0 引言

随着社会和经济的发展，人类活动日益增强，地表台基背景噪声逐渐提高，地震观测逐渐由地表转为地下。底层介质对地表噪声的过滤作用，使得井下观测能够有效降低人类活动引起的高频干扰，且因其温度变化小、空气流动弱等优点，井下地震观测逐渐成为最佳观测方式之一。相关研究有：陈继锋等（2016）利用P波质点偏振原理对甘肃测震台站地震计方位偏差进行对比分析，为后续方位角校正及观测数据可靠性提供了重要参考依据；李少睿等（2020）通过波形相关法、远震P波极性法，对地面及井下地震计方位角进行对比检测，结果证明波形相关法可作为井下地震计安装时方位角的现场检测方法；石英杰等（2021）通过噪声有效值、频谱特征和有效动态范围等内容，认为井下地震计观测效果明显优于地面地震计，这对于未来地震台站选址、仪器选型等具有参考意义。

黑龙江省井下测震观测台站数量少，基本都是地表测震台站，井下测震台站仅13个。随着对地震观测数据质量要求的逐年提高，井下测震观测将成为测震台网发展的重要选择之一。本文以绥芬河基准站井下地震计为例，与地表地震计观测进行对比，希望通过仪器安装及数据资料处理总结经验，为该省后续深井观测提供一定参考。

1 台站概况

绥芬河市位于黑龙江省东南部，隶属牡丹江市，毗邻俄罗斯，是中俄蒙经济走廊的重要组成部分。绥芬河基准站为黑龙江省地震烈度速报与预警工程新建台站，位于黑龙江省牡丹江市绥芬河市中俄边境附近，地处长白山山脉老爷岭支领太平岭东坡，为老爷岭和完达山余脉结合部位。台站观测井位于观测井房内，地上为一层建筑，井深150 m，内径136 mm，倾斜角度小于3°。2022年开始井下观测，观测仪器为北京港震科技股份有限公司研制的GL-CS60B型井下宽频带地震计，其具有频带宽、灵敏度高、动态范围大等优点，采用三分向UVW对称悬挂结构，差分输出标称灵敏度达2 000±20 V·s/m。

2 仪器标定测定

GL-CS60B型宽频带地震计三分向传感器均具有独立标定线圈，用于检查、测试地震计的工作状态和基本性能。常用标定信号有阶跃信号（脉冲信号）和正弦信号2种。一般，脉冲信号常用于检测地震计的等效自振周期、阻尼以及灵敏度等参数是否真实可靠；正弦信号常用于检测地震计的频率特性是否满足地震观测需要。为确保地震计在井下正常工作，需对其进行阶跃标定和正弦标定测试。

（1）阶跃标定。根据《中国数字地震观测网络技术规程》规定，阶跃标定要求如下：信号幅度应达到满量程50%以上且不失真，宽频带地震计信号持续时间一般选择为250 s或300 s。

将阶跃标定主要参数设置为：阶跃信号幅度为100 count，宽度为300 s。通过对标定波形计算，脉冲波形正常（图 1），阻尼变化率、周期变化率都低于5 %（表 1），符合行业标准要求。

（2）正弦标定。根据《中国数字地震观测网络技术规程》正弦标定的规定，将GL-CS60B型宽频带地震计设为13个频点。通过对正弦波形计算，正弦标定波形正常（图 2），电压灵敏度变化率低于5 %（表 1），符合行业标准要求。

经脉冲标定及正弦标定测定，GL-CS60B型宽频带井下地震计标定结果符合规范要求，可用于正常观测。

3 方位角检验

绥芬河基准站建设时期在观测井口北侧1 m处修建1 m×1 m的地上摆墩，基建条件可以满足同台址井下与地表地震计对比观测。地表参考地震计采用GL-CS60型宽频地震计，与GL-CS60B型宽频带井下地震计同频带（表 2），便于后续数据计算。以地表地震计作为参考地震计，采用相关分析法，通过计算井下和地表地震计方位角差值，对井下地震计方位角进行检验。

为减少其他因素干扰，使用1套6通道数据采集器，其中A通道接井下地震计，B通道接地表参考地震计。

（1）分析方法。相关分析法广泛用于描述2个随机变量之间的相似程度。对于待测深井地震计，在台站井口附近地表安装地表地震计，并用陀螺寻北仪精确指北，此地表地震计作为参考地震计，对参考地震计与测试地震计水平向地脉动记录进行相关分析。分析时利用式（1）、（2）对测试地震计水平向地脉动记录按照一定角度进行等间隔坐标旋转，利用式（3）、（4）分别计算各旋转角度参考地震计与测试地震计2个水平分量记录的相关系数，相关系数最大时所对应的旋转角度即为测试地震计相对参考地震计的方位角，具体公式如下

$ x=x_1 \cos \varphi+y_1 \sin \varphi $

(1)

$ y=-x_1 \sin \varphi+y_1 \cos \varphi $

(2)

$ R_{x x^{\prime}}=\frac{\sum(x-\bar{x})\left(x^{\prime}-\bar{x}^{\prime}\right)}{\sqrt{\sum(x-\bar{x})^2} \sqrt{\sum\left(x^{\prime}-\bar{x}^{\prime}\right)^2}} $

(3)

$ R_{y y^{\prime}}=\frac{\sum(y-\bar{y})\left(y^{\prime}-\bar{y}^{\prime}\right)}{\sqrt{\sum(y-\bar{y})^2} \sqrt{\sum\left(y^{\prime}-\bar{y}^{\prime}\right)^2}} $

(4)

式中，x₁、y₁分别为井下待测地震计EW和NS向分量数据，x、y分别为井下待测地震计旋转φ角度后EW和NS向分量数据，x′、y′分别为地表参考地震计EW和NS向分量数据，R_xx′、R_yy′分别为x与x′、y与y′的相关系数。

井下地震计方位角检测过程中，地表参考地震计寻北采用SHT-2型寻北仪，精度达0.1°，寻北仪测试指北方位角为：359.58°。

（2）方位角计算。选取绥芬河基准站井下、地表地震计2022年6月25日22时至6月26日05时8个小时连续数据记录，采用相关分析法，计算得到每小时井下地震计与参考地震计EW向、NS向方位角差值，将2项差值进行求和平均，得到小时均值，即为井下地震计与参考地震计的方位角差。为减少误差，取8小时计算结果平均值作为最终方位角差，则EW + NS向方位角平均值为164.769°。鉴于参考地震计方位角存在-0.42°误差，修正后井下地震计实测方位角为164.349°，具体结果见表 3。

井下地震计实测方位角为164.349°，证明方位角存在164.349°偏差，后续需通过数据采集器对井下地震计观测数据进行164.349°方位角校正，以便保障观测数据的准确性。

4 台基背景噪声水平分析

台基背景噪声水平是评定地震台站地震监测能力的重要指标，利用功率谱密度函数得到最大概率曲线来评估台站噪声水平更为准确。利用台基噪声功率谱密度测试数据评估地震台站台基背景噪声水平，可作为新台址勘选依据。对于投入观测的台站，需定期进行台基背景噪声水平测定，以评估台站观测环境变化。

4.1 地脉动噪声

中国地震局“地震地震台站观测环境技术要求”规定，以台基背景噪声在1—20 Hz频带范围的速度均方根（RMS）值作为评估标准，共分为5级台基（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），具体标准如下：Ⅰ级台基噪声水平：RMS＜3.16×10^-8 m/s；Ⅱ级台基噪声水平：3.16×10^-8 m/s≤RMS＜1.00×10^-7 m/s；Ⅲ级台基噪声水平：1.00×10^-7 m/s≤RMS＜3.16×10^-7 m/s；Ⅳ级台基噪声水平：3.16×10^-7 m/s≤RMS＜1.00×10^-6 m/s；Ⅴ级台基噪声水平：1.00×10^-6 m/s≤RMS＜3.16×10^-6 m/s。

计算得到绥芬河基准站井下和地表地震计速度RMS值，结果见表 4，可见井下地震计比地表地震计台基噪声水平高出1个数量级，其中GL-CS60B型井下地震计台基噪声水平达Ⅰ级，GL-CS60型地表地震计为Ⅱ级，表明井下地震计抗噪声效果较理想。

4.2 背景噪声功率谱

噪声功率谱密度对周期性干扰源有较好反映，尤其是人类活动干扰，会直观体现在日变曲线上，有利于台站环境噪声干扰源的查找。选取绥芬河基准站井下和地表地震计同期数据记录，计算噪声功率谱，结果见图 3。由图 3可知：①在人类活动显著干扰频段，即1—20 Hz频带，在1—2 Hz频段，井下和地表地震计三分向噪声功率谱（PSD）曲线变化基本一致；在2—20 Hz频段，井下地震计PSD曲线明显偏低，说明在＞2 Hz频段，井下观测对背景噪声的压制作用显著，尤其在＞9 Hz频段，对背景噪声的压制特征突出。②在0.1—1 Hz频段，井下地震计和地表地震计三分向PSD曲线变化基本一致，该频段内噪声主要来源于海洋与陆地的相互作用，与人类活动无关。③在0.01—0.1 Hz频段，地表地震计噪声水平优于井下地震计。

5 结束语

作为黑龙江省地震烈度速报与预警工程新建基准站，绥芬河基准站因其其地理位置与观测条件，在黑龙江省测震观测中具有重要位置。通过对该基准站GL-CS60B型井下地震计观测性能的分析，得出以下结论。

经阶跃标定、正弦标定等测定，GL-CS60B型地震计各项参数达到标准，设备工作正常。

通过与同址同频带GL-CS60型地表地震计进行相关分析，精确测定GL-CS60B型井下地震计方位角为164.349°。

GL-CS60B型井下地震计抗噪声效果较理想，比同址GL-CS60型地表地震计台基噪声水平高1个数量级，可为后期新建测震台站仪器安装方式提供一定参考。

通过对2套地震计观测数据背景噪声功率谱的对比分析，GL-CS60B型井下地震计观测数据质量整体优于GL-CS60型地表地震计，尤其对于人为干扰（1—20 Hz频段的高频干扰），井下地震计明显更有优势，数据质量更佳。