江苏地区CMG-3TB地震计运行分析

胡米东，毛华锋，陈启林，王 皓，霍雨佳，黄 群，张 杰

(江苏省溧阳地震台，江苏 溧阳 213332)

地球科学是以观测为基础的综合科学,观测资料的真实性直接决定了科研与应用的成效(徐纪人，2009)。随着现代地球科学和高新技术的发展，地震、地应变、地温等各种地球物理场的观测能力和观测精度不断提高，能够观测到越来越微弱的地震和地球物理信息。但是另一方面，人类社会的城市化、工业化、现代化发展带来的各种交通、工业等人为噪音，严重地干扰了传统地面地震观测结果。从地面观测得到的资料中,很难识别混杂在高噪音背景下的真实的地球内部信息(徐纪人，2009)。如何提高观测的信噪比始终是观测研究中最重要的课题(徐纪人，2006)。为了尽量避免地面噪声干扰，井下地震观测技术被越来越多地运用到地震观测中。近多年的观测结果表明，与地面观测相比较，深井观测能提高观测精度1～2个数量级(Ishii H,2005)。尤其在表面覆盖厚且沉积层松散的平原地区，井下地震观测在避免外界干扰、提高仪器监测灵敏度，以及获得更多、更真实的地震信息等方面有着突出的优越性(阴朝民，2003)。

1 台站的基本情况

江苏地处沿海地区，沉积层较厚，地面干扰相对较大。“十五”项目改造中，CMG-3TB(下文简称3TB)地震计在江苏地震台站被普遍使用，使用台站一度到达12个(6个省属台和6个地方台)。3TB地震计运行以来，发挥了甚宽频带井下地震计的优势，为地震监测和研究提供了诸多资料。但随着运行深入，江苏地区3TB地震计逐渐暴露出故障率较高的特点。为了保证监测数据的连续率，该地震计陆续被其它井下地震计替代。至2015年，江苏地区仅1个地方台站仍在使用。正确认识江苏地区3TB井下地震计出现的问题，对问题进行分析和总结，是降低之后井下地震计故障的前提，也是提高井下地震计观测手段可靠性的必由之路。这也是开展江苏地区3TB地震计运行故障分析与研究的意义所在。溧阳台、南通台、盐城台、射阳台、高邮台和海安台均为江苏省地震局省属台站。通过“十五”设备和系统改造，省属台站中有7个测震台站进行井下观测，6个台站采用3TB三分向甚宽频带井下地震计(3TB地震计由英国GURALP公司生产,配备CMG-DM24数据采集器。)，2006年5月高邮台率先开始地震计安装与运行。

2 故障及维修情况

江苏地区的3TB地震计主要经历了2011年1月和2013年7月两次集中维修，两次维修均由GURALP公司英国技术专家来江苏负责完成。本文将选取两次维修中具有代表性的故障进行分析和总结。

2.1 射阳台

2009年射阳台3TB地震计安装运行，2010年地震计出现故障，具体故障现象为：波形不正常，不能居中和开锁摆，同时地震计对地表发出的指令无响应。2011年1月，博来银赛科技有限公司(GURALP地震公司的国内代理商)技术人员、英国GURALP公司技术人员(Shawn)来台站进行维修。提摆时地震计电源不稳定，怀疑供电电源问题。更换电源后，在井口对地震计进行开解锁，收起洞锁臂杆操作，地震计无响应。增大电压，孔锁控制单元仍无法收缩洞锁臂杆(3TB地震计采用洞锁臂杆直接卡壁的方式进行井下固定，国内部分井下地震计采用安装定向底座完成井下固定)。工作人员使用绞盘强行把地震计提出到地面。拧开地震计与电缆接头，发现电缆进水，地震计内部进水。检查后认为：由于防水系统故障导致地震计接头及地震计内部进水，致使地震计运行异常。

2.2 高邮台

2006年高邮台3TB地震计安装运行，2010年地震计出现故障。不能居中和开锁摆，同时地震计对地表发出指令无响应。2011年Shawn来台站对地震计维修。在观测房内检查，地震计供电31 V，电流0.01 A。在井口重新焊接连接线，用稳压电源给地震计直接供电。工作人员调整电压30 V，电流0.01 A，仍无法收缩洞锁臂杆，因此排除地面线缆的故障。使用绞盘强行把地震计提出，拧开线缆和地震计的接头发现接头进水，部分腐蚀，同时接头处的电缆防护橡胶有较大的破裂。地震计内部没有发现漏水现象。更换地震计顶部连接器，地震计可以正常工作。判断认为：电缆漏水导致地震计工作异常。

图1 射阳台地震计连接头

图2 高邮台地震计连接头

2.3 南通台

南通台测震井井壁的上部孔径为146 mm(0～97.3 m)，基岩部分孔径127 mm的裸孔(97.3～104 m)，底部孔径为91 mm。2007年3TB地震计安装运行，2010年记录波形出现异常，记录数据质量不高，同时垂直向偏摆。2011年Shawn来台站对地震计提摆维修。提摆时发现孔锁控制单元无法启动，检测发现控制单元芯线没有连接到数采。增加额外导线后，孔锁控制单元可启动，地震计顺利从井下提出地面。检测发现垂直向调零马达卡死，维修后马达可以正常工作。Shawn建议把井下地震计与大地共地后，再次安装地震计到第一次安装位置(井下103 m处)，展开洞锁臂杆后发现地震计无法固定在井壁上，反复调整位置地震计均无法固定在井壁。把地震计提出地面后发现洞锁臂杆原装垫片被更换(由于地震计初次安装时担心无法下至127 mm孔中，因此将洞锁臂杆的原装垫片块拆了)，导致地震计无法固定在井壁上。安装人员只能在洞锁臂杆增加2个垫片，两旁卡片上各增加5个垫片。安装地震计至初次位置，地震计可以固定在井壁上，打开水平仪后发现井斜超过3°(图3)。经过反复调整，只能把地震计安放井下99 m处。

2.4 盐城台

2008年盐城台3TB地震计安装运行，2010年6月起无法标定，摆锤位置偏出，通过远程软件和井口控制盒无法居中。地震编目时发现盐城台震相的振幅和定位震级比其他台站明显偏小。2013年7月英国GURALP公司技术人员来台维修。盐城台井下地震的信号线从井口出来后接入HCU(手动控制单元)，HCU与观测楼内数采之间用一根近百米的数据线缆通过埋地方式连接。数采端的直流稳压电源12 V给数采供电，24 V给地震计供电线供电。技术人员将数采从台站观测楼移至摆房井口，将HCU更换为地面用的BreakBox(BreakBox为地面地震计用的控制盒，与HCU相比没有摆锤位置的仪表显示)。自带的双路可调直流稳压电源分别给地震计和数采供电，供电电压分别为30 V和13 V，地震计和数采的工作电流均在正常范围内。通过笔记本直接连接数采，SCREAM软件观察波形，通过BreakBox可以完成居中。在井口用单台监测软件记录脉冲标定信号，经省局测震台网计算，各项参数均正常。

图3 水平仪监测结果

图4 盐城台测震系统连接示意图

2.5 海安台

2007年海安台3TB地震计安装运行，2010年地震计波形异常，不能标定。2011年Shawn来台对地震计维修。在摆房进行开解锁、居中等操作，地震计无响应。维修人员直接用稳压电源在井口通过HCU给地震计供电，电压31.4 V，可开锁摆，信号恢复。故障原因认定为：地震计供电线路过长，衰减过大，导致地震计供电电压不够而无法正常工作。

2.6 溧阳台

2010年溧阳台3TB地震计安装运行，由于安装时间比其它台站稍晚，地震计的安装工艺和方案设计比较成熟，线缆和密封硅脂的选择更具针对性。设备安装后，运行稳定，未出现较大故障。2013年1月垂直向波形出现异常，不能正常记录地脉动信息。2013年7月GURALP公司技术人员对地震计进行维修，发现垂直向元器件损坏。维修后重新安装记录的波形质量仍不高。2014年8月雷雨季节，地震计遭雷击，无法正常记录地脉动信号。对比2012年3月(地震计发生故障前)、2013年3月(地震计发生故障后)和2014年3月(地震计维修后)垂直向台基噪声功率谱曲线(参见图5)，发现地震计初次安装后观测信噪比较高，2013年1月垂直向损坏后不能正常记录地脉动信息，维修后观测信噪比仍然不高，观测仪器自身噪声较强，在低频段有明显的仪器噪声干扰。2014年12月溧阳台3TB地震计被港震井下地震计替换。GURALP公司英国技术专家2011年1月和2013年7月来江苏负责完成江苏地区3TB地震计的集中维修。由于维修时间较紧，维修备用元器件不足，部分3TB地震计的关键元器件在维修之前损坏比较严重，导致维修难度很大，大部分地震计维修后并未恢复到正常状态，在之后运行过程中故障仍然较高，大部分地震计不能正常标定和开锁摆(表1)。为了保证数据的连续率，江苏地区的3TB地震计逐渐被其它井下地震计替换。

表1 3TB地震计维修后的运行情况

3 故障原因分析及建议

3.1 观测井

观测井是整个井下观测系统的重要组成部分。选址不当、钻孔不合规范、观测井斜度超标、有畸变、穿过裂隙破碎带都会给井下观测系统带来不同程度的干扰，增加下井安装的难度, 导致安装成功率下降(吴立恒，2006)。即便勉强安装完成，最终也无法获得有价值的观测资料，甚至导致运行设备的损坏。大部分井下地震计有最大倾斜安装要求，不同型号的地震计允许的倾斜角度不同。南通台地震计第一次安装时，安装处观测井井斜为3.2°，该斜度已经是3TB地震计工作的临界状态。

图5 溧阳台各时期垂直向台基噪声功率谱曲线

井斜超标将导致地震计安装后无法调整到运行状态，随着时间的推移，地震计发生非常缓慢的移动。此时台网中心对地震计发出多次的调零命令，很可能把马达卡死，导致地震计的损坏。观测井是整个井下观测系统不可或缺的重要组成部分，观测井的质量直接影响着观测资料的质量。针对选址、钻孔、成井等相关作业,目前都有较为完善的操作标准，作业中应当严格按照相关标准要求进行操作，只有如此才能保证观测井的质量。

3.2 安装方案

测震系统安装方案的设计对整个观测系统的运行效果会产生很大的影响。在3TB地震计观测系统安装初期，部分台站地面传输方式是通过图6方式实现，例如高邮台、盐城台和海安台。观测信号需经过几百米的井下线缆到达地面，然后经过几百米的地面信号线路到达记录室的数据采集器。此方案会导致两个问题的发生，首先地震计模拟信号传输过长，增加了雷击风险，从而导致设备的损坏。其次传输线路过长，电压衰减的变大，使得地震计直流供电电压不够。由于电压是电能质量当中最为主要的指标，电压传输衰减引起的电压偏差对低压用电设备会产生极大的危害，甚至会导致低压用电设备系统不稳定和设备损坏。把数采、电源控制器等设备放置在摆房，摆房市电由记录室UPS提供，电源线引线用原来的数据信号线代替。摆房与记录室之间采用光缆进行数据传输，双端各增加一个光纤收发器(图7)。新方案既可以避免过长的传输线路，又可以降低雷击的风险。

图6 原系统连接示意图

图7 新系统连接示意图

3.3 安装工艺

井下地震计的安装专业性很强，对安装人员的专业素质要求很高。任何一个工艺流程中微小的瑕疵都可能导致整个系统的彻底失败。在3TB地震计安装初期，安装人员对一些安装技术要求没有完全掌握，导致部分台站地震计运行的隐患。南通台地震计安装时，安装人员没有检查地震计是否卡住井壁，直接将地震计放到井底，而且井壁的倾斜度只一米左右的长度勉强符合安装条件。地震计没有完全卡死，稍有倾斜就使地震计倾斜超过正常范围。地震计处在一个不稳定运行环境中，垂直向在反复调零时，出现马达错位导致地震计的严重损坏。安装工艺水平的提高离不开安装人员专业素质的提高，安装人员可以在专业培训和实践工作中总结经验和教训，提高专业素质。同时地震计的安装工作可以承包给专业安装队，这样可以提高地震计的安装质量。

3.4 密封

井下地震计的密封技术是保障井下探头承受数百米液压(几十个大气压)作用而不渗漏的重要技术。在初期安装3TB井下地震计时，为了节省成本，使用的是国产电缆。原装电缆与当时国产电缆区别在于：原装电缆是针对3TB地震计技术特点专门设计生产，而国产电缆却不具备此特点。使用国产电缆必须改变系统原有的防水设计，重新设计一套防水装置。而国产电缆重新设计的防水装置在使用过程中发现，橡皮圈装置的防水性能经长时间运行后往往会出现问题，导致地震计密封故障。同时安装初期使用的国产密封硅脂，也存在一些不足之处。统计3TB井下地震计的维修案例后发现：由于地震计渗水导致地震计损坏的机率很高。因此在连接线缆与地震计的过程中，必须确保接头处不能有灰尘等杂物。原装电缆针对3TB地震计的技术特点专门设计生产，针对性更强，密封技术成熟。在更具针对性的国产电缆研制出来之前，为保证系统的运行安全，可以选择原装电缆。同时提供原装电缆的样品给国内电缆生产公司，由电缆公司研究原装电缆的性能指标和工艺，根据结果研制性能与原装电缆相同的国产电缆。使用单位对电缆公司提供的国产电缆样品进行密封性能测试，测试合格后在部分台站试运行。在密封硅脂的使用方面，根据安装经验，美国道康宁MOLYKOTE 111或者英国GURALP公司提供的SOL-RES 01品牌硅脂密封效果要比国产的密封硅脂好。同时随着井下观测手段不断发展, 井下地震计安装深度将不断加深，密封改进是一个不可回避的问题。因此我们应该设计一个井下环境实验系统, 将试件和密封材料放入实验系统中进行测试。通过实验测试,检验比较同一类密封方式在不同部件上的密封效果,不同类型密封方式在同一部件上的密封效果,避免盲目使用市场上密封产品带来的潜在风险,也使我们每一次密封方式的改进有据可依。

3.5 地震计自身原因

不同的安装深度，井下观测环境会发生明显变化(例如温度和压强)，对地震计要求也不同。据了解，3TB地震计在研制和试验阶段，安装井大部分都在200 m以内。但江苏地区大部分测震井的深度要大于200 m，个别台站的测震井深度达到了400 m。安装深度的变化，容易导致地震计一些故障的发生。同时发现，3TB地震计电源模块中电压的适应范围有一定的局限性，对线缆压降比较敏感。特别当用户给设备一些控制指令时，例如开摆、锁摆、调零以及标定时，由于线缆长度过长，线缆上损耗的电压较大，地震计实际接收到的电压值与用户的期望值有所不同，会引起地震计对控制信号的误识别。地震计内部控制信号的紊乱，引起元器件的误操作，导致设备机械部分的损坏。同时在运行过程中发现，与国内井下地震计相比，3TB地震计对防雷标准要求较高。在大部分测震台站建设中，设计和实施中保证接地装置的接地电阻小于4 Ω即可，但4 Ω产生的电源波动却容易对3TB地震计及其辅助设备造成损坏。由于原台站直流稳压电源不可根据需求进行电压调节，负载效应及纹波噪声也不满足较高要求地震计的供电，因此更换为可调双路直流稳压电源，在考虑压降的因素后根据地震计的实际需求调节电压。针对3TB地震计防雷标准要求较高的情况，请专家设计符合实际需要的防雷方案。为了降低接地电阻，可以采用外延增加接地网尺寸、接地体深埋于低电阻率的土壤以及使用降阻剂等方法。

3.6 维修机制

3TB地震计由GURALP公司研制和生产，由博来银赛科技(北京)有限公司代理。当时国内技术人员并不具备3TB地震计的维修能力，地震计的维修必须依靠GURALP公司的技术人员完成。考虑成本的原因，当个别地震计出现故障后并不能在第一时间得到技术人员的检修，只有当一定数量的地震计出现故障后，英国GURALP公司的技术人员才会统一维修。同时备用设备数量有限，大部分地震计损坏后不能得到及时更换，地震计“带病工作” 的情况十分普遍。出现故障的仪器得不到及时维修，会导致故障累积。原本轻微的故障发展成严重的故障，甚至导致设备的彻底损坏。设备发生故障后能否得到及时和准确的维修是影响设备使用寿命的重要因素之一，维修人员应努力提高故障判断和维修能力，为设备得到及时和准确的维修提供保障，延长设备的使用寿命。

4 结语

井下地震观测系统从系统的研制、安装和长期运行都存在巨大的风险。江苏地区3TB地震计在使用过程中出现问题的原因众多，包括观测井、密封、安装和维修机制等诸多方面。因此,在井下系统观测中，我们要充分认识客观存在的风险,形成各个环节操作规范并严格执行,以期最大限度地降低井下观测的风险, 保证井下观测系统的长期稳定运行才是最终目的。