地震是一種嚴重的自然災害之一，由于我國領土面積較大，地形地貌復雜，出現地震的區域較多，所以，我國一直十分重視對地震觀測技術的開發和研究。下面是小編精心推薦的地震測技術論文：地震觀測技術發展探討，希望對您有所幫助!
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在地震觀測中,人們總是希望靈敏度高、頻帶寬、動態范圍大,由于反饋型拾震器和A/D轉換器的研制成功并投入使用使上述想法成為可能,因此,開發對地震記錄進行有效壓縮方法成為重大課題。因為雖然由于電子技術的發展,各種大容量的存儲器已經研制成功,但從資料傳輸的通訊費用等方面考慮,有效的資料壓縮仍十分重要。此外,隨著地震觀測儀性能的提高,如何消除環境不良影響也仍是值得深入研究的一個問題。從總體上看,我國的地震觀測技術和先進國家相比仍有很大差距。
1 地震觀測儀器
現在使用的地震觀測儀器由拾震器、放大器和記錄儀三部分組成。在電子技術高度發展的今天,電子放大器的制造技術已經相當成熟,所以,在這里主要介紹地震科學工作者在研制高靈敏度、寬頻帶、大動態范圍的拾震器以及記錄儀的一些情況。
1.1 拾震器
最早在地震觀測中使用的是機械式拾震器。到了60年代,一般都采用電磁耦合式拾震器,后來,由于采用了電子放大器,不但使拾震器和電流計之間的干擾消失了,還可以對拾震器部分進行單獨研制和改進,使整個系統趨于小型化。用于微震觀測的短周期拾震器(周期1 s左右),總的發展趨勢是小型、高靈敏度。80年代末至90年代初,國外地震工作者研制了一種使用壓電元件的加速度型拾震器,靈敏度相當高。在長周期地震波觀測方面,由于在1960年智利大地震期間用貝尼奧夫應變地震儀和普雷斯-伊文長周期儀觀測到了理論上預期存在的地球自由振蕩,所以,地震學家們希望能夠觀測周期更長的地震波,因而希望研制出周期更長的拾震器。但是,制造小型、穩定的長周期拾震器有一定的技術難度。例如,普雷期-伊文長周期拾震器是在整機大型化的條件下,才使拾震器具有較穩定的長周期。如果要使擺的固有周期進一步增大(30～40 s以上),拾震器就是做得相當大,技術難度就相當大。有的科學工作者采用電子濾波技術使拾震器在低頻段具有相當的靈敏度;并且,有的不采用動圈式,而使用電容變化式輸出擺的位移(用動圈式擺得到的輸出是位移的微分,即輸出和擺的運動速度成比例;采用電容變化式拾震器得到的輸出和擺的位移成比例,因此,周期越大,相對靈敏度就越高)使低頻段具有很高的靈敏度。
1.2 記錄器
地震是一種突發現象,所以一般采用連續記錄方式。地震記錄方式經歷了光記錄、熏煙滾動記錄和墨水記錄等幾個階段。60年代末開始采用磁帶模擬記錄,但一盒磁帶只能使用幾小時。從70年代末開始采用了PCM方式的數字記錄器。所謂PCM方式就是把地震波形的模擬信號通過A/D轉換器轉換成數字資料,然后以脈沖編碼方式進行記錄。80年代使用了一種DAT磁帶進行記錄,十六位,每秒采樣100次可連續記錄24小時。與此同時,開始利用電話線和無線電進行遙測集中記錄,因而使觀測區域擴大,觀測網內時間服務精度提高,震源處理精度和資料利用率都大大提高。80年代中后期,微型計算機大量使用,人們將經過A/D變換器轉換后的資料直接記錄到計算機的存儲器內,并且對記錄讀出和震源參數測定等項工作進行聯機處理,完全實現了自動化。
2 不良觀測環境影響的消除
對于地震觀測來說,噪聲干擾是最主要的一種環境影響。應用現代技術,能夠在整個頻帶內把地震觀測系統的固有噪聲抑制到比地面平常運動的背景噪聲小得多的水平。因此,消除地面運動背景噪聲就是關鍵因素。
據地震工作者深入研究得出的結論是:正常的地面運動背景噪聲,整體上隨周期增大而增大,但在0.3～0.1Hz間有一個局部的峰值。1Hz以上的高頻噪聲源多為人為因素造成。因為這類噪聲周期短,因此在進行近震短周期地震觀測時,只要將觀測點避開人類活動較遠的地方,把觀測儀器放在基巖上,或者把拾震器安入到深井中就能比較有效地消除這類噪聲干擾。但是,頻率小于1Hz的周期較長的噪聲干擾就難以消除了。例如: 0.5～0.1Hz的噪聲稱之為脈動,主要由海浪引起的。在靠近海岸觀測到:周期越小越顯著。對于這部分干擾,只要把觀測點選擇到遠離海岸的地方就能使之降低。對于周期大一些的,用此法則效果不好。對于頻率更小的背景噪聲,初步的研究是認為隨周期增大而增大。例如:一些研究人員發現,頻率小于0.1Hz時,背景噪聲的變化規律是呈1/f形式,有的學者觀測到,當頻率小于1×10-3Hz時,背景噪聲以f-27的規律變化。這類噪聲可以認為主要是由氣壓微小變化引起的,因為這類噪聲對長周期、高靈敏度的地震觀測產生嚴重的影響,因此,很多學者對它的產生原因及降低其影響的途徑進行了深入的研究。氣壓變化對長周期地震觀測的影響主要有以下三個方面:
2.1 氣壓變化引起拾震器外殼等的形變
為了使拾震器內部不受潮氣等的影響,一般都有較好的密封性。因此,一旦外部氣壓發生變化,拾震器內外就有氣壓差,就會使拾震器的框架和外殼發生微小的形變。對周期較長的拾震器,框架和外殼哪怕發生很微小的形變,擺的零點就會有較大的變化,因而影響觀測記錄。拾震器固有周期越大,這類影響就越大。這類影響在水平方向上表現得尤為明顯。要降低這種噪聲,只有增強外殼的剛度,或設法把外殼的一部分加工成如氣球那樣體積可變,不使殼內外形成氣壓差。這種方法只適合于水平分量,對于垂直分量要降低這類噪聲必須象一些重力儀那樣,加上補償裝置。
2.2 氣壓變化引起地面傾斜造成的影響
大氣壓力如發生變化,地面就要發生形變。在地傾斜或地應變觀測中經常可看到這種情況。長周期水平向拾震器類似于水平擺傾斜儀,地面發生傾斜拾震器的零點就會發生變化。眾所周知,水平擺傾斜儀的靈敏度為:
從該式可知,如果水平向拾震器的固有周期T為20 s,氣壓變1×10-3Pa就會使擺產生1μm的位移。若固有周期更大一些,那末氣壓變化對水平向拾震器的影響就更大。但是,垂直向拾震器因地面發生傾斜而產生的零點變化則很小,而因氣壓變化作用于擺錘部分的浮力卻會產生很大的影響。例如,氣壓變化1×10-3Pa,重力加速度垂直分量的變化不超過10-14m/s2,即使高靈敏的重力儀也無法觀測出來,但作用擺錘部分的浮力卻不是這樣。設擺錘的密度為10 000 kg/m3,擺錘體積為10-4m3,空氣密度1.2 kg/m3,則1×10-3Pa的氣壓變化就會引起0.12 g浮力的變化,相當于擺錘重量的0.01%。
2.3 風力引起的噪聲
據觀測,在水平分量的拾震器上出現的長周期噪聲,與地面風力強度也有關系,并且隨距地面深度的增加而減小。因此國外SRO觀測網,把拾震器安放到深約100 m的井里。但如果進一步增大拾震器的固有周期,記錄更長周期的地震波,要降低這類噪聲的影響就十分困難了。
3 大區域地震觀測臺網
在本世紀60年代,美國海岸與大地測量調查局(VSCGS)在全球120個地方布設了性能、型號一致的標準地震儀組成地震觀測網(WWSSN),這是世界上第一套著名的觀測網,它對地球內部構造,地球動學和地震震源過程的研究作出了巨大貢獻。這套臺網是由貝尼奧夫短周期地震儀的普雷期-伊文長周期地震儀組成,采用光記錄。70年代末,美國的IDA和SRO開始在大區域臺網中采用數字化記錄方式。此后,各具特色的數字化臺網,像ASRO、DWWSSN等觀測網以及由幾十個觀測點組成的GDSN開始運行。80年代末,被稱為IRIS(地震學合作研究協會),由100個觀測點的寬帶域觀測系統和1000臺便攜式觀測系統以及資料處理中心組成的寵大觀測計劃由美國50多所大學和研究機構合作進行。此外,法國的GEOSCOPE三分向長周期全球地震臺網,日本“海神”計劃,加拿大的CANDIS,歐洲的OR-FEUS等幾個大區域觀測臺網也正在實施或計劃實施中。上述臺網都采用數學記錄方式,且都為高靈敏度,寬頻帶和動態范圍大的觀測臺網。例如法國的全球三分向地震觀測網使用STS地震儀,能保證從周期360s～0.2s的地面運動速度都具有較穩定的增益,采用16位A/D轉換器,能確保大約140分貝的動態范圍。
4 結束語
地震學是一門基于現場觀測的科學,地震觀測技術的進展對地震學的發展具有決定性的作用,反之,地震學工作者為了深入研究地震的成因、發生機制以及地震波傳播理論等課題,也總是對地震觀測技術提出新的要求。因此,作為地震工作者應該不斷地關注地震觀測技術的進展和動態。本文著重介紹地震觀測儀器的主要部分——拾震器和記錄系統的一些新進展,然后介紹地震科學工作者在大區域地震觀測網以及在消除觀測環境不良影響方面取得的新成果。
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