2024, Vol. 45
2) 中国乌鲁木齐 830011 新疆维吾尔自治区地震局
2) Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China
塔里木盆地及其东南部地区地震监测能力薄弱，其周边地震台站分布稀疏。为了提高新疆东南部及东部地区地震监测能力，结合新疆震情、灾情及经济发展状况，在民丰东南部建设民丰卫星地震台站。勘选站点较为偏僻，且山区环境恶劣，周边无光纤、宽带等传输链路，无线信号覆盖较差，现有通信条件欠佳。现阶段，我国卫星传输技术已经较为完善，且数据在传输过程中可进行加密，从而有效保证其安全性，故此次台站勘选拟采用卫星方式进行数据传输。
卫星数据传输主要由发送与接收两大部分组成。当地震仪器需要发送信号时，在卫星上对传输数据进行加密处理，并对指定用户分配解密密码，用户利用指定密码进行数据处理，即可恢复数据的原始状态。为防止泄密等情况的发生，密码会不定时随机更换。由于数据在传输时进行了加密处理，即使其他用户获取数据，也无法转换到初始状态。在国外，日本、美国和欧洲各国为了保证数据在传输中的安全性，均采用这种密码加、解手段(冯英州，2006；崔鹏等，2006；匡泳庄等，2022)。
本文主要介绍了民丰卫星地震台的勘选、建设以及设备安装等流程，并对台站建成后运行数据进行分析，以期为其他台站勘选提供参考。
1 台站建设背景和田地区位于帕米尔—塔里木—西昆仑—阿尔金构造带交会区，地质构造复杂，活动断裂发育。研究区共分布17条活动断裂，其中晚更新世以来活动断裂8条，分别为康西瓦断裂、喀喇昆仑断裂、柯岗断裂、策勒断裂、阿尔金断裂、铁克里克断裂、泽普断裂、黑石北湖断裂，其他为发震能力较弱的第四纪断裂或隐伏第四纪断裂。该区地震活动具有强度大、频度高的特点。自有地震记载以来，和田地区共发生5级以上地震146次，其中7级以上地震7次，6.0—6.9级地震14次。
和田地区地震观测手段较少(图 1)，监测能力相对较弱，且于田至民丰无地震台站分布。为提升新疆地区，尤其是和田地区地震监测能力，拟在和田辖区建设民丰卫星地震台。
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图 1 台站位置示意 Fig.1 Station location map |
建台初期需进行场地勘选，以保障设备的有效运行。此次勘察主要分为3个阶段：图纸选点、现场踏勘和仪器勘选。
(1) 图纸选点。根据现有测震台网台站分布及台站建设需求，在地区地貌图上综合选取踏勘点位，可有效缩短现场踏勘时间，同时对勘选点有一定了解。在进行图纸选点时，应综合考虑地形地貌、气象、交通以及周边未来发展变化趋势等因素，并确定勘选点周围干扰源，在现场踏勘时对干扰源进行分析，查看是否对站点数据造成影响。
(2) 现场踏勘。现场踏勘地点位于新疆和田地区民丰县，地处新疆维吾尔自治区东南部，昆仑山北麓，塔克拉玛干沙漠南缘，东临且末县，西连于田县，南与昆仑山、西藏自治区改则县接壤，北接阿克苏地区沙雅县，地势南高北低。地貌是由南部的昆仑山地、北部的冲积扇平原和沙漠3大地形单元构成。台址位于民丰县城东南约80 km处山区，属山前丘陵地带，岩性为砂岩。经实际踏勘以及查阅历史资料可知，民丰卫星地震台所在区域每年5、6月风沙较大，扬尘天气较多，其他时间干旱少雨，日照时间较为充足，年温差变化较大，年平均气温约11 ℃。
(3) 仪器勘选。此次测试设备采用EDAS-24IP数据采集器(北京港震科技股份有限公司研制)和短周期地震计CMG-40T-1(英国GURALP公司研制)。EDAS-24IP数据采集器基本参数如下：输入信号满度值为±10 V，双端平衡差分输入；24位A/D转换，采样率为100 Hz，系统噪声小于1 LSB(有效值)，高通滤波为100 s，通过CF卡进行连续波形数据记录，CF卡工作温度一般为-20 ℃— +55 ℃；直流9—18 V供电，标准12 V外接电源，内置可充电电池(容量为1 900 mA·h)，平均功耗小于2 W。CMG-40T-1反馈宽带地震计参数如下：2 s地震计观测频带：2—80 Hz，电压灵敏度：2×1 000 V·s/m。
2009年5月，基于以上观测设备对勘选台址进行测试，记录数据时长约2 h，时测背景噪声以风扰为主，计算UD、EW、NS分向台基地动噪声功率谱密度，结果见图 2，可见民丰卫星地震台台基背景噪声功率谱密度各分向对比曲线分布在地球高噪声新模型(NHNM)与地球低噪声新模型(NLNM)曲线之间，在1—20 Hz频段内，勘选台址各频点噪声均小于-120 dB，表明该台站为低噪声台，符合台站建设规范要求(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004)。
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图 2 台基地动噪声功率谱密度曲线 Fig.2 Dynamic noise power spectral density curve |
功率谱密度和地动噪声有效值RMS计算结果见表 1，UD、EW、NS分向地动噪声RMS均值均小于3.16×10-8 m/s，符合《地震台站观测环境技术规范要求》要求(表 2)，判断该台址达到Ⅰ类台基背景噪声水平，符合地震台站建设标准。
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表 1 地脉动RMS均值 Table 1 Ground pulsation RMS mean |
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表 2 环境地噪声水平等级划分 Table 2 Classification of ambient noise levels |
站点所在位置较为偏僻，周边无光纤、宽带等传输链路，且无线信号较差，无法保障数据的有效传输，拟采用卫星通信方式进行数据传输。考虑到当地位置和气候的特殊性，日照时间相对较长，采用双路太阳能供电系统，通过稳压电源将太阳能转换为12 V和24 V电压，分别对观测设备和卫星进行供电。太阳能供电流程见图 3。
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图 3 太阳能供电示意 Fig.3 Schematic diagram of solar power supply |
经对观测场地的实地踏勘，勘选台址四周无高大山体，地势较为平坦，交通便利，车辆可直达台站，因地处偏僻山区，通信条件较差，周边不具备通信设施，选择卫星通信方式进行数据传输，并可采用太阳能供电系统，对观测仪器和卫星进行供电。仪器勘选结果显示，在1—20 Hz频段内，勘选台址各频点噪声均小于-120 dB，UD、EW、NS分向地动噪声RMS均值均小于3.16×10-8 m/s，符合台站建设规范要求。
3 台站建设民丰卫星地震台为国家无人值守地震台，其建设主要包括台站基础建设、传输通道、防雷、供电以及设备安装等方面。
3.1 基础建设民丰站观测室建为上下两层，其中：下层为地下室，建筑面积15.84 m2；上层为观测用房，建筑面积27.78 m2。摆墩置于下层监测室内较完整基岩上，摆墩尺寸为：长1.2 m×宽1.0 m×高0.2 m。为保障摆墩基岩完整性，开凿过程中未使用爆破作业。摆墩浇筑采用C30素混凝土，按要求一次性浇筑。观测室墙体做保温措施，以保障观测环境相对稳定。
3.2 传输信道台站地处高原地区，无线信号较差，无法完成数据的有效传输，而架设光纤线路成本较高。经对多种通讯方式进行对比，选用卫星链路作为数据传输信道，以有效保证实时数据的连续率。卫星设备型号及摆放位置选定后整体安装，并与终端服务器进行远程调试，以保证数据正常传输。
3.3 供电与避雷系统民丰卫星无人值守地震台总体功耗不大，结合当地日照条件、环境及设备成本等，且经“十五”项目测震台站建设及运行考验，选用太阳能光伏供电。选取30组75 W太阳能光伏供电，其中：6组设计为DC12 V供电模式，由4组100 A·h/12 V电池组成储电装置，由太阳能充放电控制器控制储电及观测设备的DC12 V供电；24组设计为DC24 V供电模式，由16组100 A·h/12 V电池组成4组DC24 V储电装置，由太阳能充放电控制器控制储电及卫星设备的DC24 V供电。选择该太阳能供电方式，即使在极端天气条件下，也能保证观测台站正常运行7日以上。在较大程度上保证了供电系统的稳定性，提高了观测数据质量，地震数据连续率得到保障。
考虑到新疆台站实际及避雷系统的有效性，该台站未安装避雷系统。
3.4 仪器安装民丰卫星地震台观测系统采用BBVS-120甚宽频带地震计和EDAS-24GN数据采集器进行地震记录。BBVS-120型地震计为宽频带、大动态、三分向一体结构的地震传感器系统，具有灵敏度高、动态范围大以及遥控调零、远程监控零点等功能，基本参数见表 3。
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表 3 BBVS-120宽频带地震计基本参数 Table 3 Basic parameters of BBVS-120 broadband seismometer |
EDAS-24GN数据采集器采用国产Linux操作系统，可有效保障数据的安全性；其内置网络适配器，经测试，支持观测台站远程管理和数据传输。地震计置于摆墩中间，方位线的法线方向向东，底部支脚与摆墩面稳固接触。其架设时利用陀螺寻北仪在摆墩上确定真北方向(小于1°)，同时在摆墩合适位置安装永久性方向标识。
设备运行正常后安装GPS天线，在台站位面架设高杆，GPS置于高杆之上，向天空张角大于120°，使其可同时接收6颗以上卫星信号，检验GPS信号及授时信息，安装电池柜和电池，整理并优化线路。
4 数据测试 4.1 背景噪声测试2015年2月，民丰卫星地震台建设完成，再次进行台基背景噪声测试。测试结果表明，在1—20 Hz频段内，UD、EW、NS向地动噪声RMS值分别为1.623 41×10-8 m/s、2.514 44×10-8 m/s、3.069 98×10-8 m/s，相当于国家标准中的Ⅰ级环境地噪声(RMS＜3.16×10-8 m/s)水平。
绘制该台基地动噪声功率谱曲线，见图 4。由图 4可知，UD、EW、NS分向的噪声值均分布在全球噪声模型曲线NHNM和NLNM之间，符合地震台站建设要求。
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图 4 民丰台台基地动噪声功率谱密度曲线 Fig.4 Dynamic noise power spectral density curve at Minfeng station |
对初次安装的观测设备，按要求进行正弦标定，以检验设备的运行状态和正弦参数设置是否合理。对BBVS-120地震计进行正弦标定参数设置(表 4)，启动正弦标定，可见标定波形正常(图 5)，符合规范要求(中国地震局监测预报司，2017)。对观测仪器进行脉冲标定设置时，从信号幅度、脉冲宽度、脉冲标定启动时间等进行设置，启动脉冲标定，可见标定波形正常(图 5)，符合规范要求。
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表 4 BBVS-120地震计设置正弦波标定参数 Table 4 BBVS-120 seismometer set the sine wave calibration parameters |
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图 5 民丰台标定波形时程 (a)正弦标定；(b)脉冲标定 Fig.5 Calibration waveform time-history diagram of Minfeng Seismic Station |
民丰卫星地震台投入运行，对地震监测数据质量进行跟踪分析。以该台记录的2024年8月14日新疆尉犁县MS 4.3地震(近震)和2024年8月8日日本宫崎县MS 7.1地震(远震)为例，分析地震波形质量(图 6)。
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图 6 新疆尉犁县MS 4.3(a)和日本宫崎县MS 7.1地震(b)原始波形 Fig.6 Original waveforms of the XinjiangYuli County MS 4.3 earthquake and the Japan Miyazaki County MS 7.1 earthquake |
由图 6可见，民丰卫星地震台记录的近震和远震波形质量良好，震相特征明显，更利于提取地震三要素，使得民丰地区地震监测能力得到提升。
5 结束语民丰卫星地震台站建设基于地形、地貌以及建设成本等因素进行综合考虑，采用双路太阳能供电方式，缩减了运维成本，同时选取卫星传输方式，有效保障了数据的完整性。台站建成后，提高了研究区地震监控范围，天然地震波形记录清晰，震相明显，对于有效提升新疆东南部及东部地区地震监测能力起到重要作用。
崔鹏, 杨军, 施进明, 等. 加解密技术在我国新一代气象卫星数据传输中的应用[J]. 气象科技, 2006, 34(2): 233-236. |
冯英州. 卫星数据传输技术的应用[J]. 数字通信世界, 2006(8): 54-55. |
匡泳庄, 黑贺堂, 吴会梁, 等. 丽江地震台新台址勘选[J]. 地震地磁观测与研究, 2022, 43(4): 73-79. |
中国地震局监测预报司. 测震学原理与方法[M]. 北京: 地震出版社, 2017.
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中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T 19531.1—2004地震台站观测环境技术要求第1部分: 测震[S]. 北京: 中国标准出版社, 2004.
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