安装宽带地震仪器的指南

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介绍

在本安装指南中,我们不会详细涵盖安装程序的所有方面,而是将重点放在那些对安装宽带地震仪的地震台站的整体性能影响最大的方面。影响宽带地震检波器整体性能的两个方面是地震墩的建造和传感器和墩周围的保温应用。作为一个例子,我们还介绍了最近(1997年3月)在法拉龙群岛(伯克利以西68公里)安装的BDSN宽带站的安装和运行特性的一些细节。

当发现一个潜在的宽带地震台站地点时,部署一个由24位分辨率数据记录器在现场记录几天的便携式宽带传感器,以测量低频背景噪声是有益的。这是一个重要的步骤,因为低频噪声水平不能从高频噪声水平可靠地预测。一个安静的短期站点不一定是一个低噪音的宽带站点。

PSD背景噪声测量

一旦发现了宽带地震站的潜在站点,我们始终设置便携式宽带站(宽带传感器和24位分辨率数据记录器),并记录几天以获得背景噪声水平的指示。当发现宽带地震计的合适位置(对传感器和绝缘盒足够大而足够大)时,使用背锄和/或铲子去除松散的表面材料,并且使用a清洗露出的岩石地质锤和钢丝刷,以获得清洁且稳定的表面。图1和图2示出了在Hopland附近的潜在宽带地点的宽带地震计的临时安装的示例。

图1。在岩石露头处放置宽频地震仪的例子。在山的一侧挖一个洞,移走疏松的风化物质,直到露出一块大致平坦的坚硬岩石,大到足以容纳地震仪。

图2。在地震检波器安装好之后,它被覆盖上一个绝缘箱(由绝缘泡沫制成,如下所述),以帮助提供热稳定性。一块胶合板也被放置在隔热层上,以减少阳光直射。数据记录器和电池也可见于图中。确保绝缘箱不接触地震仪。地震仪安装和运行后,一般需要半天时间才能稳定。

通常情况下,当寻找宽带站的新站点时,在一个区域内调查三个或更多的潜在站点,并在其中两个或更多的站点进行噪声测试。我们更喜欢在公共土地上,附近有电力和电话,远离文化噪音的主要来源(公路、高速公路、铁路等)。对于热稳定性来说,阳光直射最小的地点也是首选。我们发现的最佳BDSN地点是在相对偏远的废弃硬岩采矿巷道中。

破坏行为也是一个问题,所以我们寻找一些能够提供某种程度的安全性,并且在公共道路或路径上通常看不到的地点。虽然搜索站点是一项耗时的工作,但为了获得宽带地震仪的最佳性能,这是必要的。

确定背景噪声的功率谱密度(PSD),并与其他台站进行比较。图3显示了低频背景噪声的PSD分析的一个例子,我们对利弗莫尔地区(伯克利东南55公里)山上漂移的低频噪声水平感兴趣。图4提供了与BDSN站JRSC的比较。在两个图中,PSD单位相对于1 (m/s**2)**2/Hz以dB为单位。

图3。PSD背景噪声,使用Streckeisen STS-2宽带地震仪和Quanterra Q4120数据记录器记录在一个建议的BDSN宽带站点。

图4。图3给出了BDSN JRSC台记录的PSD背景噪音水平,该台也设有Streckeisen STS-2地震检波器。

请注意,两个PSD图中水平分量上的噪音水平是相似的,而垂直分量在很长一段时间内相差很大。在建议的BDSN站点,垂直分量噪声PSD非常低,主要是因为漂移的背面(距离入口100米),也就是安装临时仪器的地方,有一个非常稳定的温度。正如下面将要讨论的,为了使宽带地震检波器获得最佳性能,热稳定性是必要的。

抗震墩的构造

通常,宽带地震检波器能够响应纳米辐射的倾斜。作为一个实际问题,把人的头发放在一个平的足球场的角落会引起这样的倾斜。因此,在低孔隙度、坚硬的岩石上选址是至关重要的。任何桥墩下或桥墩内的不一致都会增加环境噪音。粘土与水分接触膨胀,或沙子中微米级的气孔都能引起倾斜。虽然建筑墩或结构墩通常建在压实的砾石、沙子或泥土上,但这些底层材料是导致地震墩反作用力倾斜的电缆,从而增加环境噪音。

传统的混凝土由不同数量的硅酸盐水泥、岩石骨料、沙子、水和钢筋组成。通常这些材料按比例组合,以达到理想的强度和最佳的成本。考虑到地震墩承受不到20公斤的地震检波器质量,并由也许一立方米的体积;因此,兵力和费用不值得关注。

主要问题是码头既不影响地球或地震表的响应。混凝土码头应该简单地握住,并且可以达到地震表的严重级别。在这方面,混凝土混合物应尽可能均匀。钢筋(RE-BAR),金属丝网和岩石骨料都具有不同的热膨胀系数,不应在地震码头中使用。富含50%的波特兰水泥和50%的筛分沙子的混合物会产生非常坚硬,光滑的码头。这种混合物和不存在增强材料与传统混凝土相反。

在建造桥墩的形式时,确保形式中的任何缝隙都相对较小,因为混凝土混合物很容易流动,它将倾向于从形式的缝隙中泄漏,特别是当它被振动以除去夹带的空气时。同时,确保有一个缝隙,大约4英寸左右的宽度,周围的桥墩在它的基础,这样没有其他混凝土(无论是拱顶地板或墙壁)接触到桥墩。这一间隙是必要的,以减少任何接触的桥墩可能诱发倾斜。

当硅酸盐水泥和砂子混合时,其稠度应与牙膏相近。将混合物倒入模具后,应振动以除去夹带的空气。在没有振动的情况下,夹带的空气会做出反应,随着经过的区域压力单元膨胀和收缩,从而产生高频噪声峰值。混凝土振动器可从工具/设备租赁商店购买。

混凝土强度通常规定为28天固化。由于我们对强度并不感兴趣,28天的治疗时间是有误导性的。丰富的混凝土混合物实际上建立非常快,桥墩变得足够坚硬,以承受地震仪,而没有压痕由于地震仪的尖脚,在不到24小时。当混凝土固化时,波特兰水泥的水化作用产生热量。大约80%的热量将在最初的14-28天内排出。这可能会影响地震检波器在此期间的沉降。我们还没有发现混凝土固化过程中的水分是传感器的一个问题,可能是因为我们使用的水泥和沙子的高反应性混合物。

Parkfield(PKD)的BDSN站的新构造码头的一个例子如图5所示。

图5。在墩浇筑和设置后,在墩周围建造混凝土墙,使用空心混凝土建筑块,填充墩施工中使用的混凝土配合比。这种额外的混凝土墙基本上是用来增加热质量,由泡沫箱保温,以延长保温墩/地震检波器系统的热时间常数。安装在桥墩上的是Streckeisen STS-2宽带地震仪(和控制箱)和Kinemetrics FBA-23强运动加速度计。强运动加速度计被固定在桥墩上,可以记录+/-2g的全尺寸加速度。请注意,当电缆对温度变化作出反应时,STS-2电缆的布放是为了尽量减少对STS-2的噪声耦合。我们已经发现,缆索引起的噪音可以通过从上面悬挂缆索并将其悬挂在桥墩上来减少。

宽带地震检波器的隔热

在安装宽带地震检波器时可以做的所有事情中,隔热对地震检波器的整体性能的影响可能最大,它还有一个额外的优势,即既便宜又容易安装。目标是实现足够长的热时间常数,以显著减弱日热特征。

保温材料的选择是两面贴面为铝箔的半刚性聚异氰脲泡沫板。这种绝缘有一个标称r值8.7每英寸,它来在4x8英尺的薄片,它是广泛适用于一些厚度达4英寸。我们通常使用2英寸厚的绝缘层,因为它们很容易在当地的木材场得到。2英寸的板材的R值为17.4,很容易用手工工具切割。我们使用膨胀的聚氨酯树脂,这是在喷雾罐中,把薄片粘到一个绝缘盒,并把盒子粘到码头上,以减少传导,辐射和对流热源。隔离桥墩的示例如图6所示。

图6。在Parkfield (PKD)的BDSN站安装泡沫绝缘材料。该码头已足够大,可容纳3台Streckeisen STS-1地震检波器,但我们目前已在码头后半部安装了一个Streckeisen STS-2地震检波器。2英寸泡沫保温材料暂时用胶带粘在一起,直到泡沫保温箱内所有连接处使用的液体泡沫凝固为止。第二层2英寸的泡沫和顶部(4英寸厚)是在这张照片拍摄后添加的。沿着泡沫的所有接缝处涂上一层液体泡沫珠,把它粘在一起,形成一个坚硬的盒子。注意,顶部也粘上了,当一个地震仪需要维修时,泡沫盒的顶部被切成一个斜面,这样它就可以被移除,然后粘回原位。之所以这样做,是因为其目标是将所有形式的热传递(包括空气通过泡沫绝缘箱的对流)降至最低,这是可行的,因为仪器非常可靠,很少需要维修。

仅仅用一个4英寸厚的泡沫盒来隔离地震仪就会产生1000秒量级的热时间常数,最终会受到通过桥墩的热传导的限制。为了获得更长的时间常数,我们用4英寸的泡沫箱对整个码头暴露的部分进行隔热,从而增加热惯性。隔离桥墩和地震检波器的有效性如图7所示。

图7。垂向Streckeisen STS-1地震检波器信号记录在BDSN汉密尔顿山(MHC)站,其上迹为隔离墩前,下迹为隔离墩后。记录每一个月长,垂直比例尺是相同的。MHC绝缘地震检波器/墩的热时间常数为2天。值得注意的是,主要的日热信号,出现在上迹,在下迹高度衰减。在这两条轨迹上出现的相对高频信号是半日重力潮。上迹也显示96.048 06:00 UT Mw 8.2伊里安查亚地震。作为参考,1个数字计数相当于在周期小于360秒(STS-1地震仪的自然周期)时,地面速度为0.259纳米/秒。

典型的宽带地震仪耗散1-2瓦的热量,而典型的加速度计耗散几毫瓦的热量。由于它们的低功耗,它们可以被高度绝缘,而不会在操作温度上过度上升。请注意,如果你考虑绝缘高R值(大于80),你应该监视地震检波器的温度上升或计算的理论温度上升码头和绝缘几何确保地震检波器将不会受到温度超过其正常操作范围。

24位分辨率数据记录器的温度灵敏度通常约为宽带地震检波器的温度灵敏度的2%。因此,数据记录器不需要像宽带地震仪那样稳定的温度环境。然而,数据记录器的温度越稳定,其分辨率就越高(一个Quanterra数据记录器在非常稳定的温度环境中实际上可以达到25位以上的分辨率)。数据记录器通常比宽带地震仪散发10-20倍的热量。由于它的高散热,我们不认为它是一个好主意,在数据记录器周围应用重大绝缘位于一个常温环境,因为它的内部散热将迅速提高温度超出数据记录器的工作范围。

在法拉龙群岛安装BDSN宽频站

1997年1月,我们在Farallon群岛安装了Guralp CMG-40T和Quanterra Q4120数据记录器,并配备了BDSN站。由于其位置偏远(可以通过直升机和船只进入),以及作为Farallon国家野生动物保护区的地位所施加的限制(只有有限的现场参观和建设),安装被证明是一个相当大的后勤挑战。我们之所以对这个地点感兴趣,是因为它独特的地理位置,在旧金山湾区主要断层系统以西的太平洋板块上,增强了旧金山湾区BDSN站的网络几何形状。通常情况下,多次旅行绝对是正确的选择,尽管会增加旅行时间的成本。由于我们的许可证只允许访问该岛一次,我们花了相当多的时间进行准备,并在4天的行程中安装了FARB站(2人每天工作12-14小时):

第1.第1.旅行和选择地震表的位置,建立遥测配置。

天2。拆除风化层,大修找平,浇筑2英寸厚找平墩,安装记录仪和电源线。

第三天。安装和定向地震检波器(Guralp和FBA),安装信号电缆和电力管道,开始覆盖地震检波器,电线和保险丝电池组。

第四天。继续覆盖地震仪,增加热质量,返回行程。

在Farallon岛上安装的设备的框图如图8所示。由于遥控的遥控器和相对无法进入的位置,我们在电源和通信电路中略有设计和建立了一些冗余。

图8。Farallon群岛BDSN站(FARB)硬件安装框图。请注意电源和通信组件的冗余。通信电路有5个通信通道,一个以太网连接和4个串口连接,通过帧中继遥测。以太网连接到Quanterra Q4120数据记录器,使其能够完全访问数据记录器的功能。使用串行端口:V.35 Cylink扩频电台,为控制台端口访问Q4120,对于数据和命令的链接Ashtech GPS接收器(海湾地区的一部分区域变形(诗人))网络,并提供电子邮件连接人员驻扎在岛上。

建造空间站所需的物资是用直升机和船只运送的。两个人花了4天时间在岛上建造这个车站。一旦设备和用品被拆封,安装工作就有条不紊地进行,数据记录器和所有相关硬件(地震传感器和天线除外)在机架外壳内组装,并放置在一幢现有建筑物内。电力由一台现有的13千瓦柴油发电机提供,由于岛上没有电话服务,因此安装了一条到伯克利的扩频无线电通信链路,以支持与该站双向通信的帧中继通信。我们想要一个整体安装尽可能可靠和冗余我们能朝着这个目标,我们重复的电源(电池)的大型银行和通信系统(有一个现有扩频通信链路建立的DGPS站在岛上,我们之前已经安装)。图9显示了我们位于岛上现有建筑中的设备机架。请注意,机架及其组件已牢固固定,以防止发生强烈地面运动时倾覆。在没有意义的安装宽带站,其中包括一个强大的运动加速度计,然后没有安全地锚定设备。

图9。已完成的BDSN Farallon Islands (FARB)设备机架和电池安装。Quanterra Q4120数据记录器被绑在机架的顶部,电池在机架左侧的地板上的一个限制外壳中。机架中的设备,从上到下依次为:Cylink扩频收音机;地震检波器控制面板、Freewave扩频无线电和帧中继接入设备(FRAD)、Ashtech GPS接收机、电源分配设备,最后是重复电源。

地震码头在曾经支撑了几个水箱的基础砌块中构建在岩石山坡上。岩石的风化部分被切除,直到获得大约1米的方形大致水平面积,用于选址码头。码头的形式是从用于将设备运送到岛屿的塑料桶中的一个环。从筒的中心部分切割环,使得一旦构造了混凝土码头,筒的闭合端可以滑过以形成外壳。在混凝土组后,安装了GuralP CMG-40T,构造了4英寸的厚绝缘盒以适合枪管。在伯克利测试遥测数据后,验证CMG-40T是否运行,安装了桶外壳和绝缘。然后覆盖了估计的1000公斤岩石,与膨胀聚氨酯泡沫粘合在一起,形成围绕地震计的大量热屏蔽。完整的地震仪安装的图片如图10所示。

图10。已完成的BDSN Farallon群岛(FARB)地震检波器安装。传感器被安置在曾经装有几个水箱的地基之间。覆盖地震检波器外壳的岩石,在图形中心的一堆更小的岩石,既起到隔热作用,又作为装置的伪装。

随着地震信号,我们还以24位分辨率以1 Hz速率记录地震计的温度和相对气压的温度。我们已经开始在所有新的BDSN站和现有BDSN站安装热敏电阻和气压计,以便通过与地震计温度和压差的互相关来减少地震带中的环境噪声水平。温度数据也很好地指示了地震仪周围的隔热性。例如,图11比较了Z组分地震,压力和温度。请注意,琼脂量温度仅在每天几个程度的摄氏度(c)时变化。这对于宽带30个第二周期地震计是足够稳定的。通过峰 - 峰值(P-P)温度波动的多大测量,测量局部计的绝缘和岩石质量的有效性。当空气温度变化为7.0℃P-P时,地震计温度为0.325摄氏度P-P(在旧金山浮标,16公里的FARB)上测量)。因此,地震仪周围的绝缘和岩石衰减了13.3dB的昼夜温度波动。For comparison, the seismometer temperature at the most stable BDSN station (Yreka, YBH), housing a set of Streckeisen STS-1 seismometers (360 second period) in an abandoned hard rock mining drift, varies by less than 30 millidegrees C P-P in two months.

图11。将原始LHZ (1hz) FARB z分量Guralp CMG-40T信号与相对地震仪温度、相对压力进行比较,并将LHZ数据补偿了从97.088开始的10天间隔内温度和压力的线性相关影响。对LHZ补偿数据进行25秒低通滤波,去除大部分微地震背景噪声,方差降低29.4%。作为参考,1个数字计数相当于,在周期小于30秒(CMG-40T地震仪的自然周期)时,地面速度为2.82纳米/秒。

有人对CMG-40T的性能感兴趣,它有一个60秒的弯角,也就是安装在FARB的CMG-40T的30秒弯角的两倍。FARB LHZ信号的温度漂移是~110计数/度和预期的温度灵敏度的60秒CMG-40T是~440计数/度(周期四分之一有效弹簧常数)和60秒CMG-40T也将是倾斜灵敏度的4倍30秒版本。

其他安装注意事项

安装一个宽带地震台需要花费多少人力和精力?这是一个需要复杂答案的简单问题。我们将系统地评估和选择场地作为一个单独的过程。知道了场地和仪器配置后,我们就可以规划施工,将电缆预制到适当的长度,并通常携带所有部件。(去当地的五金店真是浪费很多时间)!我们在实验室里预制了所有的信号电缆(两端,每端多达40根导线),这样我们就可以在部署之前对“系统”进行端到端的测试。这几乎完全消除了安装过程中的故障排除。然而,最大的好处是,详细的规划也使我们能够进行更坚固的安装,这将更好地承受长时间的无人操作,而无需亲自维护。我们通常一年或更长时间没有对网站进行维护。在规划和预制好必要的部件后,需要3 - 4天的时间在现场进行物理安装。 At minimum, it takes 500 man-hours to search, plan, travel, prefabricate, and install a site. If the distances are great, or construction is complex, the time requirement can easily go to 2000 man-hours. For example, we spent approximately 1500 man-hours on KCC (sited in an existing tunnel), 2000 man-hours on HOPS (because of vault construction), and we spent 1300 man-hours on FARB (our most inaccessible station).

是否需要精心安装一个60秒角的宽带地震仪,比如Guralp CMG-40T ?基本的答案是肯定的。由于宽带传感器动态范围大、频带宽,容易受到短周期台站无法感知的噪声源的污染。如果在安装过程中多加小心,将获得高质量的宽带数据,特别是在微地震峰值~7秒和地震检波器角周期之间的长周期波段。由于地震仪需要几周或几个月的时间才能完全稳定下来,所以我们只能粗略地评估在安装时台站的表现如何。考虑到数据的下游处理操作和解释依赖于获取,安装永远不会“足够好”。然而,也有一些明显的限制因素。基于在初步现场调查中建立的便携式宽带站获得的数据中出现的高背景噪声水平,我们决定在Farallon群岛的BDSN站FARB安装一个有30秒角的GURALP CMG-40T是一个合适的选择。

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由Bob Uhrhammer和Bill Karavas作出贡献。

请注意,此“安装指南”文件仍在建设中,希望得到反馈。将意见和/或建议通过电子邮件发送到bob@www.seekoeur.com

最后修改6/6/97。劳


BDSN概述 BDSN地图 BDSN表

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