微地震監測技術 發展方向及應用

微地震監測技術是一種地球物理檢測技術，其主要手段是對生產活動中產生的微小地震事件，進行數據的采集，并加以觀測和分析，并對所得數據及結論進行記錄，對微小地震事件對生產活動的干擾、效力及巖體保持穩態的預測。系統監測微地震的三要素是監測活動的首要任務，他們包括震源的位置、發生的時刻以及震源深度及強度。本文通過微地震監測技術在國內外的發展現狀及歷史，針對廣泛應用的原理加以解釋，并對具體生產生活中的應用提供方案并進行了相關評價。

隨著生產需要的不斷演進，頁巖氣、非常規油氣開采以及各類礦井開采的深入研究，微地震監測技術作為其依賴的核心成為保證效率和人員設備安全的重要保證。其多應用于判斷壓裂裂縫的形成、發展趨勢的判斷依據。研究微地震監測技術發展方向以及技術領域成為必然。經過近幾年的不懈努力與不斷探究，我國在該項技術上面取得了長足的進展。

微地震監測技術原理

在生產活動中經常會產生一些微小地震事件，通過特定的監測手段對其產生的擾動進行全面分析我們稱之為微地震檢測技術，通過這項技術可以評估出小地震事件對生產活動產生的影響。由于其為物理監測技術相應的也可以監測到地下洞室圍巖的穩定狀態。作為破壞力極強的自然災害，地震的監測一直以來都是人們極力想要探明的一個領域，而地震發生時的震心位置，地震發生的時間和震源在地下的深度以及地震的強度都需要及時判斷，對這些信息的追蹤和確定是監測活動主要解決的問題。在巖體斷裂的斷面或者變形的表面微地震事件多有發生，這是出于應力集中現象，在生產活動中會對巖體原有的應力平衡破壞，這時應力集中就會出現在巖體中的裂縫周圍，這些裂縫可以是本身存在的或新產生的，其應變能量提高。在巖體中存在原有裂縫，原有裂縫會受到外界的作用力影響，當受到較大的作用力時會發生局部的逆向屈服以及發生形變，導致裂縫會向物體內部不斷延伸，此時應力松弛伴隨向外界以彈性波的形式向外輻射能量。這種現象稱其為微地震現象。

這些波的頻率一般在200～1 500Hz范圍內，一般持續時間較短低于15s。監測系統通過對原有裂縫缺陷部分和新產生的裂縫區域進行信號采集并加以分析記錄，并借助外力的增加等信息確定新發生裂縫的變形位置以及具體形式和尺寸。經過不斷地積累數據，形成數據庫，根據經驗可知：當頻率越高，時間越短，輻射波的能量也就越小也就是說微地震事件越微弱，相應的可知破裂長度越短。利用統計學原理分析，可得出微地震事件的時間和空間相關信息，通過這些經驗就可以對巖體區域穩定性給出一個較為合理的綜合評價。

微地震監測技術的國內外發展現狀

國內發展現狀

早在2002年趙向東就提出了如下理論：由于在生產生活種應用材料不同，使得材料內部的強度迥異，有些材料內部強度不夠，會形成局部能量過高現象。這樣就使得外界擾動作用在這些固體材料時，應力集中現象發生在物體內部，局部應力的集中很有可能會出現塑性形變和微觀損傷，正所謂千里之堤潰于蟻穴，當物體存在一定數量的微觀損傷，這些損傷不斷擴張會形成較大的裂痕，使得整體材料內部受損，失去其功能性。在1991年和2000年，吳光琳、彭新明分別對巖石聲進行了科學闡釋。在裂紋的聚集和擴展時，會以一種較為突然的形式累積，與此同時釋放能量，其形式就是彈性波。在較長時間內，包括一些地質勘探活動，以及生產活動的進行，會持續對巖體造成損傷，損傷累積會導致巖體結構的整體破壞，當這些破損輻射的能量在低頻率帶時，這種現象就屬于微地震。

在2012年，宋維琪提出了關于監測微地震事件等效速度反演定位法，其用意是為了解決地面微地震監測資料相鄰通道走勢曲線時差微小的問題，該方法主要利用的是建立模型，該模型具備記錄初始速度的能力，并可以模擬出其等效速度，主要利用已有的擾動速度模型，通過差分計算迅速鎖定等效速度。通過這些信息追溯該地震事件來定位的方法。校正了反演不夠靈敏，且精度不高的問題。其有效性也給出了相關了的證明并得到了實驗驗證。在2013年，何惺華利用射孔直達級三分量檢波器震源反演法來定位震源。首先利用射孔直達縱波水平分量來確定檢波器的方位角。通過其傳播速度與時間按照偏移角度向回推得到大概的地震發生的中心區域范圍；但是由于震源反演中存在有多解問題，需要再多確定一個要素如檢波器與震源方向偏差的夾角，通過空間坐標系利用矩陣方法，根據統計學原理，來計算得出地震中心的具體坐標，這種極具創造性的檢測方法為將來的發展方向打開了全新的思路。

國外發展現狀

微地震研究作為一項地球物理技術在國際上發展迅猛，尤其在歐美發達國家當中，OYO Geospace，Avalon，Sercel等公司在硬件供應方面非常出色。而相應的在軟件方面有建樹的如ESG、ASC等公司。眾所周知檢測系統實為核心Pinnacle，Schlumberger，Microseismi Inc.等公司具備很強的實力。

早在2009年斯倫貝公司就推出了StimMAP系統，該系統是一個實時自動的監測與定位系統，主要用于微地震監測與定位真正實現了自動化和全面的實時顯示。該系統的設計思路是利用已知具體參數的外界激勵，對周圍物體施加水力壓，并用地震檢波器進行探測，經過分析計算實現實時水力壓裂微地震監測，這一過程一般會在半分鐘內完畢并提出檢測報告。

2006年時威德福公司推出了FracMap技術，該項技術主要應用于永久性井下設備制造、安裝和數據采集。其檢測技術主要體現在儲層壓裂監測和油藏動態監測。這種井下聲波設備十分先進，是一種比較直觀且有效的定位測量方法，可以通過裂縫的傳播追根溯源，并且繪制連續的畫面進行裂縫形成的回執報告信息，通過反饋信號可知其具體狀態，包括形成過程及在收到壓力時的狀態。

微地震監測技術的具體應用endprint

礦山安全開采微地震監測

在某處陡峭的山坡上發現一處礦產，兩側山體應力較高，其中一側存在較深的內部裂縫，海拔較低的位置有松弛的巖體，總體地質條件復雜。當挖掘工作不斷延伸，圍巖應力平衡將會被打破，平衡被打破就會造成巖體的破壞，原本存在的缺陷漏洞就會形成宏觀上的破壞。這就給整體工程的人員以及設備財產帶來巨大的安全隱患，為了能保證施工過程的安全性要對整個巖體的各種缺陷以及在挖掘過程中形成的巖體破裂現象發生的具體時間，破裂程度以及破裂深度和具體位置，監測并進行標記存檔；采集到的微地震信號其產生的具體方式，輻射出去的能量形式，具有的頻率特性和持續時長需要分析才能溯源計算得到巖體破裂的具體類型。在接下來的生產活動中即可實現實時監測、分析變形預測其發展趨勢，評估工程安全性達到預警的效果。與此同時需要查閱相關資料，如歷年對巖體觀測記錄，當地巖體地質信息特征等，才能更好地分析微地震與應力卸荷的關系，這樣才能對巖體保持穩定狀態特性的科學評估。

隧道挖掘的微地震監測

1）傳感器、監測臺站、線纜及監測孔是組成系統的必要部分。為了更好地全方位接收必要信號信息，這就需要在沒個檢測孔上安裝上靈敏的傳感器，一般多用至少三分量傳感器；2）信號輸入系統以后，需要相應的進行采集判別進行分類處理，信號采集模塊是常用的部件，經過初步處理之后一并傳輸到處理器當中進行相關計算和分析；3）處理器會利用相關軟件和修改，主要是對存儲在記錄儀當中的關于微地震信息各項參數，接受并傳輸數據對其做處理，并對數據進行初步分析，繪制出波形信號圖示，并將所得信息和圖形進行存儲；4）信號數據傳入電腦中，數據處理軟件會對所得信號進行采樣并進行初步處理，經過微地震監測系統計算可得出因生產活動遭到破壞的巖體位置、深度等信息。這樣就可以預知那些施工部位的安全性，保證人員設備安全。

結論

全文通過對當下熱門的微地震監測技術的發展歷史，理論研究進程以及最前沿的包括國內和國際上的科研成果進行了比較全面的概述，闡釋了在近幾年飛速發展并被廣泛研究的地球物理技術的原理及其主要應用。在國內相關研究起步較為落后，在我們的發展過程當中將會遇到諸多需要攻克的技術難題，例如針對微地震現象，我們還缺少對該現象專門進行數據收集的計量系統、對微地震必要要素的迅速采集和精確判斷以及對微地震產生的波形研究和發生機理的研究都是亟待解決的課題。未來道阻且長，需要大量的數據采集積累并付出艱巨的勞動才能使微地震檢測技術成為一種較為成熟的檢測與預報手段。

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（作者簡介：徐金，云南省地震局。）endprint