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）。

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。

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）。

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。

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）。

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）。

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。

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）。

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。