劉明輝 李 江 林 湛 朱小毅 周銀興 崔仁勝 馬士振

1 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京市復(fù)興路63號(hào)，100036 2 北京市地震局，北京市蘇州街28號(hào)，100080

在固定地震臺(tái)站的觀測(cè)系統(tǒng)中，常常將三分向?qū)掝l帶或甚寬頻帶地震計(jì)與24位地震數(shù)據(jù)采集器組合起來(lái)作為主要的地震觀測(cè)儀器[1]，而地震計(jì)是地震觀測(cè)系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，也是檢測(cè)真實(shí)地面運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵設(shè)備。為了能夠檢測(cè)到極其微弱的真實(shí)地面運(yùn)動(dòng)，要求地震計(jì)具有較低的自噪聲水平，并且長(zhǎng)期穩(wěn)定工作[2-4]。目前，地震計(jì)的自噪聲水平在部分頻段低于新的地球低噪聲模型，且不同廠家生產(chǎn)的地震計(jì)自噪聲各不相同[5]。甚寬頻帶地震計(jì)是一種由機(jī)械擺體和放大反饋電路組成的機(jī)電一體化傳感器，支撐甚寬頻帶地震計(jì)質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵部件簧片通常采用3J58恒彈性合金材料加工而成，其主要成分是鎳和鐵，容易受磁場(chǎng)影響而引起觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用大背簧片支撐質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動(dòng)的甚寬頻帶地震計(jì)垂直分向受到的干擾最大[6]。

地震臺(tái)站的觀測(cè)能力范圍由地震觀測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和臺(tái)站環(huán)境的背景噪聲水平?jīng)Q定。在地震觀測(cè)臺(tái)站的建設(shè)過(guò)程中，臺(tái)基背景噪聲都經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的勘選測(cè)試，避開了車輛、飛機(jī)、地鐵、工廠等干擾源，但隨著城市的快速發(fā)展，部分臺(tái)站周邊新修了高鐵或地鐵。我國(guó)地鐵軌道牽引供電網(wǎng)絡(luò)采用DC750 V接觸軌道供電或DC1500 V架空接觸網(wǎng)供電，供電接觸網(wǎng)能夠產(chǎn)生電磁場(chǎng)，進(jìn)而對(duì)一定范圍內(nèi)的磁性物體產(chǎn)生干擾[7]。本文實(shí)地測(cè)試了地鐵電磁場(chǎng)對(duì)大背簧片支撐質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動(dòng)的甚寬頻帶地震計(jì)三分向的影響。

1 測(cè)試環(huán)境

北京地鐵燕房線是中國(guó)首條自主研發(fā)的全自動(dòng)運(yùn)行示范線路，全長(zhǎng)14.4 km，每日運(yùn)行時(shí)段為05:00～23:00，周口店地震臺(tái)與該線路的燕山地鐵站和房山城關(guān)地鐵站的距離都約3 km。

周口店地震臺(tái)山洞內(nèi)的常年溫度為15.0 ℃，山洞內(nèi)有專門的接地網(wǎng)和北斗授時(shí)系統(tǒng)。山洞內(nèi)同一觀測(cè)儀器墩上嚴(yán)格按照指北方向安裝了2臺(tái)垂直(UD)、東西(EW)和南北(NS)三分向正交的甚寬頻帶地震計(jì)，其型號(hào)和性能指標(biāo)完全相同，2臺(tái)地震計(jì)之間間隔約0.2 m，都連接到同一臺(tái)6通道數(shù)據(jù)采集器上，其中1號(hào)甚寬頻帶地震計(jì)(1號(hào)地震計(jì))安裝了坡莫合金屏蔽罩，2號(hào)甚寬頻帶地震計(jì)(2號(hào)地震計(jì))沒(méi)有安裝。2臺(tái)地震計(jì)都具有同樣的保溫罩和密封條件，工作頻帶范圍都為120 s～50 Hz，靈敏度為2 000 V/m·s-1；數(shù)據(jù)采集器的分辨率為24位，量程為±2.5 V，采樣率為100 Hz，通過(guò)北斗系統(tǒng)授時(shí)[8]。2臺(tái)地震計(jì)的密封殼體與調(diào)平底腳導(dǎo)通，即與大地導(dǎo)通，地震計(jì)到數(shù)據(jù)采集器的線纜有多層屏蔽。

2 評(píng)估方法

地震計(jì)記錄到的噪聲包含地震計(jì)的自噪聲和觀測(cè)環(huán)境的背景噪聲，其中觀測(cè)環(huán)境的背景噪聲又包括磁場(chǎng)、地電場(chǎng)、微震、氣壓、風(fēng)速、溫度及人文環(huán)境等。全球著名的STS-1甚寬頻帶地震計(jì)的垂直分向內(nèi)部安裝了坡莫合金屏蔽罩，對(duì)地震計(jì)周圍的磁場(chǎng)干擾具有一定的屏蔽作用[9]。在本次測(cè)試過(guò)程中，2臺(tái)甚寬頻帶地震計(jì)除了有無(wú)磁屏蔽罩外，其他測(cè)試條件完全相同，因此除了受到的磁場(chǎng)干擾不同外，其他觀測(cè)環(huán)境背景噪聲是相同的。

在研究地球高噪聲模型(NHNM)和低噪聲模型(NLNM)時(shí)，Peterson[10]采用全球地震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站記錄到的背景噪聲來(lái)計(jì)算加速度自功率譜密度(PSD)，單位為m2·s-4·Hz-1，并以分貝(dB)表示。假設(shè)隨機(jī)信號(hào)x(t)的自相關(guān)函數(shù)為Rx(τ)，其Fourier變換為[11]：

(1)

定義Sx(f)為x(t)的自功率譜密度或稱為自功率譜，Sx(f)為信號(hào)x(t)的平均功率相對(duì)于頻率的分布函數(shù)，如果噪聲信號(hào)中含有某種頻率成分，可以從自功率譜中看到。

地球自噪聲模型已經(jīng)成為全世界公認(rèn)的衡量地震觀測(cè)臺(tái)站臺(tái)基背景噪聲的標(biāo)準(zhǔn)，在臺(tái)站的勘選測(cè)試過(guò)程中，將新勘選臺(tái)站的背景噪聲與全球模型相對(duì)比。為了評(píng)估地鐵電磁場(chǎng)對(duì)甚寬頻帶地震計(jì)觀測(cè)的影響，選取連續(xù)24 h無(wú)震的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算每小時(shí)的加速度自功率譜密度，對(duì)比2臺(tái)地震計(jì)記錄到的背景噪聲變化，并與地球的噪聲模型(NHNM和NLNM)進(jìn)行對(duì)比。

3 評(píng)估結(jié)果

3.1 垂直分向結(jié)果

以h為單位，用Icheck軟件[12]計(jì)算了2臺(tái)地震計(jì)垂直(UD)分向連續(xù)24 h背景噪聲的PSD，具體見圖1。

從圖1可以看出，2臺(tái)地震計(jì)在01:00垂直分向的PSD基本相當(dāng)，并且在第100 s附近都接近地球低噪聲模型(NLNM)，表明2臺(tái)地震計(jì)都有記錄微弱震動(dòng)信號(hào)的能力；在05:00～23:00時(shí)段，2號(hào)地震計(jì)的PSD在10～1 000 s頻帶范圍內(nèi)都維持在較高水平，有時(shí)甚至接近地球高噪聲模型(NHNM)，而1號(hào)地震計(jì)的PSD也在10～1 000 s頻帶范圍內(nèi)有所上升，但明顯低于2號(hào)地震計(jì)；而在0.1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)，2臺(tái)地震計(jì)垂直分向的PSD基本相同。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，外界磁場(chǎng)主要對(duì)甚寬頻帶地震計(jì)長(zhǎng)周期觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響較大，而對(duì)短周期觀測(cè)數(shù)據(jù)影響相對(duì)較小。2臺(tái)地震計(jì)垂直分向24 h內(nèi)每小時(shí)第100 s處的PSD值見表1。

藍(lán)線為1號(hào)地震計(jì)，紅線為2號(hào)地震計(jì)，黑實(shí)線為NLNM，黑虛線為NHNM

表1 2臺(tái)地震計(jì)垂直分向在100 s處的PSD值

從表1可以看出，在連續(xù)觀測(cè)的24 h內(nèi)，2臺(tái)地震計(jì)的垂直分向在第100 s處的PSD最大差值為30.8 dB，最小差值為2.6 dB，平均差值為25.5 dB，變化趨勢(shì)見圖2。

結(jié)合表1和圖2可以看出，在05:00～23:00(地鐵運(yùn)行期間)時(shí)段內(nèi)，2臺(tái)地震計(jì)垂直分向在100 s處的PSD明顯高于00:00～04:00時(shí)段，平均高出28.4 dB。

圖2 垂直分向100 s處的PSD值

3.2 水平分向

同樣用Icheck軟件計(jì)算了2臺(tái)地震計(jì)連續(xù)24 h東西(EW)和南北(NS)分向的PSD，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2臺(tái)地震計(jì)水平分向的PSD在00:00大致相同，具體見圖3。

藍(lán)線為1號(hào)地震計(jì)，紅線為2號(hào)地震計(jì)，黑實(shí)線為NLNM，黑虛線為NHNM

與垂直分向類似，2臺(tái)地震計(jì)的水平分向在00:00～04:00時(shí)段的PSD明顯低于05:00～23:00(地鐵運(yùn)行期間)時(shí)段。在05:00～23:00時(shí)段內(nèi)，2號(hào)地震計(jì)的PDS在10～1 000 s頻率范圍內(nèi)都維持在較高水平，而1號(hào)地震計(jì)的PDS在10～1 000 s頻帶范圍內(nèi)有所上升，但不高于2號(hào)地震計(jì)。2臺(tái)地震計(jì)東西分向的PSD在0.1～20Hz頻帶范圍內(nèi)基本相同，南北分向的PSD也基本相同，水平分向在每小時(shí)第100 s處的PSD值變化趨勢(shì)見圖4。

圖4 水平分向100 s處的PSD值

由圖4可知，在地鐵運(yùn)行期間，2號(hào)地震計(jì)東西分向在100 s處的PSD比1號(hào)地震計(jì)平均高出13.4 dB，南北分向的PSD比1號(hào)地震計(jì)平均高出13.9 dB。計(jì)算2臺(tái)地震計(jì)三分向每小時(shí)第100 s處的PSD差值，結(jié)果見圖5。

圖5 2臺(tái)地震計(jì)三分向100 s處的PSD差值

從圖5可以看出，在地鐵運(yùn)行期間，2號(hào)地震計(jì)三分向在100 s處的PSD都比1號(hào)地震計(jì)高。

3.3 交叉對(duì)比測(cè)試

將周口店地震觀測(cè)臺(tái)站1號(hào)地震計(jì)的屏蔽罩取掉，并罩在2號(hào)地震計(jì)上，其他觀測(cè)條件不變，同樣選取連續(xù)24 h無(wú)震的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。與交叉對(duì)比前的測(cè)試結(jié)果類似，2臺(tái)地震計(jì)垂直、東西和南北分向在0.1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)的PSD值基本相同；地鐵運(yùn)行期間，1號(hào)地震計(jì)三分向在10～1 000 s頻帶范圍內(nèi)的PSD都高于2號(hào)地震計(jì)，每小時(shí)第100 s處的PSD差值見圖6。

圖6 2臺(tái)地震計(jì)三分向交叉測(cè)試100 s處的PSD差值

從圖6可以看出，在地鐵運(yùn)行期間，1號(hào)地震計(jì)三分向在100 s處的PSD都比2號(hào)地震計(jì)高；1號(hào)地震計(jì)垂直分向的PSD比2號(hào)地震計(jì)平均高出28.2 dB，東西分向平均高出13.5 dB，南北分向平均高出9.4 dB。

2次屏蔽測(cè)試結(jié)果顯示，2臺(tái)地震計(jì)垂直分向的PSD平均相差28.3 dB，東西分向平均相差13.5 dB，南北分向平均相差11.6 dB。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)地鐵運(yùn)行期間，2臺(tái)甚寬頻帶地震計(jì)記錄到的環(huán)境背景噪聲在10～1 000 s頻帶范圍內(nèi)都有明顯升高，未加磁屏蔽地震計(jì)的環(huán)境背景噪聲明顯高于帶磁屏蔽地震計(jì)；在0.1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)，2臺(tái)甚寬頻帶地震計(jì)記錄到的環(huán)境背景噪聲水平基本相同。對(duì)于相同強(qiáng)度磁場(chǎng)作用在甚寬頻帶地震計(jì)簧片上產(chǎn)生的加速度，頻率越低加速度值越大，頻率越高加速度值越小，再加上海洋脈動(dòng)的存在，地球自噪聲在14 s附近頻帶出現(xiàn)小尖峰，在5 s附近頻帶出現(xiàn)大尖峰，地鐵電磁場(chǎng)在10 s附近頻帶范圍內(nèi)對(duì)地震計(jì)的影響淹沒(méi)在海洋脈動(dòng)中，因此地鐵磁場(chǎng)對(duì)甚寬頻帶地震計(jì)長(zhǎng)周期觀測(cè)頻帶范圍的影響較大，而對(duì)短周期觀測(cè)頻帶范圍的影響較小，這與實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試的結(jié)果一致。

2)地鐵運(yùn)行期間，與加磁屏蔽罩的地震計(jì)相比，未加磁屏蔽罩地震計(jì)的垂直分向在每小時(shí)第100 s處的PSD平均高出28.4 dB，東西分向平均高出13.4 dB，南北分向平均高出11.6 dB，表明地鐵磁場(chǎng)對(duì)甚寬頻帶地震計(jì)垂直分向的影響高于水平分向。

3)要提高觀測(cè)設(shè)備的信噪比，需確保記錄到的地面運(yùn)動(dòng)真實(shí)可靠，也需要選擇低噪聲的地震計(jì)作為觀測(cè)儀器，更需要考慮地鐵等電磁場(chǎng)對(duì)地震觀測(cè)的影響。如果地震觀測(cè)臺(tái)站有電磁場(chǎng)干擾，需要加裝磁屏蔽罩來(lái)降低干擾。地震計(jì)生產(chǎn)廠家需要用低磁性材料來(lái)研制低自噪聲的甚寬頻帶地震計(jì)，以確保其能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

4)地鐵電磁場(chǎng)是否對(duì)所有類型的甚寬頻帶地震計(jì)都有影響及影響程度有多大，還需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。