張 波 李 鵬 權(quán)博斐 魏欒巒

1）中國湖北442000 十堰市地震臺

2）中國湖北442000 十堰市地震監(jiān)測中心

0 引言

普通數(shù)字地震臺站測震系統(tǒng)通過地震計拾取地震波信號，由數(shù)據(jù)采集器放大處理并將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備遠程實時傳送到國家地震臺網(wǎng)中心和相關(guān)省級臺網(wǎng)測震服務(wù)器，客戶端通過調(diào)取服務(wù)器數(shù)據(jù)實現(xiàn)地震波形的分析處理。為保證地震波形數(shù)據(jù)的完整和有效性，儀器運行的長期穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪B續(xù)低延遲要求至關(guān)重要，地震臺網(wǎng)運行的技術(shù)質(zhì)量在較大程度上取決于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约捌滟|(zhì)量（JENS HAVSKOV et al，2007）。因此，在中國地震臺網(wǎng)中心測震觀測系統(tǒng)資料評比中，觀測系統(tǒng)運行率和波形記錄質(zhì)量是重要評價指標，從某種程度上來說，運行率高低和波形記錄優(yōu)劣直接決定了臺站數(shù)據(jù)記錄全年度的整體質(zhì)量。

通過對十堰市地震臺（下文簡稱十堰臺）多年以來測震觀測系統(tǒng)運行中存在的一些問題進行詳細分析，查找問題產(chǎn)生的根源，提出一系列針對性解決方法，并根據(jù)近10 年來系統(tǒng)運行率變化，分析地震記錄波形特征，對觀測系統(tǒng)運行總體水平和質(zhì)量進行客觀評價，以驗證相關(guān)工作措施的科學(xué)效能。

1 十堰市地震臺概況

十堰臺原為國家級測震基本臺，現(xiàn)為地方管理的具有測震、地磁、形變、重力等觀測手段的綜合性臺站，納入全國臺網(wǎng)考核評價。數(shù)字地震觀測站位于張灣區(qū)牛頭山森林公園野貓子凹，海拔高度近700 m，于2004 年建設(shè)，2007 年投入運行。臺基巖性為輝綠巖，儀器墩由整塊巖石切割而成，擺房觀測室按照相關(guān)標準進行施工，保溫、密封、防潮處理符合標準。

臺站初始配備smart24 數(shù)字測震儀，后因儀器故障，于2015 年更換為EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器，地震計型號更換為BBVS-120，采用牛頭山林場交流加UPS 電池的方式進行供電。因臺站所處位置偏僻，山高林密，與十堰中心城區(qū)距離較遠，附近無相關(guān)基站設(shè)施，數(shù)據(jù)記錄無法進行有線傳輸，采用微波方式點對點傳輸至四方山通訊站，經(jīng)電信機房中轉(zhuǎn)，通過SDH 專線傳輸至湖北省地震臺網(wǎng)中心，并回傳至十堰市地震臺測震服務(wù)器。

牛頭山與四方山微波站直線距離不足12 km，小于中繼站設(shè)置距離（50 km），采用微波傳輸，成本相對較低。微波傳播與光波類似，若傳播路徑無阻擋，可視為視距傳播，即直線傳播。與利用電磁波的電離層反射現(xiàn)象進行“超視距”傳播相比，視距微波通信的傳播特性穩(wěn)定，外界干擾較?。ㄖ袊卣鹁直O(jiān)測預(yù)報司，2007）?？紤]供電線路距離、地形以及避雷等因素，臺站微波天線設(shè)置在觀測站東側(cè)山坳，塔架頂部與四方山基本實現(xiàn)通視。

牛頭山采用NEC PASOLINK NEO 系列點對點無線接入射頻系統(tǒng)，使用16QAM 調(diào)制方式，擴展帶寬至80 Mbps，接口采用以太網(wǎng)口，帶插入系統(tǒng)的獨立公共IDU室內(nèi)單元及（6—52）GHz 頻帶的ODU 室外單元。數(shù)據(jù)信號經(jīng)調(diào)制器轉(zhuǎn)換為多進制數(shù)字頻譜，信號放大后由發(fā)信機通過微波天線發(fā)送射頻信號，四方山電信微波站通過收信機解調(diào)器將射頻信號解調(diào)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號，從而實現(xiàn)地震波形數(shù)據(jù)的無線遠距離傳輸（圖1）。

圖1 十堰數(shù)字測震臺初始網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸拓撲Fig.1 Topology of initial data transmission network at Shiyan Digital Seismic Station

實際微波接力通信的電波并非在理想的自由空間傳播，而是在低層大氣中傳播，因此，電波不僅會受到地球曲率的影響，而且會受到諸多不利因素的影響，從而使接收點場強產(chǎn)生附加的損耗（中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2007）。在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，微波傳輸存在較多弊端，具體體現(xiàn)在：①經(jīng)常受樹木等障礙物遮擋，大風、暴雨等惡劣天氣也容易造成設(shè)備傳輸時斷時續(xù)；②設(shè)備穩(wěn)定性差、功耗大等也難以保證工作需求；③設(shè)備出現(xiàn)故障，維修難度大，易造成數(shù)據(jù)傳輸長時間中斷、網(wǎng)絡(luò)延遲時間長、丟包率高等問題。

牛頭山地震觀測站交流供電來自林場場部，市電供給時斷時續(xù)，發(fā)生停電故障無法及時處理，UPS 電源容量小，續(xù)航時間短，同時為微波設(shè)備供電，電力不足。該觀測站為無人值守站，若發(fā)生斷記事件，無法短時間解決問題。

牛頭山臺微波傳輸方式不穩(wěn)定、持續(xù)供電無法保障、交通不便造成故障響應(yīng)困難，導(dǎo)致十堰臺測震觀測系統(tǒng)故障率高、斷記時間長、整體運行率偏低，地震觀測資料質(zhì)量較低。

2 解決方法

牛頭山地震觀測站地處偏僻區(qū)域，交通不便，無人值守，為快速響應(yīng)、現(xiàn)場維護帶來困難，為此提出一系列切實可行的解決方法，即采用3 路交流供電自動切換輔助2 路直流供電方式，為儀器運行提供穩(wěn)定的電力供給，并采用一主一備有線光纖傳輸解決微波單線傳輸?shù)谋锥恕?/p>

（1）電力保障。經(jīng)多方努力，市電供給有所改善，但依然無法滿足工作要求。為此，于2013 年增設(shè)2 kW 太陽能光伏發(fā)電設(shè)備，保障測震觀測儀器用電，且箱式直流電源增加續(xù)航時間，保證夜間用電，為故障處置贏得時間。此后，十堰臺因停電造成的數(shù)據(jù)斷記時長大幅減少。2018 年初十堰市普降暴雪，市電長時間中斷，測震臺UPS 電池電量耗盡，太陽能發(fā)電板因冰雪覆蓋無法工作，造成130 余小時數(shù)據(jù)斷記。因此，更換原UPS 電池，在支持直流供電設(shè)備上加裝電瓶和充電設(shè)備，將光纖收發(fā)器、交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備統(tǒng)一更換為交流和直流接口雙路供電。同時，采購一臺6 kW 柴油發(fā)電機，保證在低溫環(huán)境下遠程自啟動發(fā)電，安裝AST 雙回路電源轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)多路交流供電的自動切換（圖2）。

圖2 十堰數(shù)字地震臺供電線路升級改造方案整體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of power supply line upgrade and renovation scheme for Shiyan Digital Seismic Station

2019 年初，受大雪天氣影響，十堰臺市電停供，但數(shù)據(jù)未出現(xiàn)斷記現(xiàn)象，上述供電改造措施得到有效檢驗，此后該臺因停電造成的長時間斷記現(xiàn)象消失。

（2）數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸方式變更。淘汰原有微波無線傳輸方式，搭建網(wǎng)絡(luò)傳輸故障監(jiān)視平臺，分別于2012 年和2016 年架設(shè)中國移動、中國電信2 條點對點光纖線路，在重要中轉(zhuǎn)基站配置應(yīng)急供電設(shè)施，建立網(wǎng)絡(luò)故障聯(lián)動響應(yīng)機制，實現(xiàn)故障快速判定、快速響應(yīng)、快速處置和快速反饋。

2020 年在地震臺站機房搬遷過程中，積極爭取人防辦支持，在中心機房和牛頭山地震臺增設(shè)三層網(wǎng)絡(luò)核心交換機，配置STP 協(xié)議，將2 條光纖線路設(shè)置為一主一備，實現(xiàn)線路故障毫秒級無縫切換（圖3）。

圖3 十堰數(shù)字地震臺改造后網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸拓撲Fig.3 Topology of data transmission network at Shiyan Digital Seismic Station after transformation

3 測震系統(tǒng)運行及地震波形特征

3.1 系統(tǒng)運行

臺網(wǎng)中心對所接收的連續(xù)波形數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，通過軟件可以實現(xiàn)連續(xù)波形資料斷記的自動統(tǒng)計，斷記結(jié)果用圖形和文本文件表示（劉瑞豐等，2015）。選取十堰臺2009—2020年測震記錄，統(tǒng)計SEED 格式波形記錄數(shù)據(jù)斷記時長，結(jié)果見表1、圖4。

表1 十堰臺2009—2020 年度測震斷記統(tǒng)計Table 1 Statistics of missing records at Shiyan Seismic Station from 2009 to 2020

圖4 2009—2020 年十堰臺測震數(shù)據(jù)斷記統(tǒng)計變化曲線Fig.4 Statistics of seismic data missing records at Shiyan Seismic Station from 2009 to 2020

由表1、圖4 可知：2009—2012 年，十堰臺測震數(shù)據(jù)年度斷記均在100 萬秒以上，其中2012 年在200 萬秒以上；2013 年安裝光伏太陽能發(fā)電系統(tǒng)、增設(shè)移動公司備用線路后，因停電造成的斷記現(xiàn)象有所減少，年度斷記小于40 萬秒；2018 年在對供電和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行全面整改以后，測震系統(tǒng)運行質(zhì)量得到明顯提升，2019 年度斷記時長僅933 s（網(wǎng)絡(luò)閃斷等造成），2020 年度有所增加（辦公區(qū)機房搬遷、設(shè)備調(diào)試造成），表明十堰臺數(shù)據(jù)斷記整改措施得到有效檢驗，測震系統(tǒng)運行質(zhì)量得到提升。

3.2 地震波形特征

十堰臺現(xiàn)運行觀測系統(tǒng)由北京港震機電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的BBVS-120 寬頻帶地震計和EDAS-24GN 數(shù)據(jù)采集器組成，采用寬頻帶地震計—模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）—FIR 低通濾波器（輸入采樣率2 000 counts，輸出400 sps）—FIR 低通濾波器（輸入采樣率400 counts，輸出200 sps）——FIR 低通濾波器（輸入采樣率200 counts，輸出100 sps）5 級設(shè)計，每秒產(chǎn)出100 個采樣點的數(shù)字資料（劉瑞豐等，2014）。

通過對2015 年1 月至2021 年12 月十堰臺地震觀測數(shù)據(jù)記錄進行震例抽樣，對不同震中距地震的記錄波形進行短周期WWSSN-SP、中長周期SK、長周期763 記錄仿真，對不同類型的地震進行震相分析，以科學(xué)評價波形記錄質(zhì)量，總結(jié)波形記錄特征。

（1）震中距100 km 范圍內(nèi)的地震。地方震主要分布于湖北房縣、竹山、竹溪、丹江谷城和河南淅川一帶，ML＞1.5 地震記錄清晰完整，利用Sg 與Pg 震相到時差進行單臺定位，震中距誤差一般小于5 km，部分地震震中距誤差小于2 km。以2017 年10 月5 日鄖陽區(qū)ML1.5 和2021 年1 月7 日房縣ML1.5 地震（震中距均在100 km 范圍內(nèi)）為例，可見2 次地震記錄具有地方震波形的典型特征：①振動持續(xù)時間較短（＜2 min），記錄規(guī)則無畸變；②波形頻率較高（2—10 Hz），振動周期短（0.1—0.5 s）；③震相簡單，主要震相為Pg、Sg，直達縱波Pg 與橫波Sg 到時差小于13 s；④震源深度小于10 km，短周期面波不發(fā)育。2 次地方震波形見圖5。

圖5 十堰臺地方震記錄波形(a) 2017 年10 月5 日十堰鄖陽區(qū)ML 1.5 地震記錄；(b)2021 年1 月7 日十堰市房縣ML 1.5 地震記錄Fig.5 Waveform of local earthquake records at Shiyan Seismic Station

（2）震中距100—800 km 的地震。以2018 年10 月11 日湖北秭歸MS4.5 地震（震中距176 km）和2019 年6 月17 日四川長寧MS6.0 地震（震中距731 km）為例，分析十堰臺記錄的近震波形特征，結(jié)果見圖6，可見：①振動持續(xù)時間一般在3—5 min，且隨震中距增大而增長，對于震級較大的地震，伴隨能量的釋放衰減，振動時間將有所增長；②震相隨震中距增加變得豐富，震中距Δ＜200 km 時，主要震相為Pg、Sg，Pn 震相不易辨認；Δ＞300 km 時將出現(xiàn)清晰的Pn、Sn 震相，震級較大時，Pb、Sb 震相清晰可辨；③當淺源地震震中距達700 km 以上時，Pg、Sg 震相變得模糊，短周期面波Lg、Rg 明顯；④在短周期WWSSN-SP 仿真記錄上，直達波Pg、Sg 振幅明顯強于首波Pn、Sn；⑤對于300 km 范圍內(nèi)的地震（震中位置在湖北巴東、重慶石柱、河南平頂山、三門峽以及山西臨汾等），波形記錄完整清晰，而位于十堰臺西北方向陜西商洛、寧陜等地的地震，震相波形相對模糊，應(yīng)與秦嶺地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)關(guān)系密切；⑥對于震中距500—800 km 的地震（震中位于四川宜賓、雅安、巴中、云南昭通等），波形記錄較好，可以清晰分析Pn、Pb、Pg、Sn、Sb、Sg 震相，震級下限可達4.0；⑦當震中距大于800 km 時，地震波周期變大，出現(xiàn)明顯的短周期面波，波形整體形態(tài)接近于遠震記錄。

圖6 十堰臺近震記錄波形(a) 2018 年10 月11 日湖北秭歸MS 4.5 地震記錄；(b) 2019 年6 月17 日四川長寧MS 6.0 地震記錄Fig.6 Waveform of near earthquake records at Shiyan Seismic Station

（3）震中距在10°—105°的地震。以2018 年9 月10 日克馬德克群島MS7.0 地震（震中距10 268 km）和2021 年3 月20 日日本本州東岸近海MS7.0 地震（震中距2 875 km）為例，分析十堰臺記錄的遠震波形特征，見圖7，可見：①隨著震中距的增大，地震動持續(xù)時間逐漸增長，波組與波組的間距隨之增大；②對于中淺源地震，橫波P 與縱波S 到時差2 min ＜tP-S＜11 min30 s，面波較發(fā)育，與初至P 波到時差4 min ＜tRm-P＜45 min，在中長周期SK 仿真記錄上，面波周期為10—25 s；③一般震中距10°—25°的地震（震中位于日本、緬甸、菲律賓、蒙古等國和中國臺灣等地區(qū)），主要震相為P 和S，面波發(fā)育，pP 和sS 震相走時間隔短，難以分辨。震中分布在我國新疆、西藏地區(qū)的地震，十堰臺波形記錄相對較差，5.0 級以下地震基本無法進行震相分析；④震中距25°—80°的地震，多為分布在印度洋、太平洋等地區(qū)的海洋地震，以及分布在俄羅斯遠東堪察加半島地區(qū)和土耳其、阿富汗等國的地震，主要震相有P、PP、PPP、S、SS、LQ、LR 等，仿真后的pP、sP 和sS 震相清楚可辨；⑤震中距大于85°（震中位于斐濟、克馬德克群島等地）的地震，一般S 震相到時滯后SKS 震相20—30 s。

圖7 十堰臺遠震記錄波形(a) 2018 年9 月10 日克馬德克MS 7.0 地震記錄；(b) 2021 年3 月20 日日本本州東岸近海MS 7.0 地震記錄Fig.7 Waveform of distant earthquake records at Shiyan Seismic Station

（4）震中距大于100°的極遠震。以2017 年4 月25 日智利MS6.9 地震（震中距19 766 km）和2020 年6 月23 日墨西哥MS7.4 地震（震中距13 907 km）為例，分析十堰臺記錄的極遠震波形特征，結(jié)果見圖8，可見：①地核穿透波PKP 起始尖銳，成為主要初至震相，PP、SS 記錄清晰，面波發(fā)育；②主要震相有PKP、PKP2、PP、SKKS、SS，震相Pdif 一般較弱，在地震記錄圖上難以分辨，震相SKKS 在水平分向上記錄清晰；③極遠震記錄震級下限為5.5，一般利用PP 和SS 到時差進行極遠震單臺定位，震中距定位誤差控制在±2°以內(nèi)，對于震級較大的淺源地震，定位誤差可達±0.5°；④基本無震中距105°—120°的極遠震記錄，應(yīng)為受臺站所處位置和全球主要地震分布的影響。

圖8 十堰臺極遠震記錄波形(a) 2017 年4 月25 日智利MS 6.9 地震記錄；(b) 2020 年6 月23 日墨西哥MS 7.4 地震記錄Fig.8 Waveform of extreme distant earthquake records at Shiyan Seismic Station

4 結(jié)論與討論

十堰臺以往受微波傳輸方式不穩(wěn)定、持續(xù)供電無法保障、交通不便等影響，測震觀測數(shù)據(jù)斷記時間長，整體運行率偏低。2013 年以來，臺站對供電和數(shù)據(jù)傳輸方式進行整改，數(shù)據(jù)斷記現(xiàn)象減少，測震系統(tǒng)運行質(zhì)量提升，主要體現(xiàn)在：①供電方式改變后，受天氣影響而出現(xiàn)數(shù)據(jù)斷記的現(xiàn)象基本消失；②數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸方式變更為有線光纖傳輸后，實現(xiàn)了故障快速判定、快速響應(yīng)、快速處置和快速反饋，數(shù)據(jù)傳輸中斷現(xiàn)象基本不存在；③通過對2015 年以來不同類型地震波形記錄特征分析，可知更換新的測震觀測儀器后，可清晰記錄到地方震（M≥1.5）、近震（M≥2.5）、遠震（M≥4.0）和極遠震（M≥5.5）；④十堰臺測震觀測記錄符合寬頻帶數(shù)字地震記錄的總體特征，臺站整體觀測環(huán)境較好，波形記錄連續(xù)穩(wěn)定，規(guī)則完整，畸變較小，為開展高質(zhì)量地震分析工作提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

通過對十堰臺測震系統(tǒng)數(shù)據(jù)斷記分析和整改，該臺測震系統(tǒng)運維質(zhì)量得到大幅度提高，工作取得顯著成效，數(shù)據(jù)質(zhì)量得到明顯提升，可為國內(nèi)同類臺站提供參考。但是，臺站也存在缺乏系統(tǒng)性、標準化的問題，今后將積極推進系統(tǒng)的進一步優(yōu)化升級，運用信息化手段，建立集節(jié)點設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視、設(shè)備環(huán)境監(jiān)控、安全檢測、故障告警、自動判定故障類型、自動提供故障處理方案等功能的一體化測震臺站管理運行平臺，從處置預(yù)見性故障入手，消除可能出現(xiàn)的問題和隱患，減少人工干預(yù)，降低人力和物力成本，完善各項基礎(chǔ)工作，促使觀測系統(tǒng)穩(wěn)定運行，提供高質(zhì)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。