0 引言

地震观测的主要目的是，完整记录地震发生时的地面运动波形，为地震监测、地震预报、地球内部结构研究及防震减灾事业提供高质量观测数据。随着背景场测震台站建设及预警台站的规划完成，甚宽频带地震台大幅增加，今后将建设成为甚宽频带及超宽频带数字地震台网（安全，2017），地震观测数据质量将不断提高。

随着地球动力学和数字地震学的不断发展，长周期地震观测仪器得到广泛应用，对地震台站的观测环境提出更为苛刻的要求。《中国数字测震台网技术规程》指出，安装宽频带地震计的观测室应设有保温防潮密封隔离间或隔离带，湿度小于95%，扰动气流速度低于5.0 km/h，且日温度变化小于2℃，年温度变化小于15℃（赵龙梅等，2017）。若温度、湿度指标超出仪器正常工作范围，容易造成记录中断或失常，严重影响观测数据质量（王晓蕾，2012）。其中，温度对精密测量仪器的材料性能、元件等参数的影响普遍存在，且不可忽视，是地震学家关注的热点（王晓蕾，2012）。尤其在内蒙古自治区，日温度和年温度变化均较大，且地震计保温措施较少，大多未安装保温罩，难以达到规范要求，地震记录不可避免地受到影响。

对地震计安装保温罩是一项必不可少的有效措施，如：谢剑波等（2007）在中山地震台开展宽频KS2000M地震计（60 s—50 Hz）隔热防护试验，对数据进行功率谱密度分析，结果显示，隔热处理前记录存在比较大的长周期噪声（周期大于10 s），而隔热处理后记录在长周期频段平静下来。文中收集内蒙古测震台网大沁塔拉地震台地震计保温防护处理前后同长度观测数据，计算三分向台基噪声功率谱密度，分析保温罩对地震观测数据质量的作用。

1 观测环境变化 1.1 台站环境

内蒙古测震台网大沁塔拉地震台（台站代码DQL）建于2010年，地震计摆房为地下室（图 1），初建时沿山顶下挖约4 m，摆房深3 m，摆墩建在地下基岩上（花岗岩）。

地下温度可分为外热层（变温层）、常温层（恒温层）和内热层（增温层），外热层的温度主要来自太阳辐射，随季节、昼夜的不同而不同，随天气的变化而变化（中国地震局监测预报司，2017）。大沁塔拉地震台位于外热层，地震计应安装在地下恒温层，但因山顶施工难度大，经验不足，防水、防潮、保温等处理措施不足，摆房的温度、湿度变化较大，地震计安装深度不够，且未使用保温罩，记录数据受环境温度影响较大。

1.2 加装保温罩

为消弱环境温度影响，2017年2月16日对大沁塔拉地震台地震计加装保温罩（图 2）。地震计采用双层保温，其中内层保温罩使用直径310 cm、高度400 cm的PVC管，外层保温罩使用直径500 cm、高度550cm的PVC管，管顶观察口用密封盖盖住，摆线经底部所留穿线口穿过，使用结构胶将保温罩与摆墩粘住，以达到密封效果。

2 数据处理

选取保温罩加装前2017年2月16日00时至03时与加装后2017年2月17日00时至03时无地震记录观测数据，使用童汪练设计的台基噪声计算软件进行RMS值计算，绘制台基噪声功率谱密度（PSD）曲线，对比分析保温罩加装前后对地震计的影响。

2.1 台基噪声计算 2.1.1 RMS计算

实测地脉动速度值计算公式为

$v=\frac{N \times D}{S}=\frac{N \times U}{R \times K \times S}$

(1)

式中，v为实测地脉动速度值（单位：m/s）；N为实际记录背景噪声值（单位：counts）；D = U/(R×K)，为数采转换因子（单位：V/count）；U为输入峰值电压（单位：V）；K为数据采集器实际工作时的增益；R为仪器分辨率（单位：counts）；S为地震计工作灵敏度（单位：V·s/m）。

地脉动噪声均方根值RMS可以衡量台基背景噪声水平，计算公式为

${\rm{RMS}} = \sqrt {\frac{{\sum\nolimits_{i = 1}^n {{{\left( {{v_i} - v} \right)}^2}} }}{n}} $

(2)

其中：$v = \frac{1}{N}\sum\nolimits_{i = 1}^n {{v_i}} $，为实测地脉动速度值（单位：m/s）；v_i为某点实测地脉动速度值（单位：m/s）。

2.1.2 PSD计算

设时间函数ν(t)为地震记录中速度表示式，应用傅里叶变换，将其变换到频率域，得到F(ω)，|F(ω)|²叫做速度功率谱概率密度，也就是PSD_ν。傅里叶变换后（由傅里叶变换性质）速度功率谱概率密度PSD_ν与加速度功率谱概率密度PSD_α的转换公式为

${\rm{PS}}{{\rm{D}}_a}(\omega ) = {\omega ^2}{\rm{PS}}{{\rm{D}}_v}(\omega )$

(3)

其中：ω = 2πf，PSD_ν (ω)的单位为（m/s）²/Hz；PSD_α的单位为（m/s²）²/Hz。

2.2 数据分析

为测试保温罩对地震计的作用，观测并记录保温罩加装前后，即2017年2月16日和17日00时至03时的地震计温度，绘制温度变化曲线，见图 3。由图 3可见，保温罩加装前，地震计温度3小时内变化6℃，幅度较大；保温罩加装后，地震计温度3小时内变化在1℃以内，之后温度趋于稳定，符合《中国数字测震台网技术规程》。选取地震计在2个时段的观测记录，计算PSD值，得到保温罩加装前后地震计记录的PSD对比曲线，见图 4。

由图 4可见，地震计保温前后，大沁塔拉地震台PSD曲线在0.1—50 Hz频带内基本相同，而在0.001—0.1 Hz频带内PSD曲线相差较大，其中保温处理前记录数据存在较大的长周期噪声，而保温处理后记录数据在长周期频段比较平静。可见温度可能是影响地震计长周期信号（10—1 000 s）的主要因素，且对水平分量影响较大，加装保温罩效果后，地震计输出数据得到保障。

3 结束语

内蒙古地区昼夜温差较大，地震台站温度变化是影响观测数据质量的主要因素，要获取高质量地震观测数据，必须对地震计采取良好的保温措施。由大沁塔拉地震台保温罩加装前后的地震数据变化可知，保温效果良好，达到预期目标。

双层保温罩具有保温特性好、安装方便、廉价等特点，值得推广。需注意，保温罩必须密封，以保障地震计内部温度达到平衡，有效提高观测数据质量。