井下甚宽频带地震仪研制内容与创新＊

李 丽 罗新恒 杨大克 薛 兵 郑 重 吕金水

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，广东珠海 519082

3) 中国地震局地震预测研究所，北京 100036

4) 广东省地震局，广东广州 510070

NASA在全球变化研究中所强调的长期、连续的地球观测基础上提出了系统测量的概念。地震系统测量的观测策略集中在一组有限的独立特征参数上，这些参数将分别刻画出与地震有关的地球物理、地球化学、地质构造等参数的动态变化，可用于回答有关地震科学问题及地震趋势发展的诸多问题[1]。

地震频谱范围很宽，从几十赫兹到几百秒；振幅范围很大，从微米至米。要完整的记录包括地方震、区域地震、以及远震在内的地震波，要求地震仪器的频带必须达到数千秒到数十赫兹，动态范围超过8个数量级。但是，目前电学地震仪无论是在频带宽度、还是在动态范围方面，都不能满足这样的要求。因此，只能采取分频段设计仪器，以及采用微震、强震等不同仪器同步观测的手段来解决这个问题[2-3]。但是，采用分频段仪器观测所得到的观测数据由于去除了不同频率范围内的地震波，其数据的精确性必然会有所降低。因此，研究设计高分辨率、大动态范围、宽频带的地震仪进行地震观测是地震仪研究需要解决的重要问题。

震源物理和地震预报的发展要求地震仪器能够提供分辨率更高、动态范围更大、频带更宽的地震记录资料。因此，地震仪的发展趋势以宽频带、大动态范围、高分辨率为特征。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[4]。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。

井下地震观测技术，最初是为了探测可能与应变状态下岩石微破裂有关的高频地声或超微震而发展起来的。美国在20世纪30年代就已进行过实验室的和野外的观测实验[5]。后来，美国海岸与大地测量局（USCGS）首先进行了地震仪的观测试验，其目标是改善远震P波的信噪比[6]。20世纪60年代中期，日本对地震预报研究比较重视，为了提高现有观测台网监测地震的能力，也开始着手进行井下地震观测的研究。前苏联也继美、日之后在中亚建设了井下地震台网[7]。1987年以来，中国地震局深入开展了 “深井观测的研究与井下综合工程技术的应用” ，深井观测技术在中国得到持续发展[6]。

发展深井地震观测技术面临的技术挑战主要有以下5个方面：① 井下地震观测技术平台与传感器系统的抗高温高压和防水防腐蚀问题； ② 地震仪耦合问题。必须保证井管和地壳，传感器和井管良好耦合，以确保记录数据的真实性； ③ 控温散热问题。高温使地震仪的机械和电子器件的热噪声加大，电子设备产生的热量增加了热量的不均匀性。除了采用极低功耗电路设计外，须考虑控温散热问题； ④ 宽频带与仪器小型化问题。甚宽频带传感器要求内置机械摆有长的自振周期，从而要求较大的体积，这和井下观测平台所能提供的空间有矛盾。因而，必须研制可用于井下的特殊传感器，使其同时满足宽频带和小体积要求； ⑤ 智能化问题。井下地震观测技术平台是仪器的工作舱，提供保障仪器或传感器必需的工作条件，有控温散热、耐压、密封、传感器与地壳的耦合、通信、供电、平台的置平、定向、锁定机构。需发展智能化监控系统，实时监控仪器运行过程中各类状态参数和环境参数。

目前，国外生产的井下甚宽频带地震仪主要有英国 Güralp公司的CMG-3TB井下甚宽频带地震仪，美国Geotech公司的KS-54000超宽频带地震仪。CMG-3TB井下甚宽频带地震仪，频带为120 s—50 Hz，动态范围为140 dB，最大安装深度为约1 000 m[8]。该地震仪在国内多个省市都有安装，但由于购置和使用成本高，运行故障高，维护不方便等多方面的原因，其在国内的使用亦受到限制。胡米东等[9]通过对CMG-3TB井下甚宽频带地震仪在江苏地区使用过程中的故障原因分析，认为供电和数据传输电缆过长，井下地震仪锁壁/解锁及高温高压下和大倾角条件下，地震仪可靠性是故障发生的主要原因。KS-54000井下超宽频带地震仪，频带为 0.003—5 Hz（可选0.003—15 Hz），最大安装深度为300 m，设备孔径137 mm，该地震仪曾经是世界范围内研究长周期井下地震仪的主流产品，并被美国地震学研究联合会（Incorporated Research Institutions for Seismology，IRIS）、全面禁止核试验条约（comprehensive nucleartest-ban treaty，CTBT）广泛应用，但KS-54000未有在中国使用的报道，且其仪器制造商已经退出中国市场。加拿大Nanometrics公司生产的Trillium井下甚宽频带地震仪在其网站上有介绍，但目前资料不全，其应用情况在国际上报道不多，国内亦未有相关报道。

我国在《国家地震科学发展纲要（2007—2020年）》中已经把深井综合观测技术列为优先发展主题，国家重视井下地震观测技术的发展，并且加大这方面的投入。但在井下甚宽频带地震仪方面，国内还没有本项目研制的可应用于2 000 m以上的深井宽频带地震观测产品。

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2 779.55万元，其中中央财政专项经费1 279.00万元，自筹经费1 500.55万元。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[6]。

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带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2 000 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（图1），分别为：① 井下甚宽频带地震仪总体设计及长距离数据传输抗干扰技术研究； ② 井下甚宽频带地震仪内置装置设计及井下定向、定位和授时技术研究； ③ 保障井下甚宽频带地震仪在高温压和大倾角条件下可靠工作的技术研究； ④ 井下甚宽频带地震仪的试验与应用； ⑤ 井下甚宽频带地震仪的工程化、产业化技术研究[6]。

图1 项目研发过程及结构示意图Fig. 1 Illustration graph of developing process and structure of the project

项目具有3大创新点：① 进行总体优化设计，首次解决井下定向等问题。井下宽频带地震仪要适用于小尺寸、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； 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2 000 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[6]。

本项目进行了井下甚宽频带地震仪总体设计及长距离数据传输抗干扰技术研究，制定了井下地震观测双向数据传输规范，首次在国内外成功研制出可应用于2 000 m深井观测的、完全自主知识产权的甚宽频带地震仪，完成了预定考核指标、达到预期目标。 项目已于2021年12月通过科技部的验收。为了更好地将井下甚宽频带地震仪研制成果介绍给读者，《地震科学进展》将在2022年第52卷第7期组织出版 “井下甚宽频带地震仪研制与应用项目” 进展专题文章4篇，全方位地展示项目的创新成果与应用前景。

井下甚宽频带地震仪的工程化和产业化也在稳步推进中。井下甚宽频带地震仪的应用，将促进井下地震观测技术的发展，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。

致谢

感谢项目技术专家组、管理专家组、用户委员会及项目组成员的辛勤付出。