光纖傳感技術(shù)
——獨(dú)具優(yōu)勢(shì)的地震監(jiān)測(cè)新手段

劉文義 張文濤 李 麗 黃穩(wěn)柱 李 芳

1）中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安 710054

2）中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083

3）地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工程研究中心，北京 100036

利用光纖傳感器進(jìn)行地震前兆觀測(cè)是一種獨(dú)具優(yōu)勢(shì)的地震監(jiān)測(cè)新手段。光纖傳感器具有高精度、抗電磁干擾、不存在零漂問題、易于組網(wǎng)以及適于長(zhǎng)距離傳輸?shù)纫幌盗歇?dú)特優(yōu)勢(shì)，可以解決地震前兆觀測(cè)中電學(xué)測(cè)量?jī)x器存在的固有問題。介紹了幾類常用光纖傳感器的工作原理及特點(diǎn)，綜述了光纖傳感器在地殼形變觀測(cè)和地震波探測(cè)兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，并指出了目前需要解決的問題。研制了一套基于光纖傳感器的鉆孔應(yīng)變、地震波和地溫同時(shí)測(cè)量的多參量鉆孔綜合地震觀測(cè)設(shè)備，外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，該光纖綜合鉆孔地震觀測(cè)設(shè)備適應(yīng)地震前兆觀測(cè)中對(duì)抗環(huán)境干擾能力、測(cè)量精度、穩(wěn)定性等方面的性能要求，具有好的應(yīng)用前景。

1 光纖傳感器在地殼形變觀測(cè)和地震波探測(cè)中的應(yīng)用

直接觀測(cè)地殼應(yīng)變的儀器主要有兩種：一種為測(cè)量基線長(zhǎng)度變化，例如伸縮儀、激光應(yīng)變儀等；另一種就是測(cè)量鉆孔變形的鉆孔應(yīng)變儀。目前，光纖傳感器用于地形變觀測(cè)，都是集中在第一種，即將光纖傳感器用于測(cè)量巖體形變引起的基線長(zhǎng)度變化來觀測(cè)地形變。在這些光纖地形變觀測(cè)儀器中，廣泛研究的有高精度光纖干涉式測(cè)量方法和光纖光柵（FBG）絕對(duì)測(cè)量方法。2011年，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校斯克里普斯海洋研究所的M. Zumberge等人研制出了一kuan深井觀測(cè)的光纖應(yīng)變傳感器，可用于鉆孔應(yīng)變測(cè)量。

光纖地震檢波器是一種建立在光纖技術(shù)和集成光電子技術(shù)基礎(chǔ)上新型的地震傳感器，目前發(fā)展最為成熟的是基于高靈敏度的光纖干涉技術(shù)的干涉式光纖地震檢波器，近年來光纖光柵型地震檢波器顯示出了它的優(yōu)越性，光纖激光型地震檢波器因兼有光纖光柵型和干涉型檢波器的雙重優(yōu)點(diǎn)而具有極大的應(yīng)用前景。

2 光纖傳感器在地震前兆觀測(cè)中需要解決的問題

伴隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器在地震前兆觀測(cè)中的應(yīng)用也越來越廣泛，尤其是在光纖光柵傳感器用于地形變觀測(cè)和光纖激光傳感器用于地震波探測(cè)兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。但為了實(shí)現(xiàn)工程中的大規(guī)模推廣，我們還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決，比如基于光纖光柵的高精度地殼形變觀測(cè)技術(shù)、超低頻地震波的高分辨率探測(cè)技術(shù)、大規(guī)模組網(wǎng)技術(shù)以及長(zhǎng)距離傳輸技術(shù)等。

3 光纖綜合地震觀測(cè)設(shè)備的研制及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研制了一套基于光纖傳感器的體應(yīng)變、地震波和地溫同時(shí)測(cè)量的多參量光纖綜合地震前兆觀測(cè)設(shè)備。在云南省普洱地震局大寨地震臺(tái)進(jìn)行了井下觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)過程中，光纖鉆孔地震觀測(cè)設(shè)備性能穩(wěn)定，在下井后第3天（2011年12月02日）就成功記錄到了在普洱市思茅地區(qū)發(fā)生的1.2級(jí)地震，與布設(shè)在井底進(jìn)行對(duì)比的傳統(tǒng)電學(xué)檢波器相比，光纖檢波器表現(xiàn)出了更高的信噪比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新試制的光纖綜合地震前兆觀測(cè)設(shè)備性能穩(wěn)定、探測(cè)靈敏，充分顯示出了它的抗電磁干擾、抗雷擊、不怕漏水漏電、耐腐蝕、不存在零漂問題等優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明，我們研制的多參量光纖綜合地震前兆觀測(cè)設(shè)備能適應(yīng)地震觀測(cè)中對(duì)抗環(huán)境干擾能力、測(cè)量精度、穩(wěn)定性等方面的性能要求，具有好的應(yīng)用前景。目前，我們正在改進(jìn)技術(shù)方案，研制滿足地震監(jiān)測(cè)技術(shù)指標(biāo)（6×10-9）的新的光纖地震前兆觀測(cè)設(shè)備。力爭(zhēng)在地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行示范性實(shí)驗(yàn)與觀測(cè)，發(fā)展新一代光纖地震監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)。