地下实验室与深地环境下的地球物理观测

王赟，菅一凡*，贺永胜，苗强强，滕吉文，王志民，荣亮亮，邱隆清，谢成良，张启升，刘向东，孙和平，杨亚新，杨军

1 中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院，北京 100083 2 中国人民解放军军事科学院国防工程研究院工程防护所，河南洛阳 471023 3 中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029 4 中国科学院高能物理研究所，北京 100049 5 中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050 6 华中科技大学物理学院，武汉 430074 7 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，武汉 430074 8 东华理工大学地球物理与测控技术学院，南昌 330013 9 广东工业大学信息工程学院，广州 510006

0 引言

地下实验室具有低宇宙射线强度、低电磁辐射、低振动噪声的特征，为开展粒子物理、基础物理、天体物理及宇宙学等学科的一些重大基础性前沿问题研究提供了非常重要的实验场所和良好的低本底环境（Ewan and Davidson,2005;Normile,2009;程建平等，2011;Suzuki and Inoue,2012;Bettini,2014;Rosat et al.,2018）.目前，许多国家都已建立起地下实验室，容积从几百立方米到十几万立方米，垂直岩石覆盖厚度从几百米到两千多米不等，其分布和岩石覆盖厚度如图1和表1所示.为了避免专门挖掘地下工程的高成本投入，目前地下实验室均是利用已有的地下空腔，大致分为两类，一类是利用废弃的矿井，另一种是利用山体中的隧道空腔.国际上一些代表性的地下实验室包括意大利的LNGS、法国的LSM和LSSB、美国的SUL和DUSEL、加拿大的SNO、日本的神岗（Kamioka）、韩国的襄阳（Y2L）、南美的ANDES、英国的Boulby、西班牙的LSC和俄罗斯的Baksan等；其中中国锦屏暗物质实验室（CJPL）是目前垂直覆盖层最厚的地下实验室.这些实验室中，利用隧道的实验室大部分位于山体中，具有一定的海拔高度；部分利用矿井的实验室深入海平面以下；其中只有加拿大SNO、英国Boulby、在建的芬兰CUPP实验室深达海平面以下千米，且以加拿大SNO实验室最深，达1700多米.尽管从评价宇宙射线通量的角度，垂直覆盖层厚度是个重要的参数（程建平等，2011），但对于振动噪声和电磁干扰的屏蔽，海平面以下的地下实验室更具优势（Lesko,2008）.

图1 当前国际地下实验室分布 （集中于北半球）（根据Dib，2015）Fig.1 Current distribution of international underground laboratories （concentrated in the northern hemisphere）（redrawing according to Dib ,2015）

表1 国际主要地下实验室相关信息Table 1 Information about major international underground laboratories

这些地下实验室以开展暗物质、双β衰变、中微子等各种类型的粒子物理实验为主，同时也进行着岩体力学、地球科学、地下生物等学科的实验研究.几十年的持续建设与发展，地下实验室已成为重大基础科学研究的综合性平台，是一个国家关键、标志性的重大基础科学设施（贺永胜等，2018）.其中，深入地下500 m以上的深部地下实验室（以下简称深地实验室）具有优良的“超静”、“超净”原位本底环境，且空间巨大、人员可进入性良好（Rosat et al.,2018;张苗苗等，2021），可实现多物理场的高精度四维监测，对开展地球深部动力结构和过程演化的研究具有重要意义.本文在介绍国际重要地下实验室的基础上，重点对地下进行的地球物理观测实验和研究进行介绍.

1 国际上有代表性的地下实验室

1.1 天体与粒子物理实验室

2010年前加拿大的SNO（Sudbury Neutrino Observatory）曾是世界上正在运行的、垂直岩石覆盖厚度（约2000 m）最大的地下实验室（图2）；该实验室位于废弃的地下矿井中，容积约为3万m3.SNO实施的项目包括暗物质搜索、无中微子双β衰变实验、超新星中微子探测，以及由SNO+探测器承担的多种物理实验（Lesko,2015）；其中最著名的就是利用数万吨重水来观测大气和太阳中微子的振荡实验，实验结果证实了中微子振荡的存在，加拿大科学家Arthur B.McDonald因这一成果获得了2015年诺贝尔物理学奖.

图2 SNO的布局及其实验方案（Lesko,2015）Fig.2 Layout and experiment plans of SNO （Lesko,2015）

俄罗斯的Baksan地下实验室BNO（Baksan Neutrino Observatory）是前苏联从20世纪60年代开始在北高加索安德尔奇山的水平隧道中建设的，山体垂直覆盖厚度1270 m.一台装有3200个探测器的地下望远镜占据了整个实验大厅；在距隧道入口3500 m的最深处布设了镓锗中微子望远镜，主要实施中微子探测、寻找双β衰变及引力波探测等物理实验（Pomansky,1986）.

图3 SUL的布局及其实验计划（Lesko,2015）Fig.3 Layout and experiment plans of SUL （Lesko,2015）

美国SUL（Soudan Underground Laboratory，苏丹地下实验室）位于明尼苏达州Soudan的一个地下矿井中，其岩石覆盖厚度约为600 m，如图3所示；目前运行着中微子振荡实验MINOS及利用低温高纯锗和硅探测器直接探测暗物质的实验CDMS等（Lesko,2015）.

韩国襄阳（Y2L）地下实验室建在抽水蓄能电站地下厂房附近的隧道中，垂直岩石覆盖厚度约为700 m，空间容积约为1000 m3.清华大学暗物质实验团队从2000年开始参与韩国襄阳地下实验室的建设、重要参数测量和暗物质实验研究工作.目前韩国开展了碘化铯晶体直接探测暗物质的实验和钼酸钙晶体测量双β衰变的实验.2005年清华大学在该实验室开展了低能量阈高纯锗探测器直接探测暗物质的实验研究，为我国暗物质实验技术的探索和实验人才的培养奠定了良好的基础（程建平等，2011）.

1.2 综合类实验室

意大利LNGS（Laboratory National Gran Sasso,革兰萨索国家实验室）容积达到18万m3，垂直岩石覆盖厚度达1400 m；位于意大利东北部亚平宁山脉一条长达10 km交通隧道的中部，所处地层为意大利中部最大的含水层.实验空间包括长、宽、高分别约为100 m、20 m、20 m的3个实验大厅以及服务区、入口和紧急隧道.该实验室开展了数十个包括暗物质、双β衰变、中微子实验、引力波实验、地质力学实验等不同类型的科学研究，取得了一系列非常重要的实验成果；并且建设了国际上最好的超低本底放射性核素测量平台，其本底计数率可以达到几十个微Bq的超低水平，为放射性材料检测、暗物质、双β衰变、中微子等实验提供超纯材料选择、本底分析等服务.

20世纪50年代美国科学家利用废弃的Homestake矿井，布设重量约600 t的C2Cl4液体作为探测器开展太阳中微子实验研究，证明了中微子的存在，并探测到了太阳中微子；Raymond Davis凭借这项研究成果获得了2002年度诺贝尔物理学奖.2002年Homestake矿井拟关闭时，美国国家科学基金会（NSF）出资进行改扩建，重命名为DUSEL（Deep Underground Science and Engineering Laboratory，深地科学与工程实验室），在原垂直岩石覆盖厚度1500 m的基础上，计划拓展到2300 m，如图4所示，后因投资等问题终止.

图4 DUSEL各分区实验功能分布Fig.4 Distribution of experimental functions in each zone of DUSEL

图5 SURF的布局及其实验计划（Lesko,2015）Fig.5 Layout and experiment plans of SURF （Lesko,2015）

2006年，T.Denny Sanford对Homestake矿井进行了继续的改扩建，增加了新的实验空间和设施；并以Sanford命名这些实验室，统称为SURF（Sanford Underground Research Facility，Sanford地下研究设施）投入使用.大型地下氙（LUX）暗物质实验、长基线中微子观测与深地中微子实验（LBNF/DUNE）是其中运行的两个大型实验项目，位于地下1478 m的区域（图5）；此外，SURF还运行着生物、地球科学和工程学科领域的实验项目，但人们习惯上还称之为DUSEL.

日本神岗（Kamioka）实验室位于日本神岗附近的一个矿井中，其垂直岩石覆盖厚度约1000 m，容积超过5万m3.实验室建造有大型中微子探测器——超级神岗探测器，其最初设计目标是探测质子衰变，同时也能够探测太阳、地球大气和超新星爆发产生的中微子.神岗探测器成功探测到了来自太阳的中微子，并证实了Raymond Davis的实验结果.1987年2月，神岗探测器与美国的探测器共同发现了大麦哲伦云系中超新星1987A爆发时产生的中微子，这是人类首次探测到太阳系以外的天体产生的中微子.基于该实验室中运行的中微子实验，日本科学家曾于2002和2015两个年度获得了诺贝尔物理学奖.

法国LSM（Le Laboratoire Souterra inde Modane，莫丹洞穴实验室）位于法国东部罗纳—阿尔卑斯大区萨瓦省的边境小镇Modane、阿尔卑斯山脉弗雷瑞斯山峰下1700 m的岩石中，处于连接法国萨瓦省和意大利西北的皮埃蒙特大区的弗雷瑞斯交通公路隧道的正中央（图6）；离入口处约6.5 km，面积400 m2，空间容积约3500 m3.LSM于1982年正式开放，最初用于屏蔽宇宙射线，探测质子潜在的不稳定性，开展天体物理的基础研究，揭示宇宙的奥秘（起源、组成和演变）.1988年后，通过国际合作，研究扩展至暗物质、中微子、双β衰变和超重化学元素；涉及核物理、粒子物理、宇宙学、地球科学、光谱学、微电子学等诸多学科领域.目前主要开展了四大实验：EDELWEISS（探测WIMPs粒子，寻找暗物质）、NEMO（中微子和双β衰变研究）、TGV（双β衰变研究）和SHIN（寻找自然界中的超重元素）.同时，它拥有世界独一无二的14台尖端的γ能谱超低本底锗探测器，在环境监测、超纯材料遴选、海洋放射性普查、地质定年，甚至在波尔多葡萄酒酒龄的鉴定方面进行了独特的应用研究.该平台为世界不同国家和地区的低放射性水平样品提供高灵敏度的测量服务（冯立迎等，2014）.

图6 LSM实验功能与分区示意（www.cas.cn/kxcb/kpwz/201104/t20110419_3118407.shtml）Fig.6 Experimental functions and zones of LSM

法国的LSBB（Labortoire Souterrain a Bas Bruit，低噪声洞穴实验室）最初出于军事目的，建在远离大城市、工业和交通发达地区的法国Rustrel吕贝龙公园，深达地表以下500 m，具有低背景噪声优势.实验室由EQUIPEX MIGA（Matter wave-laser based Interferometer Gravitation Antenna，基于激光干涉的引力波探测）项目和欧洲FEDER 2006—2013“PFM LSBB——LSBB环境质量发展”项目资助（Rosat et al.,2016）；安装有巨大的非常规屏蔽圆形筒，它不含μ金属，体积为1268 m3，10 Hz以上背景电磁噪声低于2fTHz-1/2，用低温SQUID3-D超导磁力仪可以清楚观测到10 Hz以下的地磁场脉动（Gaffet et al.,2005）.

西班牙的LSC （Laboratorio Subterráneo de Canfanc，Canfanc地下实验室）位于阿拉贡比利牛斯山西班牙一侧的托巴佐山下850 m深处的隧道内.该实验室始建于1985年，目前包括多个工作间、分区实验室和开发新探测器原型机的洁净室，实验室的物理条件相当于2500 m深的水下.西班牙地下实验科学创新部（Ministry of Science and Innovation Under-ground Laboratory）、阿拉贡政府（Government of Aragon）和萨拉戈萨大学（University of Zaragoza）组成了Canfranc地下实验室联合管理体（Canfranc Underground Laboratory Consor-tium），主要致力于研究粒子物理和天体物理（赵丹，2013）.由于该实验室地处西欧最活跃的地震带，一个名为Geodyn的地球动力学观测设施也是该实验室的一部分.

英国的Boulby地下实验室位于英国东北部Boulby的废弃钾盐矿矿井中，垂直岩石覆盖厚度达1100 m，实验空间约为5000 m3.该实验室运行着利用气液两相氙直接探测暗物质的实验项目ZEPLIN，以及利用具有方向敏感性的时光投影室探测暗物质粒子方向的Drift实验项目.这个世界一流的英国暗物质实验中心于2003年4月28日正式启动，主要致力于探测弱相互作用大质量粒子，希望能解开宇宙大部分物质的丢失之谜；实验室中同时也进行着其他学科的实验，包括地质学、地球物理学、环境气候学以及地外生命勘测仪器的开发和极端环境的生命研究.

中国CJPL（China Jin-Ping Underground Laboratory，锦屏地下实验室）于2010年12月12日在四川雅砻江锦屏水电站揭牌并投入使用，垂直岩石覆盖厚度达2400 m（图7），是目前世界上垂直岩石覆盖最厚的实验室.宇宙射线通量相当于地面的亿分之一甚至更小，是意大利LNGS 的百分之一.该实验室地下空间包括入口隧道、连接隧道和主实验厅三部分，总容积约为4000 m3.实验室围岩主要是大理岩，放射性核素含量低于北京地表正常环境水平约几十分之一到几百分之一，是一个非常好的天然低本底环境.锦屏地下实验室的主要研究内容包括探测暗物质，粒子物理学、天体物理学、宇宙学等相关领域.目前正在开展的项目为清华大学主持的“中国暗物质探测实验”（CDEX）与上海交通大学主持的PANDAX实验——氙探测实验.

1.3 其他实验室

国际上还有很多在建和拟建的地下实验室.其中南美的ANDES（Agua Negra Deep Experiment Site）拟建在智利与阿根廷连接的安第斯山脉公路隧道中，垂直岩石覆盖厚度1750 m.此实验室为国际合作实验室，将开展暗物质搜索、地震学、地质学、地球物理学和生物学等方面的研究，也发展低本底仪器及相关科学技术计量服务（Dib,2015）.芬兰的CUPP（Centre for Underground Physics in Pyhäsalmi）位于地下1440 m，由废弃的欧洲最深金属矿——皮海萨尔米矿（Pyhsalmi Mine）改造而成，由芬兰Oulun yliopisto大学主导建设.澳大利亚SUPL（Stawell Underground Physics Laboratory）利用维多利亚一个正在运营的金矿建设，距地面1000 m.该实验室研究人员将与意大利的LNGS实验室研究人员共同工作，检测大质量弱相互作用粒子（WIMP）.他们还将共同分析地球位于太阳系不同位置时所观测到的其他星系中暗物质数量是否会发生变化.由于与意大利差不多处于地球的两端，他们可以将双方的数据结果进行比较分析.印度中微子观测站INO（Indian Neutrino Observatory）拟建于泰米尔纳德邦地下1200 m，是印度塔塔基础研究院与25所大学和研究机构共同合作的结果.该实验室将进行不涉及加速器的高能物理研究，通过5万t级的铁质量热计来分析大气μ中微子，目前正在等待政府审批.

图7 锦屏隧道及地下实验室位置示意（程建平等，2011） Fig.7 Location of Jinping Tunnel and underground laboratory （Cheng et al.,2011）

根据上述地下实验室调研情况，目前国际上的地下实验室主要是以天体物理和粒子物理实验研究为主，涉及地球物理学的大型实验项目比较少.

2 深部地下地球物理观测

除了天体物理与粒子物理实验之外，某些地下实验室还布设了大量高精度地球物理仪器，开展系列地球物理学的实验研究.下面分别从重力观测、地震观测和电磁观测等方面着重介绍这些地下实验室进行的地球物理学相关的实验与研究.

2.1 重力观测

利用低温超导重力仪进行超高精度的相对重力测量在国际上已经形成了网络化运行.初期是以欧洲国家为主，包括法国的LSBB（RU），贝宁的朱古（DJ）、捷克的Pecny山（PE）、南非的萨瑟兰（SU）、南极大陆的日本昭和科考站（SY）、西班牙的小行星观测站（YS）和德国的Wettzell大地测量天文台（WE）、黑森林超导重力观测站（BF）、巴特霍姆堡观测站（BH）等，现已覆盖到澳大利亚、加拿大和美国等地（Rosat et al.,2016,2018）.如图8所示，在甚低频<1 mHz的地震频段，超导重力仪显示了明显低于低噪声模型的观测精度.通过联合承担欧盟或美国的基础物理项目，或通过数据共享交互机制的建立，在利用地下实验室进行高精度重力观测、星际研究、重力导航等方面开启了基础物理、天体物理和地球物理联合研究的良好局面.其中法国LSBB地下实验室安装的新型超导重力仪iOSG-24悬浮铌球重达17.7 g，有效降低了传感器内部布朗运动产生的热噪声，如图8中的蓝线所示；而且地下实验室的观测在0.001～0.01 Hz频段显示了明显低于其他非地下观测地点的环境噪声优势.自2015年7月以来，该超导重力仪一直连续记录着时变重力场，精度可达10-11m·s-2.研究人员对得到的重力记录进行了系列的分析研究，包括潮汐分析、噪声水平对比等.实验证明，该重力测量站是世界上最安静的台站之一，具有明显低背景噪声，所获得的高质量重力观测在寻找小振幅地球物理信号方面非常有希望（Rosat et al.,2016,2018）.此外，该实验室还进行过水文变化相关的重力测量实验：通过不同位置、不同高度便携式绝对重力仪和相对重力仪的重力变化观测，同时联合地面以及GRACE卫星测量数据，综合分析展示了十分有意义的研究成果（Wang et al.,2011）.

图8 国际超导重力观测低频噪声谱（其中红色为Peterson（1993）低噪声模型，蓝色曲线为法国LSBB地下实验室的背景噪声功率谱）（Rosat et al.,2016）Fig.8 Low-frequency noise spectrum of international superconducting gravity observation （where red curve is Peterson′s low-noise model （1993） and blue curve is the background noise power spectrum of LSBB underground laboratory in France） （Rosat et al.,2016）

此外，美国DUSEL的SURF中建有一个深地重力实验室DUGL（Deep Underground Gravity Laboratory），主要进行大型引力波实验.

2.2 地震观测

De Luca等（1998）应用意大利Gran Sasso地面台站和地下实验室中布设的地震阵列曾进行过地震场地效应的研究.Saccorotti等（2006）应用LNGS地下物理实验室部署的13个短周期三分量地震计密集台阵对2002年11月至2003年9月期间27次地震进行了高分辨率的频率-慢度和极化分析，使用纵波、横波后方位角和横波延迟时间反演定位这些事件，并将结果与国家地震台网目录中的数据进行比较，结果显示横波两组位置之间的差异不超过10 km，而纵波有很大的误差.这种联合微震观测对意大利中部的发震构造进行了深入的分析和阐明.2016年，布设于LNGS的GINGERino——高灵敏度天文级大型环形激光陀螺仪（RLG），在超万千米的远震距离实现了地震旋转信号的首次深地观测，Simonelli等（2016）推断的震源后方位角与理论分析结果一致，这表明联合RLG和同址的地震台阵部署可以实现地震波场传播方向的精确单点估计；根据平移和旋转信号高相关值的时间间隔估计了Love波的相速度值，与PREM模型中Love波相速度具有良好的一致性.GINGERino与宽带地震仪联测，同时记录了地震的旋转和平动分量，实现了地震旋转和平动的联合矢量分析.在第一次运行期间，全球CMT（Centroid-Moment-Tensor，矩心矩张量）目录中出现的所有主要远震事件都被成功探测到，且旋转和平动信号间显示了良好的相关性（Belfi et al.,2017）.LNGS中的RLG具有很好的长期稳定性和精度，利用记录的2016年秋意大利中部发生的系列地震，科学家们获得了包括近场和远场很多重要的地震学信息（Beverini et al.,2019）.Simonelli等（2018）对系列地震旋转和平动分量进行分析，在建模的不确定性范围内，预测的旋转（Bindi et al.,2011）与观测到的一致，显示了建立地面旋转运动特定衰减模型的可行性（Gravirov and Kislov,2022）.

日本神冈地下实验室布设了一个100 m长的高精度激光应变仪（ADM），采用Fabry-Pérot腔双调制解调技术；与简单的迈克尔逊干涉仪不同，ADM需要不间断的条纹计数来监测地面变形，它能够在任何给定的时间确定空腔的绝对长度，从而实现可靠的长期运行.该仪器能够记录数年运行中的各种事件，包括地震和潮汐应变等.从计量的角度来看，ADM是基于精确的激光干涉和稳定的量子计时的最成功的观测系统；这种方法被认为不仅对长度测定有效，而且对其他类型的地球物理观测也有效.另一台基于迈克尔逊干涉仪的常规激光应变仪（LSM），即相对测距仪，与ADM同址观测（Takamori et al.,2014）.Araya等（2010）分析了发生在日本中部、震中距100～530 km的10次地震（5.8～7.4级，深度8～374 km）的应变响应，实测应变与使用现有观测（地震和大地观测）推断的断层参数计算得到的预期应变比较显示，震源深度大于20 km的地震观测结果与修正PREM球对称地球模型更符合，而不是均匀弹性半空间模型；ADM和LSM对比观测捕获了大量的可靠同震应变响应，为远场大地测量预测断层参数提供了良好的约束.2016年8月，另一个基线长度1500 m的激光应变仪在神冈地下实验室开始运行，已经探测到不同振幅和时间尺度的地面运动，其记录的潮汐波形与理论波形基本一致.实践证明，在没有主动对准控制的情况下，千米级长基线激光应变仪可以稳定工作，并且具有出色的分辨率、动态范围和带宽，为在地震、大地测量和中等时间尺度上观测低频地面运动提供了一种新方法（Araya et al.,2017）.

西班牙LSC中建立的Geodyn地球动力学实验室旨在连续记录从近场地震活动到构造变形的整个地球动力过程频谱，包括地球潮汐和地核的动态信息等.该地震台于2011年春季正式运行，包括一个Titan加速度计、一个Trillium 240 s宽频地震仪和两个70 m长的激光应变仪.Geodyn实验室位于地表以下350 m，距离阿拉贡河河道400 m，距离隧道入口800 m；隧道入口附近有气象数据监测，包括温度、降雨量和风力，比通常的地震台站具有更低的地震背景噪声.LSC附近有一个气象观测站，可以将台站的观测结果与河水水位和流量的变化进行比较，进而分析是否可以从地震和变形数据中获得关于河流物理特性的重要信息（Díaz et al.,2014）.

美国DUSEL也布设了地下地震观测阵列，在钻孔和隧道内延伸数千米.凭借深部地下低噪声环境及其网格化分布，该阵列将精确地确定地震事件的位置及震源机制的响应，包括监测深地实验室内的人员活动以及近震、区域震和远震事件；并可对实验室区域地层结构进行快速动态成像.该阵列包括两个机械式水平传感系统，直接接入了美国地震数据采集系统.自2008年12月运行以来，该系统记录到Peterson（1993）低噪声模型的部分频段信号，并且在甚低频段检测到地球潮汐的峰值变化，这对于了解传感器系统的极低频带性能以及Homestake场地的低频地震响应是十分有意义的（Acernese et al.,2010）.为配合引力波实验，加州理工学院Victor Tsai团队在91～1478 m的多个深度布设了15个地震台站，另外4个放置在地表，用于监测地面运动，并为研究人员提供三维地震图像.这些地震观测数据不仅有助于了解地下振动噪声的来源，配合大型引力波实验，还可以对实验室场地区域进行动态地震监测（www.sanfordlab.org）.Harms等（2010）用SURF的地震数据对地震噪声和各种人为干扰进行分析，通过噪声频谱的长期变化了解震源的性质，同时对三种不同深度的地震频谱进行比较，将1250 m的深度定为世界一流的低振动噪声环境.

Naticchioni等（2022）分析了在俄罗斯Baksan中微子天文台（BNO）进行的地震噪声测量结果，结果显示低于1 Hz的主要频谱特征为海洋噪声，而对于较高频，测得的水平和垂直加速度接近Peterson（1993）低噪声模型.此外，还开展了距离隧道入口不同距离的台站之间微震（0.1～0.5 Hz）相关性的研究，并根据测量结果评估了体波噪声背景中的牛顿噪声贡献.BNO中还布设有用于测量应变的迈克尔逊干涉仪，Milyukov和Myasnikov（2005） 从频率和极限灵敏度两个方面定义了干涉仪的工作范围，结果表明其能够为全球及区域地震和构造过程引起的岩石圈变形提供高质量的可靠信息.

锦屏地下实验室二期隧洞开挖工程中曾开展了微震监测等工作（李邵军等，2021）.微震监测传感器采用立体放射式布设，有效捕捉了开挖过程中的微震事件和微震活动，并对微震时间到时拾取、微震事件特征参量、能量指数分布特征、微震事件b值、频带能量分布等进行了研究.目前由中国科学院地质与地球物理研究所艾印双研究员牵头，正在进行第二期地球物理观测台网的建设规划.

2.3 电磁观测

法国LSBB实验室曾进行过与地震相关的地磁观测，使用便携式磁力仪来确定不同位置的磁场变化，同时将磁测与电测、地震测量结果联合分析（Wang et al.,2011）.例如对于2001年1月26日震中距6250 km的印度地震，LSBB中运行的宽带地震台阵和磁力仪同震观测，偏振分析显示远震引起了磁场扰动；频谱分析显示出扰动的某些频段与山体水动力过程有关（Gaffet et al.,2005）.利用自研的三轴SQUID磁力仪，法国LSBB实验室测量的地下实验室噪声水平在高于40 Hz时可达到2 fTHz-1/2，观测精度可达0.1 pT；其中建设的零磁空间对5 Hz以上的信号屏蔽性能达到了2×108以上（Gaffet et al.,2005）.

尽管德国和加拿大等国早已开展超导电磁观测技术研究，并在深地找矿中得到应用，发现多个大型矿体；但目前国际深地电磁观测与研究仅限于地震电磁关系的探讨以及流体的响应观测（Gaffet et al.,2005;Wang et al.,2011）.美国DUSEL地下实验室曾计划进行大型岩石物理原位观测，观测内容包括物理、化学和生物响应，以探讨岩石力学扰动前后的地球物理场变化；其中包括流体的盐度改变对电阻率/电导率的影响，大埋深、高应力和温度条件下岩体破裂过程的电磁响应.这种原位的实验室岩体尺度下的力学实验对工程技术领域是有重要指导意义的.

2.4 其他地球物理相关观测

氡与地震之间的关系也是地震学重要研究题目之一（赵影等，2021）.意大利LNGS曾运行了一个环境监测项目ERMES（Environmental Radioactivity Monitoring for Earth Sciences，地球科学环境放射性监测），用液相闪烁光谱法（LSC）、伽马射线能谱法及电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）监测地下水中氡（222Rn）、放射性碳（14C）、氚（3H）、镭（226Ra）和铀（238U）；并进行了高精度14C的测量（Laubenstein et al.,2012）.Ciarletti等（2016）分析了拉奎拉地震（2009年4月6日）之前、2010年下半年发生的震群之前观察到的铀地下水异常与格兰萨索地区周围的地震特征之间的可能相关性.Hosokawa等（2015）开发了一种具有更好气密性的新型氡探测器，用于日本神冈深地实验室氡检测；利用深地实验室的超低本底宇宙射线优势，该实验室开发的高灵敏度氡探测器也为氡的高精度检测提供了良好的硬件平台支持.

作为地球上较为活跃的板块构造单元，安第斯山脉的火山和地震活动频繁，因此这里也是研究地球构造运动与内部结构的有利场所.建设中的南美ANDES同时还是智利和阿根廷国家天然地震观测网的重要组成部分，该实验室实现的深地高精度观测将为研究地震活动或岩石破裂与氡气释放等的关系提供良好的环境条件（Dib,2015）.

法国LSBB也曾进行诱发地震活动和形变的观测实验，探讨了近场水文和水动力参数与诱发地震的关联性，以及深部地下坑道中裂隙型岩溶体的地震各向异性响应（Bereš et al.,2013）.

3 讨论

3.1 深地地球物理观测的科学目标

深地重力观测：我国基本上是与国外同行同期开展了高精度超导重力的地面观测；由于国内目前没有在低背景噪声地下实验室布设重力观测基准及相应的仪器比对与标定平台，地下观测尚未正式开展.已有的重力观测试验显示：我国超导重力仪的仪器噪声水平优于10-9m·s-2·Hz-1/2（0.5 mHz～1 Hz），但地表的超导重力仪分辨率只有10-9m·s-2；在深地环境中，低温超导重力仪的观测分辨率有望达10-10m·s-2或更高的10-11m·s-2.高精度深地超导重力观测将为我国高精度重力模型的建立、大幅度提升北斗卫星的导航精度提供基础的、高精度的重力观测数据和基准模型；并可能进一步为核幔边界动力过程、慢地震（Rogers and Dragert,2003）、地外星体对地球重力场演化的影响（Dahlen and Sailor,1979；Widmer et al.,1992）等诸多科学问题的讨论提供基础、高精度、可靠的观测数据.

深地地磁观测：低温超导磁力仪是目前理论上精度最高的仪器，分辨率可达fT级.目前国内只有地面的地磁观测，地磁总场强度绝对观测精度为1 nT，矢量磁场D、I分量绝对观测精度为3 nT，地磁场分辨能力低于0.1 nT；而深地地磁观测处于实验阶段，根据法国LSSB实验室曾实现的超导地磁观测（Gaffet et al.,2005），在深地条件下进行地磁场观测，三分量矢量磁力仪噪声水平可降为pT级，零点漂移≤50 pT/a，精度可达0.1 pT；深地实验室的零磁空间屏蔽性将可能优于106@1 Hz，达到107@1 Hz的水平；超导地磁观测系统噪声水平将优于2 fTHz-1/2，有望达1 fTHz-1/2，观测精度达到0.1 pT，并可能突破0.05 pT水平.可以推测，深地地磁观测将为低频、微弱地磁信号的探测以及Schumann共振（Toledo-Redondo et al.,2010;Manu et al.,2015）、脑电和脑磁（Cherry,2003）的长期稳定监测提供优良的实验环境.

深地电磁观测：目前国际上电磁测量使用的宽频及长周期电磁仪主要包括乌克兰LEMI-417、德国GMS-07e、加拿大V8、MTU-5C与MTU-5A等；主要技术参数为：频带范围DC～几百赫兹，磁场测量范围±68000 nT，磁场分辨率10 pT，噪声水平（频率0.03～0.3 Hz之间）<15 pT （均方差），长期零漂移<±5 nT/a，温度漂移<0.2 nT/℃；电场测量范围±600 mV，电场分辨率0.07 μV.国内深地电磁观测试验刚刚展开，根据初步观测结果，在深地条件下可提高电磁场观测性能至电场测量精度优于10 nV，超导磁场精度可达0.1 pT，叠加后的磁场观测精度可达0.01～0.05 pT的水平；且电磁场的稳定性非常好.这说明，深地实验室将可能为电磁场的时变规律和深部精细结构研究以及震电、电震耦合机理的探索、全隐蔽甚低频电磁通讯导航技术的研发提供优良的实验平台；也将为地球电磁场的起源及其与固体地球外圈层电磁场相互作用关系等科学问题的探索提供可靠的数据保障.

深地旋转运动观测：高精度惯性导航一直是一个国家的核心、战略竞争技术.国外高精度光学旋转观测技术的研究始于20世纪80年代，目前已经证实其具有10-13rad·s-1以上的分辨能力，并在地面实验室实现了大型旋转多分量观测，在深地实验室构建了用于引力波探测的大型旋转观测装置 （Simonelli et al.,2016）.国内华中科技大学罗俊院士团队在武汉喻家山防空洞实验室中实现了约7×10-11～9×10-11rad·s-1的激光旋转高精度测量（Li et al.,2018），与国外相比尚存在2～3个量级的差距；大型多自由度旋转运动观测尚属空白.在深地条件下有望将旋转观测的精度提升至10-12～10-14rad·s-1水平，因此，构建以深部地下大型旋转多分量观测装置为依托的地基观测网络将为我国精确导航系统的升级以及自由振荡、极移等固体地球基本运动现象的量化（Schreiber and Wells,2013）、观测和研究Lense-Thirring效应，进行更深层次时空关系的探索（Di Virgilio et al.,2014）等系列基础物理、天体物理、发震机制的研究提供理想的观测和实验平台.

深地地震观测：在地震观测领域，宽频带、长周期地震仪主要由美国等生产，其对核心的MEMS芯片采取了限制出口和管控措施；国外研发的光纤地震计在±0.25 g的测量范围下，噪声约为60 ng·Hz-1/2，达到了传统地震计KS-54000的水平；法国ixBlue公司生产的商用blueSeis-1X的测量灵敏度达1×10-9rad·s-1·Hz-1/2.在传统电子仪器领域，我国长期依赖国外地震仪或芯片进口的局面仍难改变，国产仪器只是国外允许出口MEMS芯片的集成和包装.光学仪器方面我国并不落后：北京大学采用1970 m保偏光纤研制出零偏稳定性达0.061°/h的光纤陀螺（操玉文等,2022）；北京航空航天大学研制出了精度达1×10-9rad·s-1的光纤陀螺原型样机（Yang et al.,2020）；哈尔滨工程大学的平动光纤地震仪也投入了观测应用；中国科学院半导体研究所张文涛团队的光纤光栅地震计工作频带覆盖0.01～10 Hz，仪器噪声水平达到了27 ng·Hz-1/2@0.1 Hz.深地环境下，利用深地环境超静优势，有望大幅度提高光学地震仪的制造和观测水平，其中平动地震仪：分辨率优于1 ng·Hz-1/2，动态范围优于180 dB，工作频段优于240 s～100 Hz；旋转地震仪：分辨率优于1×10-11rad·s-1·Hz-1/2，动态范围优于200 dB，工作频段优于360 s～100 Hz.即深地实验室将有助于实现卡脖子装备技术——六分量高精度光纤地震仪的研发，从而带动天然地震预警预报水平、深地电磁震接力传递通讯技术、复杂地质条件下综合地球物理探测技术的发展.利用深地实验室的低背景噪声优势，不仅可以为地震场地效应的产生机理、震电转换机制等科学问题的讨论提供实验平台，还可为慢地震、深部核幔结构的探测等地球动力学问题探索提供可靠数据，为低信噪比地面观测中地震信号的有效识别和重建提供基准.

深地高能粒子观测：20世纪40年代国外就开始了标准中子场的建设，目前已达1014n/s量级；我国仅在国防领域建有中子场，民口领域缺乏；兰州大学中子产额20世纪末可达3.3×1012n/s，比同期国外低1～2个量级.国际上先进的地面伽马谱仪可以做到0.01 Bq/kg，地下实验室可以做到0.001 Bq/kg甚至更高，满足大多低本底材料测量需求（Thomas et al.,2013）；而国内大量商用的伽马谱仪，仅能达到0.1～1 Bq/kg的探测水平，一般测量样品为1 kg量级，放射性为0.5 Bq左右的样品约需2天时间.锦屏地下实验室的测量装备已经达到较高水平，接近国际先进水平（Zeng et al.,2015;Du et al.,2018）；但测量机时、仪器装备水平尚有待进一步提高.利用深地实验室建设标准中子场，比照国外水平（Loaiza et al.,2011），中子源最高产额有望达1012n/s，进入国际先进水平，中子能谱探测范围可达0～14 MeV；建立深部地下的通用材料低本底探测器，有望将国内的痕量放射性测量水平提高1～2个量级至0.001 Bq/kg，甚至更高，达到国际先进水平；也十分有利于系列低本底宇宙射线类实验的开展和相关科学问题的探索.

深地放射性计量：国际上地面目前低本底放射性测量主要采用极低本底的铅室加上反康普顿设计高纯度锗（HPGe）探测器；地下实验室采用低本底的放射性环境+低本底的铅室+HPGe或者大体积的液体探测器；氡室采用Ra源或者铀矿石作为补给源.意大利Gran Sasso深地实验室目前建有国际上最好的超低本底放射性核素测量平台，而国内的计量平台中高分辨高密度大体积无机闪烁NaI探测器依赖进口，8192～16384精密高速高分辨数字化能谱处理系统依赖进口，基于核脉冲形状描述方法的高端精密超深连续采样系统也依赖进口，与国际先进水平存在量级上的差距.若能利用深度超过800 m的地下实验室三维立体结构设计反宇宙射线的低本底放射性测量平台，将实现：符合与反符合测量垂直距离超过800 m，信号同步时间小于1 μs；自补给氡室浓度100～2000 Bq/m3；精密超深连续采样系统实现24 h不间断采样、存储、处理；α、β、γ射线类系列仪器可达国际先进或领先水平，将极大的助力我国超低本底高精度粒子测量装备和技术服务的发展.

3.2 我国深地矿井空间资源优势

新中国成立以来，长期大规模的煤炭等固体矿产资源的开采利用在为我国国民经济建设和社会发展做出巨大贡献的同时，也留下巨量的地下矿井空间资源.其中传统矿产资源枯竭或去产能的矿井地下空间近百亿立方米；仅去产能的生产煤矿全国矿井数量就达12000处，如图9所示，地下可利用空间近70亿m3（袁亮等，2020）.以毗邻郯庐断裂的安徽淮河能源（集团）股份有限公司下属的潘一东矿为例，2012年建成投产，2018年因去产能需要停产，拟用于深地实验室建设；矿区建有现代化的、完备的地面和地下基础设施；-848 m和-1042 m两个深度巷道空间资源近60万m3，大孔径（7～8 m）直孔四口，如图10所示，为深部地下实验室的建设提供了良好的基础条件；经过少量的基建改造，包括巷道路面的平整、电力供应降稳压和现有光纤网络的升级，即可实现低成本、高标准的深地实验室建设，并带动示范从而形成独特的、遍布全国的深地实验室网络系统.

随着我国经济社会的持续、快速发展，地球多物理场观测所需要的声、光、电、磁等地面环境急剧恶化（Bleier and Freund,2005），观测数据可靠性降低，严重影响了相关研究和科技保障能力.向地球深部进军，已成为地球科学地球物理观测技术发展的重要方向之一（习近平，2016；滕吉文等，2016，2017）.根据国内外开展的深地和地面重力、地磁、电磁、地震、宇宙射线等的观测和对比分析结论，深地实验室可提供比地面至少低1～2个量级的“超静”、“超净”优越观测环境（陈和生，2010；谢和平等，2017；张苗苗等，2021；王赟等，2022）.因此，发挥我国深部地下矿井空间资源优势，实现网络化的深部地下多物理场高精度联合观测是有相当好的基础条件的.

图9 我国可利用的煤矿矿井空间资源分布（袁亮等，2020）Fig.9 Distribution of available coal mine space resources in China （Yuan et al.,2020）

图10 淮南潘一东煤矿巷道与井分布示意Fig.10 Distribution of tunnels and wells in Panyi East Coal Mine,Huainan

4 结论

深地实验室具有良好的低本底振动噪声、电磁噪声和宇宙射线环境条件，为物理和地球科学等各个前沿学科的观测研究提供了重要的实验场所.目前各个国家的地下实验室大多致力于粒子物理和天体物理实验，深部地球物理场的观测实验，包括重力、地震、地磁观测等，目前还处于起始发展阶段.

在深部地下实验室对深部岩石地震波、形变场和应力场进行连续、直接的观测，除了能有效屏蔽场地效应，同时由于深部的低本底环境，还可以大大降低环境噪声的影响，使检测到的地震波信号具有较高信噪比，为发震机制、深地动力学等研究奠定观测基础；尤其，深地多物理场的原位高精度联测将有助于更好地理解具有地球尺度的不同过程和物理现象的关联性.因此，低本底环境的深地实验室无疑是未来进行地球物理实验的首选场所.

如果在接下来国家“深地计划”实施中，侧重于深地实验室的规划建设，并大力发展深地地球物理联测，形成全国乃至国际间的网络化联测，必然会很大程度地推动地球物理学等诸多学科的跨越式发展.其中，深部地下多物理场的高精度联测将可能为地磁场的产生、地球各圈层结构及其演化、地震灾害预警、地球各圈层与地外星体作用机制、Lense-Thirring效应与时空演化、钱德勒摆动、引力波观测、郯庐断裂带的地震活动性及其深部动力学机制、震电耦合响应机理等诸多基础科学和地球科学核心问题的探索给出新的观测、新的视角、新的解答.

致谢感谢淮河能源（集团）股份有限公司对近三年的深部地下地球物理观测试验提供了诸多便利条件，在深地环境安全保障等方面做了大量的支撑工作.