软土层地区地震仪安装效果比对研究_许卫卫.pdf

第 卷 第期 年月地球物理学报 ，许卫卫，袁松湧，徐善辉等 软土层地区地震仪安装效果比对研究地球物理学报，（）：，：，.（），（）：，：软土层地区地震仪安装效果比对研究许卫卫，袁松湧，徐善辉，刘政一，徐天龙，宋丽莉，董传杰中国地震局地球物理研究所，北京 北京长征火箭装备科技有限公司，北京 摘要随着 等大型地震观测项目逐渐推进，一些台站不得不安装在软土层等较高背景噪声区域，研究这些区域中不同类型地震仪在不同安装方法之间的背景噪声水平差异，对于提高观测数据质量、选取观测仪器类型、研制地震仪器等问题具有重要意义本文在北京通州西集地震台，通过一系列比测实验研究了宽频带地震仪在不同安装深度、安装方式以及保温隔离防护方式下的安装效果差异，结果表明：在 的海浪脉动噪声频段附近，所有参与比测地震仪的三个分量背景噪声水平均高度一致，符合远场海浪脉动信号的特点；在低于 的低频段范围，背景噪声主要和地震计附近的温度变化及气流扰动环境相关，增加安装深度和采取保温隔离防护措施效果类似，其中垂直向对保温隔离防护措施更为敏感，比如 深度安装的地震计在妥善进行保温隔离措施后可获得和 井下地震计类似噪声水平，水平向由于存在地倾斜噪声，当大幅度增加安装深度时仍可有效降低噪声水平；在高于 的高频段范围，背景噪声衰减和地下介质岩性相关，软土层地区地下 以内随安装深度增加背景噪声水平衰减非常有限 另外，我们还研究了宽频带、短周期、节点式等不同类型地震仪的安装效果差异，结果表明：在软土层地区的地震观测，需要针对不同观测目的选择合适的地震仪；在密集台阵观测中，不同类型仪器的组合观测是更科学的方式关键词宽频带地震计；软土层地区；地震仪安装；浅井式地震计；安装效果 ：中图分类号 收稿日期 ，收修定稿基金项目国家重点研发计划（），中国地震局地球物理研究所中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（）和国家自然科学基金（）联合资助第一作者简介许卫卫，男，年生，研究员主要从事地震观测技术方面研究工作 ：，.，.，地 球 物 理 学 报（）卷 ，（），（），：，；引言地震学是一门以观测为基础的学科，获取高质量地震观测数据是研究地下精细结构的前提和基础 高质量的地震观测需要先进的观测仪器支持，同时也离不开科学的建台方法以及台站观测运行期间有效的维护工作（许卫卫，）在观测仪器研制方面，世纪 年代末前后出现了数字化、大动态范围的宽频带地震仪，以这些高性能地震仪为基础，全球数字地震台网以及国家级、区域性固定监测台网迅速发展起来，地震监测能力得到大幅度提高（，；刘瑞丰等，；，）进入 世纪，流动地震观测逐渐成为地震学研究地下精细结构的一个有效手段，以宽频带地震仪为基础的多个大型观测项目相继实施，如美国的 （，）、中国的 （宋丽莉等，）以及欧洲多国联合开展的 （，）等，获得了一大批优质观测资料 在建台方法和运行维护方面，针对宽频带地震观测特点，不同研究人员给出 了 多种 推荐 的 技 术 实 现 方 式（，；，）在以上大型流动地震观测项目开展过程中，形成了一些野外观测工作标准，有效确保了宽频带地震观测的数据产出质量（，；，）国内流动地震观测经过数十年的发展，也形成了一些行之有效且适合国情的建台及维护方法，并有专项资金支持完成了不同建台方法下的台基响应研究（葛洪魁等，；刘政一等，）作为天然地震观测的主要设备，宽频带地震仪能够以极高精度拾取并记录非常微弱的地面运动在观测过程中，宽频带地震仪会受到仪器附近振动、气压、风力、温度以及磁场等观测环境因素的影响，这已被多年来大量的研究证实（，；，；，；，；，；，；，；，）在宽频带地震台建设中，必须进行严格的观测场地筛选，以背景干扰小的基岩场址为理想观测环境，确保地震计和地面之间有良好的耦合，同时对地震计进行必要的保温隔离防护等措施，以期尽量减弱以上提到各种因素的干扰，最大限度发挥宽频带地震仪的测量能力（，；，）随着一些野外观测项目的逐渐深入，比如正在执行的拟覆盖中国大陆全境的 观测项目，一些台站不可避免地要布设在人口密度较大或沉积盆地较厚的软土层等高背景噪声区域，如何降低这些地区地震台站的观测噪声是一个挑战 尽管数百米甚至数千米深的井下观测已被证实是一个有效降低背景噪声干扰的方式（，），然而对于持续时间大多在一到两年的流动地震观期许卫卫等：软土层地区地震仪安装效果比对研究测，由于施工难度太大、造价太高并不具可行性 近年来随着观测技术发展，以直埋或浅井式安装为主的流动地震观测方式逐渐发展起来，野外比对实验已证明了其不但工作简便、观测效果也不亚于传统的摆墩式安装（，；，），专门用于直埋、浅井式安装的地震仪也逐渐被研发出来并进入商业化批量生产，美国在其运行的全球地震台网 升级过程中已经在逐渐使用 这 些 新 型 仪 器 和 安 装 方 式（，）在国内，随着软土层地区 左右浅井的建设成本降低和施工技术逐渐成熟，已有研究人员尝试进行数米到 左右深度的浅井观测并应用于观测实践（刘政一等，）在软土层地区建设宽频带地震台站时，随着仪器安装深度增加观测噪声降低幅度呈现怎样的规律，安装深度和保温隔离防护措施哪个更为重要，这些因素对于不同观测分量影响程度是否一致？通过实验观测对数据进行定量分析从而回答这些问题，是本文工作的主要出发点 另一方面，近年来基于检波器的一体化节点式地震仪逐渐被大量应用于天然地震观测，以此为基础的高密集地震台阵观测也迅速发展 起 来（张 明 辉 等，；周 启 明 和 沈 旭 章，）在理想观测场地条件，高性能宽频带地震仪性能要高出这些节点地震仪数个量级，然而在软土层地区由于存在较强的背景噪声干扰，这些不同类型的仪器在此环境中观测表现差距有多大？这是本文另一个试图回答的问题 本文首先介绍了实验场地、实验过程和数据分析方法，然后以英国 公司生产的 宽频带地震仪为例，比较了该设备在不同安装深度、采用保温隔离防护前后的观测噪声差异 进一步地，研究比较了包括宽频带、短周期、节点式在内的不同类别地震仪的安装效果差异，最后对实验结果进行了总结和讨论比对实验概况和数据分析方法本文选择的实验场地位于北京市通州区西集镇的固定地震台，台站附近基岩埋深约 ，覆盖层多为第四纪洪积物 台站方圆 内无明显持续噪声源，距东北部约 有潮白河通过，南部直线距离约 处有京哈高速通过，约 有一条较多车辆通过的主路，是一个典型的位于厚沉积层地区、具有较高背景噪声的台站考虑到宽频带地震仪对于地表温度以及风力变化的敏感性，本实验中我们全部采用地表之下即下沉式的安装方式 如图 所示，利用 观测计划中大量采用的高硬度塑料拼装桶，我们在实验场地内建设了个观测井，观测井内径约 ，每个观测井中可实现一到三台地震计的安装（图），观测井深度规格包括 和 两种（图）通过在观测井内部建设的钻井，可实现从地表到 不同深度的浅井式安装（图）钻井过程借鉴石油系统钻井流程进行水泥固井完成井底密闭，井底进行自流平处理确保底面水平，地震计在地表水平校准平台上进行调平、锁紧底角后下放（刘政一等，）；采用一套变长连接杆进行地震计水平方位调整，北向对齐通过差分 激光定向仪完成（图）在观测过程中所有设备通过太阳能进行供电，数据采集过程中采样率设置为 、连续记录模式、连续授时，比对观测数据时段从 年月日至 年月 日共计 个月 所有参与测试的地震计类型及其安装方式、隔离防护方式等信息如表所示 地震计安装深度包括地表到 之间的多个深度，不同深度的地震计安装方式包括图 的“摆墩式”和图 的“浅井式”两种“摆墩式”（）将地震计直接置于坑底的混凝土地面或者一块定制的平整花岗岩石板之上，这是 项目中绝大部分台站采用的方式 通过 管建设的“浅井式”（，以下简称“”）安装在本实验中包括了、和 共个深度 比对实验期间，实验场所内还有一台位于地下 深度的井下地震计在连续观测（，以下简称“”），安装位置在图 中位于图片远端的白色小房子下，在比对分析中我们也包 括了 这 台 井 下 地震计在 同 时 段 内 的 观 测数据我们采 用 地 动 加 速 度 功 率 谱 密 度 估 计 方 法（，缩写为 ）来比较观测背景噪声水平，一段时间内噪声功率谱密度的统计特征通过功率谱概率密度函数（，缩写为 ）来表征（，），为使比较结果稳定可靠、避免部分时段异常值影响，采用概率密度的中位数曲线作为比较标准，这是进 行背 景 噪 声 水 平比较时 主 要 采 取 的 方 式（，）计算过程采用美国全球地震学联合会 开发的 软件实现（，），计算参数中窗口时长取 ，其余参数均按软件中的默认值地 球 物 理 学 报（）卷图比测实验场地及地震计安装方法（）位于北京通州西集地震台的实验场所全貌 图中黑色圆形盖子下安装了位于不同深度的地震仪，两个白色竖杆上安装了气象站，图片远端白色小房子为西集台 深井地震仪所在地；（）图（）中一个黑色圆形盖 子 下 地 震仪安装的例子，包括距地面个 深和个 深的简易浅井，地震计北向对齐通过差分 激光定向仪来实现；（）观测计划中大量采用的摆墩式安装设计；（）浅井式安装设计 （），；（）（），；（）；（）表参测地震仪类型和安装方式等信息 ，地震仪型号通带低频截止频率 数量安装方法（深度方式）保温隔离防护方式保温隔离防护时间 沙子填充 沙子填充 沙子填充 管保温棉 沙子填充 沙子填充 沙子填充 沙子填充 管保温棉 管保温棉 沙子填充 沙子填充 地表直埋 期许卫卫等：软土层地区地震仪安装效果比对研究作为例子，图分别给出了位于地表以下和 的地震计在全部观测时间内的功率谱概率密度分布，从图中可看到，第 百分位曲线（图中标识为“”）和中位数曲线之间差异在绝大部分频段约在 之间，中位数曲线较好表征了观测时段内的背景噪声水平 由于水平向两个分量规律非常类似，本文仅给出垂直向和南北向分析结果（图中分别以 和 表示，本文中其他图件类同，下不赘述）从图可以看到，与全球低噪声模型 相比，本实验场所背景噪声水平高出了 不等，反映了沉积层台站强背景噪声干扰的特征 在功率谱密度分布图中，为海浪脉动频段，所有子图的 频点处可看到明显的 局部峰值，这主要反映了海水对与固体地球圈的加载作用（，），对于本文所有参测设备，可看作一远场信号；频率低于 的低频段，和地震计周围的温度变化和气流扰动等环境因素较为相关（以下简称低频段）；高于 的高频段，大多和当地的交通、工厂等局部人文噪声相关（以下简称高频段）（，）图功率谱概率密度分析例子图中分别给出了位于和 的地震计在 个月观测时间内的地动加速度功率谱概率密度分布图（，）作为参考，每幅图中还给出了全球低高噪声模型曲线（，），全部时段内的中位数曲线（）以及第（）和第（）百分位曲线，图中右上角标明了地震计安装的深度以及对应分量（表示垂向分量，表示南北向分量）每幅子图底部的条黑色短竖线分别标明了图中用于比较噪声随时间变化的频率点位置 （，），（，），地震计不同安装深度效果比对在比对实验最开始的一个月内，我们对所有地震计均不采用保温隔离防护措施 为了去除其他干扰因素影响，仅比较同一型号地震计即 在不同安装深度的观测背景噪声水平差异，这种地震计低频截止频率为 ，是 项目中使用地 球 物 理 学 报（）卷最多的型号，也是国内流动地震观测领域中市场占有量最大的地震计根据图中功率谱概率密度分布的特点，我们选取了、和 四个频点来考察不同深度安装的地震计背景噪声水平随时间变化的规律，为了图形显示清楚这里仅选择了、以及 四个深度作为代表，分析波形数据时长周的结果如图所示 可以看到：在海浪脉动频段即的频点，对于所有安装深度而言两个分量噪声水平基本相当；在代表高频段的 和 频点，噪声水平出现了明显的以“天”为周期的规律性变化，当地时间白天噪声水平明显高于晚上，反映了这个频段和人类活动相关 深度安装的井下地震计和 以内的安装相比噪声水平至少可衰减 以上，相比而言从 到 安装深度的噪声衰减不大，即使图中最为明显的 频点的垂直向，和 安装深度之间的差异也不超过 ，其余差异均在几个 以内；在代表低频段的 频点，从 到 安装深度的噪声衰减迅速，可达到约 ，其中垂直向分量 安装深度的噪声水