0 引言

地球表面的微小振动，如风、海浪、气温变化、人类活动等，均会对地震观测造成干扰，人类活动影响尤其明显。随着城市化进程加快，地震监测空间逐步压缩，地表观测面临严峻挑战，井下观测逐渐成为发展趋势。井下观测具有恒温、气流相对稳定等优势，可有效衰减地表各类干扰，提高观测信噪比。目前，对于井下地震计地震监测能力的研究，主要集中于地震台网监测能力分析（洪星等，1999；李广平等，2001；郝春月等，2006；曹舸斌等，2019），或者利用单台数据进行分析，如：林建生等（2010）利用泉州地震台CTS1-EDASC24甚宽频数字地震仪S波幅度与噪声背景值的比较方法，分析单台地震监测能力；胡米东（2013）对江苏省溧阳地震台“十五”期间建设的部分CMG-3TB井下甚宽频地震计开展横向对比研究，但未深入探讨差异缘由。

“十五”计划以来，江苏省地震局陆续建设井下地震台，改造多台井下地震计，目前采用北京港震机电技术有限公司研制的GL-S60B宽频带井下地震计进行观测。一般，同款井下地震计出厂参数（周期、阻尼、灵敏度）差距不大，为进一步了解井下地震计性能，提升日常运行效率，选取井下地震计运行率良好、标定结果正常的10个地震台记录，对比分析各地震计地震监测能力，讨论监测能力差异与台基条件、安装方式等因素的内在联系，以便为今后井下地震计台站建设提供一定理论支持。

1 井下地震台站概况

江苏省测震台网目前拥有测震台站72个，其中地面台43个，井下台29个，台网密度基本为台站/30 km，2018年台网记录连续率达98%以上。江苏省地震局2005年安装8个英国Guralp井下地震计开展井下地震观测，经后续背景场、加密及仪器更新改造等项目的实施，陆续在沿海覆盖层较厚地区安装多台井下测震设备。由于安装的特殊性，井下观测仪器维修周期较长，连续率普遍低于地面台站。考虑到仪器型号、性能参数等的一致性，选取2018年数据连续率99.6%以上的10个井下地震台站，即响水、滨海、射阳、建湖、盐城、金湖、东台、高邮、泰兴、启东台观测数据，从背景噪声及功率谱密度函数，对比分析各地震计监测能力。各台井下地震观测系统脉冲及正弦标定结果正常，配置如下：EDAS-24GN数采+ GL-S60B地震计。选取的井下地震台分布见图 1。

地震计安装信息见表 1。由表 1可知，所选台站中，除丹阳台安装深度175 m，其他台站井下地震计安装深度基本集中在400 m以上；丹阳、高邮、盐城及泰兴台地震计采用卡壁式安装，其他台站采用落底安装；安装层岩性有泥土、亚粘土、泥岩及白云岩4种，井斜均在3°以内，符合仪器运行标准。通过后续对井下地震台站监测能力的计算分析，认为井下地震台监测能力与井下台站的安装方式及台基条件之间存在内在联系。

2 台基噪声及功率谱密度

为计算江苏省2018年各井下地震计理论监测能力，需计算各井下地震台真实地脉动噪声及功率谱密度。

由于地脉动噪声的随机性，通常采用统计特征量RMS值反映噪声幅值高低，各台站地脉动噪声结果见表 2，可知：金湖、滨海台为Ⅰ类台，丹阳、响水、高邮、建湖、启东、盐城及泰兴为Ⅱ类台，东台为Ⅲ类台。针对台基地脉动噪声进行频谱分析，绘制一定频段内地脉动加速度功率谱概率密度函数图（PDF），其中地脉动加速度功率谱密度单位为m²/s⁴/Hz，概率密度函数以颜色区分大小，并连接各频点最大概率值绘制最大概率曲线，结果见图 2。

原始数据扣除观测系统仪器响应，得到背景噪声功率谱绝对量值。美国地质调查局（USGS）（Peterson，1993）统计全球正常地脉动噪声，得到全球公认的地球高噪声新模型（NHNM）与地球低噪声新模型（NLNM），成为评价地震台站噪声水平的标准，即地震计记录噪声功率谱密度介于二者，说明当地地脉动噪声处于正常水平。由图 2可见：①除启东台，其他9个井下地震计功率谱密度均处于地脉动噪声正常水平；②启东台部分低频段噪声高于地球高噪声新模型，查看原始波形发现该频段存在不规律性干扰，通过地震计标定及供电设备更换等措施排除仪器故障原因，低频干扰应源于外界环境；③10个井下地震计高频段均处于高低地噪声新模型之间，说明各台站不存在明显高频震动干扰。

3 地震监测能力评估 3.1 理论监测能力计算

目前，计算地震计监测能力，首先需确定地震记录评判标准，清晰震相是其中一种直观标准。通常，地震S波最大幅值达到地脉动噪声值的4倍以上，观测系统可准确检测到此次事件，并识别初至震相（李克，2007）。为此，按S波最大振幅大于等于4倍地脉动噪声值选取地震事件，根据大量震例，统计不同范围震中距对应的S波最大振幅相应周期，利用近震震级公式，用量规函数反推单台控制距离。

由表 1可知，10个井下地震计参数基本一致，除丹阳台外，安装深度集中在400 m以上。统计10个井下地震计记录的地震事件，发现地震S波最大振幅相应周期与震中距范围成正比关系，也就是，震中距越大，对应周期时间长，具体结果见表 3。按照表 3给出的数值，代入公式M = log (A/T) + σ (Δ)，计算相应震级，对照量规函数表，反推10个地震台井下地震计理论地震监测能力，结果见表 4。

3.2 理论与实际监测能力对比

在选取的10个地震台站中，仅高邮、盐城为省属台站，具有地震编目职能，故以高邮、盐城台井下地震计记录为例，对比分析理论与实际地震监测能力，以验证理论地震监测能力计算结果的合理性与可靠性。

整理高邮、盐城台2018年地震目录，根据表 4给出的理论监测能力，筛选理论监测范围内发生的地震事件，绘制理论监测地震震中分布，见图 3。同理，以S波最大振幅为地脉动噪声4倍为判别标准，筛选实际监测地震事件，绘制实际地震震中分布，见图 4。高邮、盐城台2018年理论监测与实际记录地震统计结果见表 5。

由图 3、图 4及表 5可知：高邮、盐城台理论监测与实际记录地震震中分布基本一致；2个台站实际记录地震事件数分别为理论地震事件数的90.5%和92.5%。因此，文中对于井下地震计近震范围内理论地震监测能力的计算，具有合理性与可靠性。

4 地震监测能力差异探讨

影响地震计监测能力的因素一般包括仪器安装方式及响应灵敏度、周围环境噪声水平、台基条件等。文中10个井下地震计型号相同，仪器响应灵敏度基本一致，且深井安装大幅衰减地面震动干扰，受周边环境噪声影响较小。因此，探讨各井下地震计监测能力差异与台基条件及安装方式之间的内在联系。结合表 1和表 4，按地震监测能力由高到低，统计各台站井下地震计安装方式及台基条件，结果见表 6。

由表 6可知，井下地震计监测能力与台基条件和安装方式具有良好的对应关系，体现如下：①井下地震计落底安装，泥岩台基的监测能力优于泥土台基；②井下地震计卡壁安装，白云岩台基的监测能力优于泥岩优于亚粘土。

采用固定变量方式，科学归纳三者的对应关系。由于大部分井下地震计安装在泥岩台基上，选定固定台基条件为泥岩对比三者的相关性。由表 6可知，当台基为泥岩时，落底安装的井下地震计监测能力优于卡壁安装。注意到，落底安装的建湖、启东台井下地震计监测能力比卡壁安装的高邮台低，在功率谱密度函数分析中，已知启东台存在不规律干扰，而建湖台监测能力与高邮台差异较小。

5 总结

针对江苏地区同频带井下地震计监测能力进行分析，理论与实际监测能力相互验证，保证理论计算的合理性及可靠性。根据计算结果，讨论各井下地震计监测能力差异与台基条件和安装方式之间的内在联系，发现落底安装方式整体优于卡壁安装方式，推测认为，井下地震计落底安装时，与构造接触更加紧密，设备工作环境更加牢固。从台基条件角度，可知构造越完整，相比于破碎的非固态层，监测能力越好。

希望本研究结果对井下台站开展相应地震监测工作具有一定帮助，为今后井下地震计台站建设提供一定理论支持，也为今后地震台网整体监测能力评估做出铺垫。