2021, Vol. 41
2. 北京市地震局，北京市苏州街28号，100080
在固定地震台站的观测系统中，常常将三分向宽频带或甚宽频带地震计与24位地震数据采集器组合起来作为主要的地震观测仪器[1]，而地震计是地震观测系统的核心设备之一，也是检测真实地面运动的关键设备。为了能够检测到极其微弱的真实地面运动，要求地震计具有较低的自噪声水平，并且长期稳定工作[2-4]。目前，地震计的自噪声水平在部分频段低于新的地球低噪声模型，且不同厂家生产的地震计自噪声各不相同[5]。甚宽频带地震计是一种由机械摆体和放大反馈电路组成的机电一体化传感器，支撑甚宽频带地震计质量块转动的关键部件簧片通常采用3J58恒弹性合金材料加工而成，其主要成分是镍和铁，容易受磁场影响而引起观测数据质量发生变化。实验验证，采用大背簧片支撑质量块转动的甚宽频带地震计垂直分向受到的干扰最大[6]。
地震台站的观测能力范围由地震观测系统的动态范围和台站环境的背景噪声水平决定。在地震观测台站的建设过程中，台基背景噪声都经过了严格的勘选测试，避开了车辆、飞机、地铁、工厂等干扰源，但随着城市的快速发展，部分台站周边新修了高铁或地铁。我国地铁轨道牵引供电网络采用DC750 V接触轨道供电或DC1500 V架空接触网供电，供电接触网能够产生电磁场，进而对一定范围内的磁性物体产生干扰[7]。本文实地测试了地铁电磁场对大背簧片支撑质量块转动的甚宽频带地震计三分向的影响。
1 测试环境北京地铁燕房线是中国首条自主研发的全自动运行示范线路，全长14.4 km，每日运行时段为05:00~23:00，周口店地震台与该线路的燕山地铁站和房山城关地铁站的距离都约3 km。
周口店地震台山洞内的常年温度为15.0 ℃，山洞内有专门的接地网和北斗授时系统。山洞内同一观测仪器墩上严格按照指北方向安装了2台垂直(UD)、东西(EW)和南北(NS)三分向正交的甚宽频带地震计，其型号和性能指标完全相同，2台地震计之间间隔约0.2 m，都连接到同一台6通道数据采集器上，其中1号甚宽频带地震计(1号地震计)安装了坡莫合金屏蔽罩，2号甚宽频带地震计(2号地震计)没有安装。2台地震计都具有同样的保温罩和密封条件，工作频带范围都为120 s~50 Hz，灵敏度为2 000 V/m·s－1；数据采集器的分辨率为24位，量程为±2.5 V，采样率为100 Hz，通过北斗系统授时[8]。2台地震计的密封壳体与调平底脚导通，即与大地导通，地震计到数据采集器的线缆有多层屏蔽。
2 评估方法地震计记录到的噪声包含地震计的自噪声和观测环境的背景噪声，其中观测环境的背景噪声又包括磁场、地电场、微震、气压、风速、温度及人文环境等。全球著名的STS-1甚宽频带地震计的垂直分向内部安装了坡莫合金屏蔽罩，对地震计周围的磁场干扰具有一定的屏蔽作用[9]。在本次测试过程中，2台甚宽频带地震计除了有无磁屏蔽罩外，其他测试条件完全相同，因此除了受到的磁场干扰不同外，其他观测环境背景噪声是相同的。
在研究地球高噪声模型(NHNM)和低噪声模型(NLNM)时，Peterson[10]采用全球地震台网台站记录到的背景噪声来计算加速度自功率谱密度(PSD)，单位为m2 ·s-4 ·Hz-1，并以分贝(dB)表示。假设随机信号x(t)的自相关函数为Rx(τ)，其Fourier变换为[11]：
| $ S_{x}(f)=\int_{-\infty}^{\infty} R_{x}(\tau) \mathrm{e}^{-\mathrm{j} 2 \pi f \tau} \mathrm{d} \tau $ | (1) |
定义Sx(f)为x(t)的自功率谱密度或称为自功率谱，Sx(f)为信号x(t)的平均功率相对于频率的分布函数，如果噪声信号中含有某种频率成分，可以从自功率谱中看到。
地球自噪声模型已经成为全世界公认的衡量地震观测台站台基背景噪声的标准，在台站的勘选测试过程中，将新勘选台站的背景噪声与全球模型相对比。为了评估地铁电磁场对甚宽频带地震计观测的影响，选取连续24 h无震的观测数据，计算每小时的加速度自功率谱密度，对比2台地震计记录到的背景噪声变化，并与地球的噪声模型(NHNM和NLNM)进行对比。
3 评估结果 3.1 垂直分向结果以h为单位，用Icheck软件[12]计算了2台地震计垂直(UD)分向连续24 h背景噪声的PSD，具体见图 1。
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蓝线为1号地震计, 红线为2号地震计, 黑实线为NLNM, 黑虚线为NHNM 图 1 垂直分向24 h的PSD Fig. 1 PSD of the vertical components in 24 hours |
从图 1可以看出，2台地震计在01:00垂直分向的PSD基本相当，并且在第100 s附近都接近地球低噪声模型(NLNM)，表明2台地震计都有记录微弱震动信号的能力；在05:00~23:00时段，2号地震计的PSD在10~1 000 s频带范围内都维持在较高水平，有时甚至接近地球高噪声模型(NHNM)，而1号地震计的PSD也在10~1 000 s频带范围内有所上升，但明显低于2号地震计；而在0.1~20 Hz频带范围内，2台地震计垂直分向的PSD基本相同。在实验室测试中发现，外界磁场主要对甚宽频带地震计长周期观测数据的影响较大，而对短周期观测数据影响相对较小。2台地震计垂直分向24 h内每小时第100 s处的PSD值见表 1。
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表 1 2台地震计垂直分向在100 s处的PSD值 Tab. 1 PSD of 2 seismometers in vertical components at 100 s |
从表 1可以看出，在连续观测的24 h内，2台地震计的垂直分向在第100 s处的PSD最大差值为30.8 dB，最小差值为2.6 dB，平均差值为25.5 dB，变化趋势见图 2。
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图 2 垂直分向100 s处的PSD值 Fig. 2 PSD of vertical component at 100 s |
结合表 1和图 2可以看出，在05:00~23:00(地铁运行期间)时段内，2台地震计垂直分向在100 s处的PSD明显高于00:00~04:00时段，平均高出28.4 dB。
3.2 水平分向同样用Icheck软件计算了2台地震计连续24 h东西(EW)和南北(NS)分向的PSD，结果发现，2台地震计水平分向的PSD在00:00大致相同，具体见图 3。
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蓝线为1号地震计, 红线为2号地震计, 黑实线为NLNM, 黑虚线为NHNM 图 3 2台地震计水平方向00:00和12:00的PSD Fig. 3 PSD of 2 seismometers in horizon components at 00:00 and 12:00 |
与垂直分向类似，2台地震计的水平分向在00:00~04:00时段的PSD明显低于05:00~23:00 (地铁运行期间)时段。在05:00~23:00时段内，2号地震计的PDS在10~1 000 s频率范围内都维持在较高水平，而1号地震计的PDS在10~1 000 s频带范围内有所上升，但不高于2号地震计。2台地震计东西分向的PSD在0.1~20 Hz频带范围内基本相同，南北分向的PSD也基本相同，水平分向在每小时第100 s处的PSD值变化趋势见图 4。
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图 4 水平分向100 s处的PSD值 Fig. 4 PSD of horizon components at 100 s |
由图 4可知，在地铁运行期间，2号地震计东西分向在100 s处的PSD比1号地震计平均高出13.4 dB，南北分向的PSD比1号地震计平均高出13.9 dB。计算2台地震计三分向每小时第100 s处的PSD差值，结果见图 5。
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图 5 2台地震计三分向100 s处的PSD差值 Fig. 5 The PSD difference at 100 s of 2 seismometers in 3 components |
从图 5可以看出，在地铁运行期间，2号地震计三分向在100 s处的PSD都比1号地震计高。
3.3 交叉对比测试将周口店地震观测台站1号地震计的屏蔽罩取掉，并罩在2号地震计上，其他观测条件不变，同样选取连续24 h无震的观测数据进行处理。与交叉对比前的测试结果类似，2台地震计垂直、东西和南北分向在0.1~20 Hz频带范围内的PSD值基本相同；地铁运行期间，1号地震计三分向在10~1 000 s频带范围内的PSD都高于2号地震计，每小时第100 s处的PSD差值见图 6。
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图 6 2台地震计三分向交叉测试100 s处的PSD差值 Fig. 6 The PSD difference at 100 s of 2 seismometers in 3 components with cross-tested |
从图 6可以看出，在地铁运行期间，1号地震计三分向在100 s处的PSD都比2号地震计高；1号地震计垂直分向的PSD比2号地震计平均高出28.2 dB，东西分向平均高出13.5 dB，南北分向平均高出9.4 dB。
2次屏蔽测试结果显示，2台地震计垂直分向的PSD平均相差28.3 dB，东西分向平均相差13.5 dB，南北分向平均相差11.6 dB。
4 结语1) 地铁运行期间，2台甚宽频带地震计记录到的环境背景噪声在10~1 000 s频带范围内都有明显升高，未加磁屏蔽地震计的环境背景噪声明显高于带磁屏蔽地震计；在0.1~20 Hz频带范围内，2台甚宽频带地震计记录到的环境背景噪声水平基本相同。对于相同强度磁场作用在甚宽频带地震计簧片上产生的加速度，频率越低加速度值越大，频率越高加速度值越小，再加上海洋脉动的存在，地球自噪声在14 s附近频带出现小尖峰，在5 s附近频带出现大尖峰，地铁电磁场在10 s附近频带范围内对地震计的影响淹没在海洋脉动中，因此地铁磁场对甚宽频带地震计长周期观测频带范围的影响较大，而对短周期观测频带范围的影响较小，这与实验室模拟测试的结果一致。
2) 地铁运行期间，与加磁屏蔽罩的地震计相比，未加磁屏蔽罩地震计的垂直分向在每小时第100 s处的PSD平均高出28.4 dB，东西分向平均高出13.4 dB，南北分向平均高出11.6 dB，表明地铁磁场对甚宽频带地震计垂直分向的影响高于水平分向。
3) 要提高观测设备的信噪比，需确保记录到的地面运动真实可靠，也需要选择低噪声的地震计作为观测仪器，更需要考虑地铁等电磁场对地震观测的影响。如果地震观测台站有电磁场干扰，需要加装磁屏蔽罩来降低干扰。地震计生产厂家需要用低磁性材料来研制低自噪声的甚宽频带地震计，以确保其能长期稳定工作。
4) 地铁电磁场是否对所有类型的甚宽频带地震计都有影响及影响程度有多大，还需要进行进一步研究。
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2. Beijing Earthquake Agency, 28 Suzhou Street, Beijing 100080, China