井下甚寬頻帶地震儀研制內(nèi)容與創(chuàng)新＊

李 麗 羅新恒 楊大克 薛 兵 鄭 重 呂金水

1) 中國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，廣東珠海 519082

3) 中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

4) 廣東省地震局，廣東廣州 510070

NASA在全球變化研究中所強(qiáng)調(diào)的長(zhǎng)期、連續(xù)的地球觀測(cè)基礎(chǔ)上提出了系統(tǒng)測(cè)量的概念。地震系統(tǒng)測(cè)量的觀測(cè)策略集中在一組有限的獨(dú)立特征參數(shù)上，這些參數(shù)將分別刻畫出與地震有關(guān)的地球物理、地球化學(xué)、地質(zhì)構(gòu)造等參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，可用于回答有關(guān)地震科學(xué)問題及地震趨勢(shì)發(fā)展的諸多問題[1]。

地震頻譜范圍很寬，從幾十赫茲到幾百秒；振幅范圍很大，從微米至米。要完整的記錄包括地方震、區(qū)域地震、以及遠(yuǎn)震在內(nèi)的地震波，要求地震儀器的頻帶必須達(dá)到數(shù)千秒到數(shù)十赫茲，動(dòng)態(tài)范圍超過8個(gè)數(shù)量級(jí)。但是，目前電學(xué)地震儀無論是在頻帶寬度、還是在動(dòng)態(tài)范圍方面，都不能滿足這樣的要求。因此，只能采取分頻段設(shè)計(jì)儀器，以及采用微震、強(qiáng)震等不同儀器同步觀測(cè)的手段來解決這個(gè)問題[2-3]。但是，采用分頻段儀器觀測(cè)所得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)由于去除了不同頻率范圍內(nèi)的地震波，其數(shù)據(jù)的精確性必然會(huì)有所降低。因此，研究設(shè)計(jì)高分辨率、大動(dòng)態(tài)范圍、寬頻帶的地震儀進(jìn)行地震觀測(cè)是地震儀研究需要解決的重要問題。

震源物理和地震預(yù)報(bào)的發(fā)展要求地震儀器能夠提供分辨率更高、動(dòng)態(tài)范圍更大、頻帶更寬的地震記錄資料。因此，地震儀的發(fā)展趨勢(shì)以寬頻帶、大動(dòng)態(tài)范圍、高分辨率為特征。井下甚寬頻帶地震觀測(cè)能獲取來自地球內(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[4]。因而，研制具有我國自主知識(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。

井下地震觀測(cè)技術(shù)，最初是為了探測(cè)可能與應(yīng)變狀態(tài)下巖石微破裂有關(guān)的高頻地聲或超微震而發(fā)展起來的。美國在20世紀(jì)30年代就已進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)室的和野外的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)[5]。后來，美國海岸與大地測(cè)量局（USCGS）首先進(jìn)行了地震儀的觀測(cè)試驗(yàn)，其目標(biāo)是改善遠(yuǎn)震P波的信噪比[6]。20世紀(jì)60年代中期，日本對(duì)地震預(yù)報(bào)研究比較重視，為了提高現(xiàn)有觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)地震的能力，也開始著手進(jìn)行井下地震觀測(cè)的研究。前蘇聯(lián)也繼美、日之后在中亞建設(shè)了井下地震臺(tái)網(wǎng)[7]。1987年以來，中國地震局深入開展了 “深井觀測(cè)的研究與井下綜合工程技術(shù)的應(yīng)用” ，深井觀測(cè)技術(shù)在中國得到持續(xù)發(fā)展[6]。

發(fā)展深井地震觀測(cè)技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)主要有以下5個(gè)方面：① 井下地震觀測(cè)技術(shù)平臺(tái)與傳感器系統(tǒng)的抗高溫高壓和防水防腐蝕問題； ② 地震儀耦合問題。必須保證井管和地殼，傳感器和井管良好耦合，以確保記錄數(shù)據(jù)的真實(shí)性； ③ 控溫散熱問題。高溫使地震儀的機(jī)械和電子器件的熱噪聲加大，電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量增加了熱量的不均勻性。除了采用極低功耗電路設(shè)計(jì)外，須考慮控溫散熱問題； ④ 寬頻帶與儀器小型化問題。甚寬頻帶傳感器要求內(nèi)置機(jī)械擺有長(zhǎng)的自振周期，從而要求較大的體積，這和井下觀測(cè)平臺(tái)所能提供的空間有矛盾。因而，必須研制可用于井下的特殊傳感器，使其同時(shí)滿足寬頻帶和小體積要求； ⑤ 智能化問題。井下地震觀測(cè)技術(shù)平臺(tái)是儀器的工作艙，提供保障儀器或傳感器必需的工作條件，有控溫散熱、耐壓、密封、傳感器與地殼的耦合、通信、供電、平臺(tái)的置平、定向、鎖定機(jī)構(gòu)。需發(fā)展智能化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控儀器運(yùn)行過程中各類狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)。

目前，國外生產(chǎn)的井下甚寬頻帶地震儀主要有英國 Güralp公司的CMG-3TB井下甚寬頻帶地震儀，美國Geotech公司的KS-54000超寬頻帶地震儀。CMG-3TB井下甚寬頻帶地震儀，頻帶為120 s—50 Hz，動(dòng)態(tài)范圍為140 dB，最大安裝深度為約1 000 m[8]。該地震儀在國內(nèi)多個(gè)省市都有安裝，但由于購置和使用成本高，運(yùn)行故障高，維護(hù)不方便等多方面的原因，其在國內(nèi)的使用亦受到限制。胡米東等[9]通過對(duì)CMG-3TB井下甚寬頻帶地震儀在江蘇地區(qū)使用過程中的故障原因分析，認(rèn)為供電和數(shù)據(jù)傳輸電纜過長(zhǎng)，井下地震儀鎖壁/解鎖及高溫高壓下和大傾角條件下，地震儀可靠性是故障發(fā)生的主要原因。KS-54000井下超寬頻帶地震儀，頻帶為 0.003—5 Hz（可選0.003—15 Hz），最大安裝深度為300 m，設(shè)備孔徑137 mm，該地震儀曾經(jīng)是世界范圍內(nèi)研究長(zhǎng)周期井下地震儀的主流產(chǎn)品，并被美國地震學(xué)研究聯(lián)合會(huì)（Incorporated Research Institutions for Seismology，IRIS）、全面禁止核試驗(yàn)條約（comprehensive nucleartest-ban treaty，CTBT）廣泛應(yīng)用，但KS-54000未有在中國使用的報(bào)道，且其儀器制造商已經(jīng)退出中國市場(chǎng)。加拿大Nanometrics公司生產(chǎn)的Trillium井下甚寬頻帶地震儀在其網(wǎng)站上有介紹，但目前資料不全，其應(yīng)用情況在國際上報(bào)道不多，國內(nèi)亦未有相關(guān)報(bào)道。

我國在《國家地震科學(xué)發(fā)展綱要（2007—2020年）》中已經(jīng)把深井綜合觀測(cè)技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展主題，國家重視井下地震觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，并且加大這方面的投入。但在井下甚寬頻帶地震儀方面，國內(nèi)還沒有本項(xiàng)目研制的可應(yīng)用于2 000 m以上的深井寬頻帶地震觀測(cè)產(chǎn)品。

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，合作單位是中國地震局地球物理研究所和廣東省地震局。項(xiàng)目總預(yù)算2 779.55萬元，其中中央財(cái)政專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)1 279.00萬元，自籌經(jīng)費(fèi)1 500.55萬元。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人李麗，技術(shù)負(fù)責(zé)人薛兵。這是在中國地震局組建地震觀測(cè)技術(shù)研究院、中國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[6]。

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)問題，實(shí)現(xiàn)我國尚無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)記錄的甚寬頻帶地震觀測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)突破，通過優(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2 000 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（圖1），分別為：① 井下甚寬頻帶地震儀總體設(shè)計(jì)及長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸抗干擾技術(shù)研究； ② 井下甚寬頻帶地震儀內(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 保障井下甚寬頻帶地震儀在高溫壓和大傾角條件下可靠工作的技術(shù)研究； ④ 井下甚寬頻帶地震儀的試驗(yàn)與應(yīng)用； ⑤ 井下甚寬頻帶地震儀的工程化、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究[6]。

圖1 項(xiàng)目研發(fā)過程及結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Illustration graph of developing process and structure of the project

項(xiàng)目具有3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題。井下寬頻帶地震儀要適用于小尺寸、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題； 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2 000 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)，形成我國井下寬頻帶地震觀測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我國目前尚無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)定性差等一系列問題[6]。

本項(xiàng)目進(jìn)行了井下甚寬頻帶地震儀總體設(shè)計(jì)及長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸抗干擾技術(shù)研究，制定了井下地震觀測(cè)雙向數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，首次在國內(nèi)外成功研制出可應(yīng)用于2 000 m深井觀測(cè)的、完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的甚寬頻帶地震儀，完成了預(yù)定考核指標(biāo)、達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。 項(xiàng)目已于2021年12月通過科技部的驗(yàn)收。為了更好地將井下甚寬頻帶地震儀研制成果介紹給讀者，《地震科學(xué)進(jìn)展》將在2022年第52卷第7期組織出版 “井下甚寬頻帶地震儀研制與應(yīng)用項(xiàng)目” 進(jìn)展專題文章4篇，全方位地展示項(xiàng)目的創(chuàng)新成果與應(yīng)用前景。

井下甚寬頻帶地震儀的工程化和產(chǎn)業(yè)化也在穩(wěn)步推進(jìn)中。井下甚寬頻帶地震儀的應(yīng)用，將促進(jìn)井下地震觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，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，提高國家預(yù)警水平和能力。

致謝

感謝項(xiàng)目技術(shù)專家組、管理專家組、用戶委員會(huì)及項(xiàng)目組成員的辛勤付出。