0 引言

小江断裂带是川滇菱形块体的东南边界，走向近NS，北部与四川则木河断裂相连，南部被红河断裂所截，与近NW向石屏—建水断裂和通海—峨山断裂相交，全长约400 km（邓起东等，2002；张培震等，2003）。基于大区域动力学背景，该断裂带地处青藏高原物质向东南逃逸的前沿地带，是了解高原抬升和构造演化的重点地区（吴中海等，2015；孙玉军等，2017）。该断裂带由多条次级断层组成，内部结构复杂（冯振等，2019），其地震活动频度低、强度大，是开展地震活动性研究的典型区域（李西等，2016）。围绕断裂带强震危险性，诸多学者，如洪海春等（2015）、毛燕等（2016）开展了相关研究。

对于地震多发、地质构造上具有一定典型性的活动断裂带，研发及布设合理有效的地震监测仪器是开展后续相关研究的关键环节（毛泽斌，2017；韩竹军等，2017；胡萌萌等，2020）。国家重点计划研发项目“新型便携式地震监测设备研发”的主要目标之一就是实现新型便携式地震监测设备的工程化开发和工程化使用示范（李彩华等，2021）。在地埋式地震传感器研发方面，通过应用新型传感器材料、新型工艺设计等方法，项目组初步实现小型化三分量磁测传感器、三分量电磁波传感器和温度压力传感器的工程化开发（何案华等，2019；周志坚等，2021；Shen et al，2021）。相关仪器设备具有低成本、小型化、适于野外恶劣环境的优点，可在野外环境下为大面积密集综合台阵的简易快速布设及长期连续运行提供可靠的技术支撑。

基于以上背景，选择小江断裂带南端作为研究区域，对地埋式地震传感器（小型化磁通门传感器、小型化温度压力传感器和小型化电磁波传感器）进行工程化使用示范。依据国家与地震行业相关标准、规范及技术规程，开展了观测场地勘选、仪器包装运输、安装架设、运行监控和观测数据质量评估等工作。本文对地埋式地震传感器的工程化使用过程进行梳理总结，并对仪器初步运行数据进行质量评估，结果可为区域密集综合台阵建设及相关应用研究提供借鉴。

1 密集综合台阵建设目的

以小江断裂带南端（云南省玉溪、红河州、文山州）作为核心示范区域，利用工程化生产的地埋式小型化三分量磁测传感器、电磁波传感器和温度压力传感器，建立间距约为10 km、测点数为110个的密集综合台阵，开展不少于6个月的连续观测，实时收集汇总原始观测数据，进行台阵运维和质量监控，以保障台阵运行完好率及观测数据连续性，确保数据质量优良。密集综合台阵建设主要包括场址勘选、仪器架设以及运行监控等工作，其中野外观测流程见图 1。

为便于后期数据处理，密集综合台阵场址分布一般按照规则的几何形状设计。然而，在实际勘选过程中，往往受到地形地貌、背景噪声、建设条件等因素的制约，其规则性无法得到保证（佟玉霞，2003；许建华等，2006；田原等，2020；李俊等，2020）。根据项目实施的预期目标，要求密集综合台阵建设实现以下具体内容：①选取设置台阵的可能区域；②对选定区域进行背景噪声分析；③台阵布局；④保证各设备的稳定可靠；⑤精心施工，确保环境条件良好，设备安装规范；⑥地震监测自组网系统，实现密集综合台阵的实时传输与动态监控；⑦仪器运行分析。

密集综合台阵建设可有效验证小型化、低成本地埋式三分量磁测传感器、电磁波传感器和温度压力传感器在地震监测、预测预报和实践中的适用性和可靠性，从而为典型活动断裂带密集综合台阵的监测与研究提供良好的示范作用。

2 密集综合台阵勘选 2.1 勘选设备技术指标

密集综合台阵点位勘选设备主要有GM4磁通门磁力仪（中国地震局地球物理研究所研制）、便携式电脑、32 V直流电瓶等。基于GM4磁通门磁力仪观测数据，通过噪声水平测试，在测试区域依次选取110个点位。

GM4磁通门磁力仪主要技术指标见表 1。

2.2 点位勘选测试

2021年11—12月，开展密集综合台阵点位的勘选测试工作，勘选点位地理位置分布见图 2。

各点位测试步骤如下：①根据密集综合台阵设计方案，首先圈定台阵范围，并勘探周边地区地质环境。②调研测点附近的水文、岩性、地形地貌和气象等自然条件，并查阅通讯信号、GPS信号、供电条件和长期建设规划条件等资料，在圈定范围内预选129个点位，其中10个为备选点位。③安装GM4磁通门磁力仪探头时，操作人员必须去除随身携带的磁性物件，如手表、皮带、发卡等。将探头底座对位线指向地理北，并调平。调节GM4磁通门磁力仪探头，直至D分量测值为-100— +100 nT。④对系统进行各项测试及常规设置，仪器稳定后，截取时长20 min的数据初评测点区域环境噪声水平，分析测点是否达到观测要求。⑤截取经初评测点记录时长≥2 h的观测数据，进行背景噪声统计分析和汇总。

2.3 勘选点位背景噪声分析

考虑到GM4磁通门磁力仪架设完成后需运行一段时间才能趋于稳定，因此，截取仪器运行1 h后观测数据进行勘选点位背景噪声分析。在测试数据中随机选取1 h连续观测数据，计算每10 s观测数据的峰峰值，以峰峰值均方根值（RMS）作为测试点位背景噪声。计算公式如下

$ N_i=\max \left(x_i: x_{i+9}\right)-\min \left(x_i: x_{i+9}\right) $

(1)

$ N_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{\sum\left(N_i-\bar{N}\right)^2}{n}} $

(2)

式中，N_i为第i时刻后连续10 s观测数据的峰峰值，max(x_i : x_i+9)为每10 s观测数据最大值，min(x_i : x_i+9)为每10 s观测数据最小值；N_RMS为10 s观测数据峰峰值的RMS值。

以点位048、074、034、032、038和045为例，计算各点位在1小时内每10 s观测数据的峰峰值，并依次计算GM4磁通门磁力仪H、Z、D三分量观测噪声，结果见图 3、表 2。

综合图 3和表 2的结果，可知：点位048、074、034、045观测数据峰峰值小于0.6 nT，且背景噪声小于0.2 nT，满足相关指标要求；站点034、038观测数据峰峰值波动较大，需舍弃处理。

3 密集综合台阵布设 3.1 仪器类型

此次小江断裂带南端密集综合台阵布设采用地埋式地震传感器，包括小型化温度压力传感器、磁通门传感器和电磁波传感器（图 4）。

按照设备标准工艺设计流程、制造工艺和装配流程，参照相关仪器质量控制与检测技术规程（DB/T 28 —2008，DB/T 32.2—2008），进行仪器设计、制造、装配，有效保障了仪器制造的工程化。与传统仪器相比，上述仪器成本更低、体积更小，且更能适应野外恶劣的观测环境，可有效支撑密集综合台阵的工程化应用。3种地埋式地震传感器具体技术指标见表 3。

3.2 仪器安装

密集综合台阵野外采集数据是进行后续相关科学研究的主要依据。因此，严格标准化的仪器布设工作是获得高质量、连续运行数据的前提和保障。在仪器野外安装过程中，为保证采集数据真实有效，需根据点位勘选结果与实际施工条件进行仪器的精确布设。地埋式地震传感器安装示意见图 5。

3种地埋式地震传感器在实施安装过程中的具体要求为：①温度压力传感器：观测井孔直径为220 mm，钻孔深度需达到当地地壳常温带深度（深度在20—30 m）。传感器安装到预定深度后联通传感器，确认输出值正常后，用石英砂或者混凝土填埋至传感器以上30 cm处，再进行回填作业。②磁通门传感器：认真清理建设场地，排除磁污染源。向下挖掘直径1 m、冻土层深1 m的基坑。基坑底部平整夯实，下入整体安装舱，安装舱上口至少高于地面20 cm，其中心放置无磁性大理石。将磁通门传感器置于观测墩中心处，调节底脚使仪器水平，调节方向至D分量输出在±100 nT以内，完成H分量和Z分量补偿，使二者输出值在±100 nT以内。设备安装完成后，密封安装舱上口，用土填埋50 cm以上。③电磁波传感器：认真清理建设场地，排除磁污染源。基坑长150 cm、宽50 cm、深100 cm，侧壁及底面平整，无尖锐石块等。将电磁波传感器及采集设备置于基坑底部，调整传感器方向，使其指向为北、东、垂直向下3个方向。输出值均正常，进行回填作业。

考虑到密集综合台阵的重要性，严格遵循仪器布设流程，并按照实地勘察要求进行仪器布设，并在每个点位布设的重要步骤进行拍照，对点位周围的环境参照物进行标记，以便后期仪器顺利回收。所有点位的仪器布设过程、桩位号、仪器编号等详细记录均形成台阵建设报告，以便后期站点运维、仪器回收时查阅。根据地质地形、场地噪声与人文条件等因素，密集综合台阵实际布设位置见图 6。

3.3 仪器运行

小江断裂带南端密集综合台阵组网完成后，利用地埋式小型化磁通门传感器、电磁波传感器和温度压力传感器，分别对地磁场三分量、电磁波、温度压力进行测量。台阵运行流程见图 7。

仪器供电均采用UPS+交直流转换电源直流供电模式。蓄电池选用具有防过充、放电性能的碱式免维护电瓶。此外，可采用节点管理单元与通讯单元模块同各个观测单元进行数据交互，形成统一的数据采集和管理功能，并利用无线自组网传输系统实现与地球物理台网的业务衔接。通过野外观测台阵监控管理中心系统，可实现仪器组网后的节点管理、数据采集、数据处理、数据服务和系统监控等工作。

4 运行质量评估

经为期1年的建设，2022年1月小江断裂带南端密集综合台阵完成设备的安装、架设及调试工作。利用自组网系统收集汇总原始观测数据，对密集综合台阵仪器运行结果进行数据质量评估，以对其初步运行状态进行分析研判。

4.1 小型化磁通门传感器分析

台阵站点小型化磁通门传感器产出秒采样数据，参照中国地震局电磁学科观测资料质量评比办法等相关要求，选择数据运行连续率、背景噪声、一致性作为评估该传感器观测数据质量的技术指标。

（1）数据连续运行率。计算公式如下

$ W=\frac{\text { 原始数据实际产出数据个数 }}{\text { 应产出数据个数 }} \times 100 \% $

(3)

选取该台阵全部站点小型化磁通门传感器运行1个月的观测数据，据公式（3）进行秒数据连续率计算，统计结果见表 4。

由表 4可见，按数据连续率百分比区间统计，数据连续率大于70%的测点占比约80.9%，数据连续率小于70%的测点占比约19.1%。调查发现，有18个站点的数据连续率较低，未达到设计要求，分析认为，可能由通信传输网络信号丢失所致。

（2）背景噪声水平。背景噪声可反映仪器受内外部观测环境的影响程度，包括仪器自身噪声和观测场地外部干扰源噪声（闫计明等，2013）。据式（1）、式（2）计算小江断裂带南端密集综合台阵各站点地磁秒数据背景噪声，统计发现，89个站点Z分量背景噪声小于0.2 nT，102个站点H分量背景噪声小于0.2 nT，94个站点D分量背景噪声小于0.2 nT，而部分站点的背景噪声RMS值大于0.5 nT，噪声偏大（图 8）。分析认为，大部分站点背景噪声水平能够满足台阵长期连续观测要求。

（3）一致性。地球表面一个局部小区域内若干点的地磁场变化主要受同源影响，且具有相似性，地磁场的短期变化具有同步性，两地记录的地磁场同一要素变化应具有较稳定的空间相关性，距离越小，相关性越高（朱兆才，1989；管志宁，2005）。在孔径200 km范围内，磁静日变化基本是同步的（张亮娥，2023）。

选取048、074、032、041、094、017站点（站点间距20—50 km），以位于台阵中心位置的通海地震台（下文简称通海台）GM4磁通门磁力仪为参考仪器，将各站点产出的Z、H、D三分量原始秒数据进行平滑处理，经高斯滤波得到分钟值数据，结果见图 9，可见各站点和通海台地磁各分量观测曲线变化趋于一致，重合性较好。

参照中国地震局地震监测专业设备（磁通门磁力仪）台站比测项目和技术方法，以通海台GM4磁通门磁力仪为参考仪器，通过计算台阵站点仪器与参考仪器的地磁场三分量日变化秒采样同步差值的标准均方差，对6个典型站点地磁数据一致性进行定量分析。计算结果见表 5，可知各站点与通海台同步差值的标准方差均在1 nT上下，表明各站点观测数据一致性较高。

4.2 小型化温度压力传感器分析

台阵各站点小型化温度压力传感器产出5 s采样数据，参照《密集综合台阵数据质量评估技术规范》，就数据完整率、分辨力对其观测数据质量进行评估。

（1）数据完整率。小型化温度压力传感器数据完整率δ定义如下

$ \delta=\frac{\text { 实际获取的观测数据时长 }}{\text { 台阵运行总时长 }} \times 100 \% $

(4)

选取台阵各站点小型化温度压力传感器连续运行1个月的观测数据，据式（4）进行完整率计算，统计结果见表 6，可知：87个站点的数据完整率≥70%，其温度和压力能够满足长期观测要求；21个站点的数据完整率低于70%。

（2）分辨力。台阵小型化温度压力传感器探头与岩层的耦合处理是其正常工作的关键。该密集综合台阵采用“沉砂法”安装小型化温度压力传感器，使用石英砂进行填充夯实，并以镇压重锤产生预应力方法使探头与基岩孔孔壁连接（池顺良, 1982, 1993；唐定仑等，1991），耦合过程需数天或更长时间，存在明显的趋稳过程，对其原始观测数据做分辨力分析前需进行去趋势处理。

以站点115的小型化温度压力传感器压力观测数据为例，分析去趋势前后数据一致性。结果见图 10。

由图 10可见，站点115小型化温度压力传感器压力三分量在2022年1月20日—24日未完全趋于稳定，经去趋势化处理，NS、EW向相关性较好，UD向（垂直向）与二者相关性较差；至2022年6月20日，三分量相关性呈高度相关性，可知安装传感器后，随着时间的推移，NS、EW、UD向应力逐渐趋同。其可能原因是，压力传感器采用悬挂式安装，悬挂绳绷直，导致UD向与岩层耦合不紧密，从而造成各分量与钻孔间的耦合程度不同。

压力分量数据经一阶差分处理可反映其分辨力程度。选取观测数据完整率在90%以上的站点，计算NS、EW、UD三个压力分量的一阶差分，结果见图 11，可见大部分站点压力三分量一阶差分的动态区间为±5×10^-5 MPa，分辨力满足0.005%FS的要求，符合台阵长期连续观测需求。

4.3 小型化电磁波传感器分析

台阵站点小型化电磁波传感器产出0.005 s采样数据，参照《密集综合台阵数据质量评估技术规范》，就数据完整率、噪声对电磁观测数据质量进行评估。

选取台阵各站点小型化电磁波传感器连续运行1个月的观测数据，据式（4）进行完整率计算，统计结果见表 7，可知：85个站点的数据完整率≥70%，可满足电磁波长期观测要求；25个站点的数据完整率低于70%。

在选取时间段内随机抽取由连续10 s数据构成的10个数据段，计算各数据段均方根值，公式如下

$ \sigma=\sqrt{\frac{\sum_{i=1}^n\left(x_i-\bar{x}\right)^2}{n}} $

(5)

式中，σ为该数据段均方根值；x_i为数据段第i个样本的数值，i为数据样本序号；n为数据样本总数，X为该数据段均值。则当日噪声值为

$ M=\frac{\sum_{j=1}^m \sigma_j}{m} $

(6)

式中，M为该日噪声值；σ_j为第j数据段均方根值，j为数据段序号；m为数据段总数。

据式（6）计算该日电磁波噪声，统计结果见表 8，可知：台阵中有95个站点噪声水平大于1 mV，占比约86.4%，15个站点的噪声水平小于1 mV，表明台阵站点电磁波数据噪声水平可满足《密集综合台阵数据质量评估技术规范》要求。

5 结论

通过对小江断裂带南端密集综合台阵建设及运行质量进行分析，可以得出以下结果：

（1）密集综合台阵建设工作有效验证了小型化、低成本的地埋式三分量磁测传感器、电磁波传感器和温度压力传感器在地震监测和实践中的适用性和可靠性，从而为典型活动断裂带密集综合台阵的监测与研究提供了良好的示范作用。

（2）通过多学科密集综合观测台阵建设与技术分析，建立了1套比较完整的电磁、浅层地温以及土层压力野外连续观测的建设方案，可为今后全国地震重点危险区地震监测布网提供借鉴。

（3）多学科密集综合台阵为有人看护台阵，自2022年1月投入试运行以来，总体运行情况较好，仪器设备工作稳定。参照国家标准与地震行业标准、规范及技术规程，对台阵所有站点的小型化磁通门、小型化温度压力、小型化电磁波初步运行结果进行数据质量分析。大部分站点观测仪器指标符合《密集综合台阵数据质量评估技术规范》要求，能够满足综合台阵长期连续观测的要求。

小江断裂带南端布设的高分辨率、多学科密集综合台阵，在监测规模、密度和手段等方面均超越了国内外已有地震观测台阵，实现了低成本、高效传输和快速部署的技术设计要求，适合于低成本、高密度的地震监测台网发展趋势。后期，可为地球物理场异常集成为对地震事件的物理意义研究提供重要技术支撑。

文中数据来源于“十三五”国家重点研发计划项目“新型便携式地震监测设备研发（项目编号：2018YFC1503800）”，在此表示感谢。