基于光纖激光地震計的鉆孔地震監測

張文濤 黃穩柱 李 麗 劉文義 李 芳

1）中國科學院半導體研究所，北京 100083

2）石家莊鐵道大學，石家莊 050043

3）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

4）中國地震局第二監測中心，西安 710054

鉆孔地震觀測能夠減少地面噪聲的影響，是地震前兆觀測的一種有效方法。然而，隨著鉆井深度的增加，溫度、壓力不斷增高，現有電學傳感器暴露出了一系列問題，主要包括：散熱問題、防水密封問題、長距離信號傳輸問題、怕雷擊問題等。光纖傳感器是利用光纖進行傳感和傳輸的新一代傳感器，具有耐高溫高壓、信號可長距離傳輸、防雷擊、抗電磁干擾等優點，近年來獲得了廣泛的研究和關注。開展基于光纖激光地震計的研究，有望解決現有深井地震觀測儀器的問題，為鉆孔地震監測提供一種有效的技術手段。

光纖激光地震計是利用光纖激光器作為敏感元件來探測地震波的傳感器。通過在一段有源光纖上寫入光柵形成DFB光纖激光器，并進行增敏封裝，即為安裝于井下的光纖激光地震計探頭。當有地震波時，光纖激光器的輸出波長會發生變化，通過檢測波長的變化即可探測到地震波信號。由于光纖激光器極窄的輸出線寬（＜3 kHz），結合干涉式的解調方法，大大降低了系統的本底噪聲。地面解調系統采用基于光纖干涉儀和相位產生載波算法的解調方案，系統的最小可測信號達到 ng量級。井下地震計探頭和地面解調系統之間通過光纜連接，利用一體化的地震計封裝技術和光纖可長距離傳輸信號的優勢，使該光纖激光地震計可工作在數千米的深井。

光纖激光地震計在云南省普洱市地震局的地震觀測井中進行了井下試驗，并與現有地震儀進行了對比。地震觀測井深370 m，為自流井，光纖激光地震計安裝于井下120 m處，井底和井口分別安裝有兩臺三分量地震計。光纖激光地震計的外徑60 mm，傳輸光纜的長度400 m。傳輸光纜直接由井中接入觀測室內進行數據記錄和分析。在進行觀測的3天時間當中，成功記錄到了發生在普洱地區的1.2級地震。通過對傳統電學地震計和光纖激光地震計采集到的地震信號進行分析和對比，發現光纖激光地震計相比于現有地震儀表現出了更高的靈敏度和信噪比。

通過對光纖激光地震計及其在鉆孔地震觀測中的應用研究，取得了質量較好的地震觀測資料，驗證了光纖激光地震計用于鉆孔地震的可行性和實用性，為下一步光纖激光地震計的改進和推廣奠定了基礎。