徐紀人 趙志新 曾祥芝 皮金云

(中國北京100037中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所)

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研究簡報

東海深井地球物理長期觀測儀器設(shè)置與觀測研究

徐紀人趙志新 曾祥芝 皮金云

(中國北京100037中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所)

深井地球物理長期觀測 儀器設(shè)置 觀測研究 微小地震 深井地震學(xué)

東海深井地球物理長期觀測是我國開展深井地震學(xué)觀測研究的第一步， 其目的是為了排除地面干擾， 取得高信噪比、 高分辨率和高精度的地球物理觀測資料． 美國圣安德列斯斷層項目組開展的深井綜合地球物理觀測研究項目在4000 m深井的不同深度處設(shè)置了多種觀測儀器 (Chavarriaetal， 2003)， 進行震源過程及地震預(yù)報等研究(Schleicheretal， 2009; Tembeetal， 2009; Jeppson， Tobin， 2015)． 日本已建成數(shù)十所深井地球物理觀測站， 觀測資料用于地震預(yù)報研究(Fujimotoetal， 2007; 石井紘， 2010)以及2011年東日本M9巨大地震高滑動區(qū)域的動力學(xué)特征(Ikalietal， 2015)等研究． 聯(lián)邦德國大陸深鉆項目的主孔深達9101 m， 4000 m先導(dǎo)孔注水誘發(fā)地震實驗表明， 誘發(fā)地震僅發(fā)生在該區(qū)10 km深處脆延性過渡帶以上的地層內(nèi)(涂毅敏， 陳運泰， 2002)． Ma等(2012)在我國臺灣地區(qū)車龍埔斷層上1300 m深的鉆孔內(nèi)設(shè)置了7臺深井地震儀進行長期觀測， 并進行地震預(yù)報研究．

經(jīng)過數(shù)年的調(diào)研與前期工作， 我們在江蘇東海中國大陸科學(xué)鉆探(Chinese continental seientific drilling， 簡寫為CCSD)項目5158 m深的主孔內(nèi)(34°24′20.9″N， 118°40′22.1″E)， 實施了深井地震儀設(shè)置的一期工程(徐紀人， 趙志新， 2009)， 將4組8套耐高溫高壓的短周期深井地震儀分別安置在4050， 2545.5， 1559.5和544.5 m深度處， 建立了我國第一所深井地球物理長期觀測站， 并已投入了試驗性觀測． 東海深井地球物理長期觀測站(簡稱東海長觀站)的建立， 將大大提高我國東部大陸活動斷裂帶及其近海海域的地震活動監(jiān)測能力， 為研究大陸現(xiàn)代構(gòu)造運動特征、 揭示地域巖石圈形成及演化過程提供客觀的地震學(xué)證據(jù)， 為豐富地球動力學(xué)的科學(xué)認知發(fā)揮重要作用(徐紀人等， 2003； 徐紀人， 趙志新， 2004)． 東海長觀站不僅是我國也是目前世界上最深的深井地球物理長期觀測站， 其填補了我國在深井地震學(xué)研究方面的空白， 為我國在該領(lǐng)域趕超世界先進水平邁出了第一步(徐紀人等， 2012， 2013， 2015)．

東海長觀站位于蘇魯超高壓變質(zhì)帶與現(xiàn)代地震活動頻繁的郯廬斷裂帶交匯處， 如圖1所示． 1668年郯城M8.5大地震和1937年山東菏澤M7.0地震就發(fā)生在該斷裂帶上(Zhaoetal， 2012). 觀測站周圍被出露的含石榴石和黑云母的斜長(二長)花崗質(zhì)片麻巖和表殼巖系包圍， 巖石完整性好， 適合開展地球物理綜合觀測． 東海長觀站位于CCSD主孔內(nèi)， 在5000 m深處溫度高達142.4℃， 壓力高達50 MPa． CCSD主孔的最小內(nèi)徑為104 mm， 井深4790 m以下為裸孔． 在深井主孔544.5， 1559.5， 2545.5和4050 m深度處各設(shè)置了兩組地震儀， 從淺至深編號依次為L1，L2，L3和L4． 不同深度處的巖石性質(zhì)和類型均有所差異． 4組觀測儀器處的井壁巖石均比較完整， 適合進行地震觀測． 各深度處深井觀測儀器參數(shù)及其周圍巖石的巖性和物理參數(shù)如表1所示． 在地面設(shè)置了2臺英國Guralp公司制造的寬頻三分量地震儀L0， 共同組成了深井地震觀測網(wǎng)．

圖1 中國東部大地構(gòu)造和東海深井地球物理長期觀測站位置(三角形)

儀器編號設(shè)置深度/mf巖性vP/(km·s-1)vS/(km·s-1)溫度/℃L0060s—50HzL1544.54.5Hz15.0Hz 斜長角閃巖和退變榴輝巖6.653.7029.1L21559.54.5Hz15.0Hz 花崗質(zhì)片麻巖(正片麻巖)5.502.9451L32545.54.5Hz15.0Hz 斜長片麻巖5.9875L44050 4.5Hz15.0Hz 花崗質(zhì)片麻巖6.45118

2011年夏， 我們在東海長觀站進行了深井地震儀安裝設(shè)置的一期工程． 在深井中設(shè)置了美國SONDI公司研發(fā)制造的深井觀測儀器設(shè)備． 不同深度的L1，L2，L3和L4等4組地震觀測儀各安裝了2套三分量高精度數(shù)字地震儀(1套觀測主頻為4.5 Hz， 另1套觀測主頻為15 Hz)， 1套地溫觀測儀， 并在3500 m深度處安裝1套流體壓力儀． 4組地震儀分別用4根不同的電纜與地面數(shù)據(jù)處理設(shè)備相連接．L1，L2和L3配用單鎧甲電纜，L4儀器配用耐高溫的雙鎧甲電纜， 供三分量地震儀、 地溫觀測儀和流體壓力儀使用．

考慮到東海深井地震儀安置在井下5000 m深處， 儀器必須具備耐高溫(150℃以上)、 耐高壓(50 MPa以上)及穩(wěn)定連續(xù)工作10年以上等性能． 根據(jù)深井孔徑大小， 確定儀器的外徑尺寸． CCSD主孔的內(nèi)徑最小處僅有104 mm， 須選用適用的小口徑儀器， 最終選用耐高溫高壓的儀器材料和OYO GEOSPACE公司制造的4.5 Hz地震觀測儀， 以滿足東海深井觀測的基本要求．

圖2a左起分別為下井安裝前的L4，L3，L2和L1深井地震儀． 三分量地震儀等密封于不銹鋼管外殼內(nèi)， 電纜與儀器外殼密封連接． 井下儀器觀測信號通過雙鎧甲和單鎧甲多芯電纜傳輸?shù)降孛媾c接收器相連接． 為了防止電纜在空中擺動和減輕電纜向下的拉力強度， 通過箍捆將其固定在鋼質(zhì)鉆桿(石油標(biāo)準鉆桿)上， 將連接地震儀與地面接收系統(tǒng)的電纜與支撐電纜的鋼質(zhì)鉆桿同時放入井中， 如圖2b所示． 從地表至3500 m深度， 由鉆管支撐井下地震儀及其電纜重量. 鉆桿放置在3500 m深處的阻流器上， 其下端的流體壓力阻流器密封后安置于尾管懸掛器上． 東海深井地震儀的電纜和儀器通過井架吊起下井．

圖2 與雙、 單鎧甲電纜相連的L4， L3， L2和L1深井地震儀(a)及其下井安裝設(shè)置(b)

在一期安裝工程中， 最深的地震儀L4的設(shè)置深度達到了4050 m， 超過了之前日本3800 m的世界最深深度， 成為目前世界第一深的深井觀測站． 井下儀器無供電要求， 可以在深井高溫高壓環(huán)境下連續(xù)工作． 儀器安裝完成的3年多內(nèi)， 東海深井地震儀經(jīng)受了雷擊等干擾， 工作狀態(tài)基本保持正常． 三分量地震儀靈敏度高于2.00 V/in/s ， 動態(tài)范圍為100 dB． 深井4.5 Hz地震儀的峰值輸出幅度為5.75 V； 另一套地震儀主頻為15 Hz， 峰值輸出幅度為2.08 V． 地震儀的模數(shù)轉(zhuǎn)換使用美國Reftek公司的記錄模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)， 該系統(tǒng)功耗低． 深井地震儀多道地震數(shù)采系統(tǒng)通過電纜與地面室內(nèi)計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相連接， 將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至深井觀測站地面處理中心． 目前， 在維持正常觀測的同時， 仍積極探索制定新的實施方案， 計劃在條件成熟時進行深井觀測儀器安裝的二期工程， 以達到預(yù)期目標(biāo)．

自2011年11月起至今， 東海深井地震儀已記錄到周圍地面常規(guī)臺站觀測不到的ML0—1甚至更小的微小地震活動． 多年觀測資料表明， 東海深井地震觀測能有效地排除地面噪音， 高精度地接收地球內(nèi)部的微小地震信息， 基本達到了預(yù)期效果．

圖3為東海長觀站L3深井地震儀記錄到的典型地震波形. 可以看出， 地震前噪聲水平低， 地震事件三分量的初動和波形均十分清晰， 各震相清晰可辨． 與地面相似頻帶的地震臺站觀測記錄進行初步對比， 結(jié)果表明深井地震觀測信噪比明顯高于地面標(biāo)準地震臺站． 到目前為止， 東海深井地震觀測到的最小地震為ML0.3， 震中距為21 km， 是附近常規(guī)地震臺站所觀測不到的微小地震活動． 對于震中距小于200 km的近震， 東海長觀站觀測到的初至波震相更為清晰， 其觀測質(zhì)量明顯優(yōu)于地面常規(guī)臺站．

目前， 東海主孔深井地球物理觀測儀器工作基本正常， 我們正在利用地面和不同深度處的地震資料， 定性定量地研究深井地震儀不同深度的觀測能力和地震波信噪比的變化規(guī)律； 研究不同深度巖層地震波形的非線性增幅效應(yīng)特征； 利用高精度的深井地震觀測資料進行郯廬斷裂帶微小地震活動及其構(gòu)造動力學(xué)特征以及地震三要素預(yù)報研究．

圖3 東海深井地球物理長期觀測站L3地震儀(4.5 Hz)記錄的典型地震波形

東海深井地球物理觀測初見成效， 有待今后大量的資料積累和研究工作， 為我國深井觀測研究積累更多經(jīng)驗．

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Instrument installation and observation research for borehole geophysical long-term observation in Donghai， Jiangsu

Xu JirenZhao Zhixin Zeng Xiangzhi Pi Jinyun

(InstituteofGeology，ChineseAcademyofGeologicalSciences，Beijing100037，China)

borehole geophysical long-term observation； instrument installation； observation research； micro-earthquake； borehole seismology

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國家自然科學(xué)基金(41374052)資助.

2015-09-14收到初稿， 2016-01-28決定采用修改稿.

e-mail: xujiren1125@aliyun.com.cn

10.11939/jass.2016.02.016

P315.6

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