寧夏靈武井下短周期地震計更換后的參數測定

任家琪，羅恒之

（寧夏回族自治區地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

地震計是地震監測預報工作的敲門磚，地震監測預報觀測質量的優良與否，地震計起到了決定性的作用。地震計本身的精度及制作工藝是它的外在硬件條件，但是還有一項更為重要的條件，就是正確的地震計安裝及地震計安裝后的地震計參數測定與調試，各項參數的測定與調試會直接關系到今后地震計的工作狀態以及優質觀測資料的產出，所以，此環節至關重要。關于井下地震計的安裝及參數測定，我國各大儀器廠家已經有了很成熟的方案及流程，所以我們重點關注的是操作的精細化及參數測定的認真態度。寧夏靈武觀測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 月更換井下地震計及數據采集器，更換后的地震計及數據采集器為井下短周期GL-S2B 型號、3 通道EDAS-24GN 型號。在安裝地震計的過程中，北京港震儀器設備有限公司技術人員及寧夏地震局技術人員對更換后的地震計及數據采集器進行了參數測定，并合乎技術要求規范，以此來確保地震計工作正常，觀測資料質量優良，震級測定達標。

1 寧夏靈武地震觀測井的概況

寧夏靈武地震觀測井地處寧夏回族自治區靈武市。此觀測井為舊井改造，井口位于觀測屋外，套管外徑Φ146mm、內徑為Φ136mm，井口套管位于地面以下，使用套管固定井架進行安裝。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 更換地震計的原因

此前寧夏靈武地震觀測井使用的是JDF-2型號的井下地震計，所配套的數據采集器為EDAS-24IP 型號，此地震計為井下寬頻帶地震計，由于使用年限過長儀器老舊，各項參數無法達標，且由于地理位置的原因，寧夏靈武地震觀測井使用的JDF-2 型井下地震計經常無法很好的記錄到地震波形，因此，經過專家論證和討論之后，決定將此前使用的JDF-2 型號井下地震計更換為GL-S2B 型號井下短周期地震計，將數據采集器更換為3 通道的EDAS-24GN 型號。GL-S2B 型號井下短周期地震計技術指標及特點如表1 所示。

GL-S2B 型地震計是三分向一體的電子反饋型短周期地震計，靈敏度高，動態范圍大，配有密封筒、底座等配件，適合井下地震觀測，GL-S2B 型井下地震計及配套設備如圖1 所示。GL-S2B 型地震計采用了自振頻率較高、極為穩定的短周期機械擺，配置高靈敏度的電磁換能器，并應用了電子反饋技術，閉環反饋后的等效自振頻率為1Hz，觀測頻帶為2s-50Hz。電子反饋技術的使用提高了地震計的動態范圍，降低了地震計的非線性失真。由于使用了自振頻率較高的機械部分，提高了GL-S2B 抗傾斜能力。GL-S2B 型地震計結構簡單，電子反饋電路、直流電源變換器電路，與機械擺體共同安裝密封筒內。地震計還配有下井和井下緊固裝置，其結構科學、固井緊密，最大下井深度可達1000m，且性能穩定、易于使用和安裝。

圖1 GL-S2B 型井下地震計及配套設備Fig.1 GL-S2B borehole seismometer and supportingequipment

表1 GL-S2B 井下地震計的主要技術指標及特點

3 方位角校正

測震臺站儀器架設一般使用地質羅盤等常規設備確定方位，易受外界因素影響，出現方位角偏差大、輸出極性錯誤等問題，導致產出資料質量下降，方位角的檢測關系到相關性算法、觀測數據仿真處理、濾波參數選取，每一步都關乎到今后產出數據的質量與否[1]，而且重要的是，由于介質傳播方向的因素，方位角的偏差直接會影響到地震震級的測定，故方位角矯正很重要[2]。

井下地震計安裝不同于地面地震計安裝，為了更精確地確定井下地震計方位，在井口附近地面上按照標準方位安裝一套地震計作為參考地震計，將井下地震計和參考地震計進行對比測試。

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

12 月23 日02 時至23 日08 時連續記錄7小時后，對數據記錄進行計算分析，該臺修正后井下地震計實際方位角為114.79°。具體結果如表2 所示。

表2 GL-S2B 井下地震計的主要技術指標及特點

4 標定及參數

4.1 階躍標定

根據《中國數字地震觀測網絡技術規程》（2005 年）階躍標定要求：信號幅度應達到滿量程的50%以上且不失真，選擇合適的信號持續時間（短周期地震計為50 或60 秒；短周期地震計為250 或300 秒；甚短周期地震計為600 秒、超短周期地震計為2000 秒）。通過符合規范的階躍標定可以計算得到地震計的周期和阻尼，這是地震計的重要參數之二[3]。GLS2B 型井下短周期地震計階躍標定主要參數設置為：階躍信號幅度為2000count，寬度為60s（EDAS-24GN 數采），寧夏靈武GL-S2B 型井下地震計階躍標定波形如圖2 所示。

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

4.2 正弦標定

根據《中國數字地震觀測網絡技術規程》（2005 年）正弦標定要求：根據不同頻帶類型地震計，選擇合適的正弦標定信號幅度、頻點。要求在兩端截止頻率左右適當加密頻點，短周期地震計不少于15 個頻點；寬帶地震計不少于10 個頻點；正弦標定起始點位置的選取直接決定了計算結果的準確與否，正確合理的正弦標定可以較好的計算出地震計靈敏度[3]。GL-S2B屬于短周期地震計，因此正弦標定的頻點設為15個，正弦波組標定信號參數表如表3 所示，寧夏靈武GL-S2B 型地震計正弦標定波形如圖3所示，標定計算結果值的對比如表5 所示。

表3 寧夏靈武GL-S2B 型地震計及EDAS-24GN 型數采正弦標定信號參數表

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

根據井下地震計的安裝規范，寧夏靈武井下觀測井的地震計安裝還需要進一步測定相關參數：數字地震觀測系統幅頻特性及相頻特性如圖4 所示，寧夏靈武GL-S2B 型地震計地震計幅頻特性及相頻特性如圖5 所示，寧夏靈武數字地震觀測系統零極點分布如圖6 所示，寧夏靈武GL-S2B 型地震計歸一化幅頻特性如圖7 所示，數據采集器（EDAS-24GN）儀器參數如表4 所示。

圖4 寧夏靈武數字地震觀測系統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 型地震計地震計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 寧夏靈武數字地震觀測系統零極點分布圖Fig.6 Zero-pole distribution of Lingwu digital seismic observation system in Ningxia

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

表4 數據采集器儀器參數（EDAS-24GN）

表5 標定計算結果比對值（EDAS-24GN）

表6 地震計出廠參數表

5 噪聲分析

正確的分析數字地震臺的噪聲水平及特征，掌握數字地震臺的觀測動態范圍，有利于改善并提高地震臺站（臺網）的監測能力[4]。臺基噪聲功率譜密度測試的數據，是用來評估地震臺站臺基背景噪聲的高低，在新臺址勘選時作為選臺的依據[5]。而且通過對于數字地震臺網臺站的地動噪聲頻譜分析，也是對于當地背景噪聲狀況的一種預估[6]。對于已經投入正式觀測的臺站，進行定期測定臺基噪聲，其累計的歷史噪聲數據，用來評估臺站觀測環境的變遷[7]。中國地震局已經制定了“地震測震臺站觀測環境技術要求”，規定臺基背景噪聲在1～20Hz 頻帶范圍的速度RMS 值作為評估標準。共分為5 級臺基（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），下面列出評估的標準，單位：m/s：

Ⅰ級臺基噪聲水平：RMS＜3.16x10-8m/s

Ⅱ級臺基噪聲水平：3.16x10-8m/s≤RMS＜1.00x10-7m/s

Ⅲ級臺基噪聲水平：1.00x10-7m/s≤RMS＜3.16x10-7m/s

Ⅳ級臺基噪聲水平：3.16x10-7m/s≤RMS＜1.00x10-6m/s

Ⅴ級臺基噪聲水平：1.00x10-6m/s≤RMS＜3.16x10-6m/s

因此我們對寧夏靈武地震觀測井也進行了噪聲水平測試，寧夏靈武測震臺現場記錄臺基噪聲波形如圖8 所示。

圖8 寧夏靈武測震臺現場記錄臺基噪聲波形Fig.8 Base noise waveform of Lingwu Seismic Station in Ningxia

經計算，該臺井下1～20Hz 各倍頻程帶寬的平均噪聲RMS 值（m/s）如表7 所示。

表7 靈武測震臺噪聲RMS 值（12 小時均值）

通過測定寧夏靈武地震觀測井噪聲數據，我們計算得到寧夏靈武地動噪聲功率譜密度（PSD）曲線如圖9 所示，以及實際觀測動態范圍如圖10 所示，對計算結果進行分析，我們還得出了寧夏靈武地震觀測井的噪聲RMS 小時均值如圖11 所示。

圖9 寧夏靈武測震臺臺基噪聲功率譜密度曲線Fig.9 Noise power spectral density curve of Lingwu Seismic Station

圖11 寧夏靈武測震臺噪聲RMS 小時均值Fig.11 RMS hourly mean value of noise at Lingwu Seismic Station，Ningxia

6 結論

寧夏靈武地震觀測井的GL-S2B 型井下短周期地震計完成安裝后，連接EDAS-24GN 型號地震數據采集器現場測試，地震計各項參數達到標準，設備工作正常。根據臺站臺基噪聲標準，測定得到寧夏靈武地震觀測井的臺基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，靜態放大倍數約為8000，初步評估該臺基屬于“Ⅳ類臺基噪聲水平”，相對較為優秀。

完成安裝后，相較于之前老舊且故障的地震計而言，寧夏靈武地震觀測井的GL-S2B 型號井下短周期地震計工作正常，數據采集器工作正常，性能穩定。

致謝：在此感謝北京港震儀器設備有限公司工作人員在寧夏靈武測震臺GL-S2B 井下短周期地震計安裝過程中的技術指導。