中國地震科學實驗場四川區(qū)野外實驗觀測現狀及進展

陳學芬 胡德軍 趙 晶 吳微微 趙 航 梁 宏 黃雪影

1 四川省地震局，成都市人民南路三段29號，610041

地震預報是世界性科學難題，地震又是罕遇事件，實踐及檢驗理論的機會較少。因此，按照科學思路，選擇強震危險區(qū)域及多地震地區(qū)建立地震預報實驗場，是使地震預報研究取得突破性進展的最佳途徑[1]。2018-05-12在汶川地震10周年國際研討會暨第4屆大陸地震國際研討會上，王勇國務委員代表中國政府向國際社會宣布建設中國地震科學實驗場(以下簡稱實驗場)。實驗場的建設使“野外地震科學實驗”的概念得以實現，更多精準測量、密集觀測、連續(xù)動態(tài)監(jiān)測及在10 a尺度上“捕捉”地震并進行“貼近觀測”開始成為可能[2]。

近年來，依托實驗場項目的建設，四川省地震局充分利用現有的觀測網絡，不斷增設新的監(jiān)測站點，使用多種高精度新型地震前兆觀測儀器在實驗場區(qū)進行野外觀測，持續(xù)構建以潛在地震危險區(qū)為中心，深部、地表至近地空間的立體觀測系統，探索地震監(jiān)測布局優(yōu)化的新模式，提升場區(qū)地震監(jiān)測預報能力，并為探索地球深部物質組成狀態(tài)與演化、地震孕育發(fā)生規(guī)律及成災機理等重大地震科學問題提供數據支撐。本文主要介紹中國地震科學實驗場(成都基地)中的5種新型觀測手段：由應急管理部國家自然災害防治研究院劉耀煒研究員團隊牽頭的高精度氫實驗觀測、應急管理部國家自然災害防治研究院電磁監(jiān)測實驗衛(wèi)星三頻信標接收站(網)、北京大學深圳研究生院王新安教授團隊的AETA多分量地震監(jiān)測系統、上海交通大學何祖源教授團隊的高精度光纖應變場檢測儀實驗觀測和浙江工業(yè)大學林強教授團隊的冷原子絕對重力儀實驗觀測。各實驗觀測點分布見圖1。

圖1 實驗測點分布Fig.1 Distribution of experimental measurement points

1 高精度氫實驗觀測

1.1 背景概述

氫具有粒子半徑小、質量輕、遷移速度快等特性，地殼中的氫主要沿活動斷裂帶和活動板塊邊界帶集中分布并大量釋放，與地震活動關系密切。空氣中氫的含量較低，地殼中氫的含量是大氣中的幾千甚至幾十萬倍，地震前出現的氫濃度異常持續(xù)時間短且特征顯著，易于識別[3-5]。

構造活動和地震活動強烈的斷裂帶是斷層氣釋放強度較高的區(qū)域，斷層氣觀測是地震前兆監(jiān)測的有效手段之一[6]。傳統的利用氣象色譜儀觀測的氫未能達到臺站連續(xù)觀測的需要，連續(xù)觀測痕量氫觀測儀能夠記錄斷裂帶逸出氫的微動態(tài)變化過程，使氫的連續(xù)觀測成為可能。

2015年由應急管理部國家自然災害防治研究院劉耀煒研究員團隊牽頭，中國地震局地震預測研究所及四川省地震局共同參與的實驗場項目“高精度氫地震觀測新技術示范研究”在實驗場區(qū)成立，主要進行斷層土壤逸出氫觀測技術實驗與地震預測實踐，為建立斷層逸出氫的觀測方法技術規(guī)范提供了實驗依據。

1.2 野外架設

在項目實施過程中，綜合構造特征、水文地質條件、人類活動和土壤氣背景值測試結果，在安寧河-則木河斷裂帶上選擇大箐梁、羊福山、小廟3個場地，建成5個土壤逸出氫連續(xù)觀測點(其中小廟場地建設3個連續(xù)觀測點)和12個定點流動觀測孔。這些觀測點具有土壤逸出氫濃度高、地下水位埋深深、人為干擾因素小、便于施工且利于維護等特點。觀測點均布設在斷層破碎帶上，觀測井孔直徑1 m、孔深8 m，預埋集氣裝置及輸氣管，井孔集氣裝置見文獻[7]。在孔底集氣倉預置電子溫度傳感器，通過電纜與地面儀器連接。

5個野外連續(xù)觀測點由井孔、地面基座、觀測機柜、太陽能供電系統等組成，觀測機柜內安裝ATG-6118H型痕量氫觀測儀、地溫觀測設備、電源及通信等輔助設備。ATG-6118H型痕量氫觀測儀的檢出限為0.01×10-6(0.01 ppm)，測量范圍為0.01～5 000 ppm，線性γ2≥0.996，平均相對誤差δ≤5%，儀器配置有環(huán)境氣溫傳感器和氣壓傳感器，同機給出氫氣濃度、氣溫和氣壓測值。在井孔地下8 m的集氣倉內預埋有WD-2000型陣列式地溫觀測儀溫度傳感器，同步進行地溫觀測。

在流動觀測孔上修建正方形水泥基座，輸氣管口安裝氣體閥門，井口配置水泥井蓋，用于保護輸氣管和地溫電纜，流動觀測時使用ATG-3000H便攜式測氫儀，每期觀測間隔3～4個月。

1.3 實驗觀測

四川地區(qū)實驗場的高精度氫觀測臺陣是由覆蓋不同構造段、有較高密度的連續(xù)觀測點和定點流動觀測孔組成的斷裂帶土壤逸出氫觀測臺陣，實現了野外太陽能供電、無線傳輸和無人值守的設計要求，適合于高密度、低成本地震監(jiān)測臺網的發(fā)展趨勢[7]。

為進一步對比分析土壤逸出氫與井孔逸出氫的差異性，探索高精度氫觀測的適用條件，同時選擇汶川映秀臺、都江堰龍池臺、石棉臺、西昌臺和瀘沽湖臺的流體井孔及青川臺的鉆孔井孔進行同型號儀器對比觀測(圖2)。觀測數據表明，在斷裂帶上的井孔中開展逸出氫觀測是可行的，斷裂帶內逸出氫濃度與其破裂程度、斷層活動性及地震活動性密切相關，不同構造環(huán)境下氫的背景值與其動態(tài)特征各不相同[8]。

圖2 高精度氫測點分布Fig.2 High precision distribution map of hydrogen measuring points

高精度氫觀測實驗驗證了土壤逸出氫與井孔逸出氫觀測的可行性，目前幾個土壤逸出氫實驗點已移交地方專業(yè)臺站進行長期觀測。

2 電磁監(jiān)測實驗衛(wèi)星三頻信標地面接收站建設

2.1 背景概述

法國DEMETER衛(wèi)星2004～2010年運行期間獲取的探測資料是研究地震電磁空間探測的重要基礎。結果證實，巖石圈發(fā)生的強烈地震可能在頂部電離層區(qū)域 ULF/ELF/VLF頻段上激發(fā)不同類型的電磁擾動[9-10]，如汶川地震、智利地震、玉樹地震前后，DEMETER 衛(wèi)星在 ELF/VLF 頻段上觀測到了強烈電磁波動。

2018-02-02首顆由中國自主研制的地震電磁監(jiān)測實驗衛(wèi)星“張衡一號”成功發(fā)射入軌，正式開啟其科學使命，將衛(wèi)星數據在空間地震電磁探測中的應用推向新階段[11]?！皬埡庖惶枴毙l(wèi)星搭載了8種科學載荷，開啟了中國自主空間探測地球物理場和各類電磁擾動信號，并用于積累空間地震前兆信息的先河[9]。其中，高精度磁強計、掩星接收機和三頻信標發(fā)射機加強了對高精度地磁場和電離層電子密度剖面結構的探測能力。

三頻信標地面接收站是“張衡一號”衛(wèi)星的地面信號接收點。2019年，由應急管理部國家自然災害防治研究院組織管理、四川省地震局具體實施的四川區(qū)域三頻信標接收站建設正式啟動，擬沿衛(wèi)星軌道方向在地震活躍區(qū)搭建電磁衛(wèi)星工程應用系統，開展電離層動態(tài)實時監(jiān)測和地震前兆跟蹤監(jiān)測，以探索地震電離層擾動機制[11]。

2.2 野外架設

三頻信標觀測系統由星載發(fā)射機、地面接收站和衛(wèi)星地震應用中心服務器等組成，為全自動運轉。當衛(wèi)星過頂時，星載發(fā)射機向地面同時發(fā)射150 MHz、400 MHz、1 067 MHz等3個頻率的信號，由地面站接收系統收取信號，接收到的信號經過數據處理，反演獲得接收站上空電離層電子密度剖面結構等數據產品。地面接收站由接收機、工控機、接收天線組成，接收機負責信號的接收、運行及控制，工控機用于參數設置、數據存儲及外部通信傳輸，接收天線用于接收衛(wèi)星信號。衛(wèi)星地震應用中心服務器每天向接收機推送星歷文件，接收機通過星歷文件推算衛(wèi)星軌跡，衛(wèi)星從地面接收站上空飛過時接收機自動開機接收衛(wèi)星信號并生成數據文件，數據文件即時通過行業(yè)網推送至衛(wèi)星地震應用中心。

在項目實施過程中，結合地震活動情況、區(qū)域構造特征和三頻信標選址要求，在綿陽、樂山、爐霍和稻城地區(qū)建設4個三頻信標地面接收站(圖3)。它們具備：1)電磁環(huán)境條件良好，在觀測頻帶內無強烈的電磁環(huán)境干擾；2)站點周邊視野開闊，四周最大水平仰角小于15°；3)使用頻譜儀進行臺站電磁環(huán)境測試，經過信號衰減計算和信道模擬器的仿真，頻帶內的干擾信號強度不高于相關規(guī)定；4)較為完善的交通、電力、通信等綜合保障場地條件。

圖3 三頻信標地面接收站分布Fig.3 Distribution diagram of ground receiving stations of tri-band beacon

接收天線安置在符合觀測條件的樓頂天線基座上，接收機與工控機放置在室內專業(yè)機柜中。目前，綿陽站、爐霍站和樂山站已完成建設，數據傳輸回衛(wèi)星地震應用中心并由專業(yè)人員進行數據分析應用。

3 AETA多分量地震監(jiān)測系統

3.1 背景概述

大地震發(fā)生前和發(fā)生時，通常伴隨異常聲音，趙剛[12]對這些地聲的產生機理、特性及其與地震的相關性等展開研究，地震的各種觀測記錄及巖石破碎實驗均證明了地震過程中地聲的存在。巖石破裂實驗同時表明，絕大部分巖石在受壓至破裂前都會發(fā)出脈沖式電磁輻射信號[13]。目前，電磁擾動觀測已經發(fā)展成為電磁學領域的重要監(jiān)測手段，有可能從震前電磁波輻射信號中提取短期臨震前兆信息[14]。

多分量地震監(jiān)測系統 AETA是由北京大學深圳研究生院王新安教授團隊開發(fā)研制的地聲、電磁擾動觀測系統，2015年以來分批次在四川地區(qū)布設了115套觀測設備(圖4)。

圖4 AETA實驗觀測點分布Fig.4 Distribution of observation pointsin AETA experiment

3.2 野外架設

多分量地震監(jiān)測系統AETA由電磁傳感探頭、地聲傳感探頭、數據處理終端及云平臺組成。為屏蔽空間干擾，電磁傳感探頭和地聲傳感探頭埋設于地表2 m以下或布設在山洞內。電磁傳感探頭采用感應式磁傳感器的磁棒設計，監(jiān)測頻段為0.1 Hz～10 kHz、0.1～1 000 nT較寬動態(tài)范圍的甚低頻、超低頻電磁波段，采樣率為500 Hz(低頻)和30 kHz(全頻)[15]。地聲傳感探頭是一種基于壓電薄膜傳感器的寬頻帶地聲傳感探頭，監(jiān)測頻段為0.1 Hz～50 kHz，覆蓋次聲波、聲波到部分超聲波波段，采樣率為500 Hz(低頻)和150 kHz(全頻)[16]。采集到的電磁擾動和地聲信號通過網絡傳輸到云平臺進行存儲和處理，利用互聯網可以對其進行實時訪問。

3.3 實驗觀測

多分量地震監(jiān)測系統AETA的設計目標是期望通過高密度、廣覆蓋的觀測實驗，獲取地震事件前后的電磁信號和地聲信號，研究分析觀測信號中可能蘊含的地震前兆異常，從而進行地震監(jiān)測和預測[17]。從2015年安裝3套實驗儀器開始，不斷進行儀器升級改造。2017年九寨溝7.0級地震前后，九寨溝附近剛安裝2個月的部分儀器檢測到異常信號；為進一步分析異常信號與地震的相關性，北大深圳研究生院加密布點，組點成網，先后在四川地區(qū)建成115個實驗測點。

4 高精度光纖應變場檢測儀實驗觀測

4.1 背景概述

地震是地殼運動的一種特殊形式，地殼形變是地震發(fā)生過程中最直接的伴隨現象。新的觀測技術結合新的研究思路將在現今地震形變觀測及地震預報的科學發(fā)展中起到重要作用[18]。從形變觀測數據的角度來看，一方面地震應變傳遞到地表的量級大多小于10-8，應變信號微弱；另一方面，數據測量周期長，干擾源也很復雜，因此高精度靈敏儀器的開發(fā)和應用變得尤為重要[19]。

2018年，上海交通大學何祖源教授團隊研發(fā)了基于超高精度準靜態(tài)光纖應變傳感技術的地殼應變場檢測儀樣機，并在四川省甘孜藏族自治州瀘定縣燕子溝地震臺山洞(簡稱燕子溝山洞)內進行連續(xù)觀測實驗。

4.2 野外架設

該地殼應變場檢測儀的實驗室測量精度為0.1 nε，由光纖傳感器解調主機和傳感網絡2個部分構成。其中，傳感網絡由光纖傳感單元組成，每個傳感單元包括2組傳感元件，一組用于感測地殼應變信息，另一組用于拾取環(huán)境溫度變化。光纖傳感單元固定在地殼基巖上，當地殼發(fā)生形變時，這種形變信號被傳遞到光纖傳感單元上，使光纖傳感單元的光學參數發(fā)生改變，繼而被光纖傳感器解調主機檢測出來，并由此得到各光纖傳感單元所在位置的地殼應變，結合各光纖傳感單元的位置分布信息，獲得待測區(qū)的地殼應變場信息[20]。

地殼應變場檢測儀光纖傳感系統布設在燕子溝山洞內，該洞為正南北走向，深80 m，內有3間觀測洞室。野外作業(yè)時，在3號洞室基巖平臺一側2.0 m×1.3 m范圍內，選取間距為1 m的4個點進行垂直打孔，孔深43 cm(18 cm水泥層+25 cm基巖層)，孔徑35 mm。測量位點安裝5 個時分傳感通道，包含 4 路呈“米”字型方向布設的應變傳感單元和 1 路溫度參考單元，以實現二維應變張量觀測[20]。

地殼應變場檢測儀樣機解調主機放置在臺站機房，傳感系統經由保偏光纖與山洞外的解調主機相連。通過控制軟件程序使每個傳感通道完成預應變調節(jié)，隨后鎖緊金屬基座的緊固螺釘，固定預應變。最后，在整個傳感單元陣列區(qū)域上方加蓋兩層隔離板密封，以保證傳感單元所在空間的環(huán)境穩(wěn)定。洞室密封一周后，傳感單元陣列所處環(huán)境重新達到穩(wěn)定狀態(tài)，即可正式開始進行地殼形變的連續(xù)觀測。

4.3 實驗觀測

實驗觀測結果顯示，光纖應變傳感器在測量精度、長期穩(wěn)定性、可陣列化等主要指標方面優(yōu)勢突出[21]；地殼應變場檢測儀樣機能夠捕獲地殼固體潮信號，可觀測到地震引起的劇烈地應變變化，較為真實地反映地殼形變的實際狀況，具備高精度應變測量能力。但在標準時間校準、斷電恢復、數據格式規(guī)范化等方面還需進一步完善，以提高其實用性。

5 冷原子絕對重力儀實驗觀測

5.1 背景概述

重力場是地球的基本物理場，通過分析地球重力場與地殼深部結構、物質運移分布及動力學過程，可以研究地震孕育發(fā)生過程中的重力前兆變化特征。目前，在我國地震預測研究和實踐中，連續(xù)的絕對重力觀測受限于絕對重力儀無法進行長時間的連續(xù)觀測。冷原子重力儀是近年來快速發(fā)展起來的一種新型絕對重力測量儀，其核心技術是原子干涉。隨著激光技術和冷原子干涉儀技術的快速發(fā)展，緊湊且可移動并進行連續(xù)觀測的冷原子重力儀已變成現實[22]。

浙江工業(yè)大學林強教授團隊研發(fā)了μGal級的高精度小型化冷原子絕對重力儀，為獲取高精度重力場數據提供了重要技術支撐，該儀器樣機于2019年在燕子溝山洞進行了連續(xù)15 d的實驗觀測。

冷原子絕對重力儀利用原子作為測試質量，在真空中下落或上拋一團冷卻到μK量級甚至更低的原子，隨后給原子團作用以拉曼激光，從而實現冷原子物質波的干涉[23]。重力加速度會改變微觀原子的下落路徑，改變干涉條紋的相位，重力信息會包含在原子干涉條紋的相位里，通過測量冷原子干涉儀的相移就可以精確提取重力場信息[24]。

5.2 實驗觀測

林強教授團隊研發(fā)的冷原子絕對重力儀具有量子傳感器的高穩(wěn)定性、高靈敏度、高重復率和高精度等特點，實現了國產絕對重力儀的可移動、小型化和簡單操作，具有自動調整傾斜功能，開機后能夠快速測量，不需重新抽真空和精密機械對準或光學對準，其絕對重力測量精度為10 μGal，能夠滿足長期連續(xù)測量需求。

實驗數據顯示，連續(xù)15 d的不間斷記錄可清晰反映出潮汐引起的重力場變化，實驗數據曲線與理論數據曲線具有較好的吻合性，觀測實驗達到預期的效果，冷原子絕對重力儀能滿足較長時間的連續(xù)絕對重力測量。

6 結 語

本文介紹的5種實驗觀測只是實驗場區(qū)開展的部分實驗，充分體現了實驗場的開放、合作、多學科和綜合性。多種新儀器、新技術、新方法在實驗場區(qū)經過了實驗研究與實踐檢驗，有的已經進入行業(yè)內部進行常規(guī)觀測，有的正在行業(yè)內推廣，有的則繼續(xù)改進與完善。

中國地震科學實驗場作為國家重大科技基礎項目，是世界首個研究從地震破裂過程到工程結構響應全鏈條的地震科學實驗場，是集野外觀測、數值模擬、科學驗證和成果轉化應用全鏈條的科技創(chuàng)新平臺。隨著“地震數值預報模擬器”、“地震科學大數據中心”等重大工程設施的持續(xù)推進，野外實驗和室內實驗還需相互補充。從實驗場四川地區(qū)野外實驗觀測的現狀來看，實驗觀測尚有很長的路要走。隨著實驗場工程項目的持續(xù)推進，還需要繼續(xù)集合各個行業(yè)的科研力量，形成多主體共同參與的攻關機制，繼續(xù)研發(fā)具有高穩(wěn)定性、低成本、易于大量布設的監(jiān)測設備及便攜式地球物理場流動觀測儀器。同時，數據的格式和產出質量還需要進一步規(guī)范，實驗數據的采集質量尚需監(jiān)督和評價。

致謝：本文得到李大虎博士和陳嘉庚博士的幫助，在此表示衷心感謝。