陳建濤， 謝劍波，勞 謙

（1.廣東省地震局，廣州 510070；2.中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點實驗室，廣州 510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點實驗室，廣州 510070）

廣東陽江小孔徑井下型地震監(jiān)測臺陣介紹

陳建濤1，2，3， 謝劍波1，2，3，勞 謙1，2，3

（1.廣東省地震局，廣州 510070；2.中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點實驗室，廣州 510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點實驗室，廣州 510070）

廣東陽江小孔徑地震監(jiān)測臺陣于2008年開始立項，2013年完成建設(shè)，2014年1月正式運行；臺陣由規(guī)則圓圈排列的10個井下型子臺組成，分別為圓心點1個子臺，內(nèi)圈平均半徑為766 m，圈上均勻分布3個子臺，外圈平均半徑為1 551 m，圈上均勻分布6個子臺，井下儀器海拔基本控制在-60 m的同一平面上。本文簡單介紹陽江臺陣規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)過程，重點描述了臺陣的基礎(chǔ)建設(shè)、技術(shù)系統(tǒng)、直角坐標位置、井下儀器類型等科技信息成果，以及井下儀器水平向方位角校正處理工作，最后總結(jié)了陽江臺陣的創(chuàng)新亮點和先進技術(shù)，并展望下一步研究工作。

小孔徑；井下型；地震監(jiān)測臺陣

0 引言

四十多年前地震監(jiān)測臺陣的目的是監(jiān)測核爆實驗，經(jīng)過這些年的發(fā)展，地震監(jiān)測臺陣主要目的發(fā)生了很大變化，現(xiàn)已轉(zhuǎn)變成運用臺陣其獨特的觀測技術(shù)手段，開展多方面的地球物理領(lǐng)域研究[1]。地震監(jiān)測臺陣是在與所觀測地震波波長相當(dāng)?shù)目讖椒秶鷥?nèi)有規(guī)則排列的一組地震計，通過這些地震計的輸出信號進行各種組合分析，采用獨特的地震數(shù)據(jù)處理方法，將各子臺的數(shù)據(jù)會聚在一起，抑制地面噪聲，壓低干擾背景，提高信噪比，突出有用地震信號和獲取有關(guān)震源及地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，從而獲得比單個地震臺更強的地震監(jiān)測能力，特別是提取微弱地震信號的能力[2-3]。

廣東陽江是中小地震活動頻繁地區(qū)，1969年7月26日陽江發(fā)生6.4級地震[4]，是華南沿海地區(qū)20世紀以來僅有的幾次6級以上地震之一；1986年1月28日[5]和1987年2月25日[6]分別發(fā)生5.0和4.7級中強余震；每年均有發(fā)生2～3級小地震，因此需要在陽江地區(qū)加密地震觀測臺站，這也是在陽江建設(shè)小孔徑臺陣提高該地區(qū)地震監(jiān)測能力的重要考慮因素。根據(jù)廣東省發(fā)展和改革委員會的粵發(fā)改資 [2008]217號文的批復(fù)，即廣東省南海地震觀測網(wǎng)絡(luò)及地震海嘯監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)工程項目，建設(shè)陽江地震監(jiān)測臺陣，主要目的是要加強對廣東省陽江地區(qū)以及廣東南部海域地區(qū)的地震活動監(jiān)測，提高對南海地震的監(jiān)測和預(yù)警能力，為地震海嘯監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1 規(guī)劃設(shè)計

1.1 建設(shè)要求

在廣東陽江東南部臨海位置，建設(shè)小孔徑地震監(jiān)測臺陣，根據(jù)建設(shè)目的、前期研究和規(guī)劃設(shè)計要求，陽江地震監(jiān)測臺陣由10個測震臺組成，臺陣中心有1個子臺，以中心子臺為圓心，半徑大約750 m構(gòu)成的圓周上分布三個子臺，稱為內(nèi)圈，內(nèi)圈3個子臺按照120度角度均勻分布；以中心子臺為圓心，半徑大約1 500 m構(gòu)成的圓周上分布六個子臺，稱為外圈，外圈6個子臺按照60度角度均勻分布；中心子臺、內(nèi)圈子臺、外圈子臺，任何3種類型的子臺均不在一條直線上，需要稍微錯開，并且要求全部子臺井下儀器海拔為同一水平面、巖層面一致、基巖完整性條件好。

1.2 子臺命名

第一和第二位代碼是一樣的：均以地名拼音首字母大寫開頭；第三位代碼：中心子臺編為大寫字母 “A”，內(nèi)圈編為大寫字母 “B”，外圈編為大寫字母 “C”；第四和第五位代碼：每圈的子臺編號從正北方向上的臺站開始編起，順時針依次編為 “01，02，03，…”，因此十個子臺命名為（為了節(jié)省文章篇幅，省去前兩位代碼，下同）：A01、B01、B02、B03、C01、C02、C03、C04、C05、C06。

2 建設(shè)過程

建設(shè)過程按照建設(shè)時間順序進行簡單描述，具體如下：

（1）立項階段。根據(jù)2008年廣東省防震減災(zāi)“十一五”建設(shè) 《關(guān)于廣東省南海地震觀測網(wǎng)絡(luò)及地震海嘯監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)工程項目的批復(fù)》，進行立項建設(shè)。

（2）勘選階段。2009年5月底至同年7月初，完成野外初步勘選、專業(yè)儀器測試勘選和用地協(xié)調(diào)等勘選工作。

（3）建設(shè)階段。分兩步走，2010年9月先完成10個子臺鉆井工程建設(shè)；2011年5月完成10個子臺基建建設(shè)。

（4）儀器安裝階段。2011年11月完成10個子臺設(shè)備安裝，包括井下設(shè)備、機柜、通信儀器、太陽能、避雷系統(tǒng)等。

（5）服務(wù)器安裝：安裝單獨服務(wù)器，系統(tǒng)使用Jopens0.5.2版本[7]進行數(shù)據(jù)流接入、數(shù)據(jù)庫管理、臺站數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、地震事件分析等，2012年11月完成該項工作。

（6）試運行階段。根據(jù)項目驗收要求，2013年8月至同年12月進行驗收試運行。

（7）驗收。2014年1月通過項目驗收。

（8）正式運行。2014年1月開始進入正式運行。

3 臺陣詳細介紹

3.1 基建信息

基建信息內(nèi)容主要包括鉆井工程和觀測房建設(shè)兩大部分①廣東省地震局.廣東陽江地震監(jiān)測臺陣建設(shè)報告.廣東省立體地震監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)及地震海嘯監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)工程項目驗收，2013.。

鉆井工程是本次項目建設(shè)重要內(nèi)容之一。一是可以獲得較好基巖條件，二是降低地面干擾，獲得較好地噪聲水平，三是控制10個子臺井下儀器海拔在同一水平面上。因此，鉆井與成井的技術(shù)成為井下地震觀測臺陣的一項關(guān)鍵技術(shù)，地面海拔高度測量是在勘選階段通過專業(yè)GPS測量儀器進行24小時以上連續(xù)觀測（Leica生產(chǎn)的雙頻RTK設(shè)備GRX1230進行測量，精度為3 mm+0.5 ppm），其穩(wěn)定平均值作為最終結(jié)果，這是控制鉆井深度的重要數(shù)據(jù)。陽江臺陣鉆井工程的技術(shù)達到如下指標：①10個子臺井斜均小于3度的技術(shù)要求，并且井底高度大約為-60 m，誤差控制在正負5 m內(nèi)。② 巖心巖性都是中微風(fēng)化花崗巖，每個子臺觀測房里均保存放置一塊井底巖心。③ 采用探礦無縫鋼管套管，無縫鋼管外徑146 mm，內(nèi)徑137 mm，其中最下端10 m采用無磁材料不銹鋼管。④ 水泥翻漿固井，保證井底水泥砼高度不小于1 m，保證井壁內(nèi)側(cè)和井底清潔、干燥。

儀器觀測房是保障儀器穩(wěn)定連續(xù)正常工作的重要保護環(huán)境，井口、設(shè)備、機柜等全部放置在觀測房里。陽江臺陣10個子臺根據(jù)不同的地形和用地協(xié)調(diào)情況，采用不同的土建方案。C03和C04子臺交通條件和用地條件較好，建設(shè)面積為12 m2（長4 m，寬3 m，高3 m），其余8個子臺 （即除C03和C04外）由于交通不便，施工難度大，建設(shè)面積為6 m2（長3 m，寬2 m，高3 m）。臺陣詳細信息見匯總表1。

表1 臺陣基建內(nèi)容和技術(shù)系統(tǒng)詳細信息匯總表Table1 Detail information about the construction and technical system of the seismic array

3.2 技術(shù)系統(tǒng)

臺陣每個子臺的技術(shù)系統(tǒng)由供電、防雷、通信、數(shù)據(jù)匯集等組成②廣東省地震局.廣東陽江地震監(jiān)測臺陣技術(shù)報告.廣東省立體地震監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)及地震海嘯監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)工程項目驗收，2013.，見匯總表1，具體介紹如下：

（1）供電系統(tǒng)：所有臺站均采用太陽能供電帶2個100 AH直流電瓶的供電系統(tǒng)，可以保證在沒有太陽輸入的情況下供電一周，并且架設(shè)了廣東省智源抗震科技公司生產(chǎn)的GL-3BR電源設(shè)備，可以通過手機短信遠程控制各個設(shè)備的電源進行重啟。

（2）防雷地網(wǎng)：在觀測井周圍鉆四個深度為6 m、直徑大于150 mm的井孔，埋入一條6 m長，外徑為146 mm鋼管，上端入地面約30 cm，管內(nèi)填水泥，用土掩埋夯實后在地面做標志，4條鋼管通過扁鐵埋地連接一起，作為掩埋防雷接地極用。利用較少的投資達到較好的防雷接地效果，全部子臺接地電阻均小于4 Ω。

（3）通信系統(tǒng)：有7個臺（A01、B01、B03、C01、C02、C05、C06），通過廣東省智源抗震科技公司生產(chǎn)的專用設(shè)備IP數(shù)據(jù)傳輸終端（簡稱IP盒）進行數(shù)據(jù)打包，然后采用IP盒的3G無線傳輸模塊，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綇V東臺網(wǎng)中心臺陣服務(wù)器；有2個臺（B02和C04）通過IP盒進行數(shù)據(jù)打包后，通過UBNT的專業(yè)WIFI網(wǎng)橋設(shè)備傳輸?shù)骄哂泄饫w專線（SDH）條件的C03子臺，在C03臺匯集三個臺數(shù)據(jù)，再通過光纖專線傳輸?shù)脚_陣服務(wù)器上。

（4）數(shù)據(jù)匯集：安裝使用Jopens0.5.2服務(wù)器，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)流接入、數(shù)據(jù)庫管理、臺站數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、地震事件分析等臺陣臺網(wǎng)功能，地震事件記錄波形見圖1。

3.3 地震計類型

地震計和數(shù)據(jù)采集器均是北京港震儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)，地震計有兩種類型，數(shù)據(jù)采集器只有一種，由于篇幅有限，詳細參數(shù)不一一展列，簡單介紹如下：

（1）寬頻井下地震計BBVS-60DBH，三分向一體結(jié)構(gòu)，動態(tài)范圍大于140 dB，帶寬60 s至40 Hz（速度平坦），搭配24位3通道數(shù)據(jù)采集器EDAS-24GN，該類型臺站只有一個，即A01。

（2）短周期井下地震計FSS-3DBH，三分向一體結(jié)構(gòu)，動態(tài)范圍大于120 dB，帶寬2 s至40 Hz（速度平坦），搭配24位3通道數(shù)據(jù)采集器EDAS-24GN，該類型臺站有9個，即除了A01外，全部都是該儀器類型（B01，B02，B03，C01，C02，C03，C04，C05，C06）。

圖1 臺陣10個子臺垂直向2016年7月30日馬里亞納群島7.8級地震事件記錄波形（Jopens MSDP軟件）Fig.1 All the sub stations vertical direction record of the seismic array for the Mariana Islands M7.8 earthquake event in July 30，2016（MSDP Jopens software）

這兩種地震儀系統(tǒng)傳遞函數(shù)的頻率響應(yīng)（count轉(zhuǎn)換為速度m/s）見圖2，可以看出，兩種類型儀器在速度平坦和相位變化的頻率響應(yīng)帶寬是不一樣的，僅在2 s至20 Hz有比較好的一致性（速度平坦一致性比較好，相位一致性相對差一些），因此在應(yīng)用數(shù)據(jù)的時候，超出此頻帶范圍或是對相位要求比較高的，需要進行去除儀器響應(yīng)、濾波、仿真等數(shù)據(jù)處理操作。

3.4 臺陣直角坐標系

由于臺陣其幾何分布的獨特性，每個臺站的經(jīng)緯度需要比較高的精度，是由Leica生產(chǎn)的雙頻RTK設(shè)備GRX1230進行測量24小時以上觀測獲得，精度為3 mm+0.5 ppm。把中心點A01定為直角坐標系原點，其他9個子臺相對于A01位置，基于WGS-84地球橢圓模型，把各子臺經(jīng)緯度換算成直角坐標系相對位置，海拔均為-60 m左右，基本同在一個平面上。把各子臺直角坐標系位置進行繪制，如圖3所示，臺陣直角坐標系幾何分布圖其內(nèi)圈平均半徑為766 m，外圈平均半徑為1 551 m，可以看出，中心子臺、內(nèi)圈子臺、外圈子臺，任何3種位置類型的子臺均不在一條直線上，稍微錯開，符合規(guī)劃設(shè)計要求；通過直角坐標系，很容易獲得各子臺之間的相對距離和相對方位角。

圖2 陽江臺陣子臺地震儀記錄系統(tǒng)傳遞函數(shù)頻率響應(yīng)圖 （共2種類型）Fig.2 The frequency transfer functions of Yangjiang array seismograph record system （two types）

圖3 廣東陽江臺陣直角坐標系幾何分布圖Fig.3 Geometric distribution from the rectangular coordinate system of Yangjiang array

4 井下儀器方位角校正

由于井下儀器水平向方位角在安裝的過程中，無法準確根據(jù)地面N和E方向進行安裝，因此地震計的NS和EW方向均有誤差，需要對井下地震計進行比測獲得水平向方位角。謝劍波等人2014年開展的井下方位角比測工作[8]，即在地面架設(shè)地震計，與井下地震計進行較長時間對比觀測，使用地噪聲（短時間內(nèi)觀測）或地震事件（長時間觀測），進行相關(guān)性分析，得到臺陣各子臺井下擺水平向方位角。由于臺站所在位置的地表覆蓋土層深淺情況不同，地噪聲相關(guān)性好壞也不一樣，如地噪聲相關(guān)性比較低，則使用地震事件進行計算。使用地噪聲相關(guān)計算的臺站有A01、B01、B03、C03、C04、C05、C06，使用地震事件相關(guān)計算的臺站B02、C01、C02。根據(jù)謝劍波等人臺陣比測工作結(jié)果，有些子臺的水平向方位角偏差比較大，在沒有校正偏差的情況下，數(shù)據(jù)應(yīng)用方面將會有比較大的誤差，比如在地震定位、結(jié)構(gòu)反演等，因此這項工作十分重要，在臺陣數(shù)據(jù)應(yīng)用時候必須對每個子臺進行水平向方位角校正。

圖4 廣東陽江臺陣10個子臺井下方位角校正前后波形重疊對比 （2016年5月31日臺灣6.2級地震20秒P波頭）。Fig.4 Waveform overlap contrast between all the ten sub stations of Yangjiang array（May 31，2016 in Taiwan M6.2 earthquake，twenty seconds long record of the P wave）

地震臺陣整個覆蓋地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造基本上是一致的，震中距又遠遠大于臺陣尺度，那么在地震臺陣各子臺記錄的一個地震的同一震相的視速度可以認為是彼此相等的，把到達臺陣的地震波看作為平面波，這時臺陣記錄的某一震相相對于各個子臺而言，其震相波形應(yīng)該是一致的，只是各子臺震相到時不同而已[1]。

基于上述原理，使用2016年5月31日13點臺灣新北市海域6.2級地震（深度239 km）數(shù)據(jù)進行檢驗比測方位角結(jié)果的正確性。該地震震中距離臺陣大約1 200 km，遠遠大于臺陣1.5 km的半徑尺度，把10個子臺波形重疊繪制在一起，為了方便放大對比，僅顯示該地震事件20秒P波頭，所有數(shù)據(jù)的預(yù)處理僅是去零漂，即減去原始數(shù)據(jù)振幅count平均值。結(jié)果如圖4所示，一共九個小圖，每個小圖的X軸為時間，Y軸為數(shù)據(jù)count值，九宮格局上、中、下分別代表垂直分量 （簡稱Z）、南北水平分量 （簡稱N）、東西水平分量（簡稱E）；左邊3個小圖為10個子臺三分量原始波形重疊繪制，可以看出，Z分量重疊比較好，N和E分量重疊很差，震相五花八門，說明10個子臺水平向方位角不一致，差別比較大；中間3個小圖是經(jīng)過水平向方位角校正后，把10個子臺三分量波形進行重疊繪制，可以看出這三個分量重疊比較好，說明井下方位角比測工作獲得的結(jié)果是正確的，但A01波形與其他子臺波形不一致，這是因為A01儀器是寬頻，其他子臺是短周期，對于低頻段波形（遠震P波屬于低頻段），其振幅和相位是不一樣的；右邊3個小圖，僅對A01的數(shù)據(jù)波形，去除寬頻儀器響應(yīng)，再仿真成FSS-3DBH（其他子臺短周期儀器），然后把這10個子臺三分量數(shù)據(jù)進行方位角校正，重疊繪制一起，結(jié)果比較理想。因此，通過方位角校正和A01仿真處理，三個分向的波形一致性比較好，基本重疊一起，驗證了方位角比測工作結(jié)果的正確性；但如果把波形再放大一看，存在著細微的延時差異，這是由于各個子臺的地理位置不同，P波到時不一樣造成的，這些細微到時差異對于地震定位是非常重要。

5 結(jié)語

5.1 創(chuàng)新成果

廣東陽江小孔徑井下型地震監(jiān)測臺陣位于陽江東南部靠海區(qū)域，該項目從立項、設(shè)計、勘選、施工、竣工、驗收、正式運行等，每個階段都應(yīng)用了新的和先進的地震觀測技術(shù)及通信技術(shù)，保證臺陣運行始終在一個安全、穩(wěn)定、技術(shù)可靠的環(huán)境下，提高子臺運行率，保障臺陣數(shù)據(jù)質(zhì)量，主要創(chuàng)新亮點和技術(shù)成果如下：

（1）使用了井下觀測設(shè)備，獲得較好的信噪比數(shù)據(jù)，同時控制10個子臺海拔基本在同一平面的基巖上，這些對慢度定位、波束生成、聚束等臺陣獨特數(shù)據(jù)處理技術(shù)有很大幫助[2-3]。

（2）采用了穩(wěn)定和安全的多種數(shù)據(jù)傳輸方式，根據(jù)各子臺的通信條件，充分利用光纖傳輸、3G無線傳輸和WIFI無線網(wǎng)橋等現(xiàn)代通訊技術(shù)，為臺陣地震數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

（3）數(shù)據(jù)服務(wù)器使用Jopens系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流實時接入、臺陣實時監(jiān)控、波形數(shù)據(jù)庫、地震事件管理等功能，方便數(shù)據(jù)匯集、保存和分析等工作。

（4）進行井下儀器方位角校正，由于儀器位于井下，無法判斷其方位，而方位角偏差對于臺陣數(shù)據(jù)應(yīng)用有著很大影響，因此該項工作十分重要，同時也檢驗了謝劍波等人2014年井下方位角比測結(jié)果的正確性。

5.2 后續(xù)工作

（1）加強對臺陣子臺和臺網(wǎng)的運行和維護，保障其運行率，做好數(shù)據(jù)保存和備份工作。

（2）深入跟蹤和研究臺陣數(shù)據(jù)質(zhì)量，提供詳細的儀器參數(shù)、井下儀器方位角、臺陣直角坐標系位置、斷計信息統(tǒng)計、地噪聲長時PSD計算等數(shù)據(jù)文件匯總。

（3）全面分析臺陣監(jiān)測能力，包括震相清晰、震相模糊、微弱地震、核爆破等相關(guān)方面研究。

[1]壽海濤.上海臺陣精確定位及應(yīng)用[D].合肥：中國科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[2]中國地震局監(jiān)測預(yù)報司.新地震觀測實踐手冊[M].北京：地震出版社，2006.

[3]S Rost，C Thomas.ARRAY SEISMOLOGY：METHODS AND APPLICATIONS[J].Reviews of Geophysics，2002，40（3）：2-1-2-27.

[4]鐘貽軍，任鎮(zhèn)寰.1969年陽江6.4級地震發(fā)震構(gòu)造研究[J].大地測量與地球動力學(xué)，2003，23（4）：92-98.

[5]魏柏林，薛佳謀，秦乃崗，等.1986年1月28日陽江5.0級地震[J].華南地震，1986，6（1）：1-11.

[6]任鎮(zhèn)寰，李富光，秦乃崗，等.1987年2月25日陽江5.0級地震[J].華南地震，1988，8（1）：1-11.

[7]吳永權(quán)，黃文輝.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件JOPENS的架構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)[J].地震地磁觀測與研究，2010，31（6）：59-63.

[8]謝劍波.地震記錄的時間域反褶積、仿真及在地震計方位角相對測量中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)報，2014，57（1）：167-178.

Introduction of Yangjiang Small Aperture Borehole Seismic Array in Guangdong

CHEN Jiantao1，2，3，XIE Jianbo1，2，3，LAO Qian1，2，3

（1.Earthquake Administration of Guangdong Province,Guangzhou 510070，China；2.Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology，CEA，Guangzhou 510070，China；3.Key Laboratory of Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Project,Guangzhou 510070，China）

The project of Yangjiang small aperture seismic array in Guangdong was started in 2008 and completed in 2013,which was formal running in January 2014.The array consists ten underground sub stations which are arranged by the circle array rules with the center point of the one stations,the average inner radius of 766 m,three stations evenly distributed on the inter ring,the average outer radius of 1 551 m,six stations evenly distributed on the outer ring.The altitude of the borehole seismomenter was at the same level of-60 m.This paper simply introduces the design and construction process of Yangjiang array,and focuses on the science and technology information description of the basic construction，array technology system,coordinate location,type ofborehole seismomenter,as well as the correction work of the borehole seismomenter horizontal azimuth.Finally it summarizes the innovation and advanced technology of Yangjiang array，and the prospect of further research work.

Small aperture；Borehole type；Seismic monitoring array

P315.7

：A

：1001-8662（2017）01-0042-07

10.13512/j.hndz.2017.01.007

陳建濤，謝劍波，勞 謙.廣東陽江小孔徑井下型地震監(jiān)測臺陣介紹[J].華南地震，2017，37（1）：42-48.[CHEN Jiantao，XIE Jianbo，LAO Qian.Introduction of Yangjiang Small Aperture Borehole Seismic Array in Guangdong[J].South china journal of seismology，2017，37（1）：42-48.]

2016-05-26

（19-）， 。

E-mail：37539836@qq.com.