一种地震计固定装置

张 磊 张新东 刘 爽 吴 鹏 赵长红

（中国河北 056001 河北省地震局邯郸中心台）

0 引言

目前，国内常用的地震计，无论是国产的还是国外（英国、美国、加拿大等国）生产的，都只针对强震计进行了固定设计。相关资料中对地震计安装作了规范，但都未针对其固定提出要求（中国地震局，2005；中国地震局监测预报司，2007）。因此，当强震发生时，极震区地震台站的地震计有的发生了倾倒，有的则发生了严重位移，这些均导致地震计无法正常工作或产出波形异常。

吕俊强等（2010）针对汶川8.0 级地震提出了宁夏测震台网大震应对改进方案，方案中提到对机柜内部设备与服务器的加固问题，从而可保证强震发生时观测室机房的正常运行，但是忽略了最重要的地震计的运行问题；肖武军等（2019）对阳原台专业设备、公用设备、公用设施等合理地进行了加固；张新东等（2013）基于GURALP 强震计的防震设计原理，提出了一种针对地震计的固定方法，但是该方法改变了地震计的底脚设计和地震计底板的接触面积；《地震台站标准化规范设计图册》（修订稿）（中国地震局监测预报司，2019）也给出了3 种类型的固定装置，即A 型—仅低位贴靠、B 型—低位+中部贴靠、C 型—高部贴靠，这3 种固定装置均需要与地震计部分贴靠。本文的固定装置与以往设计不同，是通过地震计的3 个底脚进行固定的，不与地震计其他位置接触，同时没有改变原有地震计的结构，有效避免了混入其他噪声。

1 固定装置设计与安装

1.1 固定装置设计

固定装置各个部件均采用6 mm 厚不锈钢材料，其主要由2 部分组成，一部分是1 个固定底盘，通常使用膨胀螺栓与摆墩固定；另一部分是3 个固定器，通过固定片锁死地震计3 个底脚的调节器（图1）。该固定装置未改变原有地震计的设计和任何零部件，也未与地震计外壳有任何接触，同时也保证了地震计原底脚与摆墩的正常接触。

图1 固定装置示意图1—固定底板；2—固定片；3—调节螺母；4—外侧调节螺栓；5—内侧调节螺栓；6—地震计底板；7—地震计底脚螺栓；8—地震计底脚；9—膨胀螺栓固定孔；10—底脚孔洞；11—调节孔Fig.1 Schematic diagram of the fixing device

1.2 安装方法

根据摆墩方位标志及地震计上的方位角标识线，确定固定底板的相对位置。固定底板贴紧摆墩表面放置，用膨胀螺栓将固定地底板固定在摆墩上，将地震计底脚穿过底脚孔洞（不接触）放置在摆墩上，安装固定片，调节固定片上的内侧调节螺栓，调节内侧调节螺栓上的螺母，最后调节外侧调节螺栓，以保证固定片水平并均匀地压在地震计底脚螺栓上。

2 测试试验

图2 测试摆墩Fig.2 Instrument pier for testing

2.1 测试场地概况

测试场地为河北省武安市活水乡长寿村内秋树坪地震台。台站地处中朝准地台山西断隆太行拱段束的武安凹断束内。周围断裂有涉县断裂、南山口—岔口断裂、紫山西断裂、北洺河断裂和邯郸断裂等。台站附近出露基岩岩性为震旦系石英岩状砂岩，上部夹紫红色、灰绿色页岩。观测山洞位于砂岩内，进深10 m，测试摆墩位于山洞最深处（图2）。

2.2 试验仪器

试验仪器为2 套北京港震科技股份有限公司生产的EDAS-24GN 型数据采集器和BBVS-120 型地震计，采样率为100 Hz。

2.3 试验方法

试验分为2 个阶段。将2 个阶段都未安装固定底座的一个地震计命名为qsp；另一个安装了固定底座的命名为qsp 2。

第1 阶段：2019 年11 月16 日至12 月13 日，一个地震计不固定，按照常规方法放置在摆墩上；另一个地震计安装固定装置后固定在摆墩上（图3，图4）。

图3 第1 阶段qsp 地震计Fig.3 The qsp seismometer in the first stage

图4 第1 阶段qsp 2 地震计Fig.4 The qsp2 seismometer in the first stage

第2 阶段：2019 年12 月13 日至2020 年1 月13 日，2 个地震计都未固定（注：图6中固定装置的固定片已经卸掉，固定底板未与测试地震计有任何接触）（图5，图6）

图5 第2 阶段qsp 地震计Fig.5 The qsp seismometer in the second stage

图6 第2 阶段qsp 2 地震Fig.6 The qsp 2 seismometer in the second stage

2.4 试验数据分析

2.4.1 噪声。从第1、2 阶段各选了2 天各24 h 的连续波形进行计算。第1 阶段选择的时间分别为2019 年11 月27、29 日，第2 阶段分别为2019 年12 月28、29 日（图7，图8，图9，图10）。计算结果如表1 所示。

表1 噪声对比结果Table 1 Noise result

图7 2019 年11 月27 日00:00—24:00 功率谱密度（a）qsp 地震计；（b）qsp 2 地震计Fig.7 PSD curves of two seismometers on November 27,2019

图8 2019 年11 月29 日00:00—24:00 功率谱密度（a）qsp 地震计；（b）qsp 2 地震计Fig.8 PSD curves of two seismometers on November 29,2019

图9 2019 年12 月28 日00:00—24:00 功率谱密度（a）qsp 地震计；（b）qsp 2 地震计Fig.9 PSD curves of two seismometers on December 28,2019

图10 2019 年12 月29 日00:00—24:00 功率谱密度（a）qsp 地震计；（b）qsp 2 地震计Fig.10 PSD curves of two seismometers at 0-24 o’clock on December 29,2019

第1 阶段qsp/qsp 2 比值的平均值为1.017 8；第2 阶段为1.012 8，比值相差0.5%。由此可见，地震计安装固定装置后，记录的噪声相对要小一些。说明安装固定装置并没有使地震计混入有影响的噪声。

2.4.2 信噪比。分别从2 个试验阶段各找出2 个典型地震，并将记录到的地震信号的功率平均值与地脉动信号的功率平均值进行比较，得出2 个地震计记录到的地震事件波形的信噪比SNR（图11，图12，图13，图14，表2）。

表2 信噪比SNR 对比Table 2 SNR comparison table

图11 2019 年11 月21 日2 时54 分河北沙河ML1.5 地震波形（a）qsp 地震计；（b）qsp 2 地震计；起始时刻02:52:00Fig.11 Earthquake in Shahe county,Hebei Province

图12 2019 年12 月2 日23 时42 分河北临城ML1.7 地震波形（a）qsp 地震计；（b）qsp 2 地震计；起始时刻23:41:00Fig.12 Earthquake in Lincheng county,Hebei Province

图13 2019 年12 月15 日1 时32 分山西襄垣ML2.7 地震波形（a）qsp 地震计；（b）qsp 2 地震计；起始时刻01:30:00Fig.13 Earthquake in Xiangyuan county,Shanxi Province

图14 2019 年12 月26 日2 时33 分河北任县ML1.7 地震波形（a）qsp 地震计；（b）qsp 2 地震计；起始时刻02:32:00Fig.14 Earthquake in Ren county,Hebei Province

从计算结果看，qsp、qsp 2 地震计信噪比之比的平均值相差3.9%，小于5%，说明安装固定装置对地震计记录地震事件波形的信噪比影响不大。

3 结论

本文研制的地震计固定底座能够很好地固定地震计，可保证地震计在经历强烈振动时不会发生位移、转动和倾倒。由于采用了地震计底脚固定的设计，固定装置不与其他位置接触，从而有效避免了因固定装置而混入的干扰噪声。

通过试验测试发现，安装固定底座后地震计运行正常，噪声值略有变小，说明未混入多余噪声；信噪比均值在安装固定底座前后变化不大；通过对记录波形进行分析后认为，波形正常，定位结果亦正常。

综上所述，本文介绍的地震计固定装置基本可行。