寧夏陶樂井下地震計的參數(shù)測定

任家琪，羅恒之，馬 楠，余思涵，胡子琪

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

由于寧夏陶樂數(shù)字化觀測井的地震計和數(shù)據(jù)采集器年久失修，性能老化，導(dǎo)致其記錄的背景噪聲、地震事件波形均出現(xiàn)了失真的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了寧夏數(shù)字化測震臺網(wǎng)的正常運行，故而，寧夏陶樂觀測井的重新修繕、地震計及數(shù)采的更換工作急需開展。寧夏回族自治區(qū)地震局決定于2018 年12 月底更換寧夏陶樂數(shù)字化觀測井的地震計及數(shù)據(jù)采集器，更換后的型號分別為：井下短周期GL-S2B 型號、3 通道EDAS-24GN 型號。依據(jù)我國地震計、數(shù)據(jù)采集器制造規(guī)范及地震計、數(shù)據(jù)采集器安裝規(guī)范，井下地震計的安裝調(diào)試流程相較于地表更加復(fù)雜，在確保井道符合規(guī)范的前提下，正確安裝地震計和數(shù)據(jù)采集器后，我們必須要進(jìn)行嚴(yán)格的參數(shù)測定和調(diào)試，因為，相關(guān)參數(shù)的測定與調(diào)試直接會影響到今后地震計的正常運行，所以，相關(guān)參數(shù)的測定與調(diào)試至關(guān)重要。在北京港震儀器設(shè)備有限公司技術(shù)人員的配合下，寧夏測震臺網(wǎng)技術(shù)人員在儀器安裝后的第一時間，依照井下地震計、數(shù)據(jù)采集器的參數(shù)測定規(guī)范，對其進(jìn)行了嚴(yán)格的參數(shù)測定，以此來確保寧夏陶樂觀測井正常運行。

1 寧夏陶樂地震觀測井的概況

寧夏陶樂地震觀測井地處寧夏省平羅縣陶樂鎮(zhèn)。該井為舊井改造，井口位于觀測屋內(nèi)，套管外徑為Φ146mm、內(nèi)徑為Φ136mm，井口套管高出地面約30cm。成井深度為300m，安裝深度為243m，儀器安裝處斜度小于2°。

2 更換地震計的原因

寧夏陶樂數(shù)字化測震觀測井自2006 年5 月起，一直使用JDF-2 型號的井下地震計，在井道方面，由于年久失修及自然損耗，寧夏陶樂數(shù)字化測震觀測井的性狀發(fā)生改變，其套管老化，導(dǎo)致寧夏陶樂的井道參數(shù)已經(jīng)不符合測震觀測井相關(guān)技術(shù)要求，故而，在此次更換井下地震計之前，我們需要修繕其井道。

寧夏陶樂JDF-2 型號的井下地震計已經(jīng)工作13 年有余，此地震計因使用年限過長導(dǎo)致儀器老舊，且其地震計調(diào)零線圈也是多次維修更換，從而也導(dǎo)致JDF-2 型號井下地震計的各項記錄功能、各項測定參數(shù)都無法達(dá)標(biāo)，且多次震后的震級測定都誤差偏大，故經(jīng)過專家討論和論證后，寧夏回族自治區(qū)地震局決定于2018年12 月底對寧夏陶樂觀測井道進(jìn)行修繕，且同時將此前的JDF-2 型井下地震更換為GL-S2B型號井下短周期地震計，將數(shù)據(jù)采集器更換為3 通道的EDAS-24GN 型號。

3 GL-S2B 井下地震計的主要技術(shù)指標(biāo)及特點

GL-S2B 型地震計為三分向一體的電磁換能、電子反饋型短周期地震計，其頻帶寬度為2s-50Hz，其最大輸出信號為±10V（雙端差動），其總諧波失真度＜-80dB，GL-S2B 型地震計的靈敏度為1000 V.Sec/m（單端輸出） 或2000 V.Sec/m（雙端輸出），其動態(tài)范圍為＞140dB，其噪聲水平為40s～8Hz 頻段，小于地球最小噪聲模型（NLNM），其最低寄生共振頻率＞100Hz，其線圈內(nèi)阻為50Ω，橫向振動抑制優(yōu)于＜0.1%，供電電壓+12V（8～20V），靜態(tài)電流＜160mA，供電電壓12V 時，外形尺寸最大外徑約Φ116mm，最大高度約1200mm ，允許最大傾斜角度±5°，GL-S2B 型地震計的性能特點為靈敏度高，動態(tài)范圍大，配有密封筒、底座等配件，適合井下地震觀測（深度可達(dá)1000m），且結(jié)構(gòu)簡單，電子反饋電路、直流電源變換器電路，與機(jī)械擺體共同安裝密封筒內(nèi)，整體抗逆性優(yōu)良。

4 方位角校正

此前由于技術(shù)限制和工具限制，我國大部分井下地震計的安裝通常都采用羅盤等常規(guī)定向設(shè)備來確定井下地震計的方位角，由于本身測量設(shè)備的精度問題，就導(dǎo)致了井下地震計的方位角偏差大、輸出極性錯誤等問題[1]。方位角的偏差過大問題，直接會造成井下地震計產(chǎn)出資料質(zhì)量下降，還會關(guān)系到地震震級的測定，所以方位角測定工作的重要性不言而喻。隨著地震領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)和儀器的發(fā)展和改進(jìn)，現(xiàn)一般都采用專業(yè)的設(shè)備進(jìn)行井下地震計方位角測定，本方法具體采用數(shù)據(jù)波形相關(guān)性分析方法來確定井下地震計的實際方位角，通過正確的方位角測定來確保井下地震計的正常運行[2]。

本次寧夏陶樂井下地震計的方位角校正，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°，采用一套6 通道數(shù)據(jù)采集器，A 通道接井下地震計，B 通道接地面參考地震計。數(shù)據(jù)采用2018 年12 月23 日02 時至23 日08 時的連續(xù)數(shù)據(jù)，經(jīng)計算分析得出，寧夏陶樂井下地震計的方位角為114.79°，具體如表1 所示。

5 標(biāo)定

5.1 階躍標(biāo)定

依照《中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)程》（2005 年） 階躍標(biāo)定要求，我們對寧夏陶樂井下地震計進(jìn)行了階躍標(biāo)定（圖1），寧夏陶樂井下地震計符合相關(guān)要求：信號幅度應(yīng)達(dá)到滿量程的50%以上且不失真，選擇合適的信號持續(xù)時間（短周期地震計為50 或60s；短周期地震計為250s 或300s；甚短周期地震計為600s、超短周期地震計為2000s。GL-S2B 型井下短周期地震計階躍標(biāo)定參數(shù)設(shè)置：階躍信號幅度為2000 count，寬度60s（EDAS-24GN 數(shù)采），最終地震計的周期和阻尼也符合相關(guān)規(guī)定[3]。

表1 GL-S2B 井下地震計的主要技術(shù)指標(biāo)及特點

圖1 寧夏陶樂GL-S2B 型井下地震計階躍標(biāo)定波形Fig.1 Step calibration waveform of GL-S2B downhole seismometer in Taole，Ningxia

5.2 正弦標(biāo)定

《中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)程》（2005年） 正弦標(biāo)定要求：根據(jù)不同頻帶類型地震計，選擇合適的正弦標(biāo)定信號幅度、頻點。要求在兩端截止頻率左右適當(dāng)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(biāo)定起始點位置的選取直接決定了計算結(jié)果的準(zhǔn)確與否，正確合理的正弦標(biāo)定可以較好的計算出地震計靈敏度[3]。

寧夏陶樂數(shù)字化測震觀測井GL-S2B 型井下地震計正弦標(biāo)定波形如圖2 所示，觀測系統(tǒng)幅頻特性及相頻特性如圖3 所示，GL-S2B 型地震計幅頻特性及相頻特性如圖4 所示，觀測系統(tǒng)零極點分布如圖5 所示，GL-S2B 型地震計歸一化幅頻特性如圖6 所示。我們對寧夏陶樂數(shù)字化測震觀測井進(jìn)行了正弦標(biāo)定等相關(guān)參數(shù)測定，通過最終的計算分析，寧夏陶樂井下地震計各項參數(shù)都符合相關(guān)規(guī)定和要求。

此次，我們對寧夏陶樂GL-S2B 型短周期地震計及EDAS-24GN 型數(shù)采正弦標(biāo)定信號參數(shù)設(shè)置如下：

設(shè)置頻點15 個，周期數(shù)為：5，8，15，30，60，150，300，450，540，600，870，690，990，1260，1320；

頻率依次為：-10，-5，-2，1，2，5，10，15，18，22，29，33，39，42，44；

衰減參數(shù)為：50，50，30，20，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10。

圖2 寧夏陶樂GL-S2B 型地震計正弦標(biāo)定波形Fig.2 Sine calibration waveform of GL-S2B seismometer in Taole，Ningxia

圖3 寧夏陶樂數(shù)字地震觀測系統(tǒng)幅頻特性及相頻特性Fig.3 Amplitude frequency characteristics and phase frequency characteristics of Ningxia Taole Digital Seismic Observation System

圖4 寧夏陶樂GL-S2B 型地震計地震計幅頻特性及相頻特性Fig.4 Amplitude frequency characteristics and phase frequency characteristics of GL-S2B seismometer in Taole，Ningxia

圖5 寧夏陶樂數(shù)字地震觀測系統(tǒng)零極點分布圖Fig.5 Zero-pole distribution of Taole Digital Seismic Observation System in Ningxia

圖6 寧夏陶樂GL-S2B 型地震計歸一化幅頻特性Fig.6 Normalized amplitude frequency characteristics of GL-S2B seismometer in Taole，Ningxia

6 噪聲分析

依據(jù)相關(guān)規(guī)定，地震臺站的建設(shè)，首先要對其臺基背景噪聲進(jìn)行科學(xué)化評估[4]，具體評估參數(shù)依據(jù)如下：

Ⅰ級臺基噪聲水平：RMS＜3.16×10-8m/s

Ⅱ級臺基噪聲水平：3.16×10-8m/s ≤RMS＜1.00×10-7m/s

Ⅲ級臺基噪聲水平：1.00×10-7m/s ≤RMS＜3.16×10-7m/s

Ⅳ級臺基噪聲水平：3.16×10-7m/s ≤RMS＜1.00×10-6m/s

Ⅴ級臺基噪聲水平：1.00×10-6m/s ≤RMS＜3.16×10-6m/s

由中國地震局制定的《地震測震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求》規(guī)定：臺基背景噪聲在1-20Hz頻帶范圍的速度RMS 值作為評估標(biāo)準(zhǔn)。共分為5 級臺基（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），下面列出評估的標(biāo)準(zhǔn)，單位：m/s。地震臺站（臺網(wǎng)） 建成之后的監(jiān)測能力大小，臺基噪聲起到了重要的作用[5]，對臺基噪聲功率譜密度進(jìn)行測定，可以對當(dāng)?shù)嘏_站背景噪聲狀況進(jìn)行預(yù)估[6]。

故而，我們對寧夏陶樂地震觀測井也進(jìn)行了噪聲水平測試，經(jīng)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 陶樂測震臺噪聲RMS 值（12 小時均值）

經(jīng)測定，寧夏陶樂數(shù)字化觀測井的噪聲功率譜密度（PSD） 曲線于相對頻率域內(nèi)可以滿足今后的地震觀測，具體如圖7 所示，其實際觀測動態(tài)范圍也符合井下觀測井的相關(guān)要求，具體如圖8 所示。

圖7 寧夏陶樂測震臺臺基噪聲功率譜密度曲線Fig.7 Noise power spectral density curve of Taole Seismic Station

圖8 寧夏陶樂測震臺實際觀測動態(tài)范圍圖Fig.8 Actual observation dynamic range of Taole Seismic Station in Ningxia

7 結(jié)論

寧夏陶樂數(shù)字化地震觀測井預(yù)期完成安裝、調(diào)試及參數(shù)測定，通過對測定結(jié)果的科學(xué)合理化分析，我們得出結(jié)論：寧夏陶樂數(shù)字化地震觀測井將此前的JDF-2 型井下地震計更換為現(xiàn)如今的GL-S2B 型井下短周期地震計及EDAS-24GN 型號數(shù)據(jù)采集器之后，其方位角參數(shù)、階躍標(biāo)定、正弦標(biāo)定、數(shù)字地震觀測系統(tǒng)幅頻特性及相頻特性、地震觀測系統(tǒng)零極點分布、地震計歸一化幅頻特性、噪聲分析等均符合相關(guān)規(guī)定，且通過地震事件的記錄檢測和分析，寧夏陶樂數(shù)字化地震觀測井各項性能均達(dá)標(biāo)，且性能穩(wěn)定。

致謝：感謝北京港震儀器設(shè)備有限公司的工作人員在寧夏陶樂數(shù)字化地震觀測井的地震計及數(shù)據(jù)采集器更換工作中所做出的技術(shù)指導(dǎo)。