪器进行同步观测。结果表明，钻孔系统的背景噪声功率谱密度（PSD）在0.001–25 Hz范围内比地表仪器低20–40 dB，在某些子频带中降低高达60 dB。这对应于SNR改进2–4个数量级。在深钻孔地震学中，首次将谱熵应用于井下地震数据，并在熵序列中引入了均值-方差统计框架内的累积和变化点检测，增强了自动地震信号识别和噪声判别。对2025年丁日地震的谱熵分析表明，钻孔台站保持低熵状态约4.5小时，是地表观测时长（约2小时）的两倍多。这些发现支持深钻孔观测系统的优化，并为地下观测网络发展和震源研究提供了有价值的参考。

**论文解读文章**

**研究背景**
传统地震观测台站多位于人口密集、交通发达、工业活动频繁的区域，地表环境噪声严重污染地震数据。此外，台网与震中距离过远常导致震源动态过程记录不完整，阻碍了对地震破裂机制、断层滑动模型及深部地壳构造的精细研究。尽管信号处理方法（如功率谱密度分析、滤波降噪）已广泛用于地震学，但这些数学方法常压制真实地震信号细节，降低分析精度。因此，有效抑制观测噪声并增强地震信号检测是地震学中的关键科学挑战。深钻孔地震观测通过将高灵敏度地震仪布设于数百至数千米深部，使仪器与近地表噪声源保持物理距离，从而获得更高质量的地震记录，有望解决上述局限。然而，以往研究多集中于浅层钻孔（数百米）或仅提供定性评估，对千米级钻孔噪声降低的系统性定量评价极为匮乏。本研究利用中国常德约2公里深钻孔观测平台，首次对深钻孔环境下的噪声抑制与信号识别进行定量评估，论文发表在《Earthquake Science》。

**研究内容**
研究人员在常德市（湖南省）一处深度为1972.7米的废弃油气井中，部署了两台国产TDE-120VB甚宽带地震仪（垂直间距约2米），并在井口附近设置同型号地表参考站，实现“钻孔垂直对比与井地联合观测”。通过连续同步观测，系统评估了深钻孔在背景噪声抑制、信噪比改进及自动信号识别方面的优势。

**关键技术方法**
研究人员采用的关键技术方法包括：基于TDE-120VB甚宽带地震仪在1972.7米钻孔和地表进行同步连续观测；运用功率谱密度（PSD）概率密度函数（PDF）分析以量化噪声水平；采用短时傅里叶变换（STFT）分析日变化噪声特征；首次在深钻孔地震学中引入谱熵方法，结合滑动谱熵、均值时间序列及累积和（CUSUM）变化点检测，构建了自动识别地震信号与噪声的框架；并通过二维谱熵均值-方差统计进行异常分布可视化。

**研究结果**
**3.1 噪声水平**
通过PSD概率密度分析，研究人员发现钻孔仪器在0.001–25 Hz频段的背景噪声PSD比地表仪器低20–40 dB，特定子频带降幅高达60 dB，对应信噪比（SNR）改进2–4个数量级。钻孔仪器的PSD谱线更集中、能量更稳定，标准偏差（19–20 dB）显著低于地表（26–28 dB）。

**3.2 时变噪声特征**
基于7天平均日变化谱图，研究人员观察到地表仪器在1–10 Hz频段呈现明显昼夜差异（白天能量升高），PSD在-130 dB至-150 dB之间波动；而钻孔仪器在该频段几乎无时间变化，昼夜差异小于1 dB，有效屏蔽了地表人为活动与气象干扰。

**3.3 平均昼夜频谱统计**
通过比较白天（08:00–20:00）与夜间（20:00–08:00）的中值PSD，研究人员发现地表仪器在1–25 Hz高频段的昼夜差异达6–7 dB，而钻孔仪器仅1.3–1.7 dB，进一步证实深钻孔的全天候稳定观测能力。

**3.4 地震能量区间自动识别**
针对2025年丁日M_S6.8地震，研究人员应用谱熵分析发现，钻孔仪器在主震后保持低熵状态约4.5小时，而地表仅约2小时。CUSUM变化点检测在钻孔中未出现地震前虚警，地震后变化点集中；而地表仪器因交通等扰动出现多次误判。二维谱熵统计显示，钻孔信号的主震点与突变点聚集在低均值-方差区，背景噪声分布更集中，表明钻孔环境改善了信号有序性并降低了噪声干扰。

**讨论总结**
讨论部分指出，深钻孔噪声抑制的物理机制主要包括：传播衰减（高频噪声随深度指数衰减，Q值高）、环境屏蔽（恒温恒湿、隔绝气象与人为干扰）以及刚性耦合（TDE-120VB的电动壁锁装置实现与岩石的刚性连接）。与浅层钻孔相比，深钻孔（约2公里）在0.001–25 Hz超宽带范围内具有20–40 dB的噪声降低优势，且能记录极微弱信号（如地球潮汐、慢滑移事件、远震尾波），为宽频地震学、地壳动力学和弱事件检测提供不可替代的科学价值。建设深钻孔台站可借用废弃油气井等资源，具有经济可行性。方法局限性包括：谱熵在极低频段出现“熵增”现象，需结合更多地震事件和多阵列数据验证；表面台站在高噪声条件下易误判；未来应结合机器学习优化参数选取。

**研究结论**
（1）钻孔观测系统显著降低了环境噪声水平。在0.001–25 Hz范围内，深钻孔台站的背景噪声PSD比地表台站低20–40 dB，特定子频带最大衰减达60 dB，对应SNR改进2–4个数量级。钻孔仪器还表现出更优的谱稳定性和一致性，长期观测噪声标准偏差小于20 dB。
（2）钻孔台站具备全天候运行能力。昼夜对比分析表明，钻孔仪器在1–10 Hz和0.1–1 Hz频段的PSD昼夜变化小于1 dB，显著低于地表台站的5–10 dB，有效隔离了地表环境和人为干扰。
（3）谱熵分析凸显了深钻孔观测的结构优势。在主震及余震序列期间，钻孔台站维持低谱熵响应约4.5小时（地表约2小时），有利于弱地震信号的检测与连续监测。谱熵均值-方差统计与变化点检测进一步表明，钻孔环境中的地震信号具有更好的有序性，背景噪声更稳定。
（4）通过整合谱熵均值时间序列、CUSUM变化点检测和二维谱熵均值-方差统计，研究人员建立了一种能自动识别地震事件并区分信号与噪声的新分析框架。地表台站因瞬态噪声干扰更易产生虚警，而钻孔环境提供了更优的检测可靠性。该框架不仅验证了深钻孔环境的优势，也为未来微地震监测和前兆识别提供了有益参考。