東海深井地球物理長(zhǎng)期觀測(cè)儀器設(shè)置與觀測(cè)研究

徐紀(jì)人 趙志新 曾祥芝 皮金云

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

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研究簡(jiǎn)報(bào)

東海深井地球物理長(zhǎng)期觀測(cè)儀器設(shè)置與觀測(cè)研究

徐紀(jì)人趙志新 曾祥芝 皮金云

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

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

東海深井地球物理長(zhǎng)期觀測(cè)是我國(guó)開(kāi)展深井地震學(xué)觀測(cè)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(cè)資料． 美國(guó)圣安德列斯斷層項(xiàng)目組開(kāi)展的深井綜合地球物理觀測(cè)研究項(xiàng)目在4000 m深井的不同深度處設(shè)置了多種觀測(cè)儀器 (Chavarriaetal， 2003)， 進(jìn)行震源過(guò)程及地震預(yù)報(bào)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(cè)站， 觀測(cè)資料用于地震預(yù)報(bào)研究(Fujimotoetal， 2007; 石井紘， 2010)以及2011年?yáng)|日本M9巨大地震高滑動(dòng)區(qū)域的動(dòng)力學(xué)特征(Ikalietal， 2015)等研究． 聯(lián)邦德國(guó)大陸深鉆項(xiàng)目的主孔深達(dá)9101 m， 4000 m先導(dǎo)孔注水誘發(fā)地震實(shí)驗(yàn)表明， 誘發(fā)地震僅發(fā)生在該區(qū)10 km深處脆延性過(guò)渡帶以上的地層內(nèi)(涂毅敏， 陳運(yùn)泰， 2002)． Ma等(2012)在我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)車(chē)龍埔斷層上1300 m深的鉆孔內(nèi)設(shè)置了7臺(tái)深井地震儀進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)， 并進(jìn)行地震預(yù)報(bào)研究．

經(jīng)過(guò)數(shù)年的調(diào)研與前期工作， 我們?cè)诮K東海中國(guó)大陸科學(xué)鉆探(Chinese continental seientific drilling， 簡(jiǎn)寫(xiě)為CCSD)項(xiàng)目5158 m深的主孔內(nèi)(34°24′20.9″N， 118°40′22.1″E)， 實(shí)施了深井地震儀設(shè)置的一期工程(徐紀(jì)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(guó)第一所深井地球物理長(zhǎng)期觀測(cè)站， 并已投入了試驗(yàn)性觀測(cè)． 東海深井地球物理長(zhǎng)期觀測(cè)站(簡(jiǎn)稱(chēng)東海長(zhǎng)觀站)的建立， 將大大提高我國(guó)東部大陸活動(dòng)斷裂帶及其近海海域的地震活動(dòng)監(jiān)測(cè)能力， 為研究大陸現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征、 揭示地域巖石圈形成及演化過(guò)程提供客觀的地震學(xué)證據(jù)， 為豐富地球動(dòng)力學(xué)的科學(xué)認(rèn)知發(fā)揮重要作用(徐紀(jì)人等， 2003； 徐紀(jì)人， 趙志新， 2004)． 東海長(zhǎng)觀站不僅是我國(guó)也是目前世界上最深的深井地球物理長(zhǎng)期觀測(cè)站， 其填補(bǔ)了我國(guó)在深井地震學(xué)研究方面的空白， 為我國(guó)在該領(lǐng)域趕超世界先進(jìn)水平邁出了第一步(徐紀(jì)人等， 2012， 2013， 2015)．

東海長(zhǎng)觀站位于蘇魯超高壓變質(zhì)帶與現(xiàn)代地震活動(dòng)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(cè)站周?chē)怀雎兜暮袷秃谠颇傅男遍L(zhǎng)(二長(zhǎng))花崗質(zhì)片麻巖和表殼巖系包圍， 巖石完整性好， 適合開(kāi)展地球物理綜合觀測(cè)． 東海長(zhǎng)觀站位于CCSD主孔內(nèi)， 在5000 m深處溫度高達(dá)142.4℃， 壓力高達(dá)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(hào)依次為L(zhǎng)1，L2，L3和L4． 不同深度處的巖石性質(zhì)和類(lèi)型均有所差異． 4組觀測(cè)儀器處的井壁巖石均比較完整， 適合進(jìn)行地震觀測(cè)． 各深度處深井觀測(cè)儀器參數(shù)及其周?chē)鷰r石的巖性和物理參數(shù)如表1所示． 在地面設(shè)置了2臺(tái)英國(guó)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(cè)網(wǎng)．

圖1 中國(guó)東部大地構(gòu)造和東海深井地球物理長(zhǎng)期觀測(cè)站位置(三角形)

儀器編號(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)片麻巖5.9875L44050 4.5Hz15.0Hz 花崗質(zhì)片麻巖6.45118

2011年夏， 我們?cè)跂|海長(zhǎng)觀站進(jìn)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(guó)SONDI公司研發(fā)制造的深井觀測(cè)儀器設(shè)備． 不同深度的L1，L2，L3和L4等4組地震觀測(cè)儀各安裝了2套三分量高精度數(shù)字地震儀(1套觀測(cè)主頻為4.5 Hz， 另1套觀測(cè)主頻為15 Hz)， 1套地溫觀測(cè)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(cè)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(cè)儀， 以滿足東海深井觀測(cè)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(cè)信號(hào)通過(guò)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(dòng)和減輕電纜向下的拉力強(qiáng)度， 通過(guò)箍捆將其固定在鋼質(zhì)鉆桿(石油標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(guò)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(dá)到了4050 m， 超過(guò)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(cè)站． 井下儀器無(wú)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(dòng)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(guó)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(guò)電纜與地面室內(nèi)計(jì)算機(jī)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(cè)站地面處理中心． 目前， 在維持正常觀測(cè)的同時(shí)， 仍積極探索制定新的實(shí)施方案， 計(jì)劃在條件成熟時(shí)進(jìn)行深井觀測(cè)儀器安裝的二期工程， 以達(dá)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?chē)孛娉Ｒ?guī)臺(tái)站觀測(cè)不到的ML0—1甚至更小的微小地震活動(dòng)． 多年觀測(cè)資料表明， 東海深井地震觀測(cè)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(dá)到了預(yù)期效果．

圖3為東海長(zhǎng)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(dòng)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(tái)站觀測(cè)記錄進(jìn)行初步對(duì)比， 結(jié)果表明深井地震觀測(cè)信噪比明顯高于地面標(biāo)準(zhǔn)地震臺(tái)站． 到目前為止， 東海深井地震觀測(cè)到的最小地震為ML0.3， 震中距為21 km， 是附近常規(guī)地震臺(tái)站所觀測(cè)不到的微小地震活動(dòng)． 對(duì)于震中距小于200 km的近震， 東海長(zhǎng)觀站觀測(cè)到的初至波震相更為清晰， 其觀測(cè)質(zhì)量明顯優(yōu)于地面常規(guī)臺(tái)站．

目前， 東海主孔深井地球物理觀測(cè)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(cè)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(cè)資料進(jìn)行郯廬斷裂帶微小地震活動(dòng)及其構(gòu)造動(dòng)力學(xué)特征以及地震三要素預(yù)報(bào)研究．

圖3 東海深井地球物理長(zhǎng)期觀測(cè)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(cè)初見(jiàn)成效， 有待今后大量的資料積累和研究工作， 為我國(guó)深井觀測(cè)研究積累更多經(jīng)驗(yàn)．

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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

Xu J R, Zhao Z X, Zeng X Z, Pi J Y. 2016. Instrument installation and observation research for borehole geophysical long-term observation in Donghai， Jiangsu.ActaSeismologicaSinica, 38(2): 321--325. doi:10.11939/jass.2016.02.016.

國(guó)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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