Development of a low-power broadband seismometer-integrated data logger
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摘要: 流动观测台网与固定观测台网的结合是当前地震观测技术系统发展的一个趋势. 针对流动观测时地震计与地震数据采集器互相独立、 携带不方便、 功耗高的问题， 自主研发了一款适合流动观测的集地震信号提取、 数据采集、 记录和服务为一体的数字地震仪. 该仪器具有频带宽(60 s—80 Hz)、 动态范围高(>140 dB)、 功耗低(0.6 W)、 携带方便(整机重量在15 kg左右， 包括供电系统、 GPS天线和包装箱)等特点. 详细介绍了该地震仪的外观结构、 整体硬件结构、 低功耗处理技术和所采用的灵敏度校正、 标准方位和正交校正技术. 对仪器的主要性能参数指标进行了严格的测试， 并给出了具体的测试结果. 该仪器研制完成后， 投入到了青海玉树MS7.1地震震后流动观测中. 从半年的实际使用结果来看， 该仪器能够满足流动观测的要求.Abstract: Combination of mobile and fixed network observations is one development tendency of current seismic observation system. In order to solve the problems such as mutual independence between seismometers and seismic data acquisition instruments, inconvenient portability and high power consumption in mobile observation, this study develops a new low-power broadband sensor-integrated data logger, which contains a three-component seismometer, a data acquisition unit, a recording device and services. The instrument has a wide frequency bandwidth (60 s—80 Hz), high dynamic range (>140 dB) and low-power consumption (0.6 W), and is easy to carry. Whole weight of the instrument is about 15 kg, including the power supply system, GPS antenna and crates. This paper describes its apparant structure, hardware structure, low-power processing techniques, sensitivity correction, standard orientation and the orthogonal correction technique in detail. We have rigorously tested the main performance parameters of the instrument and given the specific test results. After the development of instrument was completed, we put it into mobile observation after the 2010 Yushu MS7.1 earthquake. The test results show that this instrument can meet the requirements of mobile observation.
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引言
泥火山是在特定地质构造及水文地质环境下产生的一种构造流体地质现象(王道，2000)． 泥火山的出现通常与生油气带有关，某些地区的地表或近地表有天然气或者地下水，而地层是比较松软的泥岩，当地层受到地下压力时，比较松软的物质就会沿着裂缝或断层上升，并在地下水或天然气的挟带下穿透地表的空隙喷出，将携带的泥沙等溅落到地面，就形成泥火山(刘嘉麒，2003)． 由于泥火山喷发时可以将大量有价值的信息带到地表，因此，不少科学家将泥火山称为深度可达12 km的“天赐钻井”(邦华，1990； 樊祺诚等，1998； 栗周熊，2003)．
泥火山喷发是对内部大量气体聚集引起异常高压的释放，其喷发的剧烈程度取决于内部气体的多少或压力的高低． 泥浆和气体聚合到足够的压力才冲出地面，使得绝大多数泥火山为间歇式喷发，在没有地震事件影响时，泥火山有较为稳定的喷发周期，当受到地震等事件影响时喷发周期为不定期(刘若新等，1995； 樊祺诚等，2005； 高小其等，2009； 许建东等，2011)． 台湾屏东泥火山平均每年爆发一次，但有地震发生时，出现了爆发的频率增加、 地点移动、 面积扩大等现象，一年喷发可达4次(Shih，1967； Gieskes et al，1992； 马骏，1999； 叶高华，2003)．
类似泥火山喷发具有较好地震前兆指示意义的研究近年来也显著增加(王道等，1997； Yang et al，2003； 高小其，2009)． 例如1995年5月，克拉玛依市独山子矿区泥火山重新活动(图 1)，5处泥火山口喷出大量稠泥浆、 水和天然气. 喷发时泥浆柱高约20—50 cm，由泥浆形成的泥火山锥的直径达5—6 m，高度大于2 m，泥浆中混有岩石碎块，经沉淀后水样分析，其地下水为高矿化(14.7 g/L)的氯-钠质水． 气体成分主要为甲烷、 氮和二氧化碳等，有的泥火山出口还可见少量油花． 此泥火山自20世纪70年代以来就很少这样活动过，这次喷发一直持续到1995年10月底． 到1996年1月9日，首先发生了沙湾MS5.2地震，而后的3年相继出现了11次MS6.0—6.9、 2次MS7.0—7.9地震(含玛尼地震)的活跃期． 从上面列举的现象可以初步肯定，泥火山喷发和地震的发生都与区域地壳构造应力有关．
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图 1 1995年5—10月新疆独山子泥火山异常喷发照片Figure 1. Photo of Dushanzi mud volcano eruption from May to October of 19951. 艾其沟泥火山观测点简介
为系统捕捉泥火山的地震前兆异常，基于网络技术的视频监控服务，在中国地震局星火科技攻关项目资助下，2011年8月底建成了包含有3个监测点的新疆北天山地区泥火山实时监测系统．
新疆乌苏艾其沟泥火山为3个24小时连续观测点之一(图 2)． 该泥火山是高约8 m、 相距10 m的双泥火山锥，地处准噶尔盆地南缘，在构造上属于北天山山前坳陷的艾其沟背斜及背斜北翼的艾其沟断裂带． 两座泥火山锥中，南侧的泥火山锥喷口直径在1 m左右，北侧的喷口直径近2 m； 观测点设在北侧较大的喷口(44.2°N，84.5°E)． 从该泥火山所喷发的气体、 水质等成分来看，气、 液都来源于地壳深部．
2. MS6.0和MS6.6两次震例现象
新疆乌苏艾其沟泥火山观测点自2011年8月底开始观测以来，监测点周围200 km范围内，于2011年10月16日在新疆精河发生了MS5.0地震(震中距144 km). 两周后的2011年11月1日在新疆尼勒克发生了MS6.0地震(震中距170 km)，2012年6月30日在新疆新源—和静又发生了MS6.6地震(震中距92 km)． 两次MS≥6.0地震前，新疆艾其沟泥火山液面都出现了明显的“背景值—上升—转折—下降—背景值”的宏观异常变化现象. 图 3为乌苏艾其沟泥火山观测点与地震震中分布图．
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图 3 新疆艾其沟泥火山口与三次地震震中分布图Figure 3. Mud volcanic vent at Aiqi valley and distribution of three earthquakes2.1 2011年11月1日新疆尼勒克MS6.0地震
自2011年9月22日起，乌苏艾其沟泥火山观测点的泥浆出现明显外溢现象，这种溢出变化一直持续到9月30日； 进入10月以后，艾其沟泥火山观测点的液面开始逐渐下降，在持续下降过程中，于2011年10月16日在新疆精河发生了MS5.0地震(44.3°N，82.7°E). 15天后于2011年11月1日在新疆伊犁哈萨克自治州尼勒克县、 伊宁县、 巩留县交界处(43.6°N，82.4°E)发生了MS6.0地震，震源深度为28 km(图 3)． 直至11月底，泥火山液面缓慢恢复至背景值(图 4)． 图 5为艾其沟泥火山液面在新疆尼勒克MS6.0地震前后的变化示意图．
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图 4 新疆尼勒克MS6.0地震前后乌苏艾其沟泥火山口监控视频截图Figure 4. Snapshot of Aiqi valley mud volcanic vent before and after Nilka-Gongliu MS6.0 earthquake![]()
图 5 新疆尼勒克2011年MS6.0地震前后乌苏艾其沟泥火山液面变化示意图Figure 5. Dynamic change in liquid level of Aiai valley mud volcano before and after Nilka-Gongliu MS6.0 earthquake in the year 20112.2 2012年6月30日新疆新源—和静MS6.6地震
自2011年12月10日起，艾其沟泥火山观测点的泥浆再次出现明显外溢现象，这种溢出变化一直持续到2012年3月. 进入2012年4月以后，艾其沟泥火山观测点的液面又开始逐渐下降，在持续下降过程中，于2012年6月30日在距离艾其沟泥火山观测点92 km的新疆伊犁哈萨克自治州新源县与巴音郭楞蒙古自治州和静县交界处(43.4°N，84.8°E)发生了MS6.6地震(图 5，6). 目前，该泥火山液面仍未恢复到背景值． 该MS6.6地震前后，艾其沟泥火山口液面又再次出现了上述MS6.0地震前后的类似变化(图 7)．
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图 6 新疆新源-和静MS6.6地震前后乌苏艾其沟泥火山口监控视频截图Figure 6. Snapshot of Aiqi valley mud volcano vent before and after MS6.6 Xinyuan-Hejing earthquake![]()
图 7 新疆新源-和静MS6.6地震前后乌苏艾其沟泥火山液面变化示意图Figure 7. Dynamic change in liquid level of Aiqi valley mud volcano before and after Xinyuan-Hejing MS6.6 earthquake3. 讨论
1)推进泥火山化学项目观测. 地震监测预报系统的发展，离不开科技创新，离不开新技术新方法的开发与应用． 目前，我们对地震前兆的观测基本上都在数米到数百米深，仅少数地震地下流体观测井可达数千米． 某种程度上讲，我们对地球内部的探测技术仍十分有限，只能利用在地表或近地表观测到的物理量，推测震源所在深度的应力应变场． 然而，地表的应力应变场在多大程度上反映深部的应力应变场我们还不得而知(马瑾，马胜利，1995； 李霓等，2000)． 而泥火山喷发时可以将深达12 km的大量有价值的信息带到地表，因此，泥火山的系统观测可以在一定程度上弥补地震前兆观测中深度不够的问题．
考虑到新疆艾其沟泥火山仅仅是新疆北天山地区诸如克拉玛依市独山子泥火山、 沙湾县霍尔果斯泥火山、 乌苏市白杨沟泥火山群、 温泉县天泉泥火山等众多泥火山中的一个点，并且这些泥火山都分布在全国2010—2020年全国地震重点监视防御区内及邻近地区. 从更长远的角度来看，对这类来自地层相对深处的物质增加自动化化学观测项目(如气体总量、 He、 Rn、 CH4等)，并建点成网，这样既可以填补中国大陆地区现今泥火山地球化学系统观测和研究的空白，又对认识泥火山的成因、 拓展具有新疆特色的地震监测和预测新方法等都有重要意义．
2)泥火山活动与地震发生关系的复杂性. 泥火山活动通常情况下具有一定的周期性. 当区域地壳构造应力不断增强时，封闭构造中岩石的孔隙压力逐渐增大，直到压力达到泥火山喷发条件时，泥火山就打破原有周期而重新活动． 同样，这种区域地壳构造应力的不断增强也能导致地震的孕育和发生，因此可以说二者具有同源关系． 地震活动也可以伴随泥火山的活动，大规模的泥火山活动同样可以引发小地震． 但是，我们也同时观测到，新疆艾其沟泥火山在两次MS≥6.0地震前后的变化与已掌握的新疆霍尔果斯泥火山(地质构造上位于北天山山前坳陷带霍尔果斯背斜轴部)震例异常现象有所区别(高小其等，2008)．
我们依据2011年11月1日新疆伊宁县MS6.0地震前后艾其沟泥火山的宏观异常经验，对2012年6月30日MS6.6地震进行了预测. 预测结果表明，预测的地点和震级都正确，但预测时间过期了2.5个月． 该预测结果说明泥火山活动与地震的关系可能相当复杂，目前，很难用某一种简单的模式对其加以总结或科学的解释．
总之，新疆艾其沟泥火山在两次MS≥6.0地震前的类似异常变化，进一步验证了泥火山显著活动期也是泥火山周围一定距离范围内中强以上地震的优势发震时间段. 但是，新疆艾其沟泥火山与霍尔果斯泥火山震例异常现象的不同，显示了泥火山的震兆异常特征可能与其构造条件密切相关．
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图 6 南北剖面台站(三角形)位置
Figure 6. Deployment of stations (denoted by triangles) for the NS observation profile
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图 7 JDX台站记录到的2010年5月29日青海省玉树MS5.9地震
Figure 7. The 29 May 2010 MS5.9 earthquake in Yushu, Qinghai of China, recorded by the station JDX
表 1 灵敏度测试结果
Table 1 Test result of sensitivity
测试频率/Hz 响应灵敏度/(count·μm-1·s-1) UD EW NS 5.0 503.774 502.226 506.015 
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表 2 线性度测试结果
Table 2 Test result of linearity
频率/Hz 信号源输入/V UD EW NS 被测仪器输出/count 线性拟合结果/count 被测仪器输出/count 线性拟合结果/count 被测仪器输出/count 线性拟合结果/count 1 1321265 1318186 1046320 1044447 1015009 1013827 2 2640482 2637392 2091207 2088685 2028991 2027645 3 3957207 3956597 3134036 3132922 3041847 3041463 4 5274885 5275803 4176722 4177160 4055317 4055280 5 6591787 6595009 5218334 5221397 5067499 5069098 5.0 6 7910342 7914214 6261688 6265635 6080917 6082916 7 9228467 9233417 7306788 7309872 7094492 7096734 8 10549850 10552625 8352665 8354109 8109529 8110552 9 11872650 11871831 9399388 9298347 9124821 9124369 10 13199180 13191037 10448010 10442584 10141650 10138187 线性度 0.234％ 0.179％ 0.117％
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表 3 4种处理方式可节省的功耗
Table 3 Saved power consumption for four processing modes
处理方式 可节省功耗/W 降低CPU主频 0.2 关闭网络电源 0.3 关闭GPS电源 0.2 LED显示关闭 0.3
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