基于光纤激光地震计的钻孔地震监测

张文涛 黄稳柱 李 丽 刘文义 李 芳

1）中国科学院半导体研究所，北京 100083

2）石家庄铁道大学，石家庄 050043

3）中国地震局地球物理研究所，北京 100081

4）中国地震局第二监测中心，西安 710054

钻孔地震观测能够减少地面噪声的影响，是地震前兆观测的一种有效方法。然而，随着钻井深度的增加，温度、压力不断增高，现有电学传感器暴露出了一系列问题，主要包括：散热问题、防水密封问题、长距离信号传输问题、怕雷击问题等。光纤传感器是利用光纤进行传感和传输的新一代传感器，具有耐高温高压、信号可长距离传输、防雷击、抗电磁干扰等优点，近年来获得了广泛的研究和关注。开展基于光纤激光地震计的研究，有望解决现有深井地震观测仪器的问题，为钻孔地震监测提供一种有效的技术手段。

光纤激光地震计是利用光纤激光器作为敏感元件来探测地震波的传感器。通过在一段有源光纤上写入光栅形成DFB光纤激光器，并进行增敏封装，即为安装于井下的光纤激光地震计探头。当有地震波时，光纤激光器的输出波长会发生变化，通过检测波长的变化即可探测到地震波信号。由于光纤激光器极窄的输出线宽（＜3 kHz），结合干涉式的解调方法，大大降低了系统的本底噪声。地面解调系统采用基于光纤干涉仪和相位产生载波算法的解调方案，系统的最小可测信号达到 ng量级。井下地震计探头和地面解调系统之间通过光缆连接，利用一体化的地震计封装技术和光纤可长距离传输信号的优势，使该光纤激光地震计可工作在数千米的深井。

光纤激光地震计在云南省普洱市地震局的地震观测井中进行了井下试验，并与现有地震仪进行了对比。地震观测井深370 m，为自流井，光纤激光地震计安装于井下120 m处，井底和井口分别安装有两台三分量地震计。光纤激光地震计的外径60 mm，传输光缆的长度400 m。传输光缆直接由井中接入观测室内进行数据记录和分析。在进行观测的3天时间当中，成功记录到了发生在普洱地区的1.2级地震。通过对传统电学地震计和光纤激光地震计采集到的地震信号进行分析和对比，发现光纤激光地震计相比于现有地震仪表现出了更高的灵敏度和信噪比。

通过对光纤激光地震计及其在钻孔地震观测中的应用研究，取得了质量较好的地震观测资料，验证了光纤激光地震计用于钻孔地震的可行性和实用性，为下一步光纤激光地震计的改进和推广奠定了基础。