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  地震地磁观测与研究  2020, Vol. 41 Issue (6): 144-149  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.06.019
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引用本文  

王志宇, 郝春月. 美国TXAR台阵建设过程[J]. 地震地磁观测与研究, 2020, 41(6): 144-149. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.06.019.
WANG Zhiyu, HAO Chuny. The construction process of TXAR Seismic Array in USA[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2020, 41(6): 144-149. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.06.019.

基金项目

IMS台阵测试与评估(合同号:2016-1154)

作者简介

王志宇, 男, 中国地震局地球物理研究所在读硕士, 主要研究方向:地震台阵技术
美国TXAR台阵建设过程
王志宇 , 郝春月     
中国北京 100081 中国地震局地球物理研究所
摘要:TXAR台阵位于美国德克萨斯州,是IMS下属的主要地震台阵之一。该台阵将台站数目压缩到9个,采用无线遥测通讯方式,减少了建设和运行维护成本。其地震计室采用钻孔加套管的形式,具有安装简易、密封性好的优点。台阵采用无人值守设计,使用太阳能板、UPS电池和燃油发电机等多种供电方式,具有可靠稳定的性能。
关键词TXAR台阵    台阵建设    无线遥测    钻孔地震计    
The construction process of TXAR Seismic Array in USA
WANG Zhiyu , HAO Chuny     
Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China
Abstract: The TXAR Seismic Array is located in Texas, USA, and is one of the primary seismic arrays of the IMS. The design of the array reduces the number of sub-stations to nine and uses wireless telemetry communication, which greatly reduces the construction, operation, and maintenance costs. Seismometer vaults with boreholes and casing have the advantages of easy installation and good sealing. The array adopts an unattended design; it uses multiple power supply methods, including solar panels, UPS batteries, and fuel generators, and has reliable and stable performance.
Key words: TXAR Seismic Array    array construction    wireless telemetry    borehole seismometer    
0 引言

中国是全面禁止核试验条约组织(CTBTO)的缔约国之一,国际监测系统(IMS)为该组织提供核监测技术支持,其中地震学方法是目前监测核试验最成熟的手段(郝春月,2016)。TXAR台阵是IMS的主要地震台阵之一,编号PS46,于1993年初步建成,2001年通过CTBTO验收(www.ctbto.org/verification-regime/station-profiles)。高质量的地震记录需要安静的观测环境,而安静的观测环境往往地处偏僻,安装运行和维护成本高。因此,开发出成本低而可靠性高的台阵建设方案,是扩大地震监测能力的重要手段。

TXAR台阵开创性地将地震台阵台站数量从NORESS的25个压缩到9个,成为之后台阵建设的设计参考(郝春月,2007)。中国第一个建立运行的小孔径台阵是上海佘山地震台阵,子台数为16个(朱元清,2002),之后建立的兰州和海拉尔IMS台阵均由9个台站组成(郑重,2000)。TXAR台阵所在区域气候条件恶劣,地形复杂,在这次台阵建设过程中有诸多开创性工作,建立了较为完善的工作流程。但国内对该台阵认识度不高,回顾其建设过程,对国内地震台阵的建设工作具有参考价值。

1 台阵介绍

TXAR台阵位于美国德克萨斯州西南,埃尔帕索市拉吉塔斯镇东北16 km处。台阵的所有台站位置均位于白垩纪圣埃伦娜组裸露的石灰岩上,周围多山脊、山谷,地形崎岖。当地属于典型的沙漠气候,干燥少雨,植被以仙人掌和低矮灌木为主。一年中温度最低为-3℃,最高为36℃,因此一年四季台阵均可顺利运行。

拉吉塔斯地区地理位置偏远,远离常见人类活动和地震噪声源,是记录地震事件中微小信号的理想场所。早在1980年,拉吉塔斯地区就已建立一组地震台站,拥有台站建设经验,并于1988年进行升级,数据传输到中心记录设备(CRF)。

1993年,TXAR台阵建立了现有台阵雏形,由9个台站组成。本文所探讨的便是这一建设过程。1996年,CTBTO为确保全面禁止核试验条约的履行,建立了IMS(林鑫,2019)。1999年,TASR台阵升级数据采集系统与软件,添加了符合IMS要求的数据身份验证措施。

TXAR台阵的数据认证设备和全球通信基础设备(GCI)运行良好,数据可用率高(平均98%以上)。数据通过美国独立子网发送到国际数据中心(IDC),并长时间保持正常使用。符合IMS台阵要求的台阵需要至少拥有9个垂直向短周期地震计和1个三分向宽频带地震计(叶青,2016)。因其设施满足IMS台阵要求,TXAR台阵于2001年12月20日认证为IMS的主要台阵。如今,TXAR台阵成为拥有12个台站、覆盖周围3 km的区域性台阵。

TXAR台阵由南卫理公会大学(SMU)根据美国国防高级研究计划局的合同设计开发,运营成本由美国支付,由SMU负责运维和远程操作。台阵记录波形在SMU的网站上实时显示,可以随时访问检查运行状况(图 1)。

图 1 实时波形窗口 Fig.1 Real-time waveform window
2 台阵设计 2.1 几何形状设计

1992年建设的德国GERESS台阵由25个台站组成,其地震计安放在地下室,各子台以电缆连接进行通讯(刘瑞丰,2000)。地下室开挖及电缆导管埋设均需炸开坚硬的岩石,花费较大,而电缆铺设过长还会引起雷击风险。为此,TXAR台阵的建设参考并改进了GERESS台阵的设计方案,缩减子台数目,并采用无线通讯方式,使得整个工程花费大为降低。

若环境足够安静,适当减少子台数也不会影响台阵性能,而良好的地质条件比台阵布设严格的几何形状更重要。TXAR台阵采用类似NORESS的同心圆设计,由8个垂直向短周期地震计和1个三分向宽频带地震计组成(郝春月,2007)。在最初的设计中,1个中心台位于圆心,其余8个子台分布在直径分别为1 km和4 km的2个同心圆上。由于地形复杂,有些子台偏离设计位置,见图 2

图 2 TXAR台阵分布 Fig.2 TXAR Seismic Array distribution
2.2 台站堪址测试

在台阵设计前,必须进行现场调查测试。现场踏勘使用由3个台站(电缆通讯)组成的小型台阵,流动地震计埋深约60 cm,间距400 m。收集的数据表明,在安静环境下,背景噪声无相关性。在此次实验中,电缆遭受雷击,电涌保护板被击穿,电源、模拟前置放大器和部分数字电路元件烧毁被烧毁,证明电缆链接具有危险性,应予以避免或注意防雷。

在通讯系统测试中,设置2组互相对照的观测系统:一组电缆通信的数据采集器和安放于地下室的地震计,另一组使用无线遥测数据采集器和钻孔地震计。为保证测试的可靠性,与当时技术成熟的科学专家小组进行的第2次试验(GSETT-Ⅱ)的通信系统予以对照。经几周的比较,确认TXAR台阵的采样时间和数据是正确的,标定和仪器响应是合理且稳定的。

3 台阵建设 3.1 钻井工程

TXAR台阵由9个子台组成,均采用钻井方式布设,井深6 m,其中有一个井作对照使用,井深12 m。井孔要稍宽,以便向下粘接套管(图 3)。将厚1 m多的水泥灌入钻孔底部,形成钻孔地下室的“台基”。将套管垂直放入水泥中,待套管固定之后,套管外部浇筑水泥,顶部用盖子密封,防止雨水和杂物进入(图 4)。

图 3 套管安装操作 Fig.3 Casing installation operation
图 4 套管密封操作 Fig.4 Casing sealing operation
3.2 子台安装工程

子台所用主要设备有:太阳能板、12 V铅酸电池、GPS授时系统、无线数字调制解调器及天线、24位数据采集器、低噪声地震计前置放大器、高增益垂直向地震计(图 5)。铅酸电池在日出后1小时内驱动所有设备,之后2个太阳能电池板(40 W)即可为电池充电,且可在一天内充满。在无太阳能的情况下,该电池足以保证系统连续运行一周。GPS接收器安装在天线上方,用以提供精确的世界时间和位置信息(附在工作状况数据里)。系统采样同步和定时精度控制在2 μs之内,2个不同台站的采样差距则控制在4 μs内。

图 5 子台主要设备 Fig.5 Equipment of sub-station

地震计安装之前需要调整自由周期。由于井底为浇筑而成,台基保持水平,可在地面进行地震计调平,完成后将其下放。使用螺纹法兰将套管进行密封,并用定制外壳罩住套管。使用8个金属螺栓将外壳固定在地上,确保电气接地(图 6)。

图 6 机箱内设备 Fig.6 Equipment in the case

在地震计安装过程中,首先使用绳索确定钻孔深度,将地震计连接到电缆上下放,并确定摆锤已锁好,到达井底前改用手动操作,避免地震计撞击井壁。在建设完成的子台上,仪器和设备集成在钻井和机箱中,具备防水防异物的功能(图 7)。

图 7 子台外观 Fig.7 Sub-station appearance
3.3 中心台安装工程

中心台采用三分量宽频带地震仪进行观测,初始设计将其安装在100 m深的井中,因拉吉塔斯环境安静,依旧采用直径22 cm、深6 m的浅井进行地震仪安装。KS-36000是世界广泛使用的标准仪器,井下版本无需远程调平结构(图 8)。仪器通常不会损坏,若出现问题,可将仪器拉上来检查。地震计置于井下后检查是否水平(在地面使用长杆进行物理拉平,对井深有一定限制)。仪器在钻孔中就位后即采用细砂浇筑,使套管与周围岩石牢固地结合在一起。

图 8 宽频带地震计 Fig.8 Broadband seismometer

中心台通讯设备有:数字无线电调制解调器、台阵通信控制器、卫星调制解调器、电话、拨号调制解调器和UPS电源(图 9)。

图 9 中心台通讯设备 Fig.9 Communication equipment of central station

中心台使用全方位天线与所有子台交流数据,9个子台的远程操作设备只采用3个甚宽带频率,即1个命令频率和2个数据频率。天线与台阵控制器和数据集中器2个甚宽频无线调制解调器进行连接,数据经由集中器传回SMU主机。

通信控制器以一个命令频率轮询每个子台,并以其中一个数据频率接收数据,以便即时修正数据,不会因为短传输错误而丢失。将数据压缩并通过卫星调制解调器传输到达拉斯数据中心,再转发到其他客户端。

UPS电源可持续工作4小时,但拉吉塔斯停电时间较长,而卫星信号发射机功率较大,故配备一个功率400 W的发电机(每2个月加一次油)。发电机具有自动报警和关机功能,避免因机械故障而损坏,并具有定期维护自动提醒功能。可通过远程操控,监视其运行状态。

4 结束语

TXAR台阵的建设过程比较经典,为地震台阵建设提供了可参考经验。在进行台站设计时,应考虑台站真正需要的技术指标,在满足技术要求条件下,尽可能节约建设成本;应进行详细的实地考察,选择符合地质条件的台址,因地制宜调整设计方案;需充分考虑当地雷击、降雨和虫害等自然灾害因素,也要做好防盗、安保措施;数据的连续性是地震监测的生命线,要采用多种供电方式,保障系统的安全运行;灵活安排通讯网络,在地形复杂的地区,使用无线通讯,降低成本。

参考文献
郝春月, 郑重, 牟磊育. 台阵地震学、地震台阵与禁核试条约监测系统[J]. 中国地震, 2007, 23(3): 233-244. DOI:10.3969/j.issn.1001-4683.2007.03.003
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