張 波 李 鵬 權(quán)博斐 魏欒巒
1)中國(guó)湖北442000 十堰市地震臺(tái)
2)中國(guó)湖北442000 十堰市地震監(jiān)測(cè)中心
普通數(shù)字地震臺(tái)站測(cè)震系統(tǒng)通過地震計(jì)拾取地震波信號(hào),由數(shù)據(jù)采集器放大處理并將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),通過網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳送到國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)中心和相關(guān)省級(jí)臺(tái)網(wǎng)測(cè)震服務(wù)器,客戶端通過調(diào)取服務(wù)器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)地震波形的分析處理。為保證地震波形數(shù)據(jù)的完整和有效性,儀器運(yùn)行的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪B續(xù)低延遲要求至關(guān)重要,地震臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行的技術(shù)質(zhì)量在較大程度上取決于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约捌滟|(zhì)量(JENS HAVSKOV et al,2007)。因此,在中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)震觀測(cè)系統(tǒng)資料評(píng)比中,觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行率和波形記錄質(zhì)量是重要評(píng)價(jià)指標(biāo),從某種程度上來說,運(yùn)行率高低和波形記錄優(yōu)劣直接決定了臺(tái)站數(shù)據(jù)記錄全年度的整體質(zhì)量。
通過對(duì)十堰市地震臺(tái)(下文簡(jiǎn)稱十堰臺(tái))多年以來測(cè)震觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行中存在的一些問題進(jìn)行詳細(xì)分析,查找問題產(chǎn)生的根源,提出一系列針對(duì)性解決方法,并根據(jù)近10 年來系統(tǒng)運(yùn)行率變化,分析地震記錄波形特征,對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行總體水平和質(zhì)量進(jìn)行客觀評(píng)價(jià),以驗(yàn)證相關(guān)工作措施的科學(xué)效能。
十堰臺(tái)原為國(guó)家級(jí)測(cè)震基本臺(tái),現(xiàn)為地方管理的具有測(cè)震、地磁、形變、重力等觀測(cè)手段的綜合性臺(tái)站,納入全國(guó)臺(tái)網(wǎng)考核評(píng)價(jià)。數(shù)字地震觀測(cè)站位于張灣區(qū)牛頭山森林公園野貓子凹,海拔高度近700 m,于2004 年建設(shè),2007 年投入運(yùn)行。臺(tái)基巖性為輝綠巖,儀器墩由整塊巖石切割而成,擺房觀測(cè)室按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工,保溫、密封、防潮處理符合標(biāo)準(zhǔn)。
臺(tái)站初始配備smart24 數(shù)字測(cè)震儀,后因儀器故障,于2015 年更換為EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器,地震計(jì)型號(hào)更換為BBVS-120,采用牛頭山林場(chǎng)交流加UPS 電池的方式進(jìn)行供電。因臺(tái)站所處位置偏僻,山高林密,與十堰中心城區(qū)距離較遠(yuǎn),附近無相關(guān)基站設(shè)施,數(shù)據(jù)記錄無法進(jìn)行有線傳輸,采用微波方式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸至四方山通訊站,經(jīng)電信機(jī)房中轉(zhuǎn),通過SDH 專線傳輸至湖北省地震臺(tái)網(wǎng)中心,并回傳至十堰市地震臺(tái)測(cè)震服務(wù)器。
牛頭山與四方山微波站直線距離不足12 km,小于中繼站設(shè)置距離(50 km),采用微波傳輸,成本相對(duì)較低。微波傳播與光波類似,若傳播路徑無阻擋,可視為視距傳播,即直線傳播。與利用電磁波的電離層反射現(xiàn)象進(jìn)行“超視距”傳播相比,視距微波通信的傳播特性穩(wěn)定,外界干擾較小(中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司,2007)??紤]供電線路距離、地形以及避雷等因素,臺(tái)站微波天線設(shè)置在觀測(cè)站東側(cè)山坳,塔架頂部與四方山基本實(shí)現(xiàn)通視。
牛頭山采用NEC PASOLINK NEO 系列點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線接入射頻系統(tǒng),使用16QAM 調(diào)制方式,擴(kuò)展帶寬至80 Mbps,接口采用以太網(wǎng)口,帶插入系統(tǒng)的獨(dú)立公共IDU室內(nèi)單元及(6—52)GHz 頻帶的ODU 室外單元。數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)調(diào)制器轉(zhuǎn)換為多進(jìn)制數(shù)字頻譜,信號(hào)放大后由發(fā)信機(jī)通過微波天線發(fā)送射頻信號(hào),四方山電信微波站通過收信機(jī)解調(diào)器將射頻信號(hào)解調(diào)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)地震波形數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)距離傳輸(圖1)。
圖1 十堰數(shù)字測(cè)震臺(tái)初始網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸拓?fù)銯ig.1 Topology of initial data transmission network at Shiyan Digital Seismic Station
實(shí)際微波接力通信的電波并非在理想的自由空間傳播,而是在低層大氣中傳播,因此,電波不僅會(huì)受到地球曲率的影響,而且會(huì)受到諸多不利因素的影響,從而使接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)產(chǎn)生附加的損耗(中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司,2007)。在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn),微波傳輸存在較多弊端,具體體現(xiàn)在:①經(jīng)常受樹木等障礙物遮擋,大風(fēng)、暴雨等惡劣天氣也容易造成設(shè)備傳輸時(shí)斷時(shí)續(xù);②設(shè)備穩(wěn)定性差、功耗大等也難以保證工作需求;③設(shè)備出現(xiàn)故障,維修難度大,易造成數(shù)據(jù)傳輸長(zhǎng)時(shí)間中斷、網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間長(zhǎng)、丟包率高等問題。
牛頭山地震觀測(cè)站交流供電來自林場(chǎng)場(chǎng)部,市電供給時(shí)斷時(shí)續(xù),發(fā)生停電故障無法及時(shí)處理,UPS 電源容量小,續(xù)航時(shí)間短,同時(shí)為微波設(shè)備供電,電力不足。該觀測(cè)站為無人值守站,若發(fā)生斷記事件,無法短時(shí)間解決問題。
牛頭山臺(tái)微波傳輸方式不穩(wěn)定、持續(xù)供電無法保障、交通不便造成故障響應(yīng)困難,導(dǎo)致十堰臺(tái)測(cè)震觀測(cè)系統(tǒng)故障率高、斷記時(shí)間長(zhǎng)、整體運(yùn)行率偏低,地震觀測(cè)資料質(zhì)量較低。
牛頭山地震觀測(cè)站地處偏僻區(qū)域,交通不便,無人值守,為快速響應(yīng)、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)帶來困難,為此提出一系列切實(shí)可行的解決方法,即采用3 路交流供電自動(dòng)切換輔助2 路直流供電方式,為儀器運(yùn)行提供穩(wěn)定的電力供給,并采用一主一備有線光纖傳輸解決微波單線傳輸?shù)谋锥恕?/p>
(1)電力保障。經(jīng)多方努力,市電供給有所改善,但依然無法滿足工作要求。為此,于2013 年增設(shè)2 kW 太陽能光伏發(fā)電設(shè)備,保障測(cè)震觀測(cè)儀器用電,且箱式直流電源增加續(xù)航時(shí)間,保證夜間用電,為故障處置贏得時(shí)間。此后,十堰臺(tái)因停電造成的數(shù)據(jù)斷記時(shí)長(zhǎng)大幅減少。2018 年初十堰市普降暴雪,市電長(zhǎng)時(shí)間中斷,測(cè)震臺(tái)UPS 電池電量耗盡,太陽能發(fā)電板因冰雪覆蓋無法工作,造成130 余小時(shí)數(shù)據(jù)斷記。因此,更換原UPS 電池,在支持直流供電設(shè)備上加裝電瓶和充電設(shè)備,將光纖收發(fā)器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備統(tǒng)一更換為交流和直流接口雙路供電。同時(shí),采購一臺(tái)6 kW 柴油發(fā)電機(jī),保證在低溫環(huán)境下遠(yuǎn)程自啟動(dòng)發(fā)電,安裝AST 雙回路電源轉(zhuǎn)換器,實(shí)現(xiàn)多路交流供電的自動(dòng)切換(圖2)。
圖2 十堰數(shù)字地震臺(tái)供電線路升級(jí)改造方案整體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of power supply line upgrade and renovation scheme for Shiyan Digital Seismic Station
2019 年初,受大雪天氣影響,十堰臺(tái)市電停供,但數(shù)據(jù)未出現(xiàn)斷記現(xiàn)象,上述供電改造措施得到有效檢驗(yàn),此后該臺(tái)因停電造成的長(zhǎng)時(shí)間斷記現(xiàn)象消失。
(2)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸方式變更。淘汰原有微波無線傳輸方式,搭建網(wǎng)絡(luò)傳輸故障監(jiān)視平臺(tái),分別于2012 年和2016 年架設(shè)中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信2 條點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖線路,在重要中轉(zhuǎn)基站配置應(yīng)急供電設(shè)施,建立網(wǎng)絡(luò)故障聯(lián)動(dòng)響應(yīng)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)故障快速判定、快速響應(yīng)、快速處置和快速反饋。
2020 年在地震臺(tái)站機(jī)房搬遷過程中,積極爭(zhēng)取人防辦支持,在中心機(jī)房和牛頭山地震臺(tái)增設(shè)三層網(wǎng)絡(luò)核心交換機(jī),配置STP 協(xié)議,將2 條光纖線路設(shè)置為一主一備,實(shí)現(xiàn)線路故障毫秒級(jí)無縫切換(圖3)。
圖3 十堰數(shù)字地震臺(tái)改造后網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸拓?fù)銯ig.3 Topology of data transmission network at Shiyan Digital Seismic Station after transformation
臺(tái)網(wǎng)中心對(duì)所接收的連續(xù)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),通過軟件可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)波形資料斷記的自動(dòng)統(tǒng)計(jì),斷記結(jié)果用圖形和文本文件表示(劉瑞豐等,2015)。選取十堰臺(tái)2009—2020年測(cè)震記錄,統(tǒng)計(jì)SEED 格式波形記錄數(shù)據(jù)斷記時(shí)長(zhǎng),結(jié)果見表1、圖4。
表1 十堰臺(tái)2009—2020 年度測(cè)震斷記統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of missing records at Shiyan Seismic Station from 2009 to 2020
圖4 2009—2020 年十堰臺(tái)測(cè)震數(shù)據(jù)斷記統(tǒng)計(jì)變化曲線Fig.4 Statistics of seismic data missing records at Shiyan Seismic Station from 2009 to 2020
由表1、圖4 可知:2009—2012 年,十堰臺(tái)測(cè)震數(shù)據(jù)年度斷記均在100 萬秒以上,其中2012 年在200 萬秒以上;2013 年安裝光伏太陽能發(fā)電系統(tǒng)、增設(shè)移動(dòng)公司備用線路后,因停電造成的斷記現(xiàn)象有所減少,年度斷記小于40 萬秒;2018 年在對(duì)供電和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行全面整改以后,測(cè)震系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量得到明顯提升,2019 年度斷記時(shí)長(zhǎng)僅933 s(網(wǎng)絡(luò)閃斷等造成),2020 年度有所增加(辦公區(qū)機(jī)房搬遷、設(shè)備調(diào)試造成),表明十堰臺(tái)數(shù)據(jù)斷記整改措施得到有效檢驗(yàn),測(cè)震系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量得到提升。
十堰臺(tái)現(xiàn)運(yùn)行觀測(cè)系統(tǒng)由北京港震機(jī)電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的BBVS-120 寬頻帶地震計(jì)和EDAS-24GN 數(shù)據(jù)采集器組成,采用寬頻帶地震計(jì)—模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)—FIR 低通濾波器(輸入采樣率2 000 counts,輸出400 sps)—FIR 低通濾波器(輸入采樣率400 counts,輸出200 sps)——FIR 低通濾波器(輸入采樣率200 counts,輸出100 sps)5 級(jí)設(shè)計(jì),每秒產(chǎn)出100 個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)字資料(劉瑞豐等,2014)。
通過對(duì)2015 年1 月至2021 年12 月十堰臺(tái)地震觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行震例抽樣,對(duì)不同震中距地震的記錄波形進(jìn)行短周期WWSSN-SP、中長(zhǎng)周期SK、長(zhǎng)周期763 記錄仿真,對(duì)不同類型的地震進(jìn)行震相分析,以科學(xué)評(píng)價(jià)波形記錄質(zhì)量,總結(jié)波形記錄特征。
(1)震中距100 km 范圍內(nèi)的地震。地方震主要分布于湖北房縣、竹山、竹溪、丹江谷城和河南淅川一帶,ML>1.5 地震記錄清晰完整,利用Sg 與Pg 震相到時(shí)差進(jìn)行單臺(tái)定位,震中距誤差一般小于5 km,部分地震震中距誤差小于2 km。以2017 年10 月5 日鄖陽區(qū)ML1.5 和2021 年1 月7 日房縣ML1.5 地震(震中距均在100 km 范圍內(nèi))為例,可見2 次地震記錄具有地方震波形的典型特征:①振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較短(<2 min),記錄規(guī)則無畸變;②波形頻率較高(2—10 Hz),振動(dòng)周期短(0.1—0.5 s);③震相簡(jiǎn)單,主要震相為Pg、Sg,直達(dá)縱波Pg 與橫波Sg 到時(shí)差小于13 s;④震源深度小于10 km,短周期面波不發(fā)育。2 次地方震波形見圖5。
圖5 十堰臺(tái)地方震記錄波形(a) 2017 年10 月5 日十堰鄖陽區(qū)ML 1.5 地震記錄;(b)2021 年1 月7 日十堰市房縣ML 1.5 地震記錄Fig.5 Waveform of local earthquake records at Shiyan Seismic Station
(2)震中距100—800 km 的地震。以2018 年10 月11 日湖北秭歸MS4.5 地震(震中距176 km)和2019 年6 月17 日四川長(zhǎng)寧MS6.0 地震(震中距731 km)為例,分析十堰臺(tái)記錄的近震波形特征,結(jié)果見圖6,可見:①振動(dòng)持續(xù)時(shí)間一般在3—5 min,且隨震中距增大而增長(zhǎng),對(duì)于震級(jí)較大的地震,伴隨能量的釋放衰減,振動(dòng)時(shí)間將有所增長(zhǎng);②震相隨震中距增加變得豐富,震中距Δ<200 km 時(shí),主要震相為Pg、Sg,Pn 震相不易辨認(rèn);Δ>300 km 時(shí)將出現(xiàn)清晰的Pn、Sn 震相,震級(jí)較大時(shí),Pb、Sb 震相清晰可辨;③當(dāng)淺源地震震中距達(dá)700 km 以上時(shí),Pg、Sg 震相變得模糊,短周期面波Lg、Rg 明顯;④在短周期WWSSN-SP 仿真記錄上,直達(dá)波Pg、Sg 振幅明顯強(qiáng)于首波Pn、Sn;⑤對(duì)于300 km 范圍內(nèi)的地震(震中位置在湖北巴東、重慶石柱、河南平頂山、三門峽以及山西臨汾等),波形記錄完整清晰,而位于十堰臺(tái)西北方向陜西商洛、寧陜等地的地震,震相波形相對(duì)模糊,應(yīng)與秦嶺地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)關(guān)系密切;⑥對(duì)于震中距500—800 km 的地震(震中位于四川宜賓、雅安、巴中、云南昭通等),波形記錄較好,可以清晰分析Pn、Pb、Pg、Sn、Sb、Sg 震相,震級(jí)下限可達(dá)4.0;⑦當(dāng)震中距大于800 km 時(shí),地震波周期變大,出現(xiàn)明顯的短周期面波,波形整體形態(tài)接近于遠(yuǎn)震記錄。
圖6 十堰臺(tái)近震記錄波形(a) 2018 年10 月11 日湖北秭歸MS 4.5 地震記錄;(b) 2019 年6 月17 日四川長(zhǎng)寧MS 6.0 地震記錄Fig.6 Waveform of near earthquake records at Shiyan Seismic Station
(3)震中距在10°—105°的地震。以2018 年9 月10 日克馬德克群島MS7.0 地震(震中距10 268 km)和2021 年3 月20 日日本本州東岸近海MS7.0 地震(震中距2 875 km)為例,分析十堰臺(tái)記錄的遠(yuǎn)震波形特征,見圖7,可見:①隨著震中距的增大,地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間逐漸增長(zhǎng),波組與波組的間距隨之增大;②對(duì)于中淺源地震,橫波P 與縱波S 到時(shí)差2 min <tP-S<11 min30 s,面波較發(fā)育,與初至P 波到時(shí)差4 min <tRm-P<45 min,在中長(zhǎng)周期SK 仿真記錄上,面波周期為10—25 s;③一般震中距10°—25°的地震(震中位于日本、緬甸、菲律賓、蒙古等國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣等地區(qū)),主要震相為P 和S,面波發(fā)育,pP 和sS 震相走時(shí)間隔短,難以分辨。震中分布在我國(guó)新疆、西藏地區(qū)的地震,十堰臺(tái)波形記錄相對(duì)較差,5.0 級(jí)以下地震基本無法進(jìn)行震相分析;④震中距25°—80°的地震,多為分布在印度洋、太平洋等地區(qū)的海洋地震,以及分布在俄羅斯遠(yuǎn)東堪察加半島地區(qū)和土耳其、阿富汗等國(guó)的地震,主要震相有P、PP、PPP、S、SS、LQ、LR 等,仿真后的pP、sP 和sS 震相清楚可辨;⑤震中距大于85°(震中位于斐濟(jì)、克馬德克群島等地)的地震,一般S 震相到時(shí)滯后SKS 震相20—30 s。
圖7 十堰臺(tái)遠(yuǎn)震記錄波形(a) 2018 年9 月10 日克馬德克MS 7.0 地震記錄;(b) 2021 年3 月20 日日本本州東岸近海MS 7.0 地震記錄Fig.7 Waveform of distant earthquake records at Shiyan Seismic Station
(4)震中距大于100°的極遠(yuǎn)震。以2017 年4 月25 日智利MS6.9 地震(震中距19 766 km)和2020 年6 月23 日墨西哥MS7.4 地震(震中距13 907 km)為例,分析十堰臺(tái)記錄的極遠(yuǎn)震波形特征,結(jié)果見圖8,可見:①地核穿透波PKP 起始尖銳,成為主要初至震相,PP、SS 記錄清晰,面波發(fā)育;②主要震相有PKP、PKP2、PP、SKKS、SS,震相Pdif 一般較弱,在地震記錄圖上難以分辨,震相SKKS 在水平分向上記錄清晰;③極遠(yuǎn)震記錄震級(jí)下限為5.5,一般利用PP 和SS 到時(shí)差進(jìn)行極遠(yuǎn)震單臺(tái)定位,震中距定位誤差控制在±2°以內(nèi),對(duì)于震級(jí)較大的淺源地震,定位誤差可達(dá)±0.5°;④基本無震中距105°—120°的極遠(yuǎn)震記錄,應(yīng)為受臺(tái)站所處位置和全球主要地震分布的影響。
圖8 十堰臺(tái)極遠(yuǎn)震記錄波形(a) 2017 年4 月25 日智利MS 6.9 地震記錄;(b) 2020 年6 月23 日墨西哥MS 7.4 地震記錄Fig.8 Waveform of extreme distant earthquake records at Shiyan Seismic Station
十堰臺(tái)以往受微波傳輸方式不穩(wěn)定、持續(xù)供電無法保障、交通不便等影響,測(cè)震觀測(cè)數(shù)據(jù)斷記時(shí)間長(zhǎng),整體運(yùn)行率偏低。2013 年以來,臺(tái)站對(duì)供電和數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行整改,數(shù)據(jù)斷記現(xiàn)象減少,測(cè)震系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量提升,主要體現(xiàn)在:①供電方式改變后,受天氣影響而出現(xiàn)數(shù)據(jù)斷記的現(xiàn)象基本消失;②數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸方式變更為有線光纖傳輸后,實(shí)現(xiàn)了故障快速判定、快速響應(yīng)、快速處置和快速反饋,數(shù)據(jù)傳輸中斷現(xiàn)象基本不存在;③通過對(duì)2015 年以來不同類型地震波形記錄特征分析,可知更換新的測(cè)震觀測(cè)儀器后,可清晰記錄到地方震(M≥1.5)、近震(M≥2.5)、遠(yuǎn)震(M≥4.0)和極遠(yuǎn)震(M≥5.5);④十堰臺(tái)測(cè)震觀測(cè)記錄符合寬頻帶數(shù)字地震記錄的總體特征,臺(tái)站整體觀測(cè)環(huán)境較好,波形記錄連續(xù)穩(wěn)定,規(guī)則完整,畸變較小,為開展高質(zhì)量地震分析工作提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
通過對(duì)十堰臺(tái)測(cè)震系統(tǒng)數(shù)據(jù)斷記分析和整改,該臺(tái)測(cè)震系統(tǒng)運(yùn)維質(zhì)量得到大幅度提高,工作取得顯著成效,數(shù)據(jù)質(zhì)量得到明顯提升,可為國(guó)內(nèi)同類臺(tái)站提供參考。但是,臺(tái)站也存在缺乏系統(tǒng)性、標(biāo)準(zhǔn)化的問題,今后將積極推進(jìn)系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí),運(yùn)用信息化手段,建立集節(jié)點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、設(shè)備環(huán)境監(jiān)控、安全檢測(cè)、故障告警、自動(dòng)判定故障類型、自動(dòng)提供故障處理方案等功能的一體化測(cè)震臺(tái)站管理運(yùn)行平臺(tái),從處置預(yù)見性故障入手,消除可能出現(xiàn)的問題和隱患,減少人工干預(yù),降低人力和物力成本,完善各項(xiàng)基礎(chǔ)工作,促使觀測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,提供高質(zhì)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。