十堰市地震臺測震系統運行問題及解決措施

張 波 李 鵬 權博斐 魏欒巒

1）中國湖北442000 十堰市地震臺

2）中國湖北442000 十堰市地震監測中心

0 引言

普通數字地震臺站測震系統通過地震計拾取地震波信號，由數據采集器放大處理并將模擬電信號轉換為數字信號，通過網絡傳輸設備遠程實時傳送到國家地震臺網中心和相關省級臺網測震服務器，客戶端通過調取服務器數據實現地震波形的分析處理。為保證地震波形數據的完整和有效性，儀器運行的長期穩定性和網絡傳輸的連續低延遲要求至關重要，地震臺網運行的技術質量在較大程度上取決于數據傳輸的可靠性及其質量（JENS HAVSKOV et al，2007）。因此，在中國地震臺網中心測震觀測系統資料評比中，觀測系統運行率和波形記錄質量是重要評價指標，從某種程度上來說，運行率高低和波形記錄優劣直接決定了臺站數據記錄全年度的整體質量。

通過對十堰市地震臺（下文簡稱十堰臺）多年以來測震觀測系統運行中存在的一些問題進行詳細分析，查找問題產生的根源，提出一系列針對性解決方法，并根據近10 年來系統運行率變化，分析地震記錄波形特征，對觀測系統運行總體水平和質量進行客觀評價，以驗證相關工作措施的科學效能。

1 十堰市地震臺概況

十堰臺原為國家級測震基本臺，現為地方管理的具有測震、地磁、形變、重力等觀測手段的綜合性臺站，納入全國臺網考核評價。數字地震觀測站位于張灣區牛頭山森林公園野貓子凹，海拔高度近700 m，于2004 年建設，2007 年投入運行。臺基巖性為輝綠巖，儀器墩由整塊巖石切割而成，擺房觀測室按照相關標準進行施工，保溫、密封、防潮處理符合標準。

臺站初始配備smart24 數字測震儀，后因儀器故障，于2015 年更換為EDAS-24GN數據采集器，地震計型號更換為BBVS-120，采用牛頭山林場交流加UPS 電池的方式進行供電。因臺站所處位置偏僻，山高林密，與十堰中心城區距離較遠，附近無相關基站設施，數據記錄無法進行有線傳輸，采用微波方式點對點傳輸至四方山通訊站，經電信機房中轉，通過SDH 專線傳輸至湖北省地震臺網中心，并回傳至十堰市地震臺測震服務器。

牛頭山與四方山微波站直線距離不足12 km，小于中繼站設置距離（50 km），采用微波傳輸，成本相對較低。微波傳播與光波類似，若傳播路徑無阻擋，可視為視距傳播，即直線傳播。與利用電磁波的電離層反射現象進行“超視距”傳播相比，視距微波通信的傳播特性穩定，外界干擾較?。ㄖ袊卣鹁直O測預報司，2007）。考慮供電線路距離、地形以及避雷等因素，臺站微波天線設置在觀測站東側山坳，塔架頂部與四方山基本實現通視。

牛頭山采用NEC PASOLINK NEO 系列點對點無線接入射頻系統，使用16QAM 調制方式，擴展帶寬至80 Mbps，接口采用以太網口，帶插入系統的獨立公共IDU室內單元及（6—52）GHz 頻帶的ODU 室外單元。數據信號經調制器轉換為多進制數字頻譜，信號放大后由發信機通過微波天線發送射頻信號，四方山電信微波站通過收信機解調器將射頻信號解調轉換為網絡數字信號，從而實現地震波形數據的無線遠距離傳輸（圖1）。

圖1 十堰數字測震臺初始網絡數據傳輸拓撲Fig.1 Topology of initial data transmission network at Shiyan Digital Seismic Station

實際微波接力通信的電波并非在理想的自由空間傳播，而是在低層大氣中傳播，因此，電波不僅會受到地球曲率的影響，而且會受到諸多不利因素的影響，從而使接收點場強產生附加的損耗（中國地震局監測預報司，2007）。在實際使用過程中發現，微波傳輸存在較多弊端，具體體現在：①經常受樹木等障礙物遮擋，大風、暴雨等惡劣天氣也容易造成設備傳輸時斷時續；②設備穩定性差、功耗大等也難以保證工作需求；③設備出現故障，維修難度大，易造成數據傳輸長時間中斷、網絡延遲時間長、丟包率高等問題。

牛頭山地震觀測站交流供電來自林場場部，市電供給時斷時續，發生停電故障無法及時處理，UPS 電源容量小，續航時間短，同時為微波設備供電，電力不足。該觀測站為無人值守站，若發生斷記事件，無法短時間解決問題。

牛頭山臺微波傳輸方式不穩定、持續供電無法保障、交通不便造成故障響應困難，導致十堰臺測震觀測系統故障率高、斷記時間長、整體運行率偏低，地震觀測資料質量較低。

2 解決方法

牛頭山地震觀測站地處偏僻區域，交通不便，無人值守，為快速響應、現場維護帶來困難，為此提出一系列切實可行的解決方法，即采用3 路交流供電自動切換輔助2 路直流供電方式，為儀器運行提供穩定的電力供給，并采用一主一備有線光纖傳輸解決微波單線傳輸的弊端。

（1）電力保障。經多方努力，市電供給有所改善，但依然無法滿足工作要求。為此，于2013 年增設2 kW 太陽能光伏發電設備，保障測震觀測儀器用電，且箱式直流電源增加續航時間，保證夜間用電，為故障處置贏得時間。此后，十堰臺因停電造成的數據斷記時長大幅減少。2018 年初十堰市普降暴雪，市電長時間中斷，測震臺UPS 電池電量耗盡，太陽能發電板因冰雪覆蓋無法工作，造成130 余小時數據斷記。因此，更換原UPS 電池，在支持直流供電設備上加裝電瓶和充電設備，將光纖收發器、交換機等網絡設備統一更換為交流和直流接口雙路供電。同時，采購一臺6 kW 柴油發電機，保證在低溫環境下遠程自啟動發電，安裝AST 雙回路電源轉換器，實現多路交流供電的自動切換（圖2）。

圖2 十堰數字地震臺供電線路升級改造方案整體架構Fig.2 Overall architecture of power supply line upgrade and renovation scheme for Shiyan Digital Seismic Station

2019 年初，受大雪天氣影響，十堰臺市電停供，但數據未出現斷記現象，上述供電改造措施得到有效檢驗，此后該臺因停電造成的長時間斷記現象消失。

（2）數據網絡傳輸方式變更。淘汰原有微波無線傳輸方式，搭建網絡傳輸故障監視平臺，分別于2012 年和2016 年架設中國移動、中國電信2 條點對點光纖線路，在重要中轉基站配置應急供電設施，建立網絡故障聯動響應機制，實現故障快速判定、快速響應、快速處置和快速反饋。

2020 年在地震臺站機房搬遷過程中，積極爭取人防辦支持，在中心機房和牛頭山地震臺增設三層網絡核心交換機，配置STP 協議，將2 條光纖線路設置為一主一備，實現線路故障毫秒級無縫切換（圖3）。

圖3 十堰數字地震臺改造后網絡數據傳輸拓撲Fig.3 Topology of data transmission network at Shiyan Digital Seismic Station after transformation

3 測震系統運行及地震波形特征

3.1 系統運行

臺網中心對所接收的連續波形數據進行統計，通過軟件可以實現連續波形資料斷記的自動統計，斷記結果用圖形和文本文件表示（劉瑞豐等，2015）。選取十堰臺2009—2020年測震記錄，統計SEED 格式波形記錄數據斷記時長，結果見表1、圖4。

表1 十堰臺2009—2020 年度測震斷記統計Table 1 Statistics of missing records at Shiyan Seismic Station from 2009 to 2020

圖4 2009—2020 年十堰臺測震數據斷記統計變化曲線Fig.4 Statistics of seismic data missing records at Shiyan Seismic Station from 2009 to 2020

由表1、圖4 可知：2009—2012 年，十堰臺測震數據年度斷記均在100 萬秒以上，其中2012 年在200 萬秒以上；2013 年安裝光伏太陽能發電系統、增設移動公司備用線路后，因停電造成的斷記現象有所減少，年度斷記小于40 萬秒；2018 年在對供電和網絡系統進行全面整改以后，測震系統運行質量得到明顯提升，2019 年度斷記時長僅933 s（網絡閃斷等造成），2020 年度有所增加（辦公區機房搬遷、設備調試造成），表明十堰臺數據斷記整改措施得到有效檢驗，測震系統運行質量得到提升。

3.2 地震波形特征

十堰臺現運行觀測系統由北京港震機電技術有限公司生產的BBVS-120 寬頻帶地震計和EDAS-24GN 數據采集器組成，采用寬頻帶地震計—模數轉換（ADC）—FIR 低通濾波器（輸入采樣率2 000 counts，輸出400 sps）—FIR 低通濾波器（輸入采樣率400 counts，輸出200 sps）——FIR 低通濾波器（輸入采樣率200 counts，輸出100 sps）5 級設計，每秒產出100 個采樣點的數字資料（劉瑞豐等，2014）。

通過對2015 年1 月至2021 年12 月十堰臺地震觀測數據記錄進行震例抽樣，對不同震中距地震的記錄波形進行短周期WWSSN-SP、中長周期SK、長周期763 記錄仿真，對不同類型的地震進行震相分析，以科學評價波形記錄質量，總結波形記錄特征。

（1）震中距100 km 范圍內的地震。地方震主要分布于湖北房縣、竹山、竹溪、丹江谷城和河南淅川一帶，ML＞1.5 地震記錄清晰完整，利用Sg 與Pg 震相到時差進行單臺定位，震中距誤差一般小于5 km，部分地震震中距誤差小于2 km。以2017 年10 月5 日鄖陽區ML1.5 和2021 年1 月7 日房縣ML1.5 地震（震中距均在100 km 范圍內）為例，可見2 次地震記錄具有地方震波形的典型特征：①振動持續時間較短（＜2 min），記錄規則無畸變；②波形頻率較高（2—10 Hz），振動周期短（0.1—0.5 s）；③震相簡單，主要震相為Pg、Sg，直達縱波Pg 與橫波Sg 到時差小于13 s；④震源深度小于10 km，短周期面波不發育。2 次地方震波形見圖5。

圖5 十堰臺地方震記錄波形(a) 2017 年10 月5 日十堰鄖陽區ML 1.5 地震記錄；(b)2021 年1 月7 日十堰市房縣ML 1.5 地震記錄Fig.5 Waveform of local earthquake records at Shiyan Seismic Station

（2）震中距100—800 km 的地震。以2018 年10 月11 日湖北秭歸MS4.5 地震（震中距176 km）和2019 年6 月17 日四川長寧MS6.0 地震（震中距731 km）為例，分析十堰臺記錄的近震波形特征，結果見圖6，可見：①振動持續時間一般在3—5 min，且隨震中距增大而增長，對于震級較大的地震，伴隨能量的釋放衰減，振動時間將有所增長；②震相隨震中距增加變得豐富，震中距Δ＜200 km 時，主要震相為Pg、Sg，Pn 震相不易辨認；Δ＞300 km 時將出現清晰的Pn、Sn 震相，震級較大時，Pb、Sb 震相清晰可辨；③當淺源地震震中距達700 km 以上時，Pg、Sg 震相變得模糊，短周期面波Lg、Rg 明顯；④在短周期WWSSN-SP 仿真記錄上，直達波Pg、Sg 振幅明顯強于首波Pn、Sn；⑤對于300 km 范圍內的地震（震中位置在湖北巴東、重慶石柱、河南平頂山、三門峽以及山西臨汾等），波形記錄完整清晰，而位于十堰臺西北方向陜西商洛、寧陜等地的地震，震相波形相對模糊，應與秦嶺地區復雜的地質結構關系密切；⑥對于震中距500—800 km 的地震（震中位于四川宜賓、雅安、巴中、云南昭通等），波形記錄較好，可以清晰分析Pn、Pb、Pg、Sn、Sb、Sg 震相，震級下限可達4.0；⑦當震中距大于800 km 時，地震波周期變大，出現明顯的短周期面波，波形整體形態接近于遠震記錄。

圖6 十堰臺近震記錄波形(a) 2018 年10 月11 日湖北秭歸MS 4.5 地震記錄；(b) 2019 年6 月17 日四川長寧MS 6.0 地震記錄Fig.6 Waveform of near earthquake records at Shiyan Seismic Station

（3）震中距在10°—105°的地震。以2018 年9 月10 日克馬德克群島MS7.0 地震（震中距10 268 km）和2021 年3 月20 日日本本州東岸近海MS7.0 地震（震中距2 875 km）為例，分析十堰臺記錄的遠震波形特征，見圖7，可見：①隨著震中距的增大，地震動持續時間逐漸增長，波組與波組的間距隨之增大；②對于中淺源地震，橫波P 與縱波S 到時差2 min ＜tP-S＜11 min30 s，面波較發育，與初至P 波到時差4 min ＜tRm-P＜45 min，在中長周期SK 仿真記錄上，面波周期為10—25 s；③一般震中距10°—25°的地震（震中位于日本、緬甸、菲律賓、蒙古等國和中國臺灣等地區），主要震相為P 和S，面波發育，pP 和sS 震相走時間隔短，難以分辨。震中分布在我國新疆、西藏地區的地震，十堰臺波形記錄相對較差，5.0 級以下地震基本無法進行震相分析；④震中距25°—80°的地震，多為分布在印度洋、太平洋等地區的海洋地震，以及分布在俄羅斯遠東堪察加半島地區和土耳其、阿富汗等國的地震，主要震相有P、PP、PPP、S、SS、LQ、LR 等，仿真后的pP、sP 和sS 震相清楚可辨；⑤震中距大于85°（震中位于斐濟、克馬德克群島等地）的地震，一般S 震相到時滯后SKS 震相20—30 s。

圖7 十堰臺遠震記錄波形(a) 2018 年9 月10 日克馬德克MS 7.0 地震記錄；(b) 2021 年3 月20 日日本本州東岸近海MS 7.0 地震記錄Fig.7 Waveform of distant earthquake records at Shiyan Seismic Station

（4）震中距大于100°的極遠震。以2017 年4 月25 日智利MS6.9 地震（震中距19 766 km）和2020 年6 月23 日墨西哥MS7.4 地震（震中距13 907 km）為例，分析十堰臺記錄的極遠震波形特征，結果見圖8，可見：①地核穿透波PKP 起始尖銳，成為主要初至震相，PP、SS 記錄清晰，面波發育；②主要震相有PKP、PKP2、PP、SKKS、SS，震相Pdif 一般較弱，在地震記錄圖上難以分辨，震相SKKS 在水平分向上記錄清晰；③極遠震記錄震級下限為5.5，一般利用PP 和SS 到時差進行極遠震單臺定位，震中距定位誤差控制在±2°以內，對于震級較大的淺源地震，定位誤差可達±0.5°；④基本無震中距105°—120°的極遠震記錄，應為受臺站所處位置和全球主要地震分布的影響。

圖8 十堰臺極遠震記錄波形(a) 2017 年4 月25 日智利MS 6.9 地震記錄；(b) 2020 年6 月23 日墨西哥MS 7.4 地震記錄Fig.8 Waveform of extreme distant earthquake records at Shiyan Seismic Station

4 結論與討論

十堰臺以往受微波傳輸方式不穩定、持續供電無法保障、交通不便等影響，測震觀測數據斷記時間長，整體運行率偏低。2013 年以來，臺站對供電和數據傳輸方式進行整改，數據斷記現象減少，測震系統運行質量提升，主要體現在：①供電方式改變后，受天氣影響而出現數據斷記的現象基本消失；②數據網絡傳輸方式變更為有線光纖傳輸后，實現了故障快速判定、快速響應、快速處置和快速反饋，數據傳輸中斷現象基本不存在；③通過對2015 年以來不同類型地震波形記錄特征分析，可知更換新的測震觀測儀器后，可清晰記錄到地方震（M≥1.5）、近震（M≥2.5）、遠震（M≥4.0）和極遠震（M≥5.5）；④十堰臺測震觀測記錄符合寬頻帶數字地震記錄的總體特征，臺站整體觀測環境較好，波形記錄連續穩定，規則完整，畸變較小，為開展高質量地震分析工作提供了數據基礎。

通過對十堰臺測震系統數據斷記分析和整改，該臺測震系統運維質量得到大幅度提高，工作取得顯著成效，數據質量得到明顯提升，可為國內同類臺站提供參考。但是，臺站也存在缺乏系統性、標準化的問題，今后將積極推進系統的進一步優化升級，運用信息化手段，建立集節點設備運行狀態監視、設備環境監控、安全檢測、故障告警、自動判定故障類型、自動提供故障處理方案等功能的一體化測震臺站管理運行平臺，從處置預見性故障入手，消除可能出現的問題和隱患，減少人工干預，降低人力和物力成本，完善各項基礎工作，促使觀測系統穩定運行，提供高質量基礎數據。