我國(guó)井下甚寬頻帶地震儀研制與應(yīng)用開發(fā)新進(jìn)展*

李 麗 羅新恒 關(guān)作金 范曉勇

1) 中國(guó)地震局地球物理研究所， 北京100081 2) 珠海市泰德企業(yè)有限公司， 廣東519082

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動(dòng) 態(tài)

我國(guó)井下甚寬頻帶地震儀研制與應(yīng)用開發(fā)新進(jìn)展*

李 麗1)※羅新恒2)關(guān)作金2)范曉勇1)

1) 中國(guó)地震局地球物理研究所， 北京100081 2) 珠海市泰德企業(yè)有限公司， 廣東519082

為避免人類活動(dòng)的震動(dòng)干擾， 地震觀測(cè)臺(tái)站往往布設(shè)于人煙稀少的野外場(chǎng)所。 在基巖上開展地震觀測(cè)往往能捕獲更清晰和更多的小地震事件。 城市化進(jìn)程的加速， 使得我國(guó)地震臺(tái)站的觀測(cè)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)， 1991～2001年的10年間， 由于環(huán)境干擾增多， 我國(guó)區(qū)域地震臺(tái)的監(jiān)測(cè)能力大幅度降低， 其中I類臺(tái)的放大倍數(shù)由5萬(wàn)倍降到3萬(wàn)倍； Ⅱ類臺(tái)的放大倍數(shù)由10萬(wàn)倍降到6萬(wàn)倍。 地表觀測(cè)環(huán)境的被破壞直接影響到地震信號(hào)的獲取， 開展井下觀測(cè)已經(jīng)成為獲取高信噪比地震觀測(cè)資料的主要手段。

井下地震觀測(cè)不僅可以有效避開地表的人類活動(dòng)對(duì)地震觀測(cè)的干擾， 減少地表巖石風(fēng)化、 天氣變化的影響。 同時(shí)， 還能夠解決大、 中型城市“地震監(jiān)測(cè)盲區(qū)”問(wèn)題。 研究顯示， 在厚沉積帶和強(qiáng)地表干擾地區(qū)， 將傳感器放置到200～500 m的井底， 觀測(cè)質(zhì)量可得到數(shù)量級(jí)上的改善。 但因井下地震儀頻帶窄、 安裝要求高、 無(wú)國(guó)產(chǎn)化設(shè)備， 目前我國(guó)現(xiàn)有的1100個(gè)測(cè)震臺(tái)中只有130個(gè)臺(tái)站為井下地震臺(tái)， 在130個(gè)井下地震臺(tái)中僅有14臺(tái)甚寬頻帶地震計(jì)， 且均為進(jìn)口產(chǎn)品。 因而研制具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的井下甚寬頻帶地震儀， 并推進(jìn)其工程化、 產(chǎn)業(yè)化是地震觀測(cè)儀器發(fā)展的重要方向之一。

井下甚寬頻帶地震觀測(cè)能獲取來(lái)自地球內(nèi)部微弱的、 豐富的、 準(zhǔn)確的寬頻帶地殼活動(dòng)信息， 包括地層微破裂、 慢地震等， 對(duì)地震學(xué)、 地震預(yù)報(bào)和相關(guān)學(xué)科均有重要的科學(xué)研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值， 能幫助科學(xué)家客觀地認(rèn)識(shí)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其變化， 有可能促使地球科學(xué)各學(xué)科在基礎(chǔ)理論研究方面有新的突破。

面對(duì)迫切的應(yīng)用需求， 科技部批準(zhǔn)執(zhí)行了《井下甚寬頻帶地震儀的研制與應(yīng)用開發(fā)》項(xiàng)目(編號(hào)： 2016YFF0103400)。 該項(xiàng)目由珠海市泰德企業(yè)有限公司牽頭， 合作單位是中國(guó)地震局地球物理研究所和廣東省地震局。 項(xiàng)目總預(yù)算2779.55萬(wàn)元， 其中中央財(cái)政專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)1279.00萬(wàn)元， 自籌經(jīng)費(fèi)1500.55萬(wàn)元， 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人李麗， 技術(shù)負(fù)責(zé)人薛兵。 這是在中國(guó)地震局組建地震觀測(cè)技術(shù)研究院、 中國(guó)地震局地球物理研究所與珠海市泰德企業(yè)有限公司聯(lián)合成立地震觀測(cè)技術(shù)工程研究中心之后， 企業(yè)牽頭、 研究所提供技術(shù)支撐的第一個(gè)地震儀器研發(fā)項(xiàng)目。

項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容是解決長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸抗干擾、 井下地震儀定向定位和授時(shí)及儀器鎖壁/解鎖、 高溫壓和大傾角條件下可靠工作等 3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題， 實(shí)現(xiàn)我國(guó)尚無(wú)可用于在千米及更深井下開展長(zhǎng)期連續(xù)地震動(dòng)信號(hào)記錄的甚寬頻地震觀測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)突破， 通過(guò)優(yōu)化總體設(shè)計(jì)、 精化核心設(shè)計(jì)， 構(gòu)建具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高精度、 大動(dòng)態(tài)范圍的井下甚寬頻帶地震儀， 在壓力達(dá) 20 MPa(約2000 m水深)、 溫度達(dá)70℃、 傾角達(dá)5°的環(huán)境中， 實(shí)現(xiàn)120 s～50 Hz 速度平坦、 動(dòng)態(tài)范圍大于145 dB的高質(zhì)量連續(xù)記錄地震波形， 通過(guò)改進(jìn)的數(shù)字傳輸方法， 將高保真的觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定地傳輸至地表， 并實(shí)現(xiàn)井下甚寬頻帶地震儀的產(chǎn)業(yè)化。

按照主要研究?jī)?nèi)容， 項(xiàng)目設(shè)置5個(gè)課題， 分別為: ①井下甚寬帶地震儀(圖1)總體設(shè)計(jì)及長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸抗干擾技術(shù)研究； ②地震儀內(nèi)置裝置設(shè)計(jì)及井下定向、 定位和授時(shí)技術(shù)研究； ③保障井下傳感器在高溫壓和大傾角條件下可靠工作的技術(shù)研究； ④井下甚寬帶地震儀的試驗(yàn)與應(yīng)用； ⑤井下甚寬帶地震觀測(cè)系統(tǒng)的工程化、 產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究。

項(xiàng)目具有三大創(chuàng)新點(diǎn)：

(1) 進(jìn)行總體優(yōu)化設(shè)計(jì)， 首次解決井下定向等問(wèn)題。 井下寬頻帶地震計(jì)要適用于小尺寸、 大傾角、 長(zhǎng)期高溫壓環(huán)境。 與地面型設(shè)備相比， 在大幅減小外徑、 適應(yīng)最大傾角5°、 溫度達(dá)70℃、 壓力達(dá)20 MPa的前提下， 確保速度平坦頻帶達(dá)120 s～50 Hz、 動(dòng)態(tài)范圍大于145 dB等一系列核心參數(shù)， 需整體優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)、 精化反饋換能技術(shù)、 內(nèi)置陀螺儀和傾角儀等定位裝置， 實(shí)現(xiàn)井下方位確定、 矢量歸算及坐標(biāo)變換， 根本解決井下觀測(cè)數(shù)據(jù)的定向和傾角不確定問(wèn)題。

圖1 井下甚寬帶地震儀結(jié)構(gòu)示意圖

(2) 自主研發(fā)密封技術(shù)和數(shù)傳方案， 首次實(shí)現(xiàn)千米及更深處寬頻帶地震觀測(cè)。 本項(xiàng)目利用自主研發(fā)的耐受20 MPa壓力、 70℃溫度的寬頻帶地震傳感器封裝技術(shù)、 鎖壁電機(jī)高溫高壓動(dòng)密封技術(shù)、 長(zhǎng)距離零衰減數(shù)字傳輸技術(shù)， 將我國(guó)井下實(shí)時(shí)寬頻帶地震監(jiān)測(cè)設(shè)施的深度從目前的幾百米推進(jìn)到2000 m， 組網(wǎng)后可在全球范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域0級(jí)地震的速報(bào)能力。

(3) 自建平臺(tái)， 形成我國(guó)井下寬頻帶地震觀測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 我國(guó)目前尚無(wú)井下寬頻帶地震觀測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 本項(xiàng)目不僅建設(shè)并完善適用于井下寬頻帶地震儀的工程化平臺(tái)， 還將形成與之配套的密封、 測(cè)試、 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)， 解決高精密儀器的生產(chǎn)能力弱、 一致性差和長(zhǎng)期穩(wěn)定性差等一系列問(wèn)題。

項(xiàng)目技術(shù)團(tuán)隊(duì)自2009年以來(lái)一直圍繞中深井地震觀測(cè)技術(shù)開展研究和實(shí)驗(yàn)， 在傳感器整體設(shè)計(jì)、 數(shù)據(jù)傳輸方案、 密封方案以及井下定位方案等方面完成了先期研究。

項(xiàng)目實(shí)行法人制， 牽頭單位是項(xiàng)目的責(zé)任主體。 項(xiàng)目牽頭單位珠海市泰德企業(yè)有限公司成立于1992年， 專業(yè)從事數(shù)字地震監(jiān)測(cè)儀器、 軟件及系統(tǒng)集成。 公司已通過(guò)高新技術(shù)企業(yè)、 軟件企業(yè)、 系統(tǒng)集成資質(zhì)、 ISO9001認(rèn)證， 擁有17項(xiàng)與本研究相關(guān)的專利。 具備井下甚寬帶地震計(jì)的工程化和產(chǎn)業(yè)化條件。 合作單位中國(guó)地震局地球物理研究所于2011年完成了我國(guó)首個(gè)深達(dá)375 m的井下綜合地球物理觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)建設(shè)。 在鎖壁/解鎖、 井下定向定位、 井下寬頻帶地震觀測(cè)技術(shù)規(guī)范等方面具備前期的實(shí)驗(yàn)和研究基礎(chǔ)。 合作單位廣東省地震局是我國(guó)最早開展規(guī)模化井下地震觀測(cè)的省級(jí)地震局， 具有豐富的實(shí)用化基礎(chǔ)和人員隊(duì)伍。 項(xiàng)目結(jié)束后預(yù)期形成生產(chǎn)能力500套/年， 驗(yàn)收后3年內(nèi)年產(chǎn)值達(dá)到2000萬(wàn)元(圖2)。

項(xiàng)目研究成功并得到推廣應(yīng)用后， 能形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)， 打破進(jìn)口井下寬頻帶地震觀測(cè)設(shè)備在我國(guó)的壟斷地位， 使得我國(guó)井下甚寬頻帶地震觀測(cè)技術(shù)在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位， 提升地震觀測(cè)儀器在慢地震、 固體潮汐、 地震前兆和地殼運(yùn)動(dòng)等方面的觀測(cè)能力， 提高儀器地震觀測(cè)異常信息的識(shí)別能力， 提高國(guó)家預(yù)警水平和能力， 促進(jìn)國(guó)內(nèi)地震觀測(cè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

圖2 項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程及結(jié)構(gòu)示意圖

2016-10-08； 采用日期： 2016-10-15。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)重點(diǎn)專項(xiàng)， “井下甚寬頻帶地震儀的研制與應(yīng)用開發(fā)”(編號(hào)2016YFF0103400)資助。

P315.62；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.10.001

※通訊作者： 李麗， e-mail: lilygrace@cea-igp.ac.cn。