董云開 李 宏

（中國地震局地殼應力研究所，地殼動力學重點實驗室，北京100085）

引言

地震學是觀測的科學，觀測技術是其發(fā)展的基礎?？v觀整個地震學發(fā)展歷史，每一個階段的進步都和觀測技術的發(fā)展密不可分。第一臺近代地震儀由意大利人 Fillippo Cecchi于1875年發(fā)明，并在此基礎上創(chuàng)建了近代地震學；20世紀上半葉，地震儀從機械式放大發(fā)展到電子放大，由此觀測到了更多的地震現(xiàn)象，人們對于地震和地球內部結構的認識產生了一個飛躍，這個時期是經典地震學的創(chuàng)業(yè)階段；70年代至20世紀末，以數(shù)字化技術和電子反饋技術為基礎，大量以數(shù)字化、寬頻帶、大動態(tài)、高精度、定量化為特征的地震觀測和地震前兆觀測技術，推動了現(xiàn)代地震學出現(xiàn)了一個新的飛躍，世界各國紛紛投入巨資，競相發(fā)展各種數(shù)字觀測技術并組建觀測臺網，這個階段的地震學也被稱為數(shù)字地震學（陳運泰等，2003）。

進入21世紀后，地震預測屢遭挫折，地震研究者開始反思并尋找新的出路，寬頻帶綜合觀測成為新的發(fā)展方向。由于觀測頻帶限制，單一的觀測手段即使精度再高，獲得的地震活動信息仍然有限。將不同頻帶范圍的多種地震觀測和前兆觀測儀器放在一起綜合觀測，可以獲得更加準確和全面的地震活動信息。通過綜合觀測可以比較檢驗數(shù)據(jù)質量，排除氣象、地形、地下水等環(huán)境影響因素，增加短臨地震異常判斷的準確性。同時，對多種觀測物理量進行對比分析研究，還有助于人們更深入地了解地殼能量積累釋放過程，以及地震發(fā)生的機理。

由地表觀測向井下觀測是另一個重要的發(fā)展方向。井下觀測將傳感測量單元安裝在鉆孔底部，和地層連接在一起，能夠觀測到更加微弱和豐富的地殼活動信息，如：地層微破裂、高頻極微震等。同時，井下觀測還能有效降低地面人類活動和氣象的干擾，減弱地表巖石風化和地形等因素對測量結果的影響。早在1934年，美國著名地球物理學家Beniof就曾設想過將儀器埋入地下，觀測地殼的應變變化（蘇凱之，1996）。在20世紀60年代末鉆孔式觀測儀器研制成功，并在隨后的20年里發(fā)展出了鉆孔應力/應變儀、傾斜儀、地溫儀和孔隙壓力儀等一批高精度的鉆孔前兆觀測儀器。近十幾年來，由于地面人類活動干擾愈加頻繁，井下觀測的重要性更加突顯。

綜合觀測和井下觀測都有觀測頻帶寬，獲取信息豐富、準確的優(yōu)點，此外井下環(huán)境能同時滿足測震、流體、形變和電磁等多學科觀測的要求，因此將兩者結合起來形成井下綜合觀測已經成為必然的趨勢。21世紀以來，以美國、日本等國家為首，井下綜合觀測技術迅速發(fā)展，并在一些深井地震監(jiān)測和大陸、大洋科學鉆探項目中得到了應用。在我國，井下綜合觀測仍屬于創(chuàng)新性科研項目，與國際上處于領先地位的國家相比仍有不小的差距。

1 井下綜合觀測技術在國內外的發(fā)展和應用

自20世紀70年代以來，許多發(fā)達國家陸續(xù)啟動了大陸、大洋深部探測計劃，把視線延伸到地殼深部，被譽為伸入地球內部的“望遠鏡”。井下長期綜合觀測則是世界各國科學鉆探工程的重要組成部分，通過在深鉆孔中設置綜合觀測儀器，探索地下深部應力、地球物理狀態(tài)與變化，監(jiān)測地震活動，揭示地震發(fā)生規(guī)律等。

井下綜合觀測包括：地震、地形變、地傾斜、地應力、重力、地磁、地電、水化、水位等跨多個學科的觀測內容，其中地形變、地傾斜、地應力、地震等方法直接用來測量各種形式和頻率的地動位移；水化、地磁、地電等其它方法測量的則是地層變動中產生的各種次級效應（池順良，2007）。在地震監(jiān)測和地球物理研究中，根據(jù)研究目的不同，一般以某一項觀測內容為主，其它測項為輔。

1.1 以地殼形變?yōu)橹鞯木戮C合觀測

美國于世紀之交提出了著名的Earthscope（地球透鏡）計劃，以北美大陸為天然實驗室，探索地球內部的運動規(guī)律。PBO（Plate Boundary Observatory，板塊邊界觀測）計劃是Earthscope的一個組成部分，以精確觀測由太平洋板塊和北美大陸板塊相對運動引起的美國西海岸變形為主要目的。該計劃在美國西海岸沿圣安德烈斯斷層和阿拉斯加南部，建立了一個由 1100套GPS接收機、74套鉆孔張量應變儀、78套短周期鉆孔地震儀、26套鉆孔傾斜儀、5套長基線激光應變儀以及100套氣象傳感器組成的綜合地殼形變觀測網絡（http://pbo.unavco. org/instruments）。在第一個5年計劃中（2003—2009年）已完成全部儀器的安裝，其中74套地震儀和應變儀以疊放的方式，一起安裝在100—200m的鉆孔中進行綜合觀測。

板塊邊界變形的時間尺度跨越了至少 8個數(shù)量級（從數(shù)秒到數(shù)十年），沒有任何一樣觀測儀器可以勝任這么寬的頻帶。在 PBO計劃中，GPS用于觀測數(shù)月到數(shù)十年的地面變形，如：地震后的大范圍地面調整、長期地殼應變積累和板塊運動等；鉆孔應變儀記錄不足1秒到數(shù)周或數(shù)月的地殼變形，是觀測地震和火山噴發(fā)前兆信息的核心儀器；鉆孔地震儀記錄數(shù)分鐘以下的深部低噪音地震波信息，如：辨別美國黃石火山地震動中的風噪聲；長基線激光應變儀測量數(shù)百米遠的兩點間在數(shù)月到數(shù)十年的應變變化，結合了鉆孔應變儀的高精度和GPS的長期穩(wěn)定性特點，在重點斷層區(qū)對這兩種儀器進行補充；傾斜儀用于測量數(shù)秒到數(shù)周的微弱傾斜變化，如：巖漿活動和地下水位變化引起的地殼變形。

在我國，中國地震局地殼應力研究所的歐陽祖熙以自主研發(fā)的RZB型高精度電容式鉆孔應變儀為核心，輔以地傾斜單元、應變地震波單元、精密地溫單元，以及水位氣壓單元等，研制出了一種“RZB-3型地殼形變深井寬頻帶綜合觀測系統(tǒng)”（歐陽祖熙等，2009）。該系統(tǒng)主要用于觀測數(shù)秒至數(shù)月的地殼應變場積累變化，記錄固體潮汐、應變階、慢地震，研究它們的幅度和速率變化特征，從而認識地殼構造變形能量積累和釋放過程，探索其與構造活動及地震發(fā)生的關系。目前該系統(tǒng)已在北京昌平、福建漳州等多地進行了安裝，安裝深度為100—450m。

1.2 以地震為主的井下綜合觀測

SAFOD（San Andreas Fault Observatory at Depth，圣安德烈斯斷層深部觀測）是Earthscope計劃的另一個組成部分，其主要內容是利用一個深入斷層的鉆孔，研究深部控制斷層活動和地震發(fā)生傳播的物理化學過程。該計劃的主孔從地面到1500m深為垂直鉆孔，然后60°轉向成傾斜鉆井，深入到圣安德烈斯斷層地震震源區(qū)。為了最終的長期綜合觀測站的建立，2002—2008年在主孔和先導孔中分別進行了19次和8次臨時的前期地震、傾斜和流體等觀測，以指導長期綜合觀測中的傳感器選擇，并揭示綜合觀測中可能會出現(xiàn)的一些機械和環(huán)境問題。2008年9月，一套特別設計的長期綜合觀測儀器在主孔2660m深處安裝，儀器包括3個三分量數(shù)字地震計、3個三分量MEMS加速度計、2個兩軸傾斜儀和1個被動式電磁感應圈，主要用來觀測附近3級以下的重復微震。（Mark Zoback等，2011）

1.3 以流體為主的井下綜合觀測

在ODP（Ocean Drilling Program，大洋鉆探計劃，1983—2003年）計劃中，洋底的海水流體系統(tǒng)結構和動力學特征是其重要的一個科學課題，這一系統(tǒng)中的流體改變巖石成分，影響大洋的化學組成，潤滑誘發(fā)地震的活動斷層，聚集經濟礦物沉積，并與生命緊密相連。因此一種循環(huán)觀測回返裝置（Circulation Obviation Retrofit Kit，CORK）被研制出來，通過在鉆孔中綜合觀測溫度、壓力和流體的組成，來記錄這種流體的變化（Fisher等，2011）。

2 井下綜合觀測系統(tǒng)的結構

井下綜合觀測按照系統(tǒng)結構的不同，可分為疊放式綜合觀測和一體式綜合觀測。

黨的十八大報告指出：“中國特色社會主義，既堅持了科學社會主義基本原則，又根據(jù)時代條件賦予其鮮明的中國特色，以全新的視野深化了對共產黨執(zhí)政規(guī)律、社會主義建設規(guī)律、人類社會發(fā)展規(guī)律的認識，從理論和實踐結合上系統(tǒng)回答了在中國這樣人口多底子薄的東方大國建設什么樣的社會主義、怎樣建設社會主義這個根本問題，使我們國家快速發(fā)展起來，使我國人民生活水平快速提高起來?！保?］中國特色社會主義從道路、理論和制度方面揭示中國特色社會主義發(fā)展的本質和規(guī)律，推進中國特色社會主義健康發(fā)展的重要原因，是它所具有的先進思維方法，即馬克思主義科學分析方法。這種方法是一個體系，可以從不同層次、不同角度來把握，但主要是以下幾種。

2.1 疊放式綜合觀測系統(tǒng)

將兩種以上的儀器先后安裝在同一鉆孔中的不同位置，構成疊放式的綜合觀測系統(tǒng)。疊放式綜合觀測一般只適用于較淺的鉆孔及小規(guī)模的綜合觀測，當鉆孔較深或安裝儀器過多時，大量的傳輸電纜會造成下井安裝極其不便。

疊放式綜合觀測系統(tǒng)的最大優(yōu)點，是某一儀器發(fā)生故障（如：較常發(fā)生的內部進水、雷擊等問題）不會影響其它儀器的正常工作。其次，許多儀器需要特殊的外部安裝環(huán)境和安裝工藝，如鉆孔應變儀需要安裝在完整基巖孔段（一般選在井底），用膨脹水泥將儀器和井壁耦合在一起；孔隙壓力儀則需要安裝在含水層，用透水材料封填并進行封孔；水位計需要根據(jù)含水層位置確定安裝位置。疊放式綜合觀測系統(tǒng)可以靈活地根據(jù)巖層環(huán)境安裝相應的測量單元，很好地協(xié)調多種安裝要求各異的儀器，而一體式的綜合觀測系統(tǒng)則很難做到這一點。

圖1所示是美國Mini-PBO（Broadband Observations of Plate Boundary Deformation，板塊邊界變形寬頻帶觀測）計劃中的井下寬頻帶綜合觀測儀器安裝示意圖。這是一個典型的疊放式綜合觀測系統(tǒng)，在一個200m左右的鉆孔中依次安裝三分量張量應變儀、地震儀、孔隙壓力儀和傾斜儀，并在套管頂端安裝GPS天線（http://seismo.berkeley.edu/bdsn/mpbo.overview.html）。

圖1 Mini-PBO井下觀測儀器結構圖Fig. 1 The configuration of Mini-PBO borehole observation system

在我國，李海亮等人也對疊放式綜合觀測進行了實驗。由于鉆孔應變儀和鉆孔傾斜儀都是對地殼形變物理量進行觀測，因此在一定程度上可以相互佐證。李海亮等在山西大同和山東榮成等地，將TJ-2型體應變儀和CZB-1型垂直擺傾斜儀，先后安裝在同一鉆孔內進行綜合觀測，如圖2所示。

圖2 疊放式井下綜合觀測系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of borehole integrated observation system in stack form

另外，一些精度并不很高的溫度計、氣壓計和水位計等，由于可以做成體積小巧的井下探頭（直徑<50mm），也經常被疊放在應變儀等儀器上部，進行輔助觀測，如圖2所示。

2.2 一體式綜合觀測系統(tǒng)

一體式綜合觀測系統(tǒng)將每個傳感器封裝在一個單獨的腔室內，多個腔室間相互隔離，并用機械的方法連接成一體。這種方法可以一次性地完成所有儀器的安裝，能大大節(jié)省下井安裝的工作，因此適用于深井測量。一體式綜合觀測系統(tǒng)最大的問題是各腔室間很難做到完全的隔離。為了節(jié)約電纜芯數(shù)，一般各儀器間會共用電源和信號線，這樣一旦某一個腔室漏水，就會順著線路影響到其它腔室。此外，一體式綜合觀測系統(tǒng)需要解決諸多技術和工藝上的問題，因此成本費用較高。

KTB（德語Kontinentales Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik Deutschland，德國大陸超深鉆井計劃）于2003年在先導孔4000m深處進行了超過10個月的大尺度注水，并在周圍1.5—3.3km范圍內的5個鉆孔中設置了傾斜儀和地震儀，研究注水引起的地殼變形和誘發(fā)地震。其中，4.5Hz的三分量地震儀被集成在ASKANIA型高精度鉆孔傾斜儀頂端，成為一個整體（如圖3所示），安裝在24—45m深的位置（Jahr等，2008）。

圖3 KTB中集成了地震儀的鉆孔傾斜儀Fig. 3 The borehole tiltmeter integrated with seismometer in KTB

圖4 所示是日本石井紘研制的地殼活動綜合觀測裝置結構示意圖（在東濃地區(qū)TRIES觀測站使用），儀器包括六分量的Ishii型應變儀（水平四分量和垂直兩分量）、兩分量傾斜儀、三分量地震儀、三分量磁力儀、一分量溫度儀以及所有傳感器的井下 A/D轉換單元，總長6.844m，直徑小于98mm，重265kg，能在超過1000m的鉆孔中工作（Yasuhiro Asai等，2009）。這些觀測單元具有標準化的接口，可根據(jù)需要進行任意數(shù)量和種類的組合。

在SAFOD計劃中，根據(jù)圣安德烈斯斷層深部結構和地下環(huán)境特別研制出了一種綜合觀測裝置，如圖5所示。這種綜合觀測裝置包括5個分開的部分，其中第1、3和5部分包括1個三分量地震計和1個三分量MEMS加速度計，第2、4部分包括1個傾斜儀，第5部分在尾端還包括1個地磁儀。儀器每個部分均被密封在單獨的鋼筒中，并使用分開的電源和信號線。5個部分分開約100m長，在外部被固定在一根直徑60mm的加厚油管上，成為一個整體，而加厚油管通過弓型彈簧固定在鉆孔套管上，這樣當儀器出現(xiàn)故障時，可以方便地通過加厚油管維修（Mark Zoback等，2011）。

NanTroSEIZE（Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment，南海海槽發(fā)震帶試驗）是研究日本南海海槽板塊邊緣接觸面地震行為的綜合鉆探和觀測計劃，是IODP（Integrated Ocean Drilling Program，綜合大洋鉆探計劃）中的一個重要組成部分。在該計劃中，最終的超深鉆井（6.2km）將打穿整個板塊邊緣帶，一直打進向下俯沖的菲律賓海板塊的地殼中，并在鉆孔中設置永久性的綜合觀測儀器。LTBMS（Long Term Borehole Monitoring System，長期井下監(jiān)測系統(tǒng)）是專門為NanTroSEIZE計劃研制的一種海底超深鉆孔綜合觀測儀器，圖6所示為計劃在C0001孔（3.5km）安裝的LTBMS示意圖（Yasuhiro Namba等，2008）。為同時滿足多傳感器和多斷層監(jiān)測的要求，LTBMS使用了比較復雜的結構設計和安裝工藝。首先，所有傳感器均固定在一根中心鋼管上，并集中分布在5個“八字”形斷層附近；其次，應變儀和位于井底的地震儀、傾斜儀，用水泥固結在裸孔中，位于套管中的地震儀和傾斜儀用水泥或機械方式兩種方案固定在套管中，孔隙壓力和溫度傳感器固定在中心鋼管上，不需要與套管結合；然后，使用封隔器或水泥將5號斷層和其它部分隔離開；最后，在鉆孔頂端使用一種“圣誕樹”裝置來密封整個鉆孔，阻止海底的顆粒和流體進入（Masanao Shinohara等，2003）。

圖4 在日本東濃地區(qū)TRIES觀測站使用的地殼活動綜合觀測裝置Fig. 4 The multi-component borehole instrument for crustal activity observation for TRIES observation sites in Tono region

圖5 SAFOD中使用的井下儀器示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the instrumentation deployed in the SAFOD observatory

圖6 計劃在NanTroSEIZE中C0001孔使用的LTBMS系統(tǒng)Fig. 6 Planned LTBMS for C0001 site in NanTroSEIZE

3 井下綜合觀測技術中存在的問題

井下綜合觀測技術中存在的問題主要來源于以下三個方面：

（1）由于井下綜合觀測系統(tǒng)成本較高，因此大多應用于深井中，而深井中的特殊環(huán)境，如高溫、高壓等，必然會對傳感器的性能提出新的要求。

（2）在儀器設計上，當井下測量單元較多時，各單元間既要形成機械上的隔離，又要保持結構上的緊湊，既要共用系統(tǒng)總線和電源，又要保證互不干擾，因此，各測量單元間機械、電氣的集成和隔離是儀器設計中最重要的一環(huán)。

（3）不同的觀測單元具有不同的井下安裝環(huán)境要求，以及各自不同的安裝固結工藝，如何協(xié)調各觀測單元在井下的整體安裝，是保證綜合觀測系統(tǒng)成功運行的前提。

為了推動井下綜合觀測系統(tǒng)的應用和發(fā)展，需要進行以下幾方面的技術研究。

3.1 傳感器的耐高溫技術

井下觀測系統(tǒng)大多使用測量精度極高的傳感器，以觀測地下微弱的物理信號，而高溫環(huán)境會大大影響儀器的測量精度和壽命。地球內部溫度隨深度增加而增加，如德國KTB主孔底部9100m處，溫度高達260℃，為了保證儀器正常工作，必須研發(fā)傳感器的耐高溫技術。相對來說，問題主要來自于電子部分，因為電路很難暴露在超過 200℃的環(huán)境中正常工作；而機械方面的問題則容易解決，可使用殷鋼材料來克服熱脹冷縮的影響。在KTB的測井儀中使用了真空瓶（dewar flask）技術，將電路部分保護起來。室內實驗表明，當環(huán)境溫度上升到260℃并維持2.3個小時時，真空瓶內的儀器溫度始終在120℃以下（極限承受溫度為175℃），如圖7所示（Bram Kurt等，1995）。

圖7 KTB中使用的井下儀器耐高溫技術Fig. 7 High-temperature technology for borehole instruments in KTB

3.2 高壓密封技術

在井下長期觀測中，因密封問題而導致儀器漏水是故障發(fā)生的一個重要原因。隨著鉆孔深度的增加，巨大的水壓給密封技術帶來挑戰(zhàn)，在IODP的NanTroSEIZE計劃中，井底壓力甚至高達150MPa。目前井下長期觀測中大多使用“O”形圈進行密封，但是需要注意的是，SAFOD中的研究表明，圣安德烈斯斷層深部的流體中含有可以穿透傳統(tǒng)“O”形橡膠圈和電纜絕緣層的氣體，為此SAFOD專門將儀器電纜封裝在6.4mm的不銹鋼管中，并通過壓力密封連接，穿過儀器外殼（Mark Zoback等，2011）。

3.3 觀測單元間的防水隔離技術

在一體式的井下綜合觀測系統(tǒng)中，各個腔室間一般都設計有機械防水隔離裝置，但是由于導線不可避免地要在各腔室間穿行，如何防止從電接點處漏水是一個技術難題。為此，中國地震局地殼應力研究所的研究團隊進行了多套方案的設計和實驗，包括使用石油系統(tǒng)的小型水下接插頭、水下芯線配氟脂膠、電極法蘭，以及腔室內注入硅油等。

3.4 儀器的小型化

由于鉆孔在徑向空間有限，不管是疊放式還是一體式的井下綜合觀測系統(tǒng)，儀器直徑過大都會造成下井安裝的不便。小口徑的井下綜合觀測儀器不僅使更復雜的安裝工藝成為可能，也給檢測維修留下了空間。在SAFOD計劃中，安裝儀器的套管直徑為178mm，在徑向空間足夠的情況下，使用了一根60mm加厚油管連接所有觀測單元。在后來儀器出現(xiàn)故障后，一個小型的15Hz Omni-2400地震計，于2008年12月通過加厚油管內部被設置在井下，這個臨時的地震計直到2011年仍在繼續(xù)工作，期間產出了大量重要的數(shù)據(jù)，并將一直持續(xù)工作到新的可以整體替換的綜合儀器被研發(fā)出來（Mark Zoback等，2011）。

4 結語

21世紀以來，井下觀測以日、美等國為首迅速進入“深鉆井，多分量，寬頻帶”的發(fā)展時期，我國也隨之加大了對深部鉆探和深井觀測等計劃的投入，井下綜合觀測技術在此背景下得到了推動和發(fā)展。2008年之后，我國成功研制出第一批井下綜合觀測系統(tǒng)，并在500m以內的鉆孔中進行了小規(guī)模的實驗。但是與發(fā)達國家相比，我國在技術上仍然處于落后狀態(tài)，特別是在儀器的高溫高壓技術和小型化等方面需要更深入的研究。此外，根據(jù)我國的國情，在深井地震監(jiān)測和機理研究方面的投入仍顯不足，缺少理想的可供實驗的井下綜合觀測環(huán)境，這是我國科研工作者所面臨的一個尷尬問題。

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