软土层地区地震仪安装效果比对研究_许卫卫.pdf

第 卷 第期 年月地球物理学报 ，许卫卫，袁松湧，徐善辉等 软土层地区地震仪安装效果比对研究地球物理学报，（）：，：，.（），（）：，：软土层地区地震仪安装效果比对研究许卫卫，袁松湧，徐善辉，刘政一，徐天龙，宋丽莉，董传杰中国地震局地球物理研究所，北京 北京长征火箭装备科技有限公司，北京 摘要随着 等大型地震观测项目逐渐推进，一些台站不得不安装在软土层等较高背景噪声区域，研究这些区域中不同类型地震仪在不同安装方法之间的背景噪声水平差异，对于提高观测数据质量、选取观测仪器类型、研制地震仪器等问题具有重要意义本文在北京通州西集地震台，通过一系列比测实验研究了宽频带地震仪在不同安装深度、安装方式以及保温隔离防护方式下的安装效果差异，结果表明：在 的海浪脉动噪声频段附近，所有参与比测地震仪的三个分量背景噪声水平均高度一致，符合远场海浪脉动信号的特点；在低于 的低频段范围，背景噪声主要和地震计附近的温度变化及气流扰动环境相关，增加安装深度和采取保温隔离防护措施效果类似，其中垂直向对保温隔离防护措施更为敏感，比如 深度安装的地震计在妥善进行保温隔离措施后可获得和 井下地震计类似噪声水平，水平向由于存在地倾斜噪声，当大幅度增加安装深度时仍可有效降低噪声水平；在高于 的高频段范围，背景噪声衰减和地下介质岩性相关，软土层地区地下 以内随安装深度增加背景噪声水平衰减非常有限 另外，我们还研究了宽频带、短周期、节点式等不同类型地震仪的安装效果差异，结果表明：在软土层地区的地震观测，需要针对不同观测目的选择合适的地震仪；在密集台阵观测中，不同类型仪器的组合观测是更科学的方式关键词宽频带地震计；软土层地区；地震仪安装；浅井式地震计；安装效果 ：中图分类号 收稿日期 ，收修定稿基金项目国家重点研发计划（），中国地震局地球物理研究所中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（）和国家自然科学基金（）联合资助第一作者简介许卫卫，男，年生，研究员主要从事地震观测技术方面研究工作 ：，.，.，地 球 物 理 学 报（）卷 ，（），（），：，；引言地震学是一门以观测为基础的学科，获取高质量地震观测数据是研究地下精细结构的前提和基础 高质量的地震观测需要先进的观测仪器支持，同时也离不开科学的建台方法以及台站观测运行期间有效的维护工作（许卫卫，）在观测仪器研制方面，世纪 年代末前后出现了数字化、大动态范围的宽频带地震仪，以这些高性能地震仪为基础，全球数字地震台网以及国家级、区域性固定监测台网迅速发展起来，地震监测能力得到大幅度提高（，；刘瑞丰等，；，）进入 世纪，流动地震观测逐渐成为地震学研究地下精细结构的一个有效手段，以宽频带地震仪为基础的多个大型观测项目相继实施，如美国的 （，）、中国的 （宋丽莉等，）以及欧洲多国联合开展的 （，）等，获得了一大批优质观测资料 在建台方法和运行维护方面，针对宽频带地震观测特点，不同研究人员给出 了 多种 推荐 的 技 术 实 现 方 式（，；，）在以上大型流动地震观测项目开展过程中，形成了一些野外观测工作标准，有效确保了宽频带地震观测的数据产出质量（，；，）国内流动地震观测经过数十年的发展，也形成了一些行之有效且适合国情的建台及维护方法，并有专项资金支持完成了不同建台方法下的台基响应研究（葛洪魁等，；刘政一等，）作为天然地震观测的主要设备，宽频带地震仪能够以极高精度拾取并记录非常微弱的地面运动在观测过程中，宽频带地震仪会受到仪器附近振动、气压、风力、温度以及磁场等观测环境因素的影响，这已被多年来大量的研究证实（，；，；，；，；，；，；，；，）在宽频带地震台建设中，必须进行严格的观测场地筛选，以背景干扰小的基岩场址为理想观测环境，确保地震计和地面之间有良好的耦合，同时对地震计进行必要的保温隔离防护等措施，以期尽量减弱以上提到各种因素的干扰，最大限度发挥宽频带地震仪的测量能力（，；，）随着一些野外观测项目的逐渐深入，比如正在执行的拟覆盖中国大陆全境的 观测项目，一些台站不可避免地要布设在人口密度较大或沉积盆地较厚的软土层等高背景噪声区域，如何降低这些地区地震台站的观测噪声是一个挑战 尽管数百米甚至数千米深的井下观测已被证实是一个有效降低背景噪声干扰的方式（，），然而对于持续时间大多在一到两年的流动地震观期许卫卫等：软土层地区地震仪安装效果比对研究测，由于施工难度太大、造价太高并不具可行性 近年来随着观测技术发展，以直埋或浅井式安装为主的流动地震观测方式逐渐发展起来，野外比对实验已证明了其不但工作简便、观测效果也不亚于传统的摆墩式安装（，；，），专门用于直埋、浅井式安装的地震仪也逐渐被研发出来并进入商业化批量生产，美国在其运行的全球地震台网 升级过程中已经在逐渐使用 这 些 新 型 仪 器 和 安 装 方 式（，）在国内，随着软土层地区 左右浅井的建设成本降低和施工技术逐渐成熟，已有研究人员尝试进行数米到 左右深度的浅井观测并应用于观测实践（刘政一等，）在软土层地区建设宽频带地震台站时，随着仪器安装深度增加观测噪声降低幅度呈现怎样的规律，安装深度和保温隔离防护措施哪个更为重要，这些因素对于不同观测分量影响程度是否一致？通过实验观测对数据进行定量分析从而回答这些问题，是本文工作的主要出发点 另一方面，近年来基于检波器的一体化节点式地震仪逐渐被大量应用于天然地震观测，以此为基础的高密集地震台阵观测也迅速发展 起 来（张 明 辉 等，；周 启 明 和 沈 旭 章，）在理想观测场地条件，高性能宽频带地震仪性能要高出这些节点地震仪数个量级，然而在软土层地区由于存在较强的背景噪声干扰，这些不同类型的仪器在此环境中观测表现差距有多大？这是本文另一个试图回答的问题 本文首先介绍了实验场地、实验过程和数据分析方法，然后以英国 公司生产的 宽频带地震仪为例，比较了该设备在不同安装深度、采用保温隔离防护前后的观测噪声差异 进一步地，研究比较了包括宽频带、短周期、节点式在内的不同类别地震仪的安装效果差异，最后对实验结果进行了总结和讨论比对实验概况和数据分析方法本文选择的实验场地位于北京市通州区西集镇的固定地震台，台站附近基岩埋深约 ，覆盖层多为第四纪洪积物 台站方圆 内无明显持续噪声源，距东北部约 有潮白河通过，南部直线距离约 处有京哈高速通过，约 有一条较多车辆通过的主路，是一个典型的位于厚沉积层地区、具有较高背景噪声的台站考虑到宽频带地震仪对于地表温度以及风力变化的敏感性，本实验中我们全部采用地表之下即下沉式的安装方式 如图 所示，利用 观测计划中大量采用的高硬度塑料拼装桶，我们在实验场地内建设了个观测井，观测井内径约 ，每个观测井中可实现一到三台地震计的安装（图），观测井深度规格包括 和 两种（图）通过在观测井内部建设的钻井，可实现从地表到 不同深度的浅井式安装（图）钻井过程借鉴石油系统钻井流程进行水泥固井完成井底密闭，井底进行自流平处理确保底面水平，地震计在地表水平校准平台上进行调平、锁紧底角后下放（刘政一等，）；采用一套变长连接杆进行地震计水平方位调整，北向对齐通过差分 激光定向仪完成（图）在观测过程中所有设备通过太阳能进行供电，数据采集过程中采样率设置为 、连续记录模式、连续授时，比对观测数据时段从 年月日至 年月 日共计 个月 所有参与测试的地震计类型及其安装方式、隔离防护方式等信息如表所示 地震计安装深度包括地表到 之间的多个深度，不同深度的地震计安装方式包括图 的“摆墩式”和图 的“浅井式”两种“摆墩式”（）将地震计直接置于坑底的混凝土地面或者一块定制的平整花岗岩石板之上，这是 项目中绝大部分台站采用的方式 通过 管建设的“浅井式”（，以下简称“”）安装在本实验中包括了、和 共个深度 比对实验期间，实验场所内还有一台位于地下 深度的井下地震计在连续观测（，以下简称“”），安装位置在图 中位于图片远端的白色小房子下，在比对分析中我们也包 括了 这 台 井 下 地震计在 同 时 段 内 的 观 测数据我们采 用 地 动 加 速 度 功 率 谱 密 度 估 计 方 法（，缩写为 ）来比较观测背景噪声水平，一段时间内噪声功率谱密度的统计特征通过功率谱概率密度函数（，缩写为 ）来表征（，），为使比较结果稳定可靠、避免部分时段异常值影响，采用概率密度的中位数曲线作为比较标准，这是进 行背 景 噪 声 水 平比较时 主 要 采 取 的 方 式（，）计算过程采用美国全球地震学联合会 开发的 软件实现（，），计算参数中窗口时长取 ，其余参数均按软件中的默认值地 球 物 理 学 报（）卷图比测实验场地及地震计安装方法（）位于北京通州西集地震台的实验场所全貌 图中黑色圆形盖子下安装了位于不同深度的地震仪，两个白色竖杆上安装了气象站，图片远端白色小房子为西集台 深井地震仪所在地；（）图（）中一个黑色圆形盖 子 下 地 震仪安装的例子，包括距地面个 深和个 深的简易浅井，地震计北向对齐通过差分 激光定向仪来实现；（）观测计划中大量采用的摆墩式安装设计；（）浅井式安装设计 （），；（）（），；（）；（）表参测地震仪类型和安装方式等信息 ，地震仪型号通带低频截止频率 数量安装方法（深度方式）保温隔离防护方式保温隔离防护时间 沙子填充 沙子填充 沙子填充 管保温棉 沙子填充 沙子填充 沙子填充 沙子填充 管保温棉 管保温棉 沙子填充 沙子填充 地表直埋 期许卫卫等：软土层地区地震仪安装效果比对研究作为例子，图分别给出了位于地表以下和 的地震计在全部观测时间内的功率谱概率密度分布，从图中可看到，第 百分位曲线（图中标识为“”）和中位数曲线之间差异在绝大部分频段约在 之间，中位数曲线较好表征了观测时段内的背景噪声水平 由于水平向两个分量规律非常类似，本文仅给出垂直向和南北向分析结果（图中分别以 和 表示，本文中其他图件类同，下不赘述）从图可以看到，与全球低噪声模型 相比，本实验场所背景噪声水平高出了 不等，反映了沉积层台站强背景噪声干扰的特征 在功率谱密度分布图中，为海浪脉动频段，所有子图的 频点处可看到明显的 局部峰值，这主要反映了海水对与固体地球圈的加载作用（，），对于本文所有参测设备，可看作一远场信号；频率低于 的低频段，和地震计周围的温度变化和气流扰动等环境因素较为相关（以下简称低频段）；高于 的高频段，大多和当地的交通、工厂等局部人文噪声相关（以下简称高频段）（，）图功率谱概率密度分析例子图中分别给出了位于和 的地震计在 个月观测时间内的地动加速度功率谱概率密度分布图（，）作为参考，每幅图中还给出了全球低高噪声模型曲线（，），全部时段内的中位数曲线（）以及第（）和第（）百分位曲线，图中右上角标明了地震计安装的深度以及对应分量（表示垂向分量，表示南北向分量）每幅子图底部的条黑色短竖线分别标明了图中用于比较噪声随时间变化的频率点位置 （，），（，），地震计不同安装深度效果比对在比对实验最开始的一个月内，我们对所有地震计均不采用保温隔离防护措施 为了去除其他干扰因素影响，仅比较同一型号地震计即 在不同安装深度的观测背景噪声水平差异，这种地震计低频截止频率为 ，是 项目中使用地 球 物 理 学 报（）卷最多的型号，也是国内流动地震观测领域中市场占有量最大的地震计根据图中功率谱概率密度分布的特点，我们选取了、和 四个频点来考察不同深度安装的地震计背景噪声水平随时间变化的规律，为了图形显示清楚这里仅选择了、以及 四个深度作为代表，分析波形数据时长周的结果如图所示 可以看到：在海浪脉动频段即的频点，对于所有安装深度而言两个分量噪声水平基本相当；在代表高频段的 和 频点，噪声水平出现了明显的以“天”为周期的规律性变化，当地时间白天噪声水平明显高于晚上，反映了这个频段和人类活动相关 深度安装的井下地震计和 以内的安装相比噪声水平至少可衰减 以上，相比而言从 到 安装深度的噪声衰减不大，即使图中最为明显的 频点的垂直向，和 安装深度之间的差异也不超过 ，其余差异均在几个 以内；在代表低频段的 频点，从 到 安装深度的噪声衰减迅速，可达到约 ，其中垂直向分量 安装深度的噪声水平已与地下 处的井下地震计相当，水平向分量 深度仍与井下地震计有 个 左右的差异 值得注意的是，图中 周期的噪声谱结果在“”到“”之间存在几个异常极大值，主要体现在 和 两个深度的结果里，其中 深度的异常值由一些“脉冲状”干扰引起（加速度表现为一阶跃信号），在水平向更为突出，和非常局部的倾斜噪声或者一些仪器自身原因相关（，）；异常值和该段时间范围内的部分数据缺失相关，软件在缺失数据不超过一定比值时采用补零处理，频谱分析时即表现为低频异常 这些异常值在野外连续观测中属于小概率事件，我们在统计一段时间的噪声水平时采用中位数曲线，可以很好避免这些“突发”性强噪声的干扰（，）以上结果表明：在宽频带地震计没有保温隔离图不同安装深度地震计的功率谱振幅随时间变化规律图中的每幅子图里横轴表示时间（总长一周），纵轴表示功率谱振幅（，单位），最上面子图的左上角图注标明了不同深度地震计对应的曲线颜色，右上角图注标明了该副子图对应的频率点和分量名称（表示垂直分量，表示南北分量），（），期许卫卫等：软土层地区地震仪安装效果比对研究措施时，随着地震计安装深度增加，在除了海浪脉动（）外的其他频段，观测背景噪声水平呈下降趋势，但是下降幅度和安装深度增加之间的规律略有不同；对于高频段，随深度增加噪声水平衰减缓慢，比如 频点 深度相对地表附近安装噪声衰减仅；对于低频段，随深度增加背景噪声水平衰减迅速，并且垂向分量随深度增加衰减程度要强于水平向分量，比如 深度垂直向噪声水平已经和地下 处的井下地震计相当地震计保温隔离防护前后效果比对通过以上地震计安装深度和背景噪声衰减之间的关系，我们推测在低频段背景噪声衰减主要和地震计附近温度变化幅度相关，因此接下来对不同安装深度和安装方式的地震计进行了保温隔离防护措施，通过比较隔离保温措施前后背景噪声变化来进一步探究这种规律对于安装深度在 以内的地震计，保温隔离防护操作性较强：对“摆墩式”安装的地震计，我们按照图 的方式，采用 管结合内嵌保温棉的方式，这也是目前大部分野外宽频带台站采用的方式；对“浅井式”安装的地震计，由于地震计已经位于 管内，我们采用洁净干沙填充方式将地震计整体掩埋起来，这样一方面可减少地震计周围温度变化，另一方面因为地震计完全被掩埋周围气流扰动也降到最低（，）安装深度超过 的位于浅井底部的地震计，由于操作人员无法直接接触到地震计，填沙需要借助导沙管非常小心地操作，确保干沙均匀填充于地震计与浅井间空隙的同时不对地震计位置产生扰动，本次实验我们未对 深度的地震计进行填沙操作，因此这里仅比较从地表 到 深度安装地震计的背景噪声水平变化我们将保温隔离防护措施之前和之后的连续波形数据各取一周时长，计算得到该时间段内对应的 中位数曲线，观测背景噪声水平对比如图所示：对不同深度安装的地震计，无论是垂直向还是水平向，在保温隔离措施之后，观测背景噪声均出现了不同程度降低 为了更清楚地看到这种变化，我们用保温隔离后的结果减去隔离前结果，得到如图所示的差值结果：可以看到保温隔离措施对于低频段效果最为明显，垂直向改善效果优于水平向，隔离防护后垂向背景噪声水平在 频点处降低幅度最大接近 ，水平向 左右；对于高频段效果不太明显，保温隔离防护后仅 频点附近噪声水平降低几个 左右；对于不同安装深度的地震计，隔离防护效果也差别较大，位于地表 以内的地震计保温隔离防护前后差异最大，即效果最好 较深的 和 深度，隔离防护前后差异则较小，保温隔离效果不太明显，甚至在部分频段出现隔离防护后的效果不如隔离防护前，我们推测主要原因和 和 两个深度保温隔离操作方式有关 对浅井安装深度大于 的地震计，由于人无法直接接触到地震计，实际很难做到像安装深度时的均匀填埋效果 另外，由于 和 深度温度变化已经较小（刘政一等，），保温隔离防护前后效果比对已经不太显著 当用沙子填埋不能保证均匀掩盖地震计时，还会额外带来长周期倾斜噪声，这在水平向尤为明显（图和图），根据这个实验效果，我们决定不再对 浅井深度进行干沙填埋根据以上实验结果可以看到，在软土层地区增加安装深度和对地震计进行保温隔离防护均可不同程度降低观测背景噪声水平，但是降低幅度与敏感频率之间的对应规律不尽相同，在 以内安装深度保温隔离防护措施对低频段改进效果明显，尤其对于 安装深度更为突出为了综合考察不同安装深度、安装方式和不同温度隔离防护措施效果的差异，我们将所有深度安装的宽频带地震仪在保温隔离防护措施后个月时间内的连续波形数据进行了 分析，取中位数曲线得到图所示结果：对垂直向低频段，所有参与比测宽频带地震仪背景噪声水平差异最大在 左右，井下地震计的噪声水平甚至要部分高于 深度的水平，我们推测这个频段噪声水平与地震计 附近 温 度 变 化 和气流扰 动 幅 度 密 切 相 关（，），深度经过温度隔离防护后温度变化水平与 以内其他深度开始接近，较深处安装的地震计由于 管内空气较多，气流扰动噪声反而可能是个负面因素；对水平向低频段，距地表 深度的噪声水平略高，以内其他深度噪声水平差异与垂直向规律类似，深度井下地震计更低约 左右，我们推测主要是因为水平向地倾斜噪声干扰随着深度大幅增加后可得到有效降低（，）；对垂直向和水平向的高频段，背景噪声水平在 以 内深度衰 减缓慢，附近从地表至 仅几个，然地 球 物 理 学 报（）卷图不同安装深度的地震计在保温隔离防护前后噪声功率谱曲线对比图中的每幅子图里横轴表示频率，纵轴表示加速度功率谱振幅（，单位）每幅子图左上角图注标明了不同深度安装的地震计对应的曲线颜色和线型，右上角标明了该副子图对应分量名称（表示垂直分量，表示南北分量），右下角标明该子 图结果所用的观测时段（表示保温隔离防护前，表示保温隔离防护后）所有子图参与分析数据的时间总长均为一周（），功率谱曲线用的是整段时间内的中位数曲线 ，（）而 深度相对地表安装深度衰减最大约 ，表明在软土层地区高频噪声衰减在 以内安装深度很难有显著效果 不同型号宽频带地震计安装效果比对以上比测实验主要采用的是 型地震计，这款地震计的设计安装方式是“摆墩式”，我们通过使用一些施工技巧使其能够在 以内井下模拟“浅井式”安装，得到如上所述的观测背景噪声与安装方式、深度以及保温隔离防护措施之间的一些规律 为了探究这些规律是否适用于其他型号宽频带地震计，尤其是最近几年发展起来的专门用于浅井式观测的浅井型地震计，我们还比较了不同型号宽频带地震计的安装效果 除了 地震计之外，参加比对观测的还包括一台瑞士 公司生产的 型地震计、两台加拿大 公司生产的 地震计（简称 ），这三种地震计低频截止频率都是 ，是当前国际上性能最为优异的宽频带地震计的典型代表 其中一台 按图 所示的“摆墩式”安装在 深度；两台“浅井式”地震计按图 所示一台安装在深度，一台安装在 深度 全部安装完成后按前文所述进行相应的保温隔离防护，选取安装在 和 的两台 地震计作为参考，所有地震计同址、同时比对观测时期许卫卫等：软土层地区地震仪安装效果比对研究图不同安装深度的地震计在保温隔离防护前后噪声功率谱差值（隔离后隔离前）图中的每幅子图里横轴表示频率，纵轴表示地震计保温隔离防护前后加速度功率谱振幅差（隔离后减去隔离前，一周数据）每幅子图左上角图注标明了不同深度浅井式安装的地震计对应的曲线颜色和线型，右上角标明了该副子图对应分量名称（表示垂直分量，表示南北分量）所有子图参与分析数据的时间总长均为一周（），功率谱曲线用的是整段时间内中位数曲线的差值 （），（）图所有深度安装的宽频带地震计在隔离防护后的噪声功率谱水平图中的每幅子图里横轴表示频率，纵轴表示加速度功率谱振幅（，单位）每幅子图左上角图注标明了不同深度安装的地震计对应的曲线颜色和线型，右上角标明了该副子图对应分量名称（表示垂直分量，表示南北分量）所有子图参与分析数据的时间总长均为个月（），功率谱曲线用的是整段时间内的中位数曲线 ，间不少于个月，将这段时间内的观测数据分析结果绘制成图如图所示，在三种不同型号宽频带地震计中，深度安装的 垂直向背景噪声在 附近频段最低，这与它的低自噪声设计可能相关（，），水平向观测背景噪声在低频段则较高，推测主要与它安装深度和摆墩隔离防护方式相关 浅井型 表现出了较好的安装效果，无论水平向还是垂直向都展现了相对较低的观测背景噪声水平，同等深度条件下其水平向低地 球 物 理 学 报（）卷图不同型号宽频带地震计在隔离防护后的噪声功率谱水平图中的每幅子图里横轴表示频率，纵轴表示加速度功率谱振幅（，单位）每幅子图左上角图注标明了不同型号地震计对应的曲线颜色和线型，右上角标明了该副子图对应分量名称（表示垂直分量，表示南北分量）所有子图参与分析数据的时间总长均为个月（），功率谱曲线用的是整段时间内的中位数曲线 ，频段噪声最低，部分展现了这种新型设计地震计的优势 台 垂直向在 附近频段略高的现象，仍有待进一步测试和研究不同类型地震计安装效果比对高性能宽频带地震计的最大优势是能够以高精度拾取极其微弱的地面运动量，尤其在中低频段相比其他类型地震计更为突出，因此宽频带地震计在布设时会特别强调观测场地的选择、保温隔离防护以及各种防噪声干扰措施 当观测场地背景噪声水平较高时，宽频带地震计的观测能力便得不到最大利用 在本文所示的软土层地区，观测背景噪声水平在高频段比理想基岩场地高出数个量级，这种情况下，宽频带地震计相对其他有较高自噪声的地震计观测优势有多大，是否还有必要在这些区域采用最高性能的宽频带地震计来观测？为了回答这些问题，我们在本实验中还加入了自噪声稍高的短周期地震计以及基于检波器的一体化节点式地震计，组成三大类仪器进行安装效果比对（表），这三类仪器中宽频带（简称 ）自噪声最低，短周期（简称）次之，节点式（简称 ）最高 宽频带 选取 作为代表，安装深度及隔离防护如前文所述分布在从地表到地下 多个深度；短周期选取 作为代表，共安装了台，台安装在 深度加隔离防护，台安装在 深度加隔离防护；节 点 式 用 公 司 生 产 的 型节点式地震计作为代表，共安装了台，全部掩埋在浅地表，这是这种仪器野外使用的主要方式将以上三种不同类型地震计安装之后的连续波形数据进行 噪声水平分析，结果如图所示为了便于参考，图中还给出了每一类地震计的自噪声水平即 曲线（，；许卫卫等，），不同震级的地震信号在典型震中距如近场（约 ）、区域（约 ）以及远场（约 ）的功率谱密度水平（，）图中每一类仪器中多台参测设备 变化范围用彩色阴影部分表示，可以看到 和 结果的变化范围较宽，的 结果高度一致，因此图中看不到阴影部分：这一方面是因为 和 的安装深度和安装方法相对 变化更大（安装深度从地表到地下、保温隔离方式从采用保温棉到沙子掩埋），参测设备数量也远多于 ，而参测节点式 仅有台，且均按野外实际使用方法直接在地表按同一方式填埋；另一方面是因为 的自噪声水平较高，不足以分辨较微弱的低频地动信号，低频段记录基本反映的是仪器自噪声水平（图中 以下低频部分 的 曲线基本和自噪声曲线重合）从图可看出：在高频段期许卫卫等：软土层地区地震仪安装效果比对研究图不同类型地震仪在软土层地区噪声功率谱水平比较图中的每幅子图里横轴表示频率，纵轴表示加速度功率谱振幅（，单位）右上角标明了该副子图对应分量名称（表示垂直分量，表示南北分量）每幅子图左上角图注不同曲线颜色和线型对应不同的地震计类型，其中 表示 即宽频带地震计，以 型地震计作为代表（低频截止频率 ）；表示 即短周期地震计，以 作为代表（低频截止频率）；表示检波器型一体化地震仪，以 公司的 作为代表（低频截止频率）图中彩色实线表示在本实验场地中每一种类型地震计的背景噪声功率谱水平，每一种类型地震仪背景噪声水平变化范围用对应颜色阴影部分标识作为参考，图中还给出了每一种类型地震计的自噪声水平（），不同震中距、不同震级地震信号的功率谱水平（，），灰色粗实线给出了全球新低高噪声模型曲线（，），（），（），（），（，）（，）部分，无论水平分量还是垂直分量，所有三类地震计的背景噪声水平基本相当，宽频带地震仪没有任何优势，反倒是节点式地震仪在便携性、安装方法、仪器成本方面优势较大；在低频部分，宽频带地震仪比短周期和节点式这些噪声较高的地震仪有很大优势，其中垂直向优势相对水平向更大，水平向宽频带和短周期的噪声水平已经接近结论与讨论本文通过在软土层区域台站的一系列实验，对不同安装深度、安装方式以及隔离防护条件下宽频带地震计的安装效果比对，得到如下结论：（）在海浪脉动噪声频段，所有参与比测地震仪的三个分量背景噪声水平均高度一致，符合海浪脉动信号的远场噪声特点，即当海浪脉动信号源的距离远大于台站间距并且信噪比足够高时，所有仪器记录的波形数据应高度一致（）在低频段范围，背景噪声主要和地震计附近的温度变化以及气流扰动环境相关，较深的安装深度由于其较低的温度变化可以获得更低的背景噪声（刘政一等，）；当采取较为合理的温度隔离防护措施后，垂直向和水平向改善效果略有不同 对于垂直向而言改善效果非常突出，比如在地下 也可获得和数百米之下井下地震计类似的安装效果，然而对于水平向而言，当安装深度大幅度增加时，背景噪声水平相对 以内安装深度的地震计仍有有很大优势我们推测这是由于地倾斜引起的微弱重力变化在垂直向和水平向投影大小不同，水平向更易受这种地倾斜噪声影响（，），当安装深度增加比如到地下数百米深度时，地倾斜噪声大幅衰减，因此可获得较低的背景噪声水平（）在高频段范围，在 以内背景噪声水平地 球 物 理 学 报（）卷衰减非常有限，仅地下 的井下地震计噪声水平有大幅降低 我们推测高频噪声的衰减和地下介质岩性关系很大，软土层台基对背景噪声的放大作用较强，比如 等（）的同址比测实验表明，对于相距不到 的两个台站，深的基岩台比 深的软土层浅井台垂直向噪声水平还要低，水平向由于地倾斜噪声原因两者噪声水平接近 所以在软土层地区若想大幅度降低高频段观测背景噪声，提高微弱地震事件的监测能力，需要将地震计安装到足够深度才行 这个深度需要结合当地的地学勘测资料，达到地下岩性发生明显变化的地层，比如日本 台网在东京附近厚沉积层台站建设 过 程 中，部 分 台 站 深 度 达 到 了 多 米（，）另外，我们通过对不同型号宽频带地震仪的安装效果比对，表明对于 以内的安装深度，在较合理的保温隔离防护措施后，背景噪声水平差距大约在 以内，垂直向效果基本和安装深度无关，水平向随深度增加背景噪声略为降低“浅井式”地震计相对传统仪器略有优势，在水平向优势更为明显，结合其安装及拆卸简单、台站占地小等优点，这种仪器以及观测方式代表了未来宽频带地震观测的发展方向 目前国内外各个宽频带地震仪生产商都正在或者已经推出了各自的“浅井式”地震仪 这里要说明的是，尽管如本文所示，我们可以将传统“摆墩式”地震计按“浅井式”方式进行安装，但实际中不太建议这样做，主要基于以下原因：浅井式地震计在设计时充分考虑了直埋后在各种复杂介质中的腐蚀、水淹等问题，仪器防护效果有特殊考虑设计，长时间运行稳定性相对较高；直埋或浅井观测时地震计的倾斜度不好控制，浅井式地震计一般把可倾斜范围设计较大，比如在倾斜 甚至有的到 时仪器仍能正常工作，相对而言大部分传统宽频带地震仪可倾斜范围多在 以内最后，通过宽频带、短周期以及节点式三类不同类型地震计在软土层地区的的安装效果比对表明：在高频段部分，三类地震计的背景噪声水平都远高于 曲线，噪声水平基本相当，用三类地震仪中任何一种在此频段范围观测数据差异不大；在低频段部分，宽频带地震仪比短周期和节点式仪器有很大优势，其中垂直向优势相对水平向更大 这个结果表明：在软土层地区针对不同观测目的需要选择合适的地震仪如果以近场区域地震监测为目的，比如震后应急观测等任务，在地表观测环境条件很差的条件下完全没有必要采用最高性能的宽频带地震仪，由于节点式地震仪在便携性、安装方法、仪器成本方面优势较大是更好的选择；如果以远震监测为目标，宽频带地震仪有非常大的观测优势，但是必须要特别注意保温隔离防护以及其他降噪措施 由于宽频带地震仪仅在数秒甚至数十秒以下低频段有较大优势，仅当台站距离较远如数公里以上才能发挥这种优势，因此在实际观测中，我们推荐采用节点式仪器作为公里级以下台间距的观测设备，随台间距增加逐步加入短周期、宽频带观测设备，这种组合方式才能最大限度发挥不同类别地震仪的各自优势致谢感谢责任编委和两位匿名审稿人提供的建设性修改意见，感谢北京市地震局李文生、胡毅涛等同志在实验期间给与的大力帮助，感谢北京市地震局测震台网提供的 深井地震计的观测数据 ，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，：，（）：，（）：，期许卫卫等：软土层地区地震仪安装效果比对研究 ，（）：，（），（）：，：，：，（）：，（），（）：，（），（）：，（），（）：，：，（）：，：，（），（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，“”，（）：，：，（）：，（），（）：，（），：，（）：（），（）：，：，（），（）：，：，（），（）：，：，（），（）：，：，（）：附中文参考文献葛洪魁，陈海潮，欧阳飚等 流动地震观测背景噪声的台基响应地球物理学报，（）：，：刘瑞丰，高景春，陈运泰等 中国数字地震台网的建设与发展地震学报，（）：刘政一，袁松湧，许卫卫等 宽频带流动地震台站中地震计浅井式安装研究地震地磁观测与研究，（）：宋丽莉，杨微，葛洪魁等 中国地震科学台阵流动观测现状及进展国际地震动态，（）：许卫卫 地震观测数据质量控制研究综述地球物理学进展，（）：，：许卫卫，袁松湧，艾印双等 多通道相关分析用于宽频带地震仪自噪声检测地球物理学报，（）：，：张明辉，武振波，马立雪等 短周期密集台阵被动源地震探测技术研究进展地球物理学进展，（）：，：周启明，沈旭章 噪声环境下宽频带与短周期地震仪观测资料对比分析地球物理学进展，（）：，：（本文编辑张正峰）