地震科學探測臺陣甚寬頻帶流動觀測儀器系統的構建及應用

李程

(中國地震局地球物理勘探中心，河南 鄭州 450002)

目前地震科學探測臺陣作為高端精密電子儀器，逐步應用于地震學相關的數據采集工作。它是由大量的地震儀器組成，根據研究目的呈幾何狀布設在一定的范圍內，采集有效的天然地震數據來構建出震源尺度和橫切斷層尺度的高分辨率、強地震孕震構造圖像。它拓展了地震記錄頻帶寬度地震記錄的動態范圍，同時記錄到微弱和強烈的地震信號，使得研究地震和地球內部結構的分辨率有了很大的提高。本文介紹的是地震科學探測臺陣當中應用相對廣泛，由CMG-3T甚寬頻帶地震計作為核心傳感器構建而成的流動觀測儀器系統。

1 甚寬頻帶流動觀測儀器系統的組成

甚寬頻帶流動觀測儀器系統是一種高精度、低消耗的三分向地震數據采集系統，它的野外適用能力極強，主要應用于天然地震數據的采集，也可應用于大當量炸藥爆破的人工地震數據采集。它的構成主要分為以下幾部分：基建部分(包括基坑、觀測桶與防盜圍欄)；地震數據采集系統(REFTEK公司的130系列數據采集器，Güralp公司的CMG-3T三分向甚寬頻帶地震計)；太陽能供電系統SGSS(太陽能電池板、UPS鉛酸蓄電池組、電源管理器)；無線傳輸和GPS全球定位系統以及PDA個人掌上操作系統。

2 甚寬頻帶流動觀測儀器系統的技術參數

CMG-3T甚寬頻帶地震計采用標準 26針防水航空接口，保證安全高效的傳輸信號控制和電源管理。其核心裝置由三個密封在一個殼體里的傳感器組成，能夠同時測量垂直向、北/南向和東/西向的地動信號。頻率范圍0．003～50Hz，通過變間歇電容傳感器和先進的力平衡反饋電路，使寬頻響應成為可能。可用于大多數地震觀測，也能產生適合現代地震原理分析的真實脈沖記錄。與甚寬頻帶地震計配套構建流動觀測儀器系統的Guralp130系列數據采集器是據有高分辨率、大動態(＞135dB)的地震數據采集設備，采用了先進的24位Δ—∑模數轉化器，并集成了大容量存儲(配置2張8G容量CF存儲卡)、遠程控制和6通道(channel)數據采集等功能，采樣率1～1000sps/Channel。兩種設備皆可在-20 ～ 60℃范圍內正常工作，工壓范圍12～24V，功耗較低(有數據傳輸的情況下，功耗＞1．5W)，閉水與抗震性能優異。野外環境中，在參數設置為采樣率100，壓縮格式steim1的情況下，可連續采集接收地震數據6個月。

3 甚寬頻帶流動觀測儀器系統的位置選擇

在野外工作中，我們通常將儀器架設的位置稱為臺站，要保障采集到真實有效的地震數據，就必須選擇最佳的臺站位置。環境背景噪聲，是野外環境中是最突出的信號干擾源，因而臺站位置的選擇，首先要注重選擇低噪聲背景位置，在此方面一般采用的選址標準如下。第一，遠離公路、鐵路和其他連續噪聲信號源3公里以上，避開高壓線路、變電站等電磁干擾。還應考慮到安全問題，包括儀器看護、交通、野生動物啃食、設備老化等可能發生的情況，避開樹下、河道等地點，防止雷擊、水淹事件發生。第二，臺站位置初選后，必須進行1～2小時的連續數據采集，所得數據經過Matlab軟件中地震計自噪聲計算程序處理后，得到的臺站平均噪聲水平值，要達到在1s～20Hz頻帶范圍內低于-127dB的標準，方可確定臺站位置。

4 甚寬頻帶流動觀測儀器系統的架設

甚寬頻帶流動觀測儀器系統在實際應用當中，多為大批量、多臺次呈陣列狀架設，為保證所有系統采集數據的真實有效性，在架設過程有著嚴格的標準和要求，如圖1所示，對其進行詳細描述。

圖1

圖2

觀測桶：是整個甚寬頻帶流動觀測儀器系統的基礎建筑，由6片筒壁與單片桶蓋組裝完成，安放在事先挖好的基坑內，形成一個內壁直徑100cm高230cm的圓柱體密閉環境，用以外部環境因素對觀測儀器的干擾侵蝕。其地下部分為保障與大地的完全耦合，必須澆筑混凝土形成堅實地面，減少信號在傳遞過程中的衰減。觀測桶內部由支架和隔板分隔成3～4層結構，分別安裝GPS和通訊系統、數據采集系統及太陽能供電系統的部分設備，避免不同設備間的電磁干擾。

太陽能供電系統：為保持全年光照充分，通常采用朝南向水平45°夾角來安裝固定式太陽能電池板。并通過電源管理器連接并聯狀態下的12V蓄電池組，以支持甚寬頻帶流動儀器觀測系統持續不間斷的數據采集工作。不建議采取市電接入的方式解決供電問題，避免不可控條件下斷電造成的工作中斷和設備損壞。

數據采集系統：CMG-3T甚寬頻帶地震計與130系列數據采集器在架設過程中應分離的安放互不影響，方便后期的數據回收工作。其中地震計必須朝向正北架設在觀測桶底部混凝土地面上，通過調節底角螺栓到水平方位后，使用擺線連接置數據采集器；由于兩種設備屬于高精密儀器，需要加裝特質的保溫海綿箱體，最大程度的減少溫度濕度噪音等外部環境對其造成的影響。

GPS與無線傳輸系統；作為輔助系統理論上應安裝在觀測桶內部，但實際操作中為提高坐標精度和保障數據監控的時效性，通常通過加裝PT06A10接頭的電纜延長線在觀測桶外部安裝，為數據采集器提供精準的時間和空間位置信息。

5 甚寬頻帶流動觀測儀器系統的數據采集

主要是使用PDA上的程序REF TEK iFSC，通過對130系列數據采集器的內部參數設定，達到數據采集器和地震計的同步運行來完成，這里主要涉及兩方面，分別是參數設定與狀態設定。

參數設定：參數設定可比喻整個系統的理論基礎，其內容的設定決定了數據采集的標準性、有效性，同時決定了儀器設備的工作及修正模式。主要包含以下幾方面的參數。

StationParameters(臺站信息)：填寫臺站名稱、標號等信息。

ChannelParameters(通道參數)：包括Name(通道名稱)、SensorType(傳感器類型)、SensorModel(傳感器型號 )、SensorSerial No(傳感器序列號 ) 、Gain(增益 )；方位角等，通過設置保證數據采集器和地震計的結構參數的同步性，達到同步運行，精準采樣的目的。

SteamParameters(數 據 流 參 數)： 包 括RecordLength(記錄長度,默認3600S)、SampleRata(采樣率)、DataFormat(數據格式)、Trigger Type(觸發類型 )、 Disk(存儲位置 )、Enet(網絡 )、Channels(通道選擇)等，用以規范所采集數據內容的標準性及存儲的統一性。

SensorCalibrationSignal(傳感器標準信號/標定信號參數)：其中可已選擇性使用STEP、SINE、SweepBB等9種格式信號，并同時設置標定信號的Amplitude(幅度)、Frequency(頻率)等參數，通過統一發送后，檢驗儀器設備的工作狀態和一致性。

SensorCalibrationSchedule(標定信號定時參數)：包括Starts(起始時間)、Repeat lnterval(重復間隔)、Number of Calibrations(標定數量 )、Recordlength(記錄長度)。

SensorAutoReCenter(地震計修正參數)：通過Cyclelnterval(修正周期)的設定，完成地震計內部擺錘的定時居中修正，保持地震計正常精準的工作狀態。

狀態設定：主要是針對的是130系列數據采集器而言，通過設定來完成GPS、無線傳輸等輔助設備的運行問題，以及數據采集器的啟動工作。其常用的設定內容主要包含以下3個方面。

States(狀態控制)：在選項中，可以查看Time(數采內置時鐘)、Acquisition(工作狀態)、Disk(存儲卡)、Power(工作電壓)、GPS等信息，通過參數設定獲取時間和空間的準確信息，控制數采的開啟工作。

Sensor＆AuxiliaryControl(傳感器與輔助控制)：用以控制和監視地震計的開解鎖和工作情況，還可通過RealTimeMonitor(實時監控)選項來直觀的查看當前的實時波形，及時發現和解決地震計出現的各種問題。

NetConfig(網絡控制)：這一選項的操控主要在甚寬頻帶流動儀器觀測系統加裝無線傳輸系統后使用，設置后，可通過手機或電腦，遠程監控整個觀測系統的工作狀態，起到有效的監管作用。

[1]錢榮毅．REFTEK寬頻地震觀測儀器系統和野外數據采集[J]．物探裝備 ,2004．3．

[2]邱勇．“中國地震科學臺陣探測——華北地區中部”專項實施任務書 2016．1