宁夏灵武井下短周期地震计更换后的参数测定

任家琪，罗恒之

（宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001）

0 引言

地震计是地震监测预报工作的敲门砖，地震监测预报观测质量的优良与否，地震计起到了决定性的作用。地震计本身的精度及制作工艺是它的外在硬件条件，但是还有一项更为重要的条件，就是正确的地震计安装及地震计安装后的地震计参数测定与调试，各项参数的测定与调试会直接关系到今后地震计的工作状态以及优质观测资料的产出，所以，此环节至关重要。关于井下地震计的安装及参数测定，我国各大仪器厂家已经有了很成熟的方案及流程，所以我们重点关注的是操作的精细化及参数测定的认真态度。宁夏灵武观测井由于此前仪器老化及无法正常记录地震波形，宁夏地震局决定于2018 年12 月更换井下地震计及数据采集器，更换后的地震计及数据采集器为井下短周期GL-S2B 型号、3 通道EDAS-24GN 型号。在安装地震计的过程中，北京港震仪器设备有限公司技术人员及宁夏地震局技术人员对更换后的地震计及数据采集器进行了参数测定，并合乎技术要求规范，以此来确保地震计工作正常，观测资料质量优良，震级测定达标。

1 宁夏灵武地震观测井的概况

宁夏灵武地震观测井地处宁夏回族自治区灵武市。此观测井为旧井改造，井口位于观测屋外，套管外径Φ146mm、内径为Φ136mm，井口套管位于地面以下，使用套管固定井架进行安装。井口高程约1119.7m。成井深度为300m，安装深度242m，安装处斜度小于2 度。

2 更换地震计的原因

此前宁夏灵武地震观测井使用的是JDF-2型号的井下地震计，所配套的数据采集器为EDAS-24IP 型号，此地震计为井下宽频带地震计，由于使用年限过长仪器老旧，各项参数无法达标，且由于地理位置的原因，宁夏灵武地震观测井使用的JDF-2 型井下地震计经常无法很好的记录到地震波形，因此，经过专家论证和讨论之后，决定将此前使用的JDF-2 型号井下地震计更换为GL-S2B 型号井下短周期地震计，将数据采集器更换为3 通道的EDAS-24GN 型号。GL-S2B 型号井下短周期地震计技术指标及特点如表1 所示。

GL-S2B 型地震计是三分向一体的电子反馈型短周期地震计，灵敏度高，动态范围大，配有密封筒、底座等配件，适合井下地震观测，GL-S2B 型井下地震计及配套设备如图1 所示。GL-S2B 型地震计采用了自振频率较高、极为稳定的短周期机械摆，配置高灵敏度的电磁换能器，并应用了电子反馈技术，闭环反馈后的等效自振频率为1Hz，观测频带为2s-50Hz。电子反馈技术的使用提高了地震计的动态范围，降低了地震计的非线性失真。由于使用了自振频率较高的机械部分，提高了GL-S2B 抗倾斜能力。GL-S2B 型地震计结构简单，电子反馈电路、直流电源变换器电路，与机械摆体共同安装密封筒内。地震计还配有下井和井下紧固装置，其结构科学、固井紧密，最大下井深度可达1000m，且性能稳定、易于使用和安装。

图1 GL-S2B 型井下地震计及配套设备Fig.1 GL-S2B borehole seismometer and supportingequipment

表1 GL-S2B 井下地震计的主要技术指标及特点

3 方位角校正

测震台站仪器架设一般使用地质罗盘等常规设备确定方位，易受外界因素影响，出现方位角偏差大、输出极性错误等问题，导致产出资料质量下降，方位角的检测关系到相关性算法、观测数据仿真处理、滤波参数选取，每一步都关乎到今后产出数据的质量与否[1]，而且重要的是，由于介质传播方向的因素，方位角的偏差直接会影响到地震震级的测定，故方位角矫正很重要[2]。

井下地震计安装不同于地面地震计安装，为了更精确地确定井下地震计方位，在井口附近地面上按照标准方位安装一套地震计作为参考地震计，将井下地震计和参考地震计进行对比测试。

本次方位角校正，使用GL-CS60 小型宽频带地震计作为参考地震计，安装方位为0 度，采用一套6 通道数据采集器，A 通道接井下地震计，B 通道接地面参考地震计。

12 月23 日02 时至23 日08 时连续记录7小时后，对数据记录进行计算分析，该台修正后井下地震计实际方位角为114.79°。具体结果如表2 所示。

表2 GL-S2B 井下地震计的主要技术指标及特点

4 标定及参数

4.1 阶跃标定

根据《中国数字地震观测网络技术规程》（2005 年）阶跃标定要求：信号幅度应达到满量程的50%以上且不失真，选择合适的信号持续时间（短周期地震计为50 或60 秒；短周期地震计为250 或300 秒；甚短周期地震计为600 秒、超短周期地震计为2000 秒）。通过符合规范的阶跃标定可以计算得到地震计的周期和阻尼，这是地震计的重要参数之二[3]。GLS2B 型井下短周期地震计阶跃标定主要参数设置为：阶跃信号幅度为2000count，宽度为60s（EDAS-24GN 数采），宁夏灵武GL-S2B 型井下地震计阶跃标定波形如图2 所示。

图2 宁夏灵武GL-S2B 型井下地震计阶跃标定波形Fig.2 Step calibration waveform of GL-S2B downhole seismometer in Lingwu，Ningxia

4.2 正弦标定

根据《中国数字地震观测网络技术规程》（2005 年）正弦标定要求：根据不同频带类型地震计，选择合适的正弦标定信号幅度、频点。要求在两端截止频率左右适当加密频点，短周期地震计不少于15 个频点；宽带地震计不少于10 个频点；正弦标定起始点位置的选取直接决定了计算结果的准确与否，正确合理的正弦标定可以较好的计算出地震计灵敏度[3]。GL-S2B属于短周期地震计，因此正弦标定的频点设为15个，正弦波组标定信号参数表如表3 所示，宁夏灵武GL-S2B 型地震计正弦标定波形如图3所示，标定计算结果值的对比如表5 所示。

表3 宁夏灵武GL-S2B 型地震计及EDAS-24GN 型数采正弦标定信号参数表

图3 宁夏灵武GL-S2B 型地震计正弦标定波形Fig.3 Sine calibration waveform of GL-S2B seismometer in Lingwu，Ningxia

根据井下地震计的安装规范，宁夏灵武井下观测井的地震计安装还需要进一步测定相关参数：数字地震观测系统幅频特性及相频特性如图4 所示，宁夏灵武GL-S2B 型地震计地震计幅频特性及相频特性如图5 所示，宁夏灵武数字地震观测系统零极点分布如图6 所示，宁夏灵武GL-S2B 型地震计归一化幅频特性如图7 所示，数据采集器（EDAS-24GN）仪器参数如表4 所示。

图4 宁夏灵武数字地震观测系统幅频特性及相频特性Fig.4 Amplitude frequency characteristics and phase frequency characteristics of Ningxia Lingwu digital seismic observation system

图5 宁夏灵武GL-S2B 型地震计地震计幅频特性及相频特性Fig.5 Amplitude frequency characteristics and phase frequency characteristics of GL-S2B seismometer in Lingwu，Ningxia

图6 宁夏灵武数字地震观测系统零极点分布图Fig.6 Zero-pole distribution of Lingwu digital seismic observation system in Ningxia

图7 宁夏灵武GL-S2B 型地震计归一化幅频特性Fig.7 Normalized amplitude frequency characteristics of GL-S2B seismometer in Lingwu，Ningxia

表4 数据采集器仪器参数（EDAS-24GN）

表5 标定计算结果比对值（EDAS-24GN）

表6 地震计出厂参数表

5 噪声分析

正确的分析数字地震台的噪声水平及特征，掌握数字地震台的观测动态范围，有利于改善并提高地震台站（台网）的监测能力[4]。台基噪声功率谱密度测试的数据，是用来评估地震台站台基背景噪声的高低，在新台址勘选时作为选台的依据[5]。而且通过对于数字地震台网台站的地动噪声频谱分析，也是对于当地背景噪声状况的一种预估[6]。对于已经投入正式观测的台站，进行定期测定台基噪声，其累计的历史噪声数据，用来评估台站观测环境的变迁[7]。中国地震局已经制定了“地震测震台站观测环境技术要求”，规定台基背景噪声在1～20Hz 频带范围的速度RMS 值作为评估标准。共分为5 级台基（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），下面列出评估的标准，单位：m/s：

Ⅰ级台基噪声水平：RMS＜3.16x10-8m/s

Ⅱ级台基噪声水平：3.16x10-8m/s≤RMS＜1.00x10-7m/s

Ⅲ级台基噪声水平：1.00x10-7m/s≤RMS＜3.16x10-7m/s

Ⅳ级台基噪声水平：3.16x10-7m/s≤RMS＜1.00x10-6m/s

Ⅴ级台基噪声水平：1.00x10-6m/s≤RMS＜3.16x10-6m/s

因此我们对宁夏灵武地震观测井也进行了噪声水平测试，宁夏灵武测震台现场记录台基噪声波形如图8 所示。

图8 宁夏灵武测震台现场记录台基噪声波形Fig.8 Base noise waveform of Lingwu Seismic Station in Ningxia

经计算，该台井下1～20Hz 各倍频程带宽的平均噪声RMS 值（m/s）如表7 所示。

表7 灵武测震台噪声RMS 值（12 小时均值）

通过测定宁夏灵武地震观测井噪声数据，我们计算得到宁夏灵武地动噪声功率谱密度（PSD）曲线如图9 所示，以及实际观测动态范围如图10 所示，对计算结果进行分析，我们还得出了宁夏灵武地震观测井的噪声RMS 小时均值如图11 所示。

图9 宁夏灵武测震台台基噪声功率谱密度曲线Fig.9 Noise power spectral density curve of Lingwu Seismic Station

图11 宁夏灵武测震台噪声RMS 小时均值Fig.11 RMS hourly mean value of noise at Lingwu Seismic Station，Ningxia

6 结论

宁夏灵武地震观测井的GL-S2B 型井下短周期地震计完成安装后，连接EDAS-24GN 型号地震数据采集器现场测试，地震计各项参数达到标准，设备工作正常。根据台站台基噪声标准，测定得到宁夏灵武地震观测井的台基1～20Hz频段的垂直向噪声RMS 值为4.28e-008m/s，东西向噪声RMS 值4.56e-008m/s，南北向噪声RMS 值为8.15e-008m/s，静态放大倍数约为8000，初步评估该台基属于“Ⅳ类台基噪声水平”，相对较为优秀。

完成安装后，相较于之前老旧且故障的地震计而言，宁夏灵武地震观测井的GL-S2B 型号井下短周期地震计工作正常，数据采集器工作正常，性能稳定。

致谢：在此感谢北京港震仪器设备有限公司工作人员在宁夏灵武测震台GL-S2B 井下短周期地震计安装过程中的技术指导。