一種地震計(jì)固定裝置

張 磊 張新東 劉 爽 吳 鵬 趙長(zhǎng)紅

（中國(guó)河北 056001 河北省地震局邯鄲中心臺(tái)）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)常用的地震計(jì)，無(wú)論是國(guó)產(chǎn)的還是國(guó)外（英國(guó)、美國(guó)、加拿大等國(guó)）生產(chǎn)的，都只針對(duì)強(qiáng)震計(jì)進(jìn)行了固定設(shè)計(jì)。相關(guān)資料中對(duì)地震計(jì)安裝作了規(guī)范，但都未針對(duì)其固定提出要求（中國(guó)地震局，2005；中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2007）。因此，當(dāng)強(qiáng)震發(fā)生時(shí)，極震區(qū)地震臺(tái)站的地震計(jì)有的發(fā)生了傾倒，有的則發(fā)生了嚴(yán)重位移，這些均導(dǎo)致地震計(jì)無(wú)法正常工作或產(chǎn)出波形異常。

呂俊強(qiáng)等（2010）針對(duì)汶川8.0 級(jí)地震提出了寧夏測(cè)震臺(tái)網(wǎng)大震應(yīng)對(duì)改進(jìn)方案，方案中提到對(duì)機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備與服務(wù)器的加固問題，從而可保證強(qiáng)震發(fā)生時(shí)觀測(cè)室機(jī)房的正常運(yùn)行，但是忽略了最重要的地震計(jì)的運(yùn)行問題；肖武軍等（2019）對(duì)陽(yáng)原臺(tái)專業(yè)設(shè)備、公用設(shè)備、公用設(shè)施等合理地進(jìn)行了加固；張新東等（2013）基于GURALP 強(qiáng)震計(jì)的防震設(shè)計(jì)原理，提出了一種針對(duì)地震計(jì)的固定方法，但是該方法改變了地震計(jì)的底腳設(shè)計(jì)和地震計(jì)底板的接觸面積；《地震臺(tái)站標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范設(shè)計(jì)圖冊(cè)》（修訂稿）（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2019）也給出了3 種類型的固定裝置，即A 型—僅低位貼靠、B 型—低位+中部貼靠、C 型—高部貼靠，這3 種固定裝置均需要與地震計(jì)部分貼靠。本文的固定裝置與以往設(shè)計(jì)不同，是通過(guò)地震計(jì)的3 個(gè)底腳進(jìn)行固定的，不與地震計(jì)其他位置接觸，同時(shí)沒有改變?cè)械卣鹩?jì)的結(jié)構(gòu)，有效避免了混入其他噪聲。

1 固定裝置設(shè)計(jì)與安裝

1.1 固定裝置設(shè)計(jì)

固定裝置各個(gè)部件均采用6 mm 厚不銹鋼材料，其主要由2 部分組成，一部分是1 個(gè)固定底盤，通常使用膨脹螺栓與擺墩固定；另一部分是3 個(gè)固定器，通過(guò)固定片鎖死地震計(jì)3 個(gè)底腳的調(diào)節(jié)器（圖1）。該固定裝置未改變?cè)械卣鹩?jì)的設(shè)計(jì)和任何零部件，也未與地震計(jì)外殼有任何接觸，同時(shí)也保證了地震計(jì)原底腳與擺墩的正常接觸。

圖1 固定裝置示意圖1—固定底板；2—固定片；3—調(diào)節(jié)螺母；4—外側(cè)調(diào)節(jié)螺栓；5—內(nèi)側(cè)調(diào)節(jié)螺栓；6—地震計(jì)底板；7—地震計(jì)底腳螺栓；8—地震計(jì)底腳；9—膨脹螺栓固定孔；10—底腳孔洞；11—調(diào)節(jié)孔Fig.1 Schematic diagram of the fixing device

1.2 安裝方法

根據(jù)擺墩方位標(biāo)志及地震計(jì)上的方位角標(biāo)識(shí)線，確定固定底板的相對(duì)位置。固定底板貼緊擺墩表面放置，用膨脹螺栓將固定地底板固定在擺墩上，將地震計(jì)底腳穿過(guò)底腳孔洞（不接觸）放置在擺墩上，安裝固定片，調(diào)節(jié)固定片上的內(nèi)側(cè)調(diào)節(jié)螺栓，調(diào)節(jié)內(nèi)側(cè)調(diào)節(jié)螺栓上的螺母，最后調(diào)節(jié)外側(cè)調(diào)節(jié)螺栓，以保證固定片水平并均勻地壓在地震計(jì)底腳螺栓上。

2 測(cè)試試驗(yàn)

圖2 測(cè)試擺墩Fig.2 Instrument pier for testing

2.1 測(cè)試場(chǎng)地概況

測(cè)試場(chǎng)地為河北省武安市活水鄉(xiāng)長(zhǎng)壽村內(nèi)秋樹坪地震臺(tái)。臺(tái)站地處中朝準(zhǔn)地臺(tái)山西斷隆太行拱段束的武安凹斷束內(nèi)。周圍斷裂有涉縣斷裂、南山口—岔口斷裂、紫山西斷裂、北洺河斷裂和邯鄲斷裂等。臺(tái)站附近出露基巖巖性為震旦系石英巖狀砂巖，上部夾紫紅色、灰綠色頁(yè)巖。觀測(cè)山洞位于砂巖內(nèi)，進(jìn)深10 m，測(cè)試擺墩位于山洞最深處（圖2）。

2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器為2 套北京港震科技股份有限公司生產(chǎn)的EDAS-24GN 型數(shù)據(jù)采集器和BBVS-120 型地震計(jì)，采樣率為100 Hz。

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為2 個(gè)階段。將2 個(gè)階段都未安裝固定底座的一個(gè)地震計(jì)命名為qsp；另一個(gè)安裝了固定底座的命名為qsp 2。

第1 階段：2019 年11 月16 日至12 月13 日，一個(gè)地震計(jì)不固定，按照常規(guī)方法放置在擺墩上；另一個(gè)地震計(jì)安裝固定裝置后固定在擺墩上（圖3，圖4）。

圖3 第1 階段qsp 地震計(jì)Fig.3 The qsp seismometer in the first stage

圖4 第1 階段qsp 2 地震計(jì)Fig.4 The qsp2 seismometer in the first stage

第2 階段：2019 年12 月13 日至2020 年1 月13 日，2 個(gè)地震計(jì)都未固定（注：圖6中固定裝置的固定片已經(jīng)卸掉，固定底板未與測(cè)試地震計(jì)有任何接觸）（圖5，圖6）

圖5 第2 階段qsp 地震計(jì)Fig.5 The qsp seismometer in the second stage

圖6 第2 階段qsp 2 地震Fig.6 The qsp 2 seismometer in the second stage

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.4.1 噪聲。從第1、2 階段各選了2 天各24 h 的連續(xù)波形進(jìn)行計(jì)算。第1 階段選擇的時(shí)間分別為2019 年11 月27、29 日，第2 階段分別為2019 年12 月28、29 日（圖7，圖8，圖9，圖10）。計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 噪聲對(duì)比結(jié)果Table 1 Noise result

圖7 2019 年11 月27 日00:00—24:00 功率譜密度（a）qsp 地震計(jì)；（b）qsp 2 地震計(jì)Fig.7 PSD curves of two seismometers on November 27,2019

圖8 2019 年11 月29 日00:00—24:00 功率譜密度（a）qsp 地震計(jì)；（b）qsp 2 地震計(jì)Fig.8 PSD curves of two seismometers on November 29,2019

圖9 2019 年12 月28 日00:00—24:00 功率譜密度（a）qsp 地震計(jì)；（b）qsp 2 地震計(jì)Fig.9 PSD curves of two seismometers on December 28,2019

圖10 2019 年12 月29 日00:00—24:00 功率譜密度（a）qsp 地震計(jì)；（b）qsp 2 地震計(jì)Fig.10 PSD curves of two seismometers at 0-24 o’clock on December 29,2019

第1 階段qsp/qsp 2 比值的平均值為1.017 8；第2 階段為1.012 8，比值相差0.5%。由此可見，地震計(jì)安裝固定裝置后，記錄的噪聲相對(duì)要小一些。說(shuō)明安裝固定裝置并沒有使地震計(jì)混入有影響的噪聲。

2.4.2 信噪比。分別從2 個(gè)試驗(yàn)階段各找出2 個(gè)典型地震，并將記錄到的地震信號(hào)的功率平均值與地脈動(dòng)信號(hào)的功率平均值進(jìn)行比較，得出2 個(gè)地震計(jì)記錄到的地震事件波形的信噪比SNR（圖11，圖12，圖13，圖14，表2）。

表2 信噪比SNR 對(duì)比Table 2 SNR comparison table

圖11 2019 年11 月21 日2 時(shí)54 分河北沙河ML1.5 地震波形（a）qsp 地震計(jì)；（b）qsp 2 地震計(jì)；起始時(shí)刻02:52:00Fig.11 Earthquake in Shahe county,Hebei Province

圖12 2019 年12 月2 日23 時(shí)42 分河北臨城ML1.7 地震波形（a）qsp 地震計(jì)；（b）qsp 2 地震計(jì)；起始時(shí)刻23:41:00Fig.12 Earthquake in Lincheng county,Hebei Province

圖13 2019 年12 月15 日1 時(shí)32 分山西襄垣ML2.7 地震波形（a）qsp 地震計(jì)；（b）qsp 2 地震計(jì)；起始時(shí)刻01:30:00Fig.13 Earthquake in Xiangyuan county,Shanxi Province

圖14 2019 年12 月26 日2 時(shí)33 分河北任縣ML1.7 地震波形（a）qsp 地震計(jì)；（b）qsp 2 地震計(jì)；起始時(shí)刻02:32:00Fig.14 Earthquake in Ren county,Hebei Province

從計(jì)算結(jié)果看，qsp、qsp 2 地震計(jì)信噪比之比的平均值相差3.9%，小于5%，說(shuō)明安裝固定裝置對(duì)地震計(jì)記錄地震事件波形的信噪比影響不大。

3 結(jié)論

本文研制的地震計(jì)固定底座能夠很好地固定地震計(jì)，可保證地震計(jì)在經(jīng)歷強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生位移、轉(zhuǎn)動(dòng)和傾倒。由于采用了地震計(jì)底腳固定的設(shè)計(jì)，固定裝置不與其他位置接觸，從而有效避免了因固定裝置而混入的干擾噪聲。

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，安裝固定底座后地震計(jì)運(yùn)行正常，噪聲值略有變小，說(shuō)明未混入多余噪聲；信噪比均值在安裝固定底座前后變化不大；通過(guò)對(duì)記錄波形進(jìn)行分析后認(rèn)為，波形正常，定位結(jié)果亦正常。

綜上所述，本文介紹的地震計(jì)固定裝置基本可行。