云南騰沖火山區(qū)地震/次聲臺(tái)陣建設(shè)*

蘇 偉 樓 海 袁松湧 張東寧

(中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081)

云南騰沖火山區(qū)地震/次聲臺(tái)陣建設(shè)*

蘇 偉 樓 海 袁松湧 張東寧

(中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081)

在中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)《地震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)地震與次聲聯(lián)合臺(tái)陣探測(cè)對(duì)比試驗(yàn)》支持下，在云南騰沖火山區(qū)建設(shè)了一個(gè)由4個(gè)子臺(tái)組成的三角形地震/次聲臺(tái)陣，首次將寬頻帶地震計(jì)及次聲傳感器聯(lián)合部署在強(qiáng)地震活躍區(qū)及火山區(qū)。本文詳細(xì)介紹了騰沖火山區(qū)地震/次聲臺(tái)陣的建設(shè)及其觀測(cè)系統(tǒng)組成，特別是與次聲觀測(cè)有關(guān)的次聲降噪濾波系統(tǒng)，并提出了下一步研究工作。

騰沖火山區(qū);地震/次聲臺(tái)陣;觀測(cè)系統(tǒng);次聲降噪濾波系統(tǒng)

引言

騰沖火山區(qū)主要位于云南西部騰沖縣，火山多、面積廣，上新世晚期至全新世活動(dòng)頻繁，據(jù)統(tǒng)計(jì)，騰沖火山區(qū)共有68座明顯山體的火山，其中馬鞍山、打鷹山及空山火山群(圖1)是三大主要火山群?！熬盼濉逼陂g云南省地震局的流動(dòng)地震監(jiān)測(cè)表明［1］，火山區(qū)除馬鞍山和熱海有較強(qiáng)水熱活動(dòng)外，區(qū)內(nèi)火山地震活動(dòng)性并不高;但由于騰沖火山區(qū)位于印度板塊與歐亞板塊的邊界附近，受到印度板塊向青藏高原擠壓，青藏高原抬升，物質(zhì)沿川滇菱形塊體東流，以及印度板塊向緬甸弧俯沖等影響;近幾年來(lái)火山區(qū)周邊地區(qū)地震活動(dòng)性明顯加強(qiáng)，特別是2008年5月12日四川汶川8.0級(jí)大地震之后，我國(guó)川滇地區(qū)先后發(fā)生了云南盈江5.9級(jí)、四川攀枝花6.1級(jí)、云南姚安6.0級(jí)及云南大理5.0級(jí)地震。其中位于騰沖火山區(qū)的西部邊緣發(fā)生了盈江5.9級(jí)地震，該地震的序列衰減非常緩慢，至今還有4級(jí)以上余震不斷發(fā)生;這些現(xiàn)象指示了騰沖火山區(qū)具有再次活化的動(dòng)力學(xué)背景，需要加強(qiáng)火山噴發(fā)危險(xiǎn)性的監(jiān)測(cè)與研究。

已有的觀測(cè)表明［2-8］較大的天然地震及人工地震能激發(fā)次聲波信號(hào)，主要有本地次聲波、震中次聲波及衍射次聲波;一些中國(guó)研究學(xué)者認(rèn)為［9-12］在大地震之前10天左右觀測(cè)到了可能用于臨震預(yù)報(bào)的次聲波異常信號(hào)，并歸為前兆次聲波;但是大震前的次聲波異常的可靠性仍存在爭(zhēng)議，仍需進(jìn)一步觀測(cè)分析;同時(shí)地震/次聲臺(tái)陣廣泛用于全球火山觀測(cè)及噴發(fā)預(yù)警［13］，并可能對(duì)某些類型的火山噴發(fā)作出預(yù)報(bào)。為了加強(qiáng)滇西地區(qū)的地震監(jiān)測(cè)及騰沖地區(qū)的火山觀測(cè)，我們將地震與次聲傳感器組合起來(lái)，在騰沖火山地區(qū)建設(shè)一個(gè)由四個(gè)子臺(tái)組成的地震/次聲臺(tái)陣，將有助于加深地震、爆炸等過(guò)程的理解。

1 地震/次聲臺(tái)陣概況

騰沖火山區(qū)地震/次聲臺(tái)陣場(chǎng)地勘選是從2008年下半年開始，兩個(gè)備選場(chǎng)地都位于騰沖縣城附近。一個(gè)位于騰沖縣城北26 km馬站附近的空山火山群，另一個(gè)位于騰沖縣城西13 km的馬鞍山火山群(距離騰沖熱海不到10 km)，兩個(gè)場(chǎng)地共同特點(diǎn)是:地勢(shì)較為平坦，有植物覆蓋，靠近火山。由于馬鞍山火山附近要修高速公路，第二個(gè)備選場(chǎng)地被舍棄。2009年初開始在空山火山群附近攜帶次聲傳感器及自動(dòng)氣象站，勘選各個(gè)子臺(tái)位置，考慮交通是否便利，有無(wú)CDMA信號(hào)，地震/次聲噪音水平，主要干擾源等因素;2009年4月確定各個(gè)子臺(tái)位置后，與當(dāng)?shù)卮迕裾勁凶獾厥乱?2009年9月26日—10月18日在騰沖火山區(qū)開展了地震/次聲臺(tái)陣建設(shè)，施工安裝難度超過(guò)預(yù)料。大家克服建設(shè)場(chǎng)地多雨、道路泥濘的困難;克服水泥樁、電線桿、儀器罩等建材搬運(yùn)以及地震計(jì)、次聲傳感器、太陽(yáng)能板及重達(dá)45 kg電瓶器材搬運(yùn)等困難;為按時(shí)完成臺(tái)陣建設(shè)任務(wù)，早出晚歸，頂風(fēng)冒雨，一身泥水，終于在10月18日完成建設(shè)安裝任務(wù)。

騰沖火山區(qū)地震/次聲臺(tái)陣位于云南省騰沖縣曲石鄉(xiāng)表院村附近(圖1大三角所示)，由一個(gè)中心臺(tái)和3個(gè)子臺(tái)三角形臺(tái)陣組成(圖1上部)，臺(tái)陣孔徑約為1.8 km，臺(tái)陣西部約6 km有馬站空山火山群(圖1中數(shù)字3)，其東部約15 km為海拔2000 m以上的高黎貢山。臺(tái)陣除最南部的子臺(tái)外，其余3個(gè)子臺(tái)都位于松樹林內(nèi)，有較好森林覆蓋;為了展布次聲降噪系統(tǒng)的降噪管，每個(gè)子臺(tái)占地面積約為670平方米;為防止動(dòng)物闖入，每個(gè)子臺(tái)由1.8 m高的護(hù)欄網(wǎng)包圍;子臺(tái)中央配有儀器坑及儀器防護(hù)罩，用于放置地震/次聲傳感器、數(shù)據(jù)采集器、供電設(shè)備等;太陽(yáng)能板放置在7 m高的水泥電線桿上。中心子臺(tái)配置一套六要素自動(dòng)氣象站。臺(tái)陣附近干擾源主要有火山公園景區(qū)汽車通行干擾，黑魚河水電站干擾，刮風(fēng)干擾及雨季雷雨干擾。

2 地震/次聲觀測(cè)系統(tǒng)

騰沖火山區(qū)地震/次聲臺(tái)陣觀測(cè)系統(tǒng)主要由寬頻帶地震計(jì)、次聲傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動(dòng)氣象站、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)以及次聲降噪濾波系統(tǒng)(下一節(jié)單獨(dú)介紹)組成。

2.1 寬頻帶地震計(jì)

寬頻帶地震計(jì)為港震機(jī)電有限公司生產(chǎn)的BBVS60地震計(jì)(圖2)，主要特點(diǎn)有:60 S～50 Hz頻帶寬度，140 dB動(dòng)態(tài)范圍，遙控馬達(dá)調(diào)零，外部機(jī)械解鎖。臺(tái)陣BBVS60寬頻帶地震計(jì)放置在儀器深坑內(nèi)水泥墩上，為保溫和防潮用擠塑板覆蓋。

圖2 騰沖火山區(qū)地震/次聲臺(tái)陣BBVS60寬頻帶地震計(jì)

2.2 次聲傳感器

次聲傳感器采用由法國(guó)原子能委員會(huì)(CEA)研制，MARTEC公司生產(chǎn)的MB2005次聲傳感器，該型傳感器廣泛用于國(guó)際禁止核試驗(yàn)次聲臺(tái)站，其主要特點(diǎn)有:功耗小(＜3 W)、溫度漂移小(＜0.1 hPa/℃)，IP68環(huán)境防護(hù)等級(jí)，操作溫度范圍-20～60℃，濾波輸出頻帶寬度為0.01～27 Hz，靈敏度20 mV/Pa，108 dB動(dòng)態(tài)范圍。臺(tái)陣MB2005次聲傳感器放置在儀器淺坑的水泥墩上，四個(gè)聲音接口用膠皮黑管與外接疊加腔的鋁塑管相連(圖3)。

2.3 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器為港震機(jī)電有限公司生產(chǎn)的EDAS-24IP6通道數(shù)據(jù)采集器，主要特點(diǎn)有: 24位A/D轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)LAN以太網(wǎng)通訊，支持TCP、FTP、HTTP等協(xié)議，支持連續(xù)數(shù)據(jù)紀(jì)錄和觸發(fā)記錄，支持WWW遠(yuǎn)程管理，支持FTP遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理與傳輸，支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流輸出，低功耗(＜2.5 W)，體積小，支持大容量8G CF卡。BBVS60寬頻帶地震計(jì)和MB2005次聲傳感器分別接入EDAS-24IP6通道數(shù)據(jù)采集器1—3通道和4—6通道，采樣率為50 Hz。

2.4 自動(dòng)氣象站

自動(dòng)氣象站由風(fēng)云高科環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)(北京)有限公司生產(chǎn)，采用維薩拉(Vaisala)公司W(wǎng)XT510氣象傳感器，可以同時(shí)測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、氣壓、溫度、濕度。自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采樣為分鐘值，可以存儲(chǔ)在數(shù)采容量為256M的CF卡內(nèi)。

2.5 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

太陽(yáng)能供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能板、蓄電瓶、充放電控制器等組成，每個(gè)子臺(tái)包括200 W太陽(yáng)能板，2塊 100 Ah蓄電瓶及兩個(gè)SD1220光伏控制器;為確保供電正常，在選址時(shí)考慮太陽(yáng)照射，并把太陽(yáng)能板放置在高7 m的水泥電線桿上(圖4)，電線桿用3根拉線固定。

2.6 無(wú)線監(jiān)控傳輸系統(tǒng)

圖3 騰沖火山區(qū)地震/次聲臺(tái)陣MB2005次聲傳感器

圖4 騰沖火山區(qū)地震/次聲臺(tái)陣放置在水泥電線桿上的太陽(yáng)能板

在勘選臺(tái)陣臺(tái)址時(shí)，我們考慮到了數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，經(jīng)檢測(cè)臺(tái)陣附近有中國(guó)電信3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。因此騰沖地震/次聲臺(tái)陣基于中國(guó)電信3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，采用VPN虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)北京數(shù)據(jù)服務(wù)器與騰沖數(shù)據(jù)采集器的實(shí)時(shí)通訊。無(wú)線路由器選用北京映翰通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司IR700型工業(yè)級(jí)路由器，其特點(diǎn)是功耗小，尺寸小，重量輕，傳輸穩(wěn)定，可遠(yuǎn)程喚醒及升級(jí)，支持基于標(biāo)準(zhǔn)IPSEC的VPN服務(wù)。

3 次聲降噪濾波系統(tǒng)

圖5 IMS次聲臺(tái)站使用的玫瑰形風(fēng)噪聲削減無(wú)孔管排列系統(tǒng)

次聲波監(jiān)測(cè)中一個(gè)重要的問(wèn)題是如何削減與大氣紊亂有關(guān)的聲波背景噪音，近地表面由風(fēng)引起的氣流紊亂運(yùn)動(dòng)極其復(fù)雜。幾乎所有的削減聲波背景噪音方法都是基于由Daniels(1959)提出的空間濾波技術(shù)［14］，主要是將次聲傳感器連接到空間聲音濾波系統(tǒng)，當(dāng)聲波信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于空間聲音濾波系統(tǒng)尺寸時(shí)，通過(guò)空間聲音濾波系統(tǒng)的信號(hào)疊加(包括聲音信號(hào)及大氣背景噪音)，不同點(diǎn)的隨機(jī)噪音由于相位不同而振幅減少，信號(hào)信噪比將顯著增加。目前廣泛使用的空間聲音濾波系統(tǒng)主要有兩類:一類是用多入口無(wú)孔管排列，帶網(wǎng)孔的入口通過(guò)堅(jiān)固的金屬管或塑料管連接到次聲傳感器，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速大時(shí)需要增大排列孔徑;其優(yōu)點(diǎn)是堅(jiān)固耐用，適于永久臺(tái)站使用，最嚴(yán)重缺點(diǎn)是無(wú)孔管排列有共振，當(dāng)排列孔徑越大時(shí)共振頻率越小。圖5顯示全面禁止核試驗(yàn)條約國(guó)際監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(IMS)次聲臺(tái)站使用的18 m孔徑、96個(gè)入口風(fēng)噪聲削減無(wú)孔管排列，其共振頻率約為11 Hz。

為了解決無(wú)孔管排列的共振問(wèn)題，用多微孔管排列系統(tǒng)是較好的解決辦法。多微孔管排列用多微孔管環(huán)繞次聲傳感器呈反射狀排列，其優(yōu)點(diǎn)是降噪效果好，費(fèi)用便宜，便于快速部署;主要缺點(diǎn)是多微孔管易受到惡劣天氣及環(huán)境影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞微孔，使得降噪失效。

綜合考慮場(chǎng)地及MB2005次聲傳感器的實(shí)際情況，我們提出了騰沖火山區(qū)地震/次聲臺(tái)陣降噪濾波排列系統(tǒng)(圖6)。位于儀器坑內(nèi)次聲傳感器通過(guò)4條8 m長(zhǎng)鋁塑管分別連接到四個(gè)聲音疊加腔，每個(gè)疊加腔環(huán)繞8條10 m長(zhǎng)多微孔管(圖7)。由于存在多微孔管的老化，預(yù)計(jì)2～3年更換一次多微孔降噪管。其濾波降噪效果有待積累數(shù)據(jù)后作進(jìn)一步分析。

圖6 騰沖火山區(qū)地震/次聲臺(tái)陣的降噪濾波排列系統(tǒng)

圖7 騰沖火山區(qū)地震/次聲臺(tái)陣的疊加腔及降噪多微孔管

4 臺(tái)陣配置總結(jié)

表1列出了云南騰沖火山區(qū)地震/次聲臺(tái)陣儀器配置，包括主要儀器設(shè)備、數(shù)量及 配置性能情況。

表1 云南騰沖火山區(qū)地震/次聲臺(tái)陣儀器配置表

5 下一步研究工作

圖8 騰沖火山區(qū)臺(tái)陣記錄到的云南大理賓川MS5．0級(jí)地震的地震/次聲波形

云南騰沖火山區(qū)地震/次聲臺(tái)陣已開始正常記錄，目前處于試運(yùn)行階段。截至2009年12月初，記錄到的破環(huán)性強(qiáng)震是11月2日的云南大理賓川5.0級(jí)地震，該地震距離場(chǎng)地僅有230 km左右，圖8顯示了騰沖火山區(qū)地震/次聲臺(tái)陣記錄該地震的地震波及本地次聲波波形，從上到下分別為H00—H03子臺(tái)垂直向地震波及次聲波記錄。隨著記錄資料的積累，預(yù)計(jì)將在以下方面開展進(jìn)一步研究:

評(píng)估場(chǎng)地環(huán)境噪聲水平，包括BBVS60寬頻帶地震計(jì)及MB2005次聲傳感器的環(huán)境噪聲水平評(píng)估。

評(píng)估場(chǎng)地氣象條件，主要是溫度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素的變化及對(duì)次聲記錄的影響。

地震及其它事件分析，包括頻譜對(duì)比分析，事件定位分析等。

致謝

本研究獲得許紹燮院士、王椿鏞研究員及邊銀菊研究員的指導(dǎo)和支持，2007年修購(gòu)專項(xiàng)提供儀器，臺(tái)陣建設(shè)獲云南省地震局騰沖地震臺(tái)的大力支持和協(xié)助。

(作者電子信箱，蘇 偉:suwei@cea-igp.ac.cn)

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The construction of seismo-acoustic array in Tengchong volcanic region of Yunnan

Su Wei，Lou Hai，Yuan Songyong and Zhang Dongning
(Institute of Geophysics，CEA，Beijing 100081，China)

Supported by the fundamental research and development project of the Institute of Geophysics，CEA——“Comparative experiment of seismo-acoustic array observation in key areas for earthquake surveillance and protection”，a seismo-acoustic array，with 4 sub-stations arranged as a triangle(the 4th of which is located near the center of the triangle)was deployed in Tengchong volcanic region of Yunnan Province.The broadband seismometer and infrasonic sensor are jointly deployed，for the first time，in a seismically active area and volcanic area.This paper provides a detailed introduction to the installation and components of the seismo-acoustic array in Tengchong volcanic region，with special attention to filtering and noise reduction system related with infrasound observations.Finally，a discussion is made about the next step for the research.

Tengchong volcanic region;seismo-acoustic array;observing system;filtering and noise reduction system

P315.6，P317.6;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.05.008

2009-08-17;

2009-10-15。

中國(guó)地震局地球物理研究所中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(DQJB07B02)及2007年測(cè)震學(xué)科技術(shù)協(xié)調(diào)組資助。