任家琪，羅恒之

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

地震計(jì)是地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作的敲門磚，地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)觀測(cè)質(zhì)量的優(yōu)良與否，地震計(jì)起到了決定性的作用。地震計(jì)本身的精度及制作工藝是它的外在硬件條件，但是還有一項(xiàng)更為重要的條件，就是正確的地震計(jì)安裝及地震計(jì)安裝后的地震計(jì)參數(shù)測(cè)定與調(diào)試，各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)定與調(diào)試會(huì)直接關(guān)系到今后地震計(jì)的工作狀態(tài)以及優(yōu)質(zhì)觀測(cè)資料的產(chǎn)出，所以，此環(huán)節(jié)至關(guān)重要。關(guān)于井下地震計(jì)的安裝及參數(shù)測(cè)定，我國(guó)各大儀器廠家已經(jīng)有了很成熟的方案及流程，所以我們重點(diǎn)關(guān)注的是操作的精細(xì)化及參數(shù)測(cè)定的認(rèn)真態(tài)度。寧夏靈武觀測(cè)井由于此前儀器老化及無法正常記錄地震波形，寧夏地震局決定于2018 年12 月更換井下地震計(jì)及數(shù)據(jù)采集器，更換后的地震計(jì)及數(shù)據(jù)采集器為井下短周期GL-S2B 型號(hào)、3 通道EDAS-24GN 型號(hào)。在安裝地震計(jì)的過程中，北京港震儀器設(shè)備有限公司技術(shù)人員及寧夏地震局技術(shù)人員對(duì)更換后的地震計(jì)及數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行了參數(shù)測(cè)定，并合乎技術(shù)要求規(guī)范，以此來確保地震計(jì)工作正常，觀測(cè)資料質(zhì)量?jī)?yōu)良，震級(jí)測(cè)定達(dá)標(biāo)。

1 寧夏靈武地震觀測(cè)井的概況

寧夏靈武地震觀測(cè)井地處寧夏回族自治區(qū)靈武市。此觀測(cè)井為舊井改造，井口位于觀測(cè)屋外，套管外徑Φ146mm、內(nèi)徑為Φ136mm，井口套管位于地面以下，使用套管固定井架進(jìn)行安裝。井口高程約1119.7m。成井深度為300m，安裝深度242m，安裝處斜度小于2 度。

2 更換地震計(jì)的原因

此前寧夏靈武地震觀測(cè)井使用的是JDF-2型號(hào)的井下地震計(jì)，所配套的數(shù)據(jù)采集器為EDAS-24IP 型號(hào)，此地震計(jì)為井下寬頻帶地震計(jì)，由于使用年限過長(zhǎng)儀器老舊，各項(xiàng)參數(shù)無法達(dá)標(biāo)，且由于地理位置的原因，寧夏靈武地震觀測(cè)井使用的JDF-2 型井下地震計(jì)經(jīng)常無法很好的記錄到地震波形，因此，經(jīng)過專家論證和討論之后，決定將此前使用的JDF-2 型號(hào)井下地震計(jì)更換為GL-S2B 型號(hào)井下短周期地震計(jì)，將數(shù)據(jù)采集器更換為3 通道的EDAS-24GN 型號(hào)。GL-S2B 型號(hào)井下短周期地震計(jì)技術(shù)指標(biāo)及特點(diǎn)如表1 所示。

GL-S2B 型地震計(jì)是三分向一體的電子反饋型短周期地震計(jì)，靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大，配有密封筒、底座等配件，適合井下地震觀測(cè)，GL-S2B 型井下地震計(jì)及配套設(shè)備如圖1 所示。GL-S2B 型地震計(jì)采用了自振頻率較高、極為穩(wěn)定的短周期機(jī)械擺，配置高靈敏度的電磁換能器，并應(yīng)用了電子反饋技術(shù)，閉環(huán)反饋后的等效自振頻率為1Hz，觀測(cè)頻帶為2s-50Hz。電子反饋技術(shù)的使用提高了地震計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍，降低了地震計(jì)的非線性失真。由于使用了自振頻率較高的機(jī)械部分，提高了GL-S2B 抗傾斜能力。GL-S2B 型地震計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電子反饋電路、直流電源變換器電路，與機(jī)械擺體共同安裝密封筒內(nèi)。地震計(jì)還配有下井和井下緊固裝置，其結(jié)構(gòu)科學(xué)、固井緊密，最大下井深度可達(dá)1000m，且性能穩(wěn)定、易于使用和安裝。

圖1 GL-S2B 型井下地震計(jì)及配套設(shè)備Fig.1 GL-S2B borehole seismometer and supportingequipment

表1 GL-S2B 井下地震計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)及特點(diǎn)

3 方位角校正

測(cè)震臺(tái)站儀器架設(shè)一般使用地質(zhì)羅盤等常規(guī)設(shè)備確定方位，易受外界因素影響，出現(xiàn)方位角偏差大、輸出極性錯(cuò)誤等問題，導(dǎo)致產(chǎn)出資料質(zhì)量下降，方位角的檢測(cè)關(guān)系到相關(guān)性算法、觀測(cè)數(shù)據(jù)仿真處理、濾波參數(shù)選取，每一步都關(guān)乎到今后產(chǎn)出數(shù)據(jù)的質(zhì)量與否[1]，而且重要的是，由于介質(zhì)傳播方向的因素，方位角的偏差直接會(huì)影響到地震震級(jí)的測(cè)定，故方位角矯正很重要[2]。

井下地震計(jì)安裝不同于地面地震計(jì)安裝，為了更精確地確定井下地震計(jì)方位，在井口附近地面上按照標(biāo)準(zhǔn)方位安裝一套地震計(jì)作為參考地震計(jì)，將井下地震計(jì)和參考地震計(jì)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

本次方位角校正，使用GL-CS60 小型寬頻帶地震計(jì)作為參考地震計(jì)，安裝方位為0 度，采用一套6 通道數(shù)據(jù)采集器，A 通道接井下地震計(jì)，B 通道接地面參考地震計(jì)。

12 月23 日02 時(shí)至23 日08 時(shí)連續(xù)記錄7小時(shí)后，對(duì)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行計(jì)算分析，該臺(tái)修正后井下地震計(jì)實(shí)際方位角為114.79°。具體結(jié)果如表2 所示。

表2 GL-S2B 井下地震計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)及特點(diǎn)

4 標(biāo)定及參數(shù)

4.1 階躍標(biāo)定

根據(jù)《中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)程》（2005 年）階躍標(biāo)定要求：信號(hào)幅度應(yīng)達(dá)到滿量程的50%以上且不失真，選擇合適的信號(hào)持續(xù)時(shí)間（短周期地震計(jì)為50 或60 秒；短周期地震計(jì)為250 或300 秒；甚短周期地震計(jì)為600 秒、超短周期地震計(jì)為2000 秒）。通過符合規(guī)范的階躍標(biāo)定可以計(jì)算得到地震計(jì)的周期和阻尼，這是地震計(jì)的重要參數(shù)之二[3]。GLS2B 型井下短周期地震計(jì)階躍標(biāo)定主要參數(shù)設(shè)置為：階躍信號(hào)幅度為2000count，寬度為60s（EDAS-24GN 數(shù)采），寧夏靈武GL-S2B 型井下地震計(jì)階躍標(biāo)定波形如圖2 所示。

圖2 寧夏靈武GL-S2B 型井下地震計(jì)階躍標(biāo)定波形Fig.2 Step calibration waveform of GL-S2B downhole seismometer in Lingwu，Ningxia

4.2 正弦標(biāo)定

根據(jù)《中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)程》（2005 年）正弦標(biāo)定要求：根據(jù)不同頻帶類型地震計(jì)，選擇合適的正弦標(biāo)定信號(hào)幅度、頻點(diǎn)。要求在兩端截止頻率左右適當(dāng)加密頻點(diǎn)，短周期地震計(jì)不少于15 個(gè)頻點(diǎn)；寬帶地震計(jì)不少于10 個(gè)頻點(diǎn)；正弦標(biāo)定起始點(diǎn)位置的選取直接決定了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確與否，正確合理的正弦標(biāo)定可以較好的計(jì)算出地震計(jì)靈敏度[3]。GL-S2B屬于短周期地震計(jì)，因此正弦標(biāo)定的頻點(diǎn)設(shè)為15個(gè)，正弦波組標(biāo)定信號(hào)參數(shù)表如表3 所示，寧夏靈武GL-S2B 型地震計(jì)正弦標(biāo)定波形如圖3所示，標(biāo)定計(jì)算結(jié)果值的對(duì)比如表5 所示。

表3 寧夏靈武GL-S2B 型地震計(jì)及EDAS-24GN 型數(shù)采正弦標(biāo)定信號(hào)參數(shù)表

圖3 寧夏靈武GL-S2B 型地震計(jì)正弦標(biāo)定波形Fig.3 Sine calibration waveform of GL-S2B seismometer in Lingwu，Ningxia

根據(jù)井下地震計(jì)的安裝規(guī)范，寧夏靈武井下觀測(cè)井的地震計(jì)安裝還需要進(jìn)一步測(cè)定相關(guān)參數(shù)：數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)幅頻特性及相頻特性如圖4 所示，寧夏靈武GL-S2B 型地震計(jì)地震計(jì)幅頻特性及相頻特性如圖5 所示，寧夏靈武數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)零極點(diǎn)分布如圖6 所示，寧夏靈武GL-S2B 型地震計(jì)歸一化幅頻特性如圖7 所示，數(shù)據(jù)采集器（EDAS-24GN）儀器參數(shù)如表4 所示。

圖4 寧夏靈武數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)幅頻特性及相頻特性Fig.4 Amplitude frequency characteristics and phase frequency characteristics of Ningxia Lingwu digital seismic observation system

圖5 寧夏靈武GL-S2B 型地震計(jì)地震計(jì)幅頻特性及相頻特性Fig.5 Amplitude frequency characteristics and phase frequency characteristics of GL-S2B seismometer in Lingwu，Ningxia

圖6 寧夏靈武數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)零極點(diǎn)分布圖Fig.6 Zero-pole distribution of Lingwu digital seismic observation system in Ningxia

圖7 寧夏靈武GL-S2B 型地震計(jì)歸一化幅頻特性Fig.7 Normalized amplitude frequency characteristics of GL-S2B seismometer in Lingwu，Ningxia

表4 數(shù)據(jù)采集器儀器參數(shù)（EDAS-24GN）

表5 標(biāo)定計(jì)算結(jié)果比對(duì)值（EDAS-24GN）

表6 地震計(jì)出廠參數(shù)表

5 噪聲分析

正確的分析數(shù)字地震臺(tái)的噪聲水平及特征，掌握數(shù)字地震臺(tái)的觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍，有利于改善并提高地震臺(tái)站（臺(tái)網(wǎng)）的監(jiān)測(cè)能力[4]。臺(tái)基噪聲功率譜密度測(cè)試的數(shù)據(jù)，是用來評(píng)估地震臺(tái)站臺(tái)基背景噪聲的高低，在新臺(tái)址勘選時(shí)作為選臺(tái)的依據(jù)[5]。而且通過對(duì)于數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站的地動(dòng)噪聲頻譜分析，也是對(duì)于當(dāng)?shù)乇尘霸肼暊顩r的一種預(yù)估[6]。對(duì)于已經(jīng)投入正式觀測(cè)的臺(tái)站，進(jìn)行定期測(cè)定臺(tái)基噪聲，其累計(jì)的歷史噪聲數(shù)據(jù)，用來評(píng)估臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境的變遷[7]。中國(guó)地震局已經(jīng)制定了“地震測(cè)震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求”，規(guī)定臺(tái)基背景噪聲在1～20Hz 頻帶范圍的速度RMS 值作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。共分為5 級(jí)臺(tái)基（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），下面列出評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)，單位：m/s：

Ⅰ級(jí)臺(tái)基噪聲水平：RMS＜3.16x10-8m/s

Ⅱ級(jí)臺(tái)基噪聲水平：3.16x10-8m/s≤RMS＜1.00x10-7m/s

Ⅲ級(jí)臺(tái)基噪聲水平：1.00x10-7m/s≤RMS＜3.16x10-7m/s

Ⅳ級(jí)臺(tái)基噪聲水平：3.16x10-7m/s≤RMS＜1.00x10-6m/s

Ⅴ級(jí)臺(tái)基噪聲水平：1.00x10-6m/s≤RMS＜3.16x10-6m/s

因此我們對(duì)寧夏靈武地震觀測(cè)井也進(jìn)行了噪聲水平測(cè)試，寧夏靈武測(cè)震臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)記錄臺(tái)基噪聲波形如圖8 所示。

圖8 寧夏靈武測(cè)震臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)記錄臺(tái)基噪聲波形Fig.8 Base noise waveform of Lingwu Seismic Station in Ningxia

經(jīng)計(jì)算，該臺(tái)井下1～20Hz 各倍頻程帶寬的平均噪聲RMS 值（m/s）如表7 所示。

表7 靈武測(cè)震臺(tái)噪聲RMS 值（12 小時(shí)均值）

通過測(cè)定寧夏靈武地震觀測(cè)井噪聲數(shù)據(jù)，我們計(jì)算得到寧夏靈武地動(dòng)噪聲功率譜密度（PSD）曲線如圖9 所示，以及實(shí)際觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍如圖10 所示，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，我們還得出了寧夏靈武地震觀測(cè)井的噪聲RMS 小時(shí)均值如圖11 所示。

圖9 寧夏靈武測(cè)震臺(tái)臺(tái)基噪聲功率譜密度曲線Fig.9 Noise power spectral density curve of Lingwu Seismic Station

圖11 寧夏靈武測(cè)震臺(tái)噪聲RMS 小時(shí)均值Fig.11 RMS hourly mean value of noise at Lingwu Seismic Station，Ningxia

6 結(jié)論

寧夏靈武地震觀測(cè)井的GL-S2B 型井下短周期地震計(jì)完成安裝后，連接EDAS-24GN 型號(hào)地震數(shù)據(jù)采集器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，地震計(jì)各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備工作正常。根據(jù)臺(tái)站臺(tái)基噪聲標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定得到寧夏靈武地震觀測(cè)井的臺(tái)基1～20Hz頻段的垂直向噪聲RMS 值為4.28e-008m/s，東西向噪聲RMS 值4.56e-008m/s，南北向噪聲RMS 值為8.15e-008m/s，靜態(tài)放大倍數(shù)約為8000，初步評(píng)估該臺(tái)基屬于“Ⅳ類臺(tái)基噪聲水平”，相對(duì)較為優(yōu)秀。

完成安裝后，相較于之前老舊且故障的地震計(jì)而言，寧夏靈武地震觀測(cè)井的GL-S2B 型號(hào)井下短周期地震計(jì)工作正常，數(shù)據(jù)采集器工作正常，性能穩(wěn)定。

致謝：在此感謝北京港震儀器設(shè)備有限公司工作人員在寧夏靈武測(cè)震臺(tái)GL-S2B 井下短周期地震計(jì)安裝過程中的技術(shù)指導(dǎo)。