地震观测技术发展

摘要：本文主要介绍了在研制高灵敏度、宽频带、大动态范围的地震仪以及在降低环境对地震观测的不良影响,大区域地震观测网方面的一些动态，供同行参考。
关键词：地震；观测技术；发展；探讨
2095-2104（2012）
在地震观测中,人们总是希望灵敏度高、频带宽、动态范围大,由于反馈型拾震器和A/D转换器的研制成功并投入使用使上述想法成为可能,因此,开发对地震记录进行有效压缩方法成为重大课题。因为虽然由于电子技术的发展,各种大容量的存储器已经研制成功,但从资料传输的通讯费用等方面考虑,有效的资料压缩仍十分重要。此外,随着地震观测仪性能的提高,如何消除环境不良影响也仍是值得深入研究的一个问题。从总体上看,我国的地震观测技术和先进国家相比仍有很大差距。

1 地震观测仪器

现在使用的地震观测仪器由拾震器、放大器和记录仪三部分组成。在电子技术高度发展的今天,电子放大器的制造技术已经相当成熟,所以,在这里主要介绍地震科学工作者在研制高灵敏度、宽频带、大动态范围的拾震器以及记录仪的一些情况。

1.1 拾震器

最早在地震观测中使用的是机械式拾震器。到了60年代,一般都采用电磁耦合式拾震器,后来,由于采用了电子放大器,不但使拾震器和电流计之间的干扰消失了,还可以对拾震器部分进行单独研制和改进,使整个系统趋于小型化。用于微震观测的短周期拾震器(周期1 s左右),总的发展趋势是小型、高灵敏度。80年代末至90年代初,国外地震工作者研制了一种使用压电元件的加速度型拾震器,灵敏度相当高。在长周期地震波观测方面,由于在1960年智利大地震期间用贝尼奥夫应变地震仪和普雷斯-伊文长周期仪观测到了理论上预期存在的地球自由振荡,所以,地震学家们希望能够观测周期更长的地震波,因而希望研制出周期更长的拾震器。但是,制造小型、稳定的长周期拾震器有一定的技术难度。例如,普雷期-伊文长周期拾震器是在整机大型化的条件下,才使拾震器具有较稳定的长周期。如果要使摆的固有周期进一步增大(30～40 s以上),拾震器就是做得相当大,技术难度就相当大。有的科学工作者采用电子滤波技术使拾震器在低频段具有相当的灵敏度;并且,有的不采用动圈式,而使用电容变化式输出摆的位移(用动圈式摆得到的输出是位移的微分,即输出和摆的运动速度成比例;采用电容变化式拾震器得到的输出和摆的位移成比例,因此,周期越大,相对灵敏度就越高)使低频段具有很高的灵敏度。

1.2 记录器

地震是一种突发现象,所以一般采用连续记录方式。地震记录方式经历了光记录、熏烟滚动记录和墨水记录等几个阶段。60年代末开始采用磁带模拟记录,但一盒磁带只能使用几小时。从70年代末开始采用了PCM方式的数字记录器。所谓PCM方式就是把地震波形的模拟信号通过A/D转换器转换成数字资料,然后以脉冲编码方式进行记录。80年代使用了一种DAT磁带进行记录,十六位,每秒采样100次可连续记录24小时。与此同时,开始利用电话线和无线电进行遥测集中记录,因而使观测区域扩大,观测网内时间怎么写作精度提高,震源处理精度和资料利用率都大大提高。80年代中后期,微型计算机大量使用,人们将经过A/D变换器转换后的资料直接记录到计算机的存储器内,并且对记录读出和震源参数测定等项工作进行联机处理,完全实现了自动化。

2 不良观测环境影响的消除

对于地震观测来说,噪声干扰是最主要的一种环境影响。应用现代技术,能够在整个频带内把地震观测系统的固有噪声抑制到比地面平常运动的背景噪声小得多的水平。因此,消除地面运动背景噪声就是关键因素。
据地震工作者深入研究得出的结论是:正常的地面运动背景噪声,整体上随周期增大而增大,但在0.3～0.1Hz间有一个局部的峰值。1Hz以上的高频噪声源多为人为因素造成。因为这类噪声周期短,因此在进行近震短周

摘自：毕业论文 格式www.udooo.com

期地震观测时,只要将观测点避开人类活动较远的地方,把观测仪器放在基岩上,或者把拾震器安入到深井中就能比较有效地消除这类噪声干扰。但是,频率小于1Hz的周期较长的噪声干扰就难以消除了。例如: 0.5～0.1Hz的噪声称之为脉动,主要由海浪引起的。在靠近海岸观测到:周期越小越显著。对于这部分干扰,只要把观测点选择到远离海岸的地方就能使之降低。对于周期大一些的,用此法则效果不好。对于频率更小的背景噪声,初步的研究是认为随周期增大而增大。例如:一些研究人员发现,频率小于0.1Hz时,背景噪声的变化规律是呈1/f形式,有的学者观测到,当频率小于1×10-3Hz时,背景噪声以f-27的规律变化。这类噪声可以认为主要是由气压微小变化引起的,因为这类噪声对长周期、高灵敏度的地震观测产生严重的影响,因此,很多学者对它的产生原因及降低其影响的途径进行了深入的研究。气压变化对长周期地震观测的影响主要有以下三个方面:

2.1 气压变化引起拾震器外壳等的形变

为了使拾震器内部不受潮气等的影响,一般都有较好的密封性。因此,一旦外部气压发生变化,拾震器内外就有气压差,就会使拾震器的框架和外壳发生微小的形变。对周期较长的拾震器,框架和外壳哪怕发生很微小的形变,摆的零点就会有较大的变化,因而影响观测记录。拾震器固有周期越大,这类影响就越大。这类影响在水平方向上表现得尤为明显。要降低这种噪声,只有增强外壳的刚度,或设法把外壳的一部分加工成如气球那样体积可变,不使壳内外形成气压差。这种方法只适合于水平分量,对于垂直分量要降低这类噪声必须象一些重力仪那样,加上补偿装置。

2.2 气压变化引起地面倾斜造成的影响

大气压力如发生变化,地面就要发生形变。在地倾斜或地应变观测中经常可看到这种情况。长周期水平向拾震器类似于水平摆倾斜仪,地面发生倾斜拾震器的零点就会发生变化。众所周知,水平摆倾斜仪的灵敏度为:
从该式可知,如果水平向拾震器的固有周期T为20 s,气压变1×10-a就会使摆产生1μm的位移。若固有周期更大一些,那末气压变化对水平向拾震器的影响就更大。但是,垂直向拾震器因地面发生倾斜而产生的零点变化则很小,而因气压变化作用于摆锤部分的浮力却会产生很大的影响。例如,气压变化1×10-a,重力加速度垂直分量的变化不超过10-14m/s2,即使高灵敏的重力仪也无法观测出来,但作用摆锤部分的浮力却不是这样。设摆锤的密度为10 000 kg/m3,摆锤体积为10-4m3,空气密度1.2 kg/m3,则1×10-a的气压变化就会引起0.12 g浮力的变化,相当于摆锤重量的0.01%。

2.3 风力引起的噪声

据观测,在水平分量的拾震器上出现的长周期噪声,与地面风力强度也有关系,并且随距地面深度的增加而减小。因此国外SRO观测网,把拾震器安放到深约100 m的井里。但如果进一步增大拾震器的固有周期,记录更长周期的地震波,要降低这类噪声的影响就十分困难了。

3 大区域地震观测台网

在本世纪60年代,美国海岸与大地测量调查局(VSCGS)在全球120个地方布设了性能、型号一致的标准地震仪组成地震观测网(WWSSN),这是世界上第一套著名的观测网,它对地球内部构造,地球动学和地震震源过程的研究作出了巨大贡献。这套台网是由贝尼奥夫短周期地震仪的普雷期-伊文长周期地震仪组成,采用光记录。70年代末,美国的IDA和SRO开始在大区域台网中采用数字化记录方式。此后,各具特色的数字化台网,像ASRO、DWWSSN等观测网以及由几十个观测点组成的GDSN开始运行。80年代末,被称为IRIS(地震学合作研究协会),由100个观测点的宽带域观测系统和1000台便携式观测系统以及资料处理中心组成的宠大观测计划由美国50多所大学和研究机构合作进行。此外,法国的GEOSCOPE三分向长周期全球地震台网,日本“海神”计划,加拿大的CANDIS,欧洲的OR-FEUS等几个大区域观测台网也正在实施或计划实施中。上述台网都采用数学记录方式,且都为高灵敏度,宽频带和动态范围大的观测台网。例如法国的全球三分向地震观测网使用STS地震仪,能保证从周期360s～0.2s的地面运动速度都具有较稳定的增益,采用16位A/D转换器,能确保大约140分贝的动态范围。

4 结束语

地震学是一门基于现场观测的科学,地震观测技术的进展对地震学的发展具有决定性的作用,反之,地震学工作者为了深入研究地震的成因、发生机制以及地震波传播理论等课题,也总是对地震观测技术提出新的要求。因此,作为地震工作者应该不断地关注地震观测技术的进展和动态。本文着重介绍地震观测仪器的主要部分——拾震器和记录系统的一些新进展,然后介绍地震科学工作者在大区域地震观测网以及在消除观测环境不良影响方面取得的新成果。