2024, Vol. 44
2. 中国地震局地震研究所，武汉市洪山侧路40号，430071;
3. 中国地震局地震大地测量重点实验室，武汉市洪山侧路40号，430071;
4. 武汉引力与固体潮国家野外科学观测研究站，武汉市洪山侧路40号，430071
20世纪90年代，中国地震局地震研究所研制了我国第一代超宽频带地震计JCZ-1，其主要技术指标达到当时国际先进水平，实现了宽频带、大动态范围的目标观测，在“九五”国家数字地震台网建设中得到应用[1-2]，获得1999年度中国地震局科技进步一等奖和2002年度国家科技进步一等奖。之后，研发团队将JCZ-1升级为JCZ-1T超宽频带地震计(第二代)，并在“十五”国家数字地震台网建设中得到应用[3-4]。2017年研发团队成功研制出JCZ系列超宽频带地震计的第三代产品JCZ-360。JCZ-360超宽频带地震计的噪声较JCZ-1、JCZ-1T超宽频带地震计得到有效改善，仪器性能也更加稳定。
1 地震计优化设计通过理论分析及样机研究，并结合大量实验，确认JCZ-1T超宽频带地震计的噪声主要来源于外界干扰引起的垂直向扰动和气压干扰引起的水平向波动[5]。故仪器研发团队提出优化簧片系统结构和选择基于气压平衡原理的技术方案。经过多次攻关实验，对垂直向摆系结构进行温控平衡改进设计，对水平向防护结构进行全新设计，完成了超宽频带地震计摆系结构、材质选用和反馈电路的优化设计。实验结果显示，仪器噪声得到显著改善。
JCZ-360超宽频带地震计系统结构包括三分向(UD、EW、NS)地震传感器、反馈电路控制盒、UD向温度控制盒和AC-DC电源机箱(图 1)，并将JCZ-1T超宽频带地震计三分量传感器一体化安装改进为以正交形式分体安装，且水平向采用新型气压抑制装置。JCZ-1T超宽带地震计将三分向传感器安装在同一底盘上，但水平向长周期噪声仍然较大。JCZ-360超宽频带地震计将水平向摆体分别安装在厚30 mm的不锈钢底盘上，加装气压抑制装置，很大程度上缓解了底盘受大气压影响造成的变形，有效抑制了大气压变化对仪器的影响。UD向采用具有高精度恒温功能的环境保护装置，采用内、中、外3层恒温方式，其中中间层采用特制杜瓦瓶，以减小温度变化对地震计UD向观测数据的影响。同时，采用高磁导率的mumetal软磁合金作为磁屏蔽系统，以减小UD向摆体受磁场干扰产生的低频扰动，并改进摆锤遥控锁、松摆、调零、启动标定等的控制电路。仪器是一个基于力平衡式电子-机械反馈系统，当地壳运动信号传递至地震计框架后，惯性质量块与框架的相对位移被检测出来，并在放大电路中产生与地震动加速度成正比的电流，同时反馈给线圈-磁体结构，从而产生与质量块惯性力相平衡的力。JCZ-360超宽频带地震计的观测频带为50 Hz~DC，且各分向均有50 Hz~360 s速度(BB)平坦输出与360 s~DC加速度(LP)平坦输出2个输出通道，覆盖了从短周期地震波至固体潮汐的宽广频带[2]。
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图 1 JCZ-360超宽频带地震计系统结构 Fig. 1 Structure of JCZ-360 ultra broodband seismometer system |
JCZ-360超宽频带地震计研制成功后，通过了中国地震局原地壳应力研究所专家组测试及中国地震台网中心地震监测设备入网定型测试，于2018~2023年先后在武汉地震台、金寨地震台、白家疃地震台和马陵山地震台安装运行。仪器运行期间，不仅清晰记录到全球发生的7级以上地震，同时记录到台站周边发生的大量小震及微震；仪器LP长周期通道连续记录到固体潮及地球自由振荡等信息。
2.1 自噪声测试武汉珞珈山地震台安装有超宽频带地震计JCZ-360和JCZ-1T，可利用观测数据评估2种仪器的性能[6]。仪器自2018-08-22安装以来开始连续记录，由于台站山洞摆房观测环境的限制，2台地震计没有安装在同一摆墩上，而是安装在同一摆房的2个墩子上，但安装方位均采用寻北仪统一测定确认。JCZ-360数采为Q330HR，JCZ-1T数采为EDAS-24GN，2种数采均为24位，采样率均为100 Hz，授时均采用外接GPS。将Q330HR记录的miniseed数据与EDAS-24GN记录的dat数据转换为相同格式进行处理和分析。通过提取安静时段连续1 h的波形数据，对地震计自噪声进行分析(图 2)。结果显示，JCZ-360三分向低频端(≥80 s)自噪声较JCZ-1T低5~20 dB，低频部分自噪声水平得到改善，具体指标见表 1(单位dB)。
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图 2 JCZ-360和JCZ-1T三分向功率谱及自噪声对比 Fig. 2 Comparison of three directional power spectra and self-noise between JCZ-360 and JCZ-1T |
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表 1 JCZ-1T和JCZ-360在低频端的自噪声结果 Tab. 1 Self-noise results of JCZ-1T and JCZ-360 at low frequencies |
为对JCZ-360超宽频带地震计进行地震监测设备入网定型测试，2019-09在白家疃地震台测试基地进行周期、阻尼、幅频特性(激励线圈标定)和温、湿度范围等实验室指标测试，2020-10在山东马陵山地震台进行自噪声和长期稳定性等台站比测指标测试，2021-11在中国地震局第一监测中心进行满量程、灵敏度、灵敏度误差、线性度误差和幅频特性等振动台测试。结果表明，仪器的各项指标参数均达到超宽频带地震计定型指标技术要求，关键指标结果见表 2。2022-04 JCZ-360超宽频带地震计通过了中国地震局地震监测设备定型测试。
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表 2 主要关键技术指标测试结果 Tab. 2 Main key technical indicators test results |
山东省地震局马陵山地震台是国家级地震仪器比测基地，台站山洞年平均温度为16.0 ℃，年温差小于0.3 ℃，周围无工厂和采矿等干扰，监测环境优越。2020-09在马陵山地震台对3套JCZ-360超宽频带地震计进行定型测试，选取测试期间3套地震计记录的地震数据进行分析。图 3分别为3套JCZ-360超宽频带地震计记录的2020-10-20 04:54美国阿拉斯加州以南海域M7.5地震和2020-10-30 19:51希腊佐泽卡尼索斯群岛M6.9地震原始三分量波形数据。结果表明，3套地震计记录的2次地震信号的振幅和相位几乎重合，一致性很好。
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图 3 马陵山地震台3套JCZ-360超宽频带地震计记录的原始地震信号波形 Fig. 3 The original seismic signal waveform recorded by three sets of JCZ-360 ultra broadband seismometers at Malingshan seismic station |
为进一步验证仪器的一致性，计算3套地震计记录到的2次地震信号的傅里叶频谱。图 4显示，3套地震计信号的傅里叶频谱在各频段上的振幅吻合度很好，仅在高频部分存在细微差别，表明3套JCZ-360超宽频带地震计的一致性很好。
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图 4 马陵山地震台3套JCZ-360超宽频带地震计记录的原始地震信号的傅里叶频谱 Fig. 4 Fourier spectra of the original seismic signals recorded by three sets of JCZ-360 ultra broadband seismometers at Malingshan seismic station |
JCZ-360超宽频带地震计BB通道观测频带范围为50 Hz~360 s，能够记录到高频地震信号和低频地脉动信号，对于360 s以下的低频信号，振幅会被压制。而LP通道的观测范围为360 s~DC，较完美地解决了BB通道低频信号振幅被压制的问题。对2020-11-02~12-16金寨地震台JCZ-360超宽频率地震计LP通道记录的观测信号进行分析，结果见图 5，图中红色为LP通道UD向记录的原始信号，黑色为利用地震前兆信息系统EIS2000计算的理论重力固体潮信号，绿色为去除漂移后的固体潮信号。可以看出，LP通道UD向信号与理论重力固体潮信号的相位吻合，表明LP通道能够记录到固体潮汐信号。图中记录的43.5 d的固体潮信号大约漂移了145 μGal，相当于每月(30 d)漂移0.1 mGal，而一般重力仪每月最小漂移量为0.3 mGal，显然JCZ-360超宽频率地震计LP通道记录的固体潮漂移量更小。
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图 5 金寨地震台JCZ-360超宽频带地震计LP通道记录的UD向重力固体潮信号 Fig. 5 UD direction gravity tide signal recorded by JCZ-360 ultra broadband seismometer LP channel at Jinzhai seismic station |
地球自由振荡通常是由大地震、火山喷发及人为地下核爆等剧烈运动引起的，其时间尺度较大，产生的震动信号周期较长，一般地震仪难以记录到如此低频的信号，通常利用重力仪进行监测和记录[7-8]。JCZ-360超宽频带地震计具有较宽的观测频带范围，能够记录到极低频地脉动信息，可通过对比其在地球较平静时期和地震后的背景噪声信号，研究其记录地球自由振荡的能力。选取金寨地震台JCZ-360超宽频率地震计记录的2020-10-20 04:54美国阿拉斯加州以南海域M7.5地震前后的背景噪声信号，计算地震前后背景噪声功率谱密度，图 6展示了差异较大的1~6 mHz的结果。可以看出，相比于震前平静时期，震后背景噪声中明显增加了一些低频信号，尤其在2.5~3.5 mHz之间，即285~400 s之间。对比前人研究[9-11]可知，这些低频信号为地震后地球自由振荡信号。由此表明，JCZ-360超宽频带地震计能够记录到地震后的地球自由振荡。
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图 6 JCZ-360超宽频率地震计记录的地震前后背景噪声信号功率谱密度对比 Fig. 6 Comparison of PSD of background noise signal recorded by JCZ-360 ultra broadband seismometer before and after earthquake |
1) JCZ-360超宽频带地震计在低频端(≥80 s)自噪声较JCZ-1T超宽频带地震计减小5~20 dB。
2) 不同JCZ-360超宽频带地震计一致性好，同址观测仪器的波形特征非常一致，各主要震相相位及振幅的一致性也很好，满足地震台网监测的需求。
3) JCZ-360超宽频带地震计稳定性好，可实现全频带地震观测，低频端延伸至固体潮汐，可记录固体潮汐及地震激发的各频带地震波，对于大震速报、地震波研究、震源分析、地球结构解析、地震预报及震后趋势判定等意义显著。
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2. Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China;
3. Key Laboratory of Earthquake Geodesy, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China;
4. Wuhan Gravitation and Solid Earth Tides, National Observation and Research Station, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China