我国井下甚宽频带地震仪研制与应用开发新进展*

李 丽 罗新恒 关作金 范晓勇

1) 中国地震局地球物理研究所， 北京100081 2) 珠海市泰德企业有限公司， 广东519082



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我国井下甚宽频带地震仪研制与应用开发新进展*

李 丽1)※罗新恒2)关作金2)范晓勇1)

1) 中国地震局地球物理研究所， 北京100081 2) 珠海市泰德企业有限公司， 广东519082

为避免人类活动的震动干扰， 地震观测台站往往布设于人烟稀少的野外场所。 在基岩上开展地震观测往往能捕获更清晰和更多的小地震事件。 城市化进程的加速， 使得我国地震台站的观测环境受到严重破坏。 据不完全统计， 1991～2001年的10年间， 由于环境干扰增多， 我国区域地震台的监测能力大幅度降低， 其中I类台的放大倍数由5万倍降到3万倍； Ⅱ类台的放大倍数由10万倍降到6万倍。 地表观测环境的被破坏直接影响到地震信号的获取， 开展井下观测已经成为获取高信噪比地震观测资料的主要手段。

井下地震观测不仅可以有效避开地表的人类活动对地震观测的干扰， 减少地表岩石风化、 天气变化的影响。 同时， 还能够解决大、 中型城市“地震监测盲区”问题。 研究显示， 在厚沉积带和强地表干扰地区， 将传感器放置到200～500 m的井底， 观测质量可得到数量级上的改善。 但因井下地震仪频带窄、 安装要求高、 无国产化设备， 目前我国现有的1100个测震台中只有130个台站为井下地震台， 在130个井下地震台中仅有14台甚宽频带地震计， 且均为进口产品。 因而研制具有我国自主知识产权的井下甚宽频带地震仪， 并推进其工程化、 产业化是地震观测仪器发展的重要方向之一。

井下甚宽频带地震观测能获取来自地球内部微弱的、 丰富的、 准确的宽频带地壳活动信息， 包括地层微破裂、 慢地震等， 对地震学、 地震预报和相关学科均有重要的科学研究意义和实际应用价值， 能帮助科学家客观地认识地球内部结构及其变化， 有可能促使地球科学各学科在基础理论研究方面有新的突破。

面对迫切的应用需求， 科技部批准执行了《井下甚宽频带地震仪的研制与应用开发》项目(编号： 2016YFF0103400)。 该项目由珠海市泰德企业有限公司牵头， 合作单位是中国地震局地球物理研究所和广东省地震局。 项目总预算2779.55万元， 其中中央财政专项经费1279.00万元， 自筹经费1500.55万元， 项目负责人李丽， 技术负责人薛兵。 这是在中国地震局组建地震观测技术研究院、 中国地震局地球物理研究所与珠海市泰德企业有限公司联合成立地震观测技术工程研究中心之后， 企业牵头、 研究所提供技术支撑的第一个地震仪器研发项目。

项目的主要研究内容是解决长距离数据传输抗干扰、 井下地震仪定向定位和授时及仪器锁壁/解锁、 高温压和大倾角条件下可靠工作等 3个关键科学问题， 实现我国尚无可用于在千米及更深井下开展长期连续地震动信号记录的甚宽频地震观测系统的技术突破， 通过优化总体设计、 精化核心设计， 构建具有自主知识产权的高精度、 大动态范围的井下甚宽频带地震仪， 在压力达 20 MPa(约2000 m水深)、 温度达70℃、 倾角达5°的环境中， 实现120 s～50 Hz 速度平坦、 动态范围大于145 dB的高质量连续记录地震波形， 通过改进的数字传输方法， 将高保真的观测数据稳定地传输至地表， 并实现井下甚宽频带地震仪的产业化。

按照主要研究内容， 项目设置5个课题， 分别为: ①井下甚宽带地震仪(图1)总体设计及长距离数据传输抗干扰技术研究； ②地震仪内置装置设计及井下定向、 定位和授时技术研究； ③保障井下传感器在高温压和大倾角条件下可靠工作的技术研究； ④井下甚宽带地震仪的试验与应用； ⑤井下甚宽带地震观测系统的工程化、 产业化技术研究。

项目具有三大创新点：

(1) 进行总体优化设计， 首次解决井下定向等问题。 井下宽频带地震计要适用于小尺寸、 大倾角、 长期高温压环境。 与地面型设备相比， 在大幅减小外径、 适应最大倾角5°、 温度达70℃、 压力达20 MPa的前提下， 确保速度平坦频带达120 s～50 Hz、 动态范围大于145 dB等一系列核心参数， 需整体优化传感器设计、 精化反馈换能技术、 内置陀螺仪和倾角仪等定位装置， 实现井下方位确定、 矢量归算及坐标变换， 根本解决井下观测数据的定向和倾角不确定问题。

图1 井下甚宽带地震仪结构示意图

(2) 自主研发密封技术和数传方案， 首次实现千米及更深处宽频带地震观测。 本项目利用自主研发的耐受20 MPa压力、 70℃温度的宽频带地震传感器封装技术、 锁壁电机高温高压动密封技术、 长距离零衰减数字传输技术， 将我国井下实时宽频带地震监测设施的深度从目前的几百米推进到2000 m， 组网后可在全球范围内首次实现局部区域0级地震的速报能力。

(3) 自建平台， 形成我国井下宽频带地震观测系统的技术标准。 我国目前尚无井下宽频带地震观测系统的相关技术标准。 本项目不仅建设并完善适用于井下宽频带地震仪的工程化平台， 还将形成与之配套的密封、 测试、 检测标准， 解决高精密仪器的生产能力弱、 一致性差和长期稳定性差等一系列问题。

项目技术团队自2009年以来一直围绕中深井地震观测技术开展研究和实验， 在传感器整体设计、 数据传输方案、 密封方案以及井下定位方案等方面完成了先期研究。

项目实行法人制， 牵头单位是项目的责任主体。 项目牵头单位珠海市泰德企业有限公司成立于1992年， 专业从事数字地震监测仪器、 软件及系统集成。 公司已通过高新技术企业、 软件企业、 系统集成资质、 ISO9001认证， 拥有17项与本研究相关的专利。 具备井下甚宽带地震计的工程化和产业化条件。 合作单位中国地震局地球物理研究所于2011年完成了我国首个深达375 m的井下综合地球物理观测技术系统的实验建设。 在锁壁/解锁、 井下定向定位、 井下宽频带地震观测技术规范等方面具备前期的实验和研究基础。 合作单位广东省地震局是我国最早开展规模化井下地震观测的省级地震局， 具有丰富的实用化基础和人员队伍。 项目结束后预期形成生产能力500套/年， 验收后3年内年产值达到2000万元(图2)。

项目研究成功并得到推广应用后， 能形成自主知识产权， 打破进口井下宽频带地震观测设备在我国的垄断地位， 使得我国井下甚宽频带地震观测技术在国际上处于领先地位， 提升地震观测仪器在慢地震、 固体潮汐、 地震前兆和地壳运动等方面的观测能力， 提高仪器地震观测异常信息的识别能力， 提高国家预警水平和能力， 促进国内地震观测科学技术的发展。

图2 项目研发过程及结构示意图

2016-10-08； 采用日期： 2016-10-15。

国家重点研发计划重大科学仪器设备开发重点专项， “井下甚宽频带地震仪的研制与应用开发”(编号2016YFF0103400)资助。

P315.62；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.10.001

※通讯作者： 李丽， e-mail: lilygrace@cea-igp.ac.cn。