宁夏陶乐井下地震计的参数测定

任家琪，罗恒之，马 楠，余思涵，胡子琪

（宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001）

0 引言

由于宁夏陶乐数字化观测井的地震计和数据采集器年久失修，性能老化，导致其记录的背景噪声、地震事件波形均出现了失真的现象，严重影响了宁夏数字化测震台网的正常运行，故而，宁夏陶乐观测井的重新修缮、地震计及数采的更换工作急需开展。宁夏回族自治区地震局决定于2018 年12 月底更换宁夏陶乐数字化观测井的地震计及数据采集器，更换后的型号分别为：井下短周期GL-S2B 型号、3 通道EDAS-24GN 型号。依据我国地震计、数据采集器制造规范及地震计、数据采集器安装规范，井下地震计的安装调试流程相较于地表更加复杂，在确保井道符合规范的前提下，正确安装地震计和数据采集器后，我们必须要进行严格的参数测定和调试，因为，相关参数的测定与调试直接会影响到今后地震计的正常运行，所以，相关参数的测定与调试至关重要。在北京港震仪器设备有限公司技术人员的配合下，宁夏测震台网技术人员在仪器安装后的第一时间，依照井下地震计、数据采集器的参数测定规范，对其进行了严格的参数测定，以此来确保宁夏陶乐观测井正常运行。

1 宁夏陶乐地震观测井的概况

宁夏陶乐地震观测井地处宁夏省平罗县陶乐镇。该井为旧井改造，井口位于观测屋内，套管外径为Φ146mm、内径为Φ136mm，井口套管高出地面约30cm。成井深度为300m，安装深度为243m，仪器安装处斜度小于2°。

2 更换地震计的原因

宁夏陶乐数字化测震观测井自2006 年5 月起，一直使用JDF-2 型号的井下地震计，在井道方面，由于年久失修及自然损耗，宁夏陶乐数字化测震观测井的性状发生改变，其套管老化，导致宁夏陶乐的井道参数已经不符合测震观测井相关技术要求，故而，在此次更换井下地震计之前，我们需要修缮其井道。

宁夏陶乐JDF-2 型号的井下地震计已经工作13 年有余，此地震计因使用年限过长导致仪器老旧，且其地震计调零线圈也是多次维修更换，从而也导致JDF-2 型号井下地震计的各项记录功能、各项测定参数都无法达标，且多次震后的震级测定都误差偏大，故经过专家讨论和论证后，宁夏回族自治区地震局决定于2018年12 月底对宁夏陶乐观测井道进行修缮，且同时将此前的JDF-2 型井下地震更换为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。

3 GL-S2B 井下地震计的主要技术指标及特点

GL-S2B 型地震计为三分向一体的电磁换能、电子反馈型短周期地震计，其频带宽度为2s-50Hz，其最大输出信号为±10V（双端差动），其总谐波失真度＜-80dB，GL-S2B 型地震计的灵敏度为1000 V.Sec/m（单端输出） 或2000 V.Sec/m（双端输出），其动态范围为＞140dB，其噪声水平为40s～8Hz 频段，小于地球最小噪声模型（NLNM），其最低寄生共振频率＞100Hz，其线圈内阻为50Ω，横向振动抑制优于＜0.1%，供电电压+12V（8～20V），静态电流＜160mA，供电电压12V 时，外形尺寸最大外径约Φ116mm，最大高度约1200mm ，允许最大倾斜角度±5°，GL-S2B 型地震计的性能特点为灵敏度高，动态范围大，配有密封筒、底座等配件，适合井下地震观测（深度可达1000m），且结构简单，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，整体抗逆性优良。

4 方位角校正

此前由于技术限制和工具限制，我国大部分井下地震计的安装通常都采用罗盘等常规定向设备来确定井下地震计的方位角，由于本身测量设备的精度问题，就导致了井下地震计的方位角偏差大、输出极性错误等问题[1]。方位角的偏差过大问题，直接会造成井下地震计产出资料质量下降，还会关系到地震震级的测定，所以方位角测定工作的重要性不言而喻。随着地震领域相关技术和仪器的发展和改进，现一般都采用专业的设备进行井下地震计方位角测定，本方法具体采用数据波形相关性分析方法来确定井下地震计的实际方位角，通过正确的方位角测定来确保井下地震计的正常运行[2]。

本次宁夏陶乐井下地震计的方位角校正，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°，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。数据采用2018 年12 月23 日02 时至23 日08 时的连续数据，经计算分析得出，宁夏陶乐井下地震计的方位角为114.79°，具体如表1 所示。

5 标定

5.1 阶跃标定

依照《中国数字地震观测网络技术规程》（2005 年） 阶跃标定要求，我们对宁夏陶乐井下地震计进行了阶跃标定（图1），宁夏陶乐井下地震计符合相关要求：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60s；短周期地震计为250s 或300s；甚短周期地震计为600s、超短周期地震计为2000s。GL-S2B 型井下短周期地震计阶跃标定参数设置：阶跃信号幅度为2000 count，宽度60s（EDAS-24GN 数采），最终地震计的周期和阻尼也符合相关规定[3]。

表1 GL-S2B 井下地震计的主要技术指标及特点

图1 宁夏陶乐GL-S2B 型井下地震计阶跃标定波形Fig.1 Step calibration waveform of GL-S2B downhole seismometer in Taole，Ningxia

5.2 正弦标定

《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]。

宁夏陶乐数字化测震观测井GL-S2B 型井下地震计正弦标定波形如图2 所示，观测系统幅频特性及相频特性如图3 所示，GL-S2B 型地震计幅频特性及相频特性如图4 所示，观测系统零极点分布如图5 所示，GL-S2B 型地震计归一化幅频特性如图6 所示。我们对宁夏陶乐数字化测震观测井进行了正弦标定等相关参数测定，通过最终的计算分析，宁夏陶乐井下地震计各项参数都符合相关规定和要求。

此次，我们对宁夏陶乐GL-S2B 型短周期地震计及EDAS-24GN 型数采正弦标定信号参数设置如下：

设置频点15 个，周期数为：5，8，15，30，60，150，300，450，540，600，870，690，990，1260，1320；

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

衰减参数为：50，50，30，20，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10。

图2 宁夏陶乐GL-S2B 型地震计正弦标定波形Fig.2 Sine calibration waveform of GL-S2B seismometer in Taole，Ningxia

图3 宁夏陶乐数字地震观测系统幅频特性及相频特性Fig.3 Amplitude frequency characteristics and phase frequency characteristics of Ningxia Taole Digital Seismic Observation System

图4 宁夏陶乐GL-S2B 型地震计地震计幅频特性及相频特性Fig.4 Amplitude frequency characteristics and phase frequency characteristics of GL-S2B seismometer in Taole，Ningxia

图5 宁夏陶乐数字地震观测系统零极点分布图Fig.5 Zero-pole distribution of Taole Digital Seismic Observation System in Ningxia

图6 宁夏陶乐GL-S2B 型地震计归一化幅频特性Fig.6 Normalized amplitude frequency characteristics of GL-S2B seismometer in Taole，Ningxia

6 噪声分析

依据相关规定，地震台站的建设，首先要对其台基背景噪声进行科学化评估[4]，具体评估参数依据如下：

Ⅰ级台基噪声水平：RMS＜3.16×10-8m/s

Ⅱ级台基噪声水平：3.16×10-8m/s ≤RMS＜1.00×10-7m/s

Ⅲ级台基噪声水平：1.00×10-7m/s ≤RMS＜3.16×10-7m/s

Ⅳ级台基噪声水平：3.16×10-7m/s ≤RMS＜1.00×10-6m/s

Ⅴ级台基噪声水平：1.00×10-6m/s ≤RMS＜3.16×10-6m/s

由中国地震局制定的《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。地震台站（台网） 建成之后的监测能力大小，台基噪声起到了重要的作用[5]，对台基噪声功率谱密度进行测定，可以对当地台站背景噪声状况进行预估[6]。

故而，我们对宁夏陶乐地震观测井也进行了噪声水平测试，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 陶乐测震台噪声RMS 值（12 小时均值）

经测定，宁夏陶乐数字化观测井的噪声功率谱密度（PSD） 曲线于相对频率域内可以满足今后的地震观测，具体如图7 所示，其实际观测动态范围也符合井下观测井的相关要求，具体如图8 所示。

图7 宁夏陶乐测震台台基噪声功率谱密度曲线Fig.7 Noise power spectral density curve of Taole Seismic Station

图8 宁夏陶乐测震台实际观测动态范围图Fig.8 Actual observation dynamic range of Taole Seismic Station in Ningxia

7 结论

宁夏陶乐数字化地震观测井预期完成安装、调试及参数测定，通过对测定结果的科学合理化分析，我们得出结论：宁夏陶乐数字化地震观测井将此前的JDF-2 型井下地震计更换为现如今的GL-S2B 型井下短周期地震计及EDAS-24GN 型号数据采集器之后，其方位角参数、阶跃标定、正弦标定、数字地震观测系统幅频特性及相频特性、地震观测系统零极点分布、地震计归一化幅频特性、噪声分析等均符合相关规定，且通过地震事件的记录检测和分析，宁夏陶乐数字化地震观测井各项性能均达标，且性能稳定。

致谢：感谢北京港震仪器设备有限公司的工作人员在宁夏陶乐数字化地震观测井的地震计及数据采集器更换工作中所做出的技术指导。