一種地震計固定裝置

張 磊 張新東 劉 爽 吳 鵬 趙長紅

（中國河北 056001 河北省地震局邯鄲中心臺）

0 引言

目前，國內常用的地震計，無論是國產的還是國外（英國、美國、加拿大等國）生產的，都只針對強震計進行了固定設計。相關資料中對地震計安裝作了規范，但都未針對其固定提出要求（中國地震局，2005；中國地震局監測預報司，2007）。因此，當強震發生時，極震區地震臺站的地震計有的發生了傾倒，有的則發生了嚴重位移，這些均導致地震計無法正常工作或產出波形異常。

呂俊強等（2010）針對汶川8.0 級地震提出了寧夏測震臺網大震應對改進方案，方案中提到對機柜內部設備與服務器的加固問題，從而可保證強震發生時觀測室機房的正常運行，但是忽略了最重要的地震計的運行問題；肖武軍等（2019）對陽原臺專業設備、公用設備、公用設施等合理地進行了加固；張新東等（2013）基于GURALP 強震計的防震設計原理，提出了一種針對地震計的固定方法，但是該方法改變了地震計的底腳設計和地震計底板的接觸面積；《地震臺站標準化規范設計圖冊》（修訂稿）（中國地震局監測預報司，2019）也給出了3 種類型的固定裝置，即A 型—僅低位貼靠、B 型—低位+中部貼靠、C 型—高部貼靠，這3 種固定裝置均需要與地震計部分貼靠。本文的固定裝置與以往設計不同，是通過地震計的3 個底腳進行固定的，不與地震計其他位置接觸，同時沒有改變原有地震計的結構，有效避免了混入其他噪聲。

1 固定裝置設計與安裝

1.1 固定裝置設計

固定裝置各個部件均采用6 mm 厚不銹鋼材料，其主要由2 部分組成，一部分是1 個固定底盤，通常使用膨脹螺栓與擺墩固定；另一部分是3 個固定器，通過固定片鎖死地震計3 個底腳的調節器（圖1）。該固定裝置未改變原有地震計的設計和任何零部件，也未與地震計外殼有任何接觸，同時也保證了地震計原底腳與擺墩的正常接觸。

圖1 固定裝置示意圖1—固定底板；2—固定片；3—調節螺母；4—外側調節螺栓；5—內側調節螺栓；6—地震計底板；7—地震計底腳螺栓；8—地震計底腳；9—膨脹螺栓固定孔；10—底腳孔洞；11—調節孔Fig.1 Schematic diagram of the fixing device

1.2 安裝方法

根據擺墩方位標志及地震計上的方位角標識線，確定固定底板的相對位置。固定底板貼緊擺墩表面放置，用膨脹螺栓將固定地底板固定在擺墩上，將地震計底腳穿過底腳孔洞（不接觸）放置在擺墩上，安裝固定片，調節固定片上的內側調節螺栓，調節內側調節螺栓上的螺母，最后調節外側調節螺栓，以保證固定片水平并均勻地壓在地震計底腳螺栓上。

2 測試試驗

圖2 測試擺墩Fig.2 Instrument pier for testing

2.1 測試場地概況

測試場地為河北省武安市活水鄉長壽村內秋樹坪地震臺。臺站地處中朝準地臺山西斷隆太行拱段束的武安凹斷束內。周圍斷裂有涉縣斷裂、南山口—岔口斷裂、紫山西斷裂、北洺河斷裂和邯鄲斷裂等。臺站附近出露基巖巖性為震旦系石英巖狀砂巖，上部夾紫紅色、灰綠色頁巖。觀測山洞位于砂巖內，進深10 m，測試擺墩位于山洞最深處（圖2）。

2.2 試驗儀器

試驗儀器為2 套北京港震科技股份有限公司生產的EDAS-24GN 型數據采集器和BBVS-120 型地震計，采樣率為100 Hz。

2.3 試驗方法

試驗分為2 個階段。將2 個階段都未安裝固定底座的一個地震計命名為qsp；另一個安裝了固定底座的命名為qsp 2。

第1 階段：2019 年11 月16 日至12 月13 日，一個地震計不固定，按照常規方法放置在擺墩上；另一個地震計安裝固定裝置后固定在擺墩上（圖3，圖4）。

圖3 第1 階段qsp 地震計Fig.3 The qsp seismometer in the first stage

圖4 第1 階段qsp 2 地震計Fig.4 The qsp2 seismometer in the first stage

第2 階段：2019 年12 月13 日至2020 年1 月13 日，2 個地震計都未固定（注：圖6中固定裝置的固定片已經卸掉，固定底板未與測試地震計有任何接觸）（圖5，圖6）

圖5 第2 階段qsp 地震計Fig.5 The qsp seismometer in the second stage

圖6 第2 階段qsp 2 地震Fig.6 The qsp 2 seismometer in the second stage

2.4 試驗數據分析

2.4.1 噪聲。從第1、2 階段各選了2 天各24 h 的連續波形進行計算。第1 階段選擇的時間分別為2019 年11 月27、29 日，第2 階段分別為2019 年12 月28、29 日（圖7，圖8，圖9，圖10）。計算結果如表1 所示。

表1 噪聲對比結果Table 1 Noise result

圖7 2019 年11 月27 日00:00—24:00 功率譜密度（a）qsp 地震計；（b）qsp 2 地震計Fig.7 PSD curves of two seismometers on November 27,2019

圖8 2019 年11 月29 日00:00—24:00 功率譜密度（a）qsp 地震計；（b）qsp 2 地震計Fig.8 PSD curves of two seismometers on November 29,2019

圖9 2019 年12 月28 日00:00—24:00 功率譜密度（a）qsp 地震計；（b）qsp 2 地震計Fig.9 PSD curves of two seismometers on December 28,2019

圖10 2019 年12 月29 日00:00—24:00 功率譜密度（a）qsp 地震計；（b）qsp 2 地震計Fig.10 PSD curves of two seismometers at 0-24 o’clock on December 29,2019

第1 階段qsp/qsp 2 比值的平均值為1.017 8；第2 階段為1.012 8，比值相差0.5%。由此可見，地震計安裝固定裝置后，記錄的噪聲相對要小一些。說明安裝固定裝置并沒有使地震計混入有影響的噪聲。

2.4.2 信噪比。分別從2 個試驗階段各找出2 個典型地震，并將記錄到的地震信號的功率平均值與地脈動信號的功率平均值進行比較，得出2 個地震計記錄到的地震事件波形的信噪比SNR（圖11，圖12，圖13，圖14，表2）。

表2 信噪比SNR 對比Table 2 SNR comparison table

圖11 2019 年11 月21 日2 時54 分河北沙河ML1.5 地震波形（a）qsp 地震計；（b）qsp 2 地震計；起始時刻02:52:00Fig.11 Earthquake in Shahe county,Hebei Province

圖12 2019 年12 月2 日23 時42 分河北臨城ML1.7 地震波形（a）qsp 地震計；（b）qsp 2 地震計；起始時刻23:41:00Fig.12 Earthquake in Lincheng county,Hebei Province

圖13 2019 年12 月15 日1 時32 分山西襄垣ML2.7 地震波形（a）qsp 地震計；（b）qsp 2 地震計；起始時刻01:30:00Fig.13 Earthquake in Xiangyuan county,Shanxi Province

圖14 2019 年12 月26 日2 時33 分河北任縣ML1.7 地震波形（a）qsp 地震計；（b）qsp 2 地震計；起始時刻02:32:00Fig.14 Earthquake in Ren county,Hebei Province

從計算結果看，qsp、qsp 2 地震計信噪比之比的平均值相差3.9%，小于5%，說明安裝固定裝置對地震計記錄地震事件波形的信噪比影響不大。

3 結論

本文研制的地震計固定底座能夠很好地固定地震計，可保證地震計在經歷強烈振動時不會發生位移、轉動和傾倒。由于采用了地震計底腳固定的設計，固定裝置不與其他位置接觸，從而有效避免了因固定裝置而混入的干擾噪聲。

通過試驗測試發現，安裝固定底座后地震計運行正常，噪聲值略有變小，說明未混入多余噪聲；信噪比均值在安裝固定底座前后變化不大；通過對記錄波形進行分析后認為，波形正常，定位結果亦正常。

綜上所述，本文介紹的地震計固定裝置基本可行。