江蘇地區(qū)CMG-3TB地震計運行分析

胡米東，毛華鋒，陳啟林，王 皓，霍雨佳，黃 群，張 杰

(江蘇省溧陽地震臺，江蘇 溧陽 213332)

地球科學是以觀測為基礎的綜合科學,觀測資料的真實性直接決定了科研與應用的成效(徐紀人，2009)。隨著現(xiàn)代地球科學和高新技術的發(fā)展，地震、地應變、地溫等各種地球物理場的觀測能力和觀測精度不斷提高，能夠觀測到越來越微弱的地震和地球物理信息。但是另一方面，人類社會的城市化、工業(yè)化、現(xiàn)代化發(fā)展帶來的各種交通、工業(yè)等人為噪音，嚴重地干擾了傳統(tǒng)地面地震觀測結果。從地面觀測得到的資料中,很難識別混雜在高噪音背景下的真實的地球內部信息(徐紀人，2009)。如何提高觀測的信噪比始終是觀測研究中最重要的課題(徐紀人，2006)。為了盡量避免地面噪聲干擾，井下地震觀測技術被越來越多地運用到地震觀測中。近多年的觀測結果表明，與地面觀測相比較，深井觀測能提高觀測精度1～2個數(shù)量級(Ishii H,2005)。尤其在表面覆蓋厚且沉積層松散的平原地區(qū)，井下地震觀測在避免外界干擾、提高儀器監(jiān)測靈敏度，以及獲得更多、更真實的地震信息等方面有著突出的優(yōu)越性(陰朝民，2003)。

1 臺站的基本情況

江蘇地處沿海地區(qū)，沉積層較厚，地面干擾相對較大?！笆濉表椖扛脑熘?，CMG-3TB(下文簡稱3TB)地震計在江蘇地震臺站被普遍使用，使用臺站一度到達12個(6個省屬臺和6個地方臺)。3TB地震計運行以來，發(fā)揮了甚寬頻帶井下地震計的優(yōu)勢，為地震監(jiān)測和研究提供了諸多資料。但隨著運行深入，江蘇地區(qū)3TB地震計逐漸暴露出故障率較高的特點。為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)率，該地震計陸續(xù)被其它井下地震計替代。至2015年，江蘇地區(qū)僅1個地方臺站仍在使用。正確認識江蘇地區(qū)3TB井下地震計出現(xiàn)的問題，對問題進行分析和總結，是降低之后井下地震計故障的前提，也是提高井下地震計觀測手段可靠性的必由之路。這也是開展江蘇地區(qū)3TB地震計運行故障分析與研究的意義所在。溧陽臺、南通臺、鹽城臺、射陽臺、高郵臺和海安臺均為江蘇省地震局省屬臺站。通過“十五”設備和系統(tǒng)改造，省屬臺站中有7個測震臺站進行井下觀測，6個臺站采用3TB三分向甚寬頻帶井下地震計(3TB地震計由英國GURALP公司生產,配備CMG-DM24數(shù)據(jù)采集器。)，2006年5月高郵臺率先開始地震計安裝與運行。

2 故障及維修情況

江蘇地區(qū)的3TB地震計主要經(jīng)歷了2011年1月和2013年7月兩次集中維修，兩次維修均由GURALP公司英國技術專家來江蘇負責完成。本文將選取兩次維修中具有代表性的故障進行分析和總結。

2.1 射陽臺

2009年射陽臺3TB地震計安裝運行，2010年地震計出現(xiàn)故障，具體故障現(xiàn)象為：波形不正常，不能居中和開鎖擺，同時地震計對地表發(fā)出的指令無響應。2011年1月，博來銀賽科技有限公司(GURALP地震公司的國內代理商)技術人員、英國GURALP公司技術人員(Shawn)來臺站進行維修。提擺時地震計電源不穩(wěn)定，懷疑供電電源問題。更換電源后，在井口對地震計進行開解鎖，收起洞鎖臂桿操作，地震計無響應。增大電壓，孔鎖控制單元仍無法收縮洞鎖臂桿(3TB地震計采用洞鎖臂桿直接卡壁的方式進行井下固定，國內部分井下地震計采用安裝定向底座完成井下固定)。工作人員使用絞盤強行把地震計提出到地面。擰開地震計與電纜接頭，發(fā)現(xiàn)電纜進水，地震計內部進水。檢查后認為：由于防水系統(tǒng)故障導致地震計接頭及地震計內部進水，致使地震計運行異常。

2.2 高郵臺

2006年高郵臺3TB地震計安裝運行，2010年地震計出現(xiàn)故障。不能居中和開鎖擺，同時地震計對地表發(fā)出指令無響應。2011年Shawn來臺站對地震計維修。在觀測房內檢查，地震計供電31 V，電流0.01 A。在井口重新焊接連接線，用穩(wěn)壓電源給地震計直接供電。工作人員調整電壓30 V，電流0.01 A，仍無法收縮洞鎖臂桿，因此排除地面線纜的故障。使用絞盤強行把地震計提出，擰開線纜和地震計的接頭發(fā)現(xiàn)接頭進水，部分腐蝕，同時接頭處的電纜防護橡膠有較大的破裂。地震計內部沒有發(fā)現(xiàn)漏水現(xiàn)象。更換地震計頂部連接器，地震計可以正常工作。判斷認為：電纜漏水導致地震計工作異常。

圖1 射陽臺地震計連接頭

圖2 高郵臺地震計連接頭

2.3 南通臺

南通臺測震井井壁的上部孔徑為146 mm(0～97.3 m)，基巖部分孔徑127 mm的裸孔(97.3～104 m)，底部孔徑為91 mm。2007年3TB地震計安裝運行，2010年記錄波形出現(xiàn)異常，記錄數(shù)據(jù)質量不高，同時垂直向偏擺。2011年Shawn來臺站對地震計提擺維修。提擺時發(fā)現(xiàn)孔鎖控制單元無法啟動，檢測發(fā)現(xiàn)控制單元芯線沒有連接到數(shù)采。增加額外導線后，孔鎖控制單元可啟動，地震計順利從井下提出地面。檢測發(fā)現(xiàn)垂直向調零馬達卡死，維修后馬達可以正常工作。Shawn建議把井下地震計與大地共地后，再次安裝地震計到第一次安裝位置(井下103 m處)，展開洞鎖臂桿后發(fā)現(xiàn)地震計無法固定在井壁上，反復調整位置地震計均無法固定在井壁。把地震計提出地面后發(fā)現(xiàn)洞鎖臂桿原裝墊片被更換(由于地震計初次安裝時擔心無法下至127 mm孔中，因此將洞鎖臂桿的原裝墊片塊拆了)，導致地震計無法固定在井壁上。安裝人員只能在洞鎖臂桿增加2個墊片，兩旁卡片上各增加5個墊片。安裝地震計至初次位置，地震計可以固定在井壁上，打開水平儀后發(fā)現(xiàn)井斜超過3°(圖3)。經(jīng)過反復調整，只能把地震計安放井下99 m處。

2.4 鹽城臺

2008年鹽城臺3TB地震計安裝運行，2010年6月起無法標定，擺錘位置偏出，通過遠程軟件和井口控制盒無法居中。地震編目時發(fā)現(xiàn)鹽城臺震相的振幅和定位震級比其他臺站明顯偏小。2013年7月英國GURALP公司技術人員來臺維修。鹽城臺井下地震的信號線從井口出來后接入HCU(手動控制單元)，HCU與觀測樓內數(shù)采之間用一根近百米的數(shù)據(jù)線纜通過埋地方式連接。數(shù)采端的直流穩(wěn)壓電源12 V給數(shù)采供電，24 V給地震計供電線供電。技術人員將數(shù)采從臺站觀測樓移至擺房井口，將HCU更換為地面用的BreakBox(BreakBox為地面地震計用的控制盒，與HCU相比沒有擺錘位置的儀表顯示)。自帶的雙路可調直流穩(wěn)壓電源分別給地震計和數(shù)采供電，供電電壓分別為30 V和13 V，地震計和數(shù)采的工作電流均在正常范圍內。通過筆記本直接連接數(shù)采，SCREAM軟件觀察波形，通過BreakBox可以完成居中。在井口用單臺監(jiān)測軟件記錄脈沖標定信號，經(jīng)省局測震臺網(wǎng)計算，各項參數(shù)均正常。

圖3 水平儀監(jiān)測結果

圖4 鹽城臺測震系統(tǒng)連接示意圖

2.5 海安臺

2007年海安臺3TB地震計安裝運行，2010年地震計波形異常，不能標定。2011年Shawn來臺對地震計維修。在擺房進行開解鎖、居中等操作，地震計無響應。維修人員直接用穩(wěn)壓電源在井口通過HCU給地震計供電，電壓31.4 V，可開鎖擺，信號恢復。故障原因認定為：地震計供電線路過長，衰減過大，導致地震計供電電壓不夠而無法正常工作。

2.6 溧陽臺

2010年溧陽臺3TB地震計安裝運行，由于安裝時間比其它臺站稍晚，地震計的安裝工藝和方案設計比較成熟，線纜和密封硅脂的選擇更具針對性。設備安裝后，運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大故障。2013年1月垂直向波形出現(xiàn)異常，不能正常記錄地脈動信息。2013年7月GURALP公司技術人員對地震計進行維修，發(fā)現(xiàn)垂直向元器件損壞。維修后重新安裝記錄的波形質量仍不高。2014年8月雷雨季節(jié)，地震計遭雷擊，無法正常記錄地脈動信號。對比2012年3月(地震計發(fā)生故障前)、2013年3月(地震計發(fā)生故障后)和2014年3月(地震計維修后)垂直向臺基噪聲功率譜曲線(參見圖5)，發(fā)現(xiàn)地震計初次安裝后觀測信噪比較高，2013年1月垂直向損壞后不能正常記錄地脈動信息，維修后觀測信噪比仍然不高，觀測儀器自身噪聲較強，在低頻段有明顯的儀器噪聲干擾。2014年12月溧陽臺3TB地震計被港震井下地震計替換。GURALP公司英國技術專家2011年1月和2013年7月來江蘇負責完成江蘇地區(qū)3TB地震計的集中維修。由于維修時間較緊，維修備用元器件不足，部分3TB地震計的關鍵元器件在維修之前損壞比較嚴重，導致維修難度很大，大部分地震計維修后并未恢復到正常狀態(tài)，在之后運行過程中故障仍然較高，大部分地震計不能正常標定和開鎖擺(表1)。為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)率，江蘇地區(qū)的3TB地震計逐漸被其它井下地震計替換。

表1 3TB地震計維修后的運行情況

3 故障原因分析及建議

3.1 觀測井

觀測井是整個井下觀測系統(tǒng)的重要組成部分。選址不當、鉆孔不合規(guī)范、觀測井斜度超標、有畸變、穿過裂隙破碎帶都會給井下觀測系統(tǒng)帶來不同程度的干擾，增加下井安裝的難度, 導致安裝成功率下降(吳立恒，2006)。即便勉強安裝完成，最終也無法獲得有價值的觀測資料，甚至導致運行設備的損壞。大部分井下地震計有最大傾斜安裝要求，不同型號的地震計允許的傾斜角度不同。南通臺地震計第一次安裝時，安裝處觀測井井斜為3.2°，該斜度已經(jīng)是3TB地震計工作的臨界狀態(tài)。

圖5 溧陽臺各時期垂直向臺基噪聲功率譜曲線

井斜超標將導致地震計安裝后無法調整到運行狀態(tài)，隨著時間的推移，地震計發(fā)生非常緩慢的移動。此時臺網(wǎng)中心對地震計發(fā)出多次的調零命令，很可能把馬達卡死，導致地震計的損壞。觀測井是整個井下觀測系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分，觀測井的質量直接影響著觀測資料的質量。針對選址、鉆孔、成井等相關作業(yè),目前都有較為完善的操作標準，作業(yè)中應當嚴格按照相關標準要求進行操作，只有如此才能保證觀測井的質量。

3.2 安裝方案

測震系統(tǒng)安裝方案的設計對整個觀測系統(tǒng)的運行效果會產生很大的影響。在3TB地震計觀測系統(tǒng)安裝初期，部分臺站地面?zhèn)鬏敺绞绞峭ㄟ^圖6方式實現(xiàn)，例如高郵臺、鹽城臺和海安臺。觀測信號需經(jīng)過幾百米的井下線纜到達地面，然后經(jīng)過幾百米的地面信號線路到達記錄室的數(shù)據(jù)采集器。此方案會導致兩個問題的發(fā)生，首先地震計模擬信號傳輸過長，增加了雷擊風險，從而導致設備的損壞。其次傳輸線路過長，電壓衰減的變大，使得地震計直流供電電壓不夠。由于電壓是電能質量當中最為主要的指標，電壓傳輸衰減引起的電壓偏差對低壓用電設備會產生極大的危害，甚至會導致低壓用電設備系統(tǒng)不穩(wěn)定和設備損壞。把數(shù)采、電源控制器等設備放置在擺房，擺房市電由記錄室UPS提供，電源線引線用原來的數(shù)據(jù)信號線代替。擺房與記錄室之間采用光纜進行數(shù)據(jù)傳輸，雙端各增加一個光纖收發(fā)器(圖7)。新方案既可以避免過長的傳輸線路，又可以降低雷擊的風險。

圖6 原系統(tǒng)連接示意圖

圖7 新系統(tǒng)連接示意圖

3.3 安裝工藝

井下地震計的安裝專業(yè)性很強，對安裝人員的專業(yè)素質要求很高。任何一個工藝流程中微小的瑕疵都可能導致整個系統(tǒng)的徹底失敗。在3TB地震計安裝初期，安裝人員對一些安裝技術要求沒有完全掌握，導致部分臺站地震計運行的隱患。南通臺地震計安裝時，安裝人員沒有檢查地震計是否卡住井壁，直接將地震計放到井底，而且井壁的傾斜度只一米左右的長度勉強符合安裝條件。地震計沒有完全卡死，稍有傾斜就使地震計傾斜超過正常范圍。地震計處在一個不穩(wěn)定運行環(huán)境中，垂直向在反復調零時，出現(xiàn)馬達錯位導致地震計的嚴重損壞。安裝工藝水平的提高離不開安裝人員專業(yè)素質的提高，安裝人員可以在專業(yè)培訓和實踐工作中總結經(jīng)驗和教訓，提高專業(yè)素質。同時地震計的安裝工作可以承包給專業(yè)安裝隊，這樣可以提高地震計的安裝質量。

3.4 密封

井下地震計的密封技術是保障井下探頭承受數(shù)百米液壓(幾十個大氣壓)作用而不滲漏的重要技術。在初期安裝3TB井下地震計時，為了節(jié)省成本，使用的是國產電纜。原裝電纜與當時國產電纜區(qū)別在于：原裝電纜是針對3TB地震計技術特點專門設計生產，而國產電纜卻不具備此特點。使用國產電纜必須改變系統(tǒng)原有的防水設計，重新設計一套防水裝置。而國產電纜重新設計的防水裝置在使用過程中發(fā)現(xiàn)，橡皮圈裝置的防水性能經(jīng)長時間運行后往往會出現(xiàn)問題，導致地震計密封故障。同時安裝初期使用的國產密封硅脂，也存在一些不足之處。統(tǒng)計3TB井下地震計的維修案例后發(fā)現(xiàn)：由于地震計滲水導致地震計損壞的機率很高。因此在連接線纜與地震計的過程中，必須確保接頭處不能有灰塵等雜物。原裝電纜針對3TB地震計的技術特點專門設計生產，針對性更強，密封技術成熟。在更具針對性的國產電纜研制出來之前，為保證系統(tǒng)的運行安全，可以選擇原裝電纜。同時提供原裝電纜的樣品給國內電纜生產公司，由電纜公司研究原裝電纜的性能指標和工藝，根據(jù)結果研制性能與原裝電纜相同的國產電纜。使用單位對電纜公司提供的國產電纜樣品進行密封性能測試，測試合格后在部分臺站試運行。在密封硅脂的使用方面，根據(jù)安裝經(jīng)驗，美國道康寧MOLYKOTE 111或者英國GURALP公司提供的SOL-RES 01品牌硅脂密封效果要比國產的密封硅脂好。同時隨著井下觀測手段不斷發(fā)展, 井下地震計安裝深度將不斷加深，密封改進是一個不可回避的問題。因此我們應該設計一個井下環(huán)境實驗系統(tǒng), 將試件和密封材料放入實驗系統(tǒng)中進行測試。通過實驗測試,檢驗比較同一類密封方式在不同部件上的密封效果,不同類型密封方式在同一部件上的密封效果,避免盲目使用市場上密封產品帶來的潛在風險,也使我們每一次密封方式的改進有據(jù)可依。

3.5 地震計自身原因

不同的安裝深度，井下觀測環(huán)境會發(fā)生明顯變化(例如溫度和壓強)，對地震計要求也不同。據(jù)了解，3TB地震計在研制和試驗階段，安裝井大部分都在200 m以內。但江蘇地區(qū)大部分測震井的深度要大于200 m，個別臺站的測震井深度達到了400 m。安裝深度的變化，容易導致地震計一些故障的發(fā)生。同時發(fā)現(xiàn)，3TB地震計電源模塊中電壓的適應范圍有一定的局限性，對線纜壓降比較敏感。特別當用戶給設備一些控制指令時，例如開擺、鎖擺、調零以及標定時，由于線纜長度過長，線纜上損耗的電壓較大，地震計實際接收到的電壓值與用戶的期望值有所不同，會引起地震計對控制信號的誤識別。地震計內部控制信號的紊亂，引起元器件的誤操作，導致設備機械部分的損壞。同時在運行過程中發(fā)現(xiàn)，與國內井下地震計相比，3TB地震計對防雷標準要求較高。在大部分測震臺站建設中，設計和實施中保證接地裝置的接地電阻小于4 Ω即可，但4 Ω產生的電源波動卻容易對3TB地震計及其輔助設備造成損壞。由于原臺站直流穩(wěn)壓電源不可根據(jù)需求進行電壓調節(jié)，負載效應及紋波噪聲也不滿足較高要求地震計的供電，因此更換為可調雙路直流穩(wěn)壓電源，在考慮壓降的因素后根據(jù)地震計的實際需求調節(jié)電壓。針對3TB地震計防雷標準要求較高的情況，請專家設計符合實際需要的防雷方案。為了降低接地電阻，可以采用外延增加接地網(wǎng)尺寸、接地體深埋于低電阻率的土壤以及使用降阻劑等方法。

3.6 維修機制

3TB地震計由GURALP公司研制和生產，由博來銀賽科技(北京)有限公司代理。當時國內技術人員并不具備3TB地震計的維修能力，地震計的維修必須依靠GURALP公司的技術人員完成?？紤]成本的原因，當個別地震計出現(xiàn)故障后并不能在第一時間得到技術人員的檢修，只有當一定數(shù)量的地震計出現(xiàn)故障后，英國GURALP公司的技術人員才會統(tǒng)一維修。同時備用設備數(shù)量有限，大部分地震計損壞后不能得到及時更換，地震計“帶病工作” 的情況十分普遍。出現(xiàn)故障的儀器得不到及時維修，會導致故障累積。原本輕微的故障發(fā)展成嚴重的故障，甚至導致設備的徹底損壞。設備發(fā)生故障后能否得到及時和準確的維修是影響設備使用壽命的重要因素之一，維修人員應努力提高故障判斷和維修能力，為設備得到及時和準確的維修提供保障，延長設備的使用壽命。

4 結語

井下地震觀測系統(tǒng)從系統(tǒng)的研制、安裝和長期運行都存在巨大的風險。江蘇地區(qū)3TB地震計在使用過程中出現(xiàn)問題的原因眾多，包括觀測井、密封、安裝和維修機制等諸多方面。因此,在井下系統(tǒng)觀測中，我們要充分認識客觀存在的風險,形成各個環(huán)節(jié)操作規(guī)范并嚴格執(zhí)行,以期最大限度地降低井下觀測的風險, 保證井下觀測系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行才是最終目的。