井下综合观测技术发展现状1

董云开 李 宏

（中国地震局地壳应力研究所，地壳动力学重点实验室，北京100085）

引言

地震学是观测的科学，观测技术是其发展的基础。纵观整个地震学发展历史，每一个阶段的进步都和观测技术的发展密不可分。第一台近代地震仪由意大利人 Fillippo Cecchi于1875年发明，并在此基础上创建了近代地震学；20世纪上半叶，地震仪从机械式放大发展到电子放大，由此观测到了更多的地震现象，人们对于地震和地球内部结构的认识产生了一个飞跃，这个时期是经典地震学的创业阶段；70年代至20世纪末，以数字化技术和电子反馈技术为基础，大量以数字化、宽频带、大动态、高精度、定量化为特征的地震观测和地震前兆观测技术，推动了现代地震学出现了一个新的飞跃，世界各国纷纷投入巨资，竞相发展各种数字观测技术并组建观测台网，这个阶段的地震学也被称为数字地震学（陈运泰等，2003）。

进入21世纪后，地震预测屡遭挫折，地震研究者开始反思并寻找新的出路，宽频带综合观测成为新的发展方向。由于观测频带限制，单一的观测手段即使精度再高，获得的地震活动信息仍然有限。将不同频带范围的多种地震观测和前兆观测仪器放在一起综合观测，可以获得更加准确和全面的地震活动信息。通过综合观测可以比较检验数据质量，排除气象、地形、地下水等环境影响因素，增加短临地震异常判断的准确性。同时，对多种观测物理量进行对比分析研究，还有助于人们更深入地了解地壳能量积累释放过程，以及地震发生的机理。

由地表观测向井下观测是另一个重要的发展方向。井下观测将传感测量单元安装在钻孔底部，和地层连接在一起，能够观测到更加微弱和丰富的地壳活动信息，如：地层微破裂、高频极微震等。同时，井下观测还能有效降低地面人类活动和气象的干扰，减弱地表岩石风化和地形等因素对测量结果的影响。早在1934年，美国著名地球物理学家Beniof就曾设想过将仪器埋入地下，观测地壳的应变变化（苏凯之，1996）。在20世纪60年代末钻孔式观测仪器研制成功，并在随后的20年里发展出了钻孔应力/应变仪、倾斜仪、地温仪和孔隙压力仪等一批高精度的钻孔前兆观测仪器。近十几年来，由于地面人类活动干扰愈加频繁，井下观测的重要性更加突显。

综合观测和井下观测都有观测频带宽，获取信息丰富、准确的优点，此外井下环境能同时满足测震、流体、形变和电磁等多学科观测的要求，因此将两者结合起来形成井下综合观测已经成为必然的趋势。21世纪以来，以美国、日本等国家为首，井下综合观测技术迅速发展，并在一些深井地震监测和大陆、大洋科学钻探项目中得到了应用。在我国，井下综合观测仍属于创新性科研项目，与国际上处于领先地位的国家相比仍有不小的差距。

1 井下综合观测技术在国内外的发展和应用

自20世纪70年代以来，许多发达国家陆续启动了大陆、大洋深部探测计划，把视线延伸到地壳深部，被誉为伸入地球内部的“望远镜”。井下长期综合观测则是世界各国科学钻探工程的重要组成部分，通过在深钻孔中设置综合观测仪器，探索地下深部应力、地球物理状态与变化，监测地震活动，揭示地震发生规律等。

井下综合观测包括：地震、地形变、地倾斜、地应力、重力、地磁、地电、水化、水位等跨多个学科的观测内容，其中地形变、地倾斜、地应力、地震等方法直接用来测量各种形式和频率的地动位移；水化、地磁、地电等其它方法测量的则是地层变动中产生的各种次级效应（池顺良，2007）。在地震监测和地球物理研究中，根据研究目的不同，一般以某一项观测内容为主，其它测项为辅。

1.1 以地壳形变为主的井下综合观测

美国于世纪之交提出了著名的Earthscope（地球透镜）计划，以北美大陆为天然实验室，探索地球内部的运动规律。PBO（Plate Boundary Observatory，板块边界观测）计划是Earthscope的一个组成部分，以精确观测由太平洋板块和北美大陆板块相对运动引起的美国西海岸变形为主要目的。该计划在美国西海岸沿圣安德烈斯断层和阿拉斯加南部，建立了一个由 1100套GPS接收机、74套钻孔张量应变仪、78套短周期钻孔地震仪、26套钻孔倾斜仪、5套长基线激光应变仪以及100套气象传感器组成的综合地壳形变观测网络（http://pbo.unavco. org/instruments）。在第一个5年计划中（2003—2009年）已完成全部仪器的安装，其中74套地震仪和应变仪以叠放的方式，一起安装在100—200m的钻孔中进行综合观测。

板块边界变形的时间尺度跨越了至少 8个数量级（从数秒到数十年），没有任何一样观测仪器可以胜任这么宽的频带。在 PBO计划中，GPS用于观测数月到数十年的地面变形，如：地震后的大范围地面调整、长期地壳应变积累和板块运动等；钻孔应变仪记录不足1秒到数周或数月的地壳变形，是观测地震和火山喷发前兆信息的核心仪器；钻孔地震仪记录数分钟以下的深部低噪音地震波信息，如：辨别美国黄石火山地震动中的风噪声；长基线激光应变仪测量数百米远的两点间在数月到数十年的应变变化，结合了钻孔应变仪的高精度和GPS的长期稳定性特点，在重点断层区对这两种仪器进行补充；倾斜仪用于测量数秒到数周的微弱倾斜变化，如：岩浆活动和地下水位变化引起的地壳变形。

在我国，中国地震局地壳应力研究所的欧阳祖熙以自主研发的RZB型高精度电容式钻孔应变仪为核心，辅以地倾斜单元、应变地震波单元、精密地温单元，以及水位气压单元等，研制出了一种“RZB-3型地壳形变深井宽频带综合观测系统”（欧阳祖熙等，2009）。该系统主要用于观测数秒至数月的地壳应变场积累变化，记录固体潮汐、应变阶、慢地震，研究它们的幅度和速率变化特征，从而认识地壳构造变形能量积累和释放过程，探索其与构造活动及地震发生的关系。目前该系统已在北京昌平、福建漳州等多地进行了安装，安装深度为100—450m。

1.2 以地震为主的井下综合观测

SAFOD（San Andreas Fault Observatory at Depth，圣安德烈斯断层深部观测）是Earthscope计划的另一个组成部分，其主要内容是利用一个深入断层的钻孔，研究深部控制断层活动和地震发生传播的物理化学过程。该计划的主孔从地面到1500m深为垂直钻孔，然后60°转向成倾斜钻井，深入到圣安德烈斯断层地震震源区。为了最终的长期综合观测站的建立，2002—2008年在主孔和先导孔中分别进行了19次和8次临时的前期地震、倾斜和流体等观测，以指导长期综合观测中的传感器选择，并揭示综合观测中可能会出现的一些机械和环境问题。2008年9月，一套特别设计的长期综合观测仪器在主孔2660m深处安装，仪器包括3个三分量数字地震计、3个三分量MEMS加速度计、2个两轴倾斜仪和1个被动式电磁感应圈，主要用来观测附近3级以下的重复微震。（Mark Zoback等，2011）

1.3 以流体为主的井下综合观测

在ODP（Ocean Drilling Program，大洋钻探计划，1983—2003年）计划中，洋底的海水流体系统结构和动力学特征是其重要的一个科学课题，这一系统中的流体改变岩石成分，影响大洋的化学组成，润滑诱发地震的活动断层，聚集经济矿物沉积，并与生命紧密相连。因此一种循环观测回返装置（Circulation Obviation Retrofit Kit，CORK）被研制出来，通过在钻孔中综合观测温度、压力和流体的组成，来记录这种流体的变化（Fisher等，2011）。

2 井下综合观测系统的结构

井下综合观测按照系统结构的不同，可分为叠放式综合观测和一体式综合观测。

党的十八大报告指出：“中国特色社会主义，既坚持了科学社会主义基本原则，又根据时代条件赋予其鲜明的中国特色，以全新的视野深化了对共产党执政规律、社会主义建设规律、人类社会发展规律的认识，从理论和实践结合上系统回答了在中国这样人口多底子薄的东方大国建设什么样的社会主义、怎样建设社会主义这个根本问题，使我们国家快速发展起来，使我国人民生活水平快速提高起来。”［1］中国特色社会主义从道路、理论和制度方面揭示中国特色社会主义发展的本质和规律，推进中国特色社会主义健康发展的重要原因，是它所具有的先进思维方法，即马克思主义科学分析方法。这种方法是一个体系，可以从不同层次、不同角度来把握，但主要是以下几种。

2.1 叠放式综合观测系统

将两种以上的仪器先后安装在同一钻孔中的不同位置，构成叠放式的综合观测系统。叠放式综合观测一般只适用于较浅的钻孔及小规模的综合观测，当钻孔较深或安装仪器过多时，大量的传输电缆会造成下井安装极其不便。

叠放式综合观测系统的最大优点，是某一仪器发生故障（如：较常发生的内部进水、雷击等问题）不会影响其它仪器的正常工作。其次，许多仪器需要特殊的外部安装环境和安装工艺，如钻孔应变仪需要安装在完整基岩孔段（一般选在井底），用膨胀水泥将仪器和井壁耦合在一起；孔隙压力仪则需要安装在含水层，用透水材料封填并进行封孔；水位计需要根据含水层位置确定安装位置。叠放式综合观测系统可以灵活地根据岩层环境安装相应的测量单元，很好地协调多种安装要求各异的仪器，而一体式的综合观测系统则很难做到这一点。

图1所示是美国Mini-PBO（Broadband Observations of Plate Boundary Deformation，板块边界变形宽频带观测）计划中的井下宽频带综合观测仪器安装示意图。这是一个典型的叠放式综合观测系统，在一个200m左右的钻孔中依次安装三分量张量应变仪、地震仪、孔隙压力仪和倾斜仪，并在套管顶端安装GPS天线（http://seismo.berkeley.edu/bdsn/mpbo.overview.html）。

图1 Mini-PBO井下观测仪器结构图Fig. 1 The configuration of Mini-PBO borehole observation system

在我国，李海亮等人也对叠放式综合观测进行了实验。由于钻孔应变仪和钻孔倾斜仪都是对地壳形变物理量进行观测，因此在一定程度上可以相互佐证。李海亮等在山西大同和山东荣成等地，将TJ-2型体应变仪和CZB-1型垂直摆倾斜仪，先后安装在同一钻孔内进行综合观测，如图2所示。

图2 叠放式井下综合观测系统示意图Fig. 2 Schematic diagram of borehole integrated observation system in stack form

另外，一些精度并不很高的温度计、气压计和水位计等，由于可以做成体积小巧的井下探头（直径<50mm），也经常被叠放在应变仪等仪器上部，进行辅助观测，如图2所示。

2.2 一体式综合观测系统

一体式综合观测系统将每个传感器封装在一个单独的腔室内，多个腔室间相互隔离，并用机械的方法连接成一体。这种方法可以一次性地完成所有仪器的安装，能大大节省下井安装的工作，因此适用于深井测量。一体式综合观测系统最大的问题是各腔室间很难做到完全的隔离。为了节约电缆芯数，一般各仪器间会共用电源和信号线，这样一旦某一个腔室漏水，就会顺着线路影响到其它腔室。此外，一体式综合观测系统需要解决诸多技术和工艺上的问题，因此成本费用较高。

KTB（德语Kontinentales Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik Deutschland，德国大陆超深钻井计划）于2003年在先导孔4000m深处进行了超过10个月的大尺度注水，并在周围1.5—3.3km范围内的5个钻孔中设置了倾斜仪和地震仪，研究注水引起的地壳变形和诱发地震。其中，4.5Hz的三分量地震仪被集成在ASKANIA型高精度钻孔倾斜仪顶端，成为一个整体（如图3所示），安装在24—45m深的位置（Jahr等，2008）。

图3 KTB中集成了地震仪的钻孔倾斜仪Fig. 3 The borehole tiltmeter integrated with seismometer in KTB

图4 所示是日本石井紘研制的地壳活动综合观测装置结构示意图（在东浓地区TRIES观测站使用），仪器包括六分量的Ishii型应变仪（水平四分量和垂直两分量）、两分量倾斜仪、三分量地震仪、三分量磁力仪、一分量温度仪以及所有传感器的井下 A/D转换单元，总长6.844m，直径小于98mm，重265kg，能在超过1000m的钻孔中工作（Yasuhiro Asai等，2009）。这些观测单元具有标准化的接口，可根据需要进行任意数量和种类的组合。

在SAFOD计划中，根据圣安德烈斯断层深部结构和地下环境特别研制出了一种综合观测装置，如图5所示。这种综合观测装置包括5个分开的部分，其中第1、3和5部分包括1个三分量地震计和1个三分量MEMS加速度计，第2、4部分包括1个倾斜仪，第5部分在尾端还包括1个地磁仪。仪器每个部分均被密封在单独的钢筒中，并使用分开的电源和信号线。5个部分分开约100m长，在外部被固定在一根直径60mm的加厚油管上，成为一个整体，而加厚油管通过弓型弹簧固定在钻孔套管上，这样当仪器出现故障时，可以方便地通过加厚油管维修（Mark Zoback等，2011）。

NanTroSEIZE（Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment，南海海槽发震带试验）是研究日本南海海槽板块边缘接触面地震行为的综合钻探和观测计划，是IODP（Integrated Ocean Drilling Program，综合大洋钻探计划）中的一个重要组成部分。在该计划中，最终的超深钻井（6.2km）将打穿整个板块边缘带，一直打进向下俯冲的菲律宾海板块的地壳中，并在钻孔中设置永久性的综合观测仪器。LTBMS（Long Term Borehole Monitoring System，长期井下监测系统）是专门为NanTroSEIZE计划研制的一种海底超深钻孔综合观测仪器，图6所示为计划在C0001孔（3.5km）安装的LTBMS示意图（Yasuhiro Namba等，2008）。为同时满足多传感器和多断层监测的要求，LTBMS使用了比较复杂的结构设计和安装工艺。首先，所有传感器均固定在一根中心钢管上，并集中分布在5个“八字”形断层附近；其次，应变仪和位于井底的地震仪、倾斜仪，用水泥固结在裸孔中，位于套管中的地震仪和倾斜仪用水泥或机械方式两种方案固定在套管中，孔隙压力和温度传感器固定在中心钢管上，不需要与套管结合；然后，使用封隔器或水泥将5号断层和其它部分隔离开；最后，在钻孔顶端使用一种“圣诞树”装置来密封整个钻孔，阻止海底的颗粒和流体进入（Masanao Shinohara等，2003）。

图4 在日本东浓地区TRIES观测站使用的地壳活动综合观测装置Fig. 4 The multi-component borehole instrument for crustal activity observation for TRIES observation sites in Tono region

图5 SAFOD中使用的井下仪器示意图Fig. 5 Schematic diagram of the instrumentation deployed in the SAFOD observatory

图6 计划在NanTroSEIZE中C0001孔使用的LTBMS系统Fig. 6 Planned LTBMS for C0001 site in NanTroSEIZE

3 井下综合观测技术中存在的问题

井下综合观测技术中存在的问题主要来源于以下三个方面：

（1）由于井下综合观测系统成本较高，因此大多应用于深井中，而深井中的特殊环境，如高温、高压等，必然会对传感器的性能提出新的要求。

（2）在仪器设计上，当井下测量单元较多时，各单元间既要形成机械上的隔离，又要保持结构上的紧凑，既要共用系统总线和电源，又要保证互不干扰，因此，各测量单元间机械、电气的集成和隔离是仪器设计中最重要的一环。

（3）不同的观测单元具有不同的井下安装环境要求，以及各自不同的安装固结工艺，如何协调各观测单元在井下的整体安装，是保证综合观测系统成功运行的前提。

为了推动井下综合观测系统的应用和发展，需要进行以下几方面的技术研究。

3.1 传感器的耐高温技术

井下观测系统大多使用测量精度极高的传感器，以观测地下微弱的物理信号，而高温环境会大大影响仪器的测量精度和寿命。地球内部温度随深度增加而增加，如德国KTB主孔底部9100m处，温度高达260℃，为了保证仪器正常工作，必须研发传感器的耐高温技术。相对来说，问题主要来自于电子部分，因为电路很难暴露在超过 200℃的环境中正常工作；而机械方面的问题则容易解决，可使用殷钢材料来克服热胀冷缩的影响。在KTB的测井仪中使用了真空瓶（dewar flask）技术，将电路部分保护起来。室内实验表明，当环境温度上升到260℃并维持2.3个小时时，真空瓶内的仪器温度始终在120℃以下（极限承受温度为175℃），如图7所示（Bram Kurt等，1995）。

图7 KTB中使用的井下仪器耐高温技术Fig. 7 High-temperature technology for borehole instruments in KTB

3.2 高压密封技术

在井下长期观测中，因密封问题而导致仪器漏水是故障发生的一个重要原因。随着钻孔深度的增加，巨大的水压给密封技术带来挑战，在IODP的NanTroSEIZE计划中，井底压力甚至高达150MPa。目前井下长期观测中大多使用“O”形圈进行密封，但是需要注意的是，SAFOD中的研究表明，圣安德烈斯断层深部的流体中含有可以穿透传统“O”形橡胶圈和电缆绝缘层的气体，为此SAFOD专门将仪器电缆封装在6.4mm的不锈钢管中，并通过压力密封连接，穿过仪器外壳（Mark Zoback等，2011）。

3.3 观测单元间的防水隔离技术

在一体式的井下综合观测系统中，各个腔室间一般都设计有机械防水隔离装置，但是由于导线不可避免地要在各腔室间穿行，如何防止从电接点处漏水是一个技术难题。为此，中国地震局地壳应力研究所的研究团队进行了多套方案的设计和实验，包括使用石油系统的小型水下接插头、水下芯线配氟脂胶、电极法兰，以及腔室内注入硅油等。

3.4 仪器的小型化

由于钻孔在径向空间有限，不管是叠放式还是一体式的井下综合观测系统，仪器直径过大都会造成下井安装的不便。小口径的井下综合观测仪器不仅使更复杂的安装工艺成为可能，也给检测维修留下了空间。在SAFOD计划中，安装仪器的套管直径为178mm，在径向空间足够的情况下，使用了一根60mm加厚油管连接所有观测单元。在后来仪器出现故障后，一个小型的15Hz Omni-2400地震计，于2008年12月通过加厚油管内部被设置在井下，这个临时的地震计直到2011年仍在继续工作，期间产出了大量重要的数据，并将一直持续工作到新的可以整体替换的综合仪器被研发出来（Mark Zoback等，2011）。

4 结语

21世纪以来，井下观测以日、美等国为首迅速进入“深钻井，多分量，宽频带”的发展时期，我国也随之加大了对深部钻探和深井观测等计划的投入，井下综合观测技术在此背景下得到了推动和发展。2008年之后，我国成功研制出第一批井下综合观测系统，并在500m以内的钻孔中进行了小规模的实验。但是与发达国家相比，我国在技术上仍然处于落后状态，特别是在仪器的高温高压技术和小型化等方面需要更深入的研究。此外，根据我国的国情，在深井地震监测和机理研究方面的投入仍显不足，缺少理想的可供实验的井下综合观测环境，这是我国科研工作者所面临的一个尴尬问题。

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