全國重點地震臺站觀測環境優化改造關鍵技術與展望

肖武軍 趙剛 何少林 鄭先進 譚俊義 張堯 張克誠

1)中國地震臺網中心，北京 100045 2)應急管理部國家自然災害防治研究院，北京 100085 3)甘肅省地震局，蘭州 730000 4)安徽省地震局，合肥 230031 5)江西省地震局，南昌 330039

0 引言

1966年邢臺地震后，我國的地震臺網得到迅速發展，陸續建立了多學科、多手段的地震觀測臺網(陰朝民，2001；李志雄等，2006)。我國的數字化測震臺網起步于20世紀80年代，1983年5月，中國地震局與美國地質調查局規劃設計CDSN臺網(劉瑞豐等，2008)。限于建臺時期的歷史條件，臺站建設起點較低，基礎設施薄弱，經過多年的使用，多數臺站設施已嚴重殘破，不能滿足測項對觀測條件的要求，嚴重影響臺站的正常觀測。大部分臺站地處偏遠，存在條件保障建設遠遠落后于技術系統發展以及臺站的面貌與當地經濟發展水平差距逐漸加大等現實問題。此外，臺站辦公條件落后，嚴重影響了臺站工作人員的工作熱情和積極性。自21世紀初以來，為保障地震臺站的觀測系統穩定運行，中國地震局通過重點臺站優化改造項目對地震臺站的觀測環境及技術系統進行整體改造，改善臺站觀測環境、基礎設施以及辦公條件。通過對一些重點臺站的觀測環境設施(觀測山洞、地震監測樓、儀器觀測房、觀測場地等)、臺站基礎設施(供水供電、臺站避雷及接地地網等)與臺站辦公設施、生活條件等方面的技術改造升級，使得臺站的觀測環境不斷優化、基礎設施條件進一步改善、辦公生活條件水平極大提升，從而更加豐富了臺站文體、文化生活，提升了臺站人員的凝聚力和工作熱情。通過臺站優改項目的實施，將地震監測臺站建成觀測技術系統先進、觀測環境優化、觀測條件規范、基礎設施完善、臺容臺貌優美、文體生活豐富的現代化地震臺站。

重點臺站觀測環境改造項目自2001年正式開始實施，中國地震局監測預報司(2009)對該項目進行了階段性總結，編制完成了《地震臺站優化改造十年巡禮》。臺站優化改造項目實施近20年來，取得了較好成效，逐步改善了臺站觀測環境和附屬設施，提升了觀測數據質量。實施過程可分為2個階段，第一階段為2001—2010年，項目重點關注對臺站基礎設施的建設，保證臺站的基本觀測場所，保障臺站人員辦公及生活條件，確保臺站外觀形象與當地環境協調，確保工作條件滿足臺站工作需要。通過改造，大大改善了臺站工作和生活條件，極大地激發了廣大臺站工作人員為防震減災事業工作的積極性和凝聚力。第二階段為2011—2020年，項目主要關注對觀測場地的升級和完善，保障臺站觀測系統運行，確保觀測數據產出質量，逐漸改善了區域整體臺站監測環境，提升了區域地震監測能力和震情跟蹤能力，最大限度地發揮現代化地震觀測技術系統的效能，顯著提高我國地震監測的科學水平，為震情跟蹤和科學研究提供了重要的條件保障。

1 臺站優化改造概況

自2001年起，中國地震局開始實施改善臺站觀測環境、臺站基礎設施以及臺站辦公條件的基礎性專項建設。截至2020年，“臺站優改”專項已連續投資20年，涉及全國31家建設單位。由于貴州省地震局前期臺站業務歸屬于云南省地震局管轄，未有單獨立項安排。其他省局項目合計立項388次，平均每年改造20次，改造臺站總數311個，平均每年16個，分布于全國31個省市自治區，改造臺站的分布情況見圖1，部分單位由于同一臺站改造多次，改造臺站數量少于改造頻次。項目總投資3.67億元，其中中央投資2.80億元，占比76.32%，地方配套0.87億元，占比23.68%。

圖1 全國重點臺站優化改造項目改造臺站分布

圖2 各單位優改項目投資情況柱狀圖

從改造臺站的分布看，臺站優化改造項目主要分布在首都圈、西部地震多發區以及蘇、魯、皖等地區，其他地區也統籌兼顧，全面提升臺站的監測能力。在北京、天津、河北、山西、內蒙古等省局及直屬所共改造79次，占比20.36%；西部地震多發區的四川、云南、甘肅、寧夏等省局共改造93次，占比23.97%；山東、江蘇以及安徽等省局改造臺站次數合計53次，占比13.66%。上述3類區域改造頻次相對較高，與所屬省局臺站數量、臺站改造重點支持方向有一定關聯。

從投資情況來看，項目總投資3.67億元，其中投資超過2000萬元的單位主要有河北省、四川省、云南省、甘肅省以及福建省地震局等。投資情況基本與臺站改造次數保持高度一致性，各單位優改項目投資情況見圖2。北京、天津、河北、山西、內蒙古等省份投資總額超過6827萬元，占比18.62%；西部地震多發區域的四川、云南、甘肅以及寧夏4個省份改造經費達到8328萬元，占比22.47%；山東、江蘇以及安徽投資總額為4678萬元，占比12.76%。由于東南沿海及臺灣地區地震較多，為提高海峽地震的監測能力，福建省內臺站優化改造項目投資超過2000萬元。

近年來，在臺站優化改造過程中，對觀測環境(含臺站標準化)、基礎設施、辦公及生活條件等3個方面進行主次區分，重點支持觀測環境的改造，每年用于觀測環境改造的經費占總改造費用的40%以上，而基礎設施改造、辦公及生活條件分別占改造經費的 10%～20%。 自2017年起，項目建立了從臺站項目申報、項目入庫、立項、實施、中期檢查、驗收到績效評價全過程完整規范的管理體系。從各單位申報情況來看，觀測環境及標準化改造工作占主體，且占比逐年提高。2017—2020年的觀測環境投資分別占比43%、44%、51%以及64%(表1)。

表1 2017～2020年臺站優化改造項目各分項投資情況

2 關鍵技術與創新

在臺站優化改造項目實施過程中，針對長期制約臺站觀測數據質量的觀測環境等方面存在的問題，經過長期的實踐和不斷的探索改進，在改造的技術和工藝方面多有創新，主要體現在測震儀器的防震加固設計、地磁觀測室無磁性工藝、形變山洞防潮保溫、地電阻率觀測架空線路防雷改造、臺站標準化改造等方面。通過這些新技術和工藝的應用，保障了臺站觀測環境，提升了觀測數據質量，為地震監測、地震預測預報和地震科學研究提供了高質量的基礎數據支撐，使臺站觀測進入一個高質量產出、可持續發展的新階段。

2.1 測震臺站傳感器防震加固設計

測震儀器防震加固設計是保證臺站儀器正常開展監測工作的必要措施，尤其是大震近場臺站，地震觀測儀器具備防震能力十分必要。臺站優化改造項目實施過程中，設計了一款安裝方便、穩固可靠、維護便捷的防震裝置。項目組先后在燕郊開展振動臺測試、在山東郯城臺以及安徽紫蓬山臺進行了對比觀測，將觀測數據進行了詳細分析。通過分析在地震計加防震裝置和不加防震裝置情況下，對比一個遠震和一個近震的記錄情況，分析2個地震計記錄的MISFIT結果，得出該裝置不影響正常觀測，對數據產出無影響(圖3、圖4)(Kristekovet al，2006、2009；李小軍等，2019)。該裝置已在安徽、云南、重慶等省局的部分臺站進行推廣使用。

圖3 2臺地震計關于2018年8月2日山東濟寧ML1.9地震的MISFIT結果

圖4 2臺地震計關于2018年8月5日印尼松巴哇島M6.8地震的MISFIT結果

2.2 地磁觀測室無磁性工藝

臺站地磁觀測對觀測環境要求高，地磁房改造和建設施工工藝復雜，建設難度大。在臺站優化改造項目中，將碳纖維材料用于地磁觀測室建設。在地磁觀測室改造過程中，采用了玄武巖纖維筋框架結構新工藝，玄武巖纖維筋是以玄武巖纖維為增強材料與乙烯固化劑等基體相結合的一種新型復合材料，其比重是鋼精的1/5，抗拉強度是鋼精的120%，具有電絕緣性、非磁性、耐酸性和耐堿性，對水泥砂漿中的水分濃度及二氧化碳的滲透和擴散具有較高的容許度，可抵御特殊環境對混凝土構筑物的腐蝕，提高建筑物的耐久性。玄武巖纖維具有重量輕、保溫性能好的特點，減小了建筑物自重，達到了既節省工程投資，又環保、節能的雙重效果。這也是地震行業首次將碳纖維材料作為結構筋用于地磁觀測的建筑主體。該地磁新工藝在天津靜海地磁臺、寧夏銀川北塔地磁臺等進行了應用，保障了地磁觀測效果。

2.3 形變觀測山洞防潮保溫

地震行業標準對形變儀器觀測山洞環境有嚴格要求，對山洞密封性和保溫、防潮效果要求高。臺站優化改造項目在對多個山洞實施改造過程中，開展了系列創新性設計，保障了山洞改造效果。在山洞密封方面，以往觀測山洞多采用水泥門、鋼質門、船艙門等，其缺點是笨重、開關不方便、容易銹蝕、密閉性不佳。在臺站優化改造項目中，通過廣泛調研，選取了一種不銹鋼密封門，并選用了特殊行業專用密閉門，其可以應用在有輻射、腐蝕等特殊要求的場合，密閉性、保溫性、抗腐蝕性俱佳。具體技術要求如下：密封門氣密性等級不低于5級；密封門雙面板采用國標304不銹鋼板，里外不銹鋼板厚度不小于1.5mm，內骨架不銹鋼方鋼40×70×3.0mm，門厚度不低于70mm，門內采用四層填充物，第一層為防火板，第二層為防火珍珠巖，第三層為隔音板，第四層為防火板。門板四邊鑲三元乙丙橡膠密封條(此種密封條材料與汽車門用密封條相同，具有耐老化、耐低溫、耐水氣、耐化學腐蝕等特點)。門框采用3.0mm厚的304不銹鋼型材，門框內四周鑲三元乙丙橡膠密封條。密封門用所有五金件均采用304不銹鋼材料，包括鉸鏈(厚度5.0mm)、重型合頁、門鎖、門把手、螺絲釘等。形變觀測山洞的防潮保溫措施在江蘇徐州臺、江西南昌臺、浙江湖州臺等臺站進行了推廣應用。

2.4 地電阻率臺站防雷技術

在臺站優化改造中，結合中國地震局對臺站防雷系統的改造工作，臺站工作人員陸續開展了不同學科及綜合防雷技術系統改造研究及應用(韓進等，2011；瞿旻等，2015；孫宏志等，2015)。在地電阻率臺站防雷系統改造中，對地電阻率臺站架空線路防雷、地埋線路防雷等關鍵技術點出現的問題進行了重點分析研究，提出了新的技術思路，得到了一些新的技術成果，地電阻率臺站應盡量將供電及測量線路進行埋地，且埋地供電及測量線路應避開接地體10m以上，仍采用架空線路的臺站，應安裝相應電流值的信號防雷器(肖武軍等，2020a、2020b)。該技術成果在內蒙古寶昌臺、河北陽原臺等地電阻率臺站進行了推廣改造。臺站優化改造項目的實施以及不斷探索在地震臺站開展綜合防雷技術的應用，為地震臺站防雷技術標準《地震臺站綜合防雷》(趙剛等，2017)的編制奠定了基礎。

2.5 臺站標準化改造探索

由于地震臺站建設歷史長，建臺時缺少明確的臺站標準化指導性文件，因此，臺站建設保留了每個歷史時期的特點和當地建筑風格，儀器設備布設、傳感器固定、綜合布線等也沒有明確規定，因此，存在多方面不規范的問題。自2019年開始，在重點臺站優化改造過程中，嚴格落實中國地震局關于臺站標準化的相關要求，開展臺站標準化試點改造和探索。對申報臺站設施防震加固、綜合布線、標識標志等方面進行了全方位改造。河北陽原臺、甘肅嘉峪關臺在臺站優化改造之后，全面提升了臺站標準化水平(圖5、圖6)(肖武軍等，2019)。

圖5 陽原臺電極井下電纜固定裝置

圖6 嘉峪關臺標識標志改造

3 問題與展望

隨著社會的不斷發展，人們對地震服務的需求不斷提高，作為地震監測預報的基本場地，臺站觀測的理念也在不斷提升，建成不斷滿足社會需求的現代化臺站是發展的終極目標。我國的臺網建設可以分為幾個階段，“九五”項目前，我國臺網主要采用模擬觀測；“九五”項目后，中國地震觀測臺網從模擬觀測發展到數字化觀測；“十五”項目后，臺站觀測從數字化走向網絡化，實現了“網絡到臺站，IP到儀器”；現階段，從“分鐘級”的地震速報信息服務到“秒級”的地震預警信息服務，臺站發展逐步現代化。而原來建設的臺站已不能滿足現代化觀測的需求。臺站標準化程度不高，儀器設備大部分未按要求進行固定，觀測系統線路混亂，標識標志不夠清晰明確；信息化程度較低，統一監控、臺站數據自動采集有待進一步加強；臺站數據處理能力和公共服務能力相對較弱。這些問題，嚴重制約臺站觀測水平向更高層次提升，也制約其進一步邁向新時代現代化地震臺站的發展。未來臺站需要向標準化、信息化發展，并進一步提升臺站的公共服務能力。

推進臺站標準化改造。臺站標準化既是提升地震臺站現代管理水平的推進劑，又是保障臺站監測能力的一個重要環節，對促進防震減災業務信息化與現代化具有十分重要的現實意義(肖武軍等，2019)。在臺站優化改造項目中，要參照《地震臺站標準化規范設計圖冊(修訂稿)》(1)中國地震局，2019. 地震臺站標準化規范設計圖冊(修訂稿). 內部資料.，大力推進臺站標準化建設工作。進行觀測場地、設備布設、綜合布線、標志標識等的標準化改造，形成臺站標識統一、設備布設合理、布線規范的臺站新面貌。

加強臺站信息化建設。實現臺站運行狀態實時監視、運行故障告警、專業數據質量在線分析和臺站整體運行可視化等系統功能，建立臺站統一監控平臺，實現臺站運維的統一監控。在臺站優化改造項目中推進臺站信息化建設，促進臺站日常運行、維護、產出以及管理的信息化工作,使臺站信息化水平再上新臺階。

加強臺站公共服務設施建設，為臺站屬地提供地震產品服務。通過臺站優改項目實施，積極推進一些多觀測手段的中心站和綜合臺改造，推動臺站由數據采集向數據處理的轉變，強化數據處理和相關科普宣傳等公共服務設施的建設，充分發揮監測體系中臺站的公共服務功能。