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《國際地震動態雜志》2016年第11期

引言

為避免人類活動的震動干擾，地震觀測臺站往往布設于人煙稀少的野外場所。在基巖上開展地震觀測往往能捕獲更清晰和更多的小地震事件。城市化進程的加速，使得我國地震臺站的觀測環境受到嚴重破壞。據不完全統計，1991～2001年的10年間，由于環境干擾增多，我國區域地震臺的監測能力大幅度降低，其中I類臺的放大倍數由5萬倍降到3萬倍；Ⅱ類臺的放大倍數由10萬倍降到6萬倍。地表觀測環境的被破壞直接影響到地震信號的獲取，開展井下觀測已經成為獲取高信噪比地震觀測資料的主要手段。

井下地震觀測不僅可以有效避開地表的人類活動對地震觀測的干擾，減少地表巖石風化、天氣變化的影響。同時，還能夠解決大、中型城市“地震監測盲區”問題。研究顯示，在厚沉積帶和強地表干擾地區，將傳感器放置到200～500m的井底，觀測質量可得到數量級上的改善。但因井下地震儀頻帶窄、安裝要求高、無國產化設備，目前我國現有的1100個測震臺中只有130個臺站為井下地震臺，在130個井下地震臺中僅有14臺甚寬頻帶地震計，且均為進口產品。因而研制具有我國自主知識產權的井下甚寬頻帶地震儀，并推進其工程化、產業化是地震觀測儀器發展的重要方向之一。

井下甚寬頻帶地震觀測能獲取來自地球內部微弱的、豐富的、準確的寬頻帶地殼活動信息，包括地層微破裂、慢地震等，對地震學、地震預報和相關學科均有重要的科學研究意義和實際應用價值，能幫助科學家客觀地認識地球內部結構及其變化，有可能促使地球科學各學科在基礎理論研究方面有新的突破。

面對迫切的應用需求，科技部批準執行了《井下甚寬頻帶地震儀的研制與應用開發》項目（編號：2016YFF0103400）。該項目由珠海市泰德企業有限公司牽頭，合作單位是中國地震局地球物理研究所和廣東省地震局。項目總預算2779．55萬元，其中中央財政專項經費1279．00萬元，自籌經費1500．55萬元，項目負責人李麗，技術負責人薛兵。這是在中國地震局組建地震觀測技術研究院、中國地震局地球物理研究所與珠海市泰德企業有限公司聯合成立地震觀測技術工程研究中心之后，企業牽頭、研究所提供技術支撐的第一個地震儀器研發項目。

項目的主要研究內容是解決長距離數據傳輸抗干擾、井下地震儀定向定位和授時及儀器鎖壁／解鎖、高溫壓和大傾角條件下可靠工作等3個關鍵科學問題，實現我國尚無可用于在千米及更深井下開展長期連續地震動信號記錄的甚寬頻地震觀測系統的技術突破，通過優化總體設計、精化核心設計，構建具有自主知識產權的高精度、大動態范圍的井下甚寬頻帶地震儀，在壓力達20MPa（約2000m水深）、溫度達70℃、傾角達5°的環境中，實現120s～50Hz速度平坦、動態范圍大于145dB的高質量連續記錄地震波形，通過改進的數字傳輸方法，將高保真的觀測數據穩定地傳輸至地表，并實現井下甚寬頻帶地震儀的產業化。

按照主要研究內容，項目設置5個課題，分別為：①井下甚寬帶地震儀（圖1）總體設計及長距離數據傳輸抗干擾技術研究；②地震儀內置裝置設計及井下定向、定位和授時技術研究；③保障井下傳感器在高溫壓和大傾角條件下可靠工作的技術研究；④井下甚寬帶地震儀的試驗與應用；⑤井下甚寬帶地震觀測系統的工程化、產業化技術研究。項目具有三大創新點：

（1）進行總體優化設計，首次解決井下定向等問題。井下寬頻帶地震計要適用于小尺寸、大傾角、長期高溫壓環境。與地面型設備相比，在大幅減小外徑、適應最大傾角5°、溫度達70℃、壓力達20MPa的前提下，確保速度平坦頻帶達120s～50Hz、動態范圍大于145dB等一系列核心參數，需整體優化傳感器設計、精化反饋換能技術、內置陀螺儀和傾角儀等定位裝置，實現井下方位確定、矢量歸算及坐標變換，根本解決井下觀測數據的定向和傾角不確定問題。

（2）自主研發密封技術和數傳方案，首次實現千米及更深處寬頻帶地震觀測。本項目利用自主研發的耐受20MPa壓力、70℃溫度的寬頻帶地震傳感器封裝技術、鎖壁電機高溫高壓動密封技術、長距離零衰減數字傳輸技術，將我國井下實時寬頻帶地震監測設施的深度從目前的幾百米推進到2000m，組網后可在全球范圍內首次實現局部區域0級地震的速報能力。

（3）自建平臺，形成我國井下寬頻帶地震觀測系統的技術標準。我國目前尚無井下寬頻帶地震觀測系統的相關技術標準。本項目不僅建設并完善適用于井下寬頻帶地震儀的工程化平臺，還將形成與之配套的密封、測試、檢測標準，解決高精密儀器的生產能力弱、一致性差和長期穩定性差等一系列問題。

項目技術團隊自2009年以來一直圍繞中深井地震觀測技術開展研究和實驗，在傳感器整體設計、數據傳輸方案、密封方案以及井下定位方案等方面完成了先期研究。項目實行法人制，牽頭單位是項目的責任主體。項目牽頭單位珠海市泰德企業有限公司成立于1992年，專業從事數字地震監測儀器、軟件及系統集成。公司已通過高新技術企業、軟件企業、系統集成資質、ISO9001認證，擁有17項與本研究相關的專利。具備井下甚寬帶地震計的工程化和產業化條件。合作單位中國地震局地球物理研究所于2011年完成了我國首個深達375m的井下綜合地球物理觀測技術系統的實驗建設。在鎖壁／解鎖、井下定向定位、井下寬頻帶地震觀測技術規范等方面具備前期的實驗和研究基礎。合作單位廣東省地震局是我國最早開展規模化井下地震觀測的省級地震局，具有豐富的實用化基礎和人員隊伍。項目結束后預期形成生產能力500套／年，驗收后3年內年產值達到2000萬元（圖2）。

項目研究成功并得到推廣應用后，能形成自主知識產權，打破進口井下寬頻帶地震觀測設備在我國的壟斷地位，使得我國井下甚寬頻帶地震觀測技術在國際上處于領先地位，提升地震觀測儀器在慢地震、固體潮汐、地震前兆和地殼運動等方面的觀測能力，提高儀器地震觀測異常信息的識別能力，提高國家預警水平和能力，促進國內地震觀測科學技術的發展。

作者:李麗 羅新恒 關作金 范曉勇 單位:中國地震局地球物理研究所 珠海市泰德企業有限公司