深井地壳活动综合观测技术略谈.pdf
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1、引用格式:蔡美峰,2023.深井地壳活动综合观测技术略谈 J.地质力学学报,29(3):301312.DOI:10.12090/j.issn.1006-6616.20232901Citation:CAI M F,2023.A brief talk on comprehensive crustal activity observation technology of deep-holesJ.Journal of Geomechanics,29(3):301312.DOI:10.12090/j.issn.1006-6616.20232901深井地壳活动综合观测技术略谈蔡美峰CAIMeifeng北京
2、科技大学土木与资源工程学院,北京 100083School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,ChinaA brief talk on comprehensive crustal activity observation technology of deep-holesAbstract:UndertheactionoftheEarthsinnerdynamics,thelithosphereshapesdifferenttypesoftheE
3、arthssurface,andthecrustalstressstateanditsdynamicchangelawarecapturedbythecomprehensiveobservationtechnologyofdrillingcrustalactivity.ItisanimportantwayforhumanbeingstounderstandtheinternaldynamicprocessoftheEarthandstudythemechanismofinnerdynamicgeologicalhazards.Thecontributionofdevelopedcountrie
4、ssuchasJapan,theUSA,andthe IODP International Cooperative Research Program to the development of integrated borehole crustal observationtechnology is summarized in this paper.The paper also systematically reviews the development history and presentsituationofboreholestrainobservationtechnologyandbor
5、eholestrainobservationinstrumentinChina.Especiallysincethe13thFive-Year,underthebackgroundofthenationalstrategyofdeep-seaexploration,theChinaGeologicalSurveyBureau(CGS),the China Earthquake Administration,and other systems have successively carried out research anddevelopmentoftheintegratedgeophysic
6、sobservationsysteminwells,andhavebeenputintouseinintegratedlandandseaobservation stations.The Institute of Geomechanics has successfully developed an integrated geophysics observationsystemforcrustalactivityusingthekeytechniquesofsystemintegration.Thesystemhasavarietyofstrain,tilt,seismic,geomagneti
7、c,geothermal,porepressure,othersensors,and16componentscapableofobservingcrustaldeformation,stress,strain,tilt,earthquake,and their induced geodynamic changes in the lithosphere,such as geotemperature,hydrology,geoelectricity,geomagnetism,etc.IthasbeenputintouseinShandan(installeddepth253m)andPingwu(
8、WFSD-4,1600m)observatoriesinGansuandSichuanprovincesandhasachievedinitialresults.Itisamilestoneforourcomprehensivecrustal activity observation technology to break through the 3000-meter-deep well in the future.It can provide vitalinformation for geodynamics research,safe exploitation of deep mineral
9、 and geothermal resources,and prediction ofinternaldynamicgeologicalhazards.Atthesametime,basedonthenationalstrategyofdeep-seaexplorationinthe14thFive-year,thefuturedevelopmentdirectionofintegratedobservationsystemofdeep-wellcrustalactivityispointedout.Keywords:deepwells;crustalactivityintegratedobs
10、ervationsystem;systemintegrationtechnology;deep-crust&deep-seaexploration;in-situstress;internaldynamicgeologicalhazards摘 要:岩石圈在地球内动力作用下,塑造出不同类型的地球表面形态,而通过钻孔地壳活动综合观测技术捕捉地壳应力状态及其动态变化规律,是人类认识地球内动力过程、研究内动力地质灾害机理的重要途径。文章总结了日本、美国等发达国家以及 IODP 国际合作研究计划在发展钻孔地壳活动综合观测技术方面的贡献,并对中国钻孔应变观测技术及其观测仪器发展历程、研发现状进行了系统性的
11、总结,尤其是“十三五”以来,在深地深海探测国家战略的大背景下,中国地质调查局、中国地震局等单位相继完成井中综合地球物理观测系统研发工作,并在陆域综合观测站中完成野外验证。其中,中国地质科学院基金项目:中国地质调查局地质调查项目(DD20230249,DD20230014);中国工程院重点咨询项目(2019-XZ-16)ThisresearchisfinanciallysupportedbytheChinaGeologicalSurveyProject(GrantDD20230249,DD20230014)andtheKeyConsultationProjectoftheChineseAcade
12、myofEngineering(Grant2019-XZ-16).第一作者:蔡美峰(1943),男,博士,教授,中国工程院院士,研究方向为地应力、岩石力学与采矿工程。E-mail:收稿日期:20230410;修回日期:20230510;责任编辑:吴芳第29卷第3期地质力学学报Vol.29No.32023年6月JOURNALOFGEOMECHANICSJun.2023地质力学研究所利用系统集成关键技术成功研制的地壳活动综合地球物理观测系统,拥有应变、倾斜、地震、地磁、地温、孔隙压等多种传感器和 15 个分量,具备观测地壳变形、应力、应变、倾斜、地震及其诱导的地温、水文、地电、地磁等岩石圈地球动力
13、相对变化的能力,已在甘肃山丹(安装深度 253m)、四川平武(WFSD-4,1600m)观测站投入使用,取得了一定的成效,对中国未来突破 3000m 深井地壳活动综合观测技术具有指导意义,可为地球动力学研究、深部矿产和地热资源安全开采、内动力地质灾害预测提供重要地应力动态变化信息。同时,以“十四五”深地深海探测国家战略为契机,提出了深井地壳活动综合观测系统的未来发展方向和构想。关键词:深井;地壳活动综合观测系统;系统集成技术;深地深海探测;地应力;内动力地质灾害中图分类号:P631;TH762;P315.6文献标识码:A文章编号:10066616(2023)03030112DOI:10.120
14、90/j.issn.1006-6616.202329010引言地壳内部发生的各种构造现象(包括断裂、地震、火山)及其伴生的各种地质灾害、深部矿产与地热资源开采围岩稳定性等均与地应力作用密切相关(谢富仁等,1999;蔡美峰等,2013,2021,2022;蔡美峰,2020;王成虎等,2020;张浩等,2020;丰成君等,2022),故地应力是导致地壳岩石变形、断裂、褶皱乃至地震发生的最直接动力,而探索地应力状态及其作用规律是人类认识地球内部动力过程和研究内动力地质灾害机理的重要途径(孙东生等,2020;孟文等,2022)。岩石圈在地球内部压力作用下,塑造了地球表面不同类型的地表形态。由于岩石圈及
15、其表面形态与现代地球物理学、地球动力学有着密切的关系,因此,在现代地球科学中,岩石圈是研究最多、最详细、最彻底的固体地球部分,而地壳是其重要组成部分(马杏垣,1987)。通过钻孔长期观测地壳岩石变形、应力积累、流体作用、温热、电磁等物理力学现象,积累地壳变形及其产生的各种地球物理数据,可准确分析地壳应变场的积累、固体潮汐、应变阶、慢地震等信息;通过研究它们的幅度和速率等动态变化特征,可认识地壳构造变形能量积累与释放的过程,捕捉地壳应力状态及其变化特征来研究地壳运动、地球深部活动规律,探索其与构造活动方式、地震的关系。因此,揭示板块、块体运动及内动力地质灾害的孕育发生机制与过程,是目前国际上地球
16、动力学研究的热点和重点(刘文浩等,2019)。深井地壳活动综合观测系统通常由多种井中观测传感测量单元、地表数据采集单元和辅助观测单元组成。其中,井中观测传感测量单元具有良好的 高 频 特 性 与 高 灵 敏 度(SacksandEvertson,1971;Sacksetal.,1971;Sakata,1981;Gladwin,1984;Gladwinand Hart,1985;Hart et al.,1996;Kinoshita et al.,2018a),安装于深钻孔的完整基岩中,因地壳深部地温、地下水位均不受地表气温、降水的影响,且远离地表的喧嚣,可大大削弱地表裂隙、气候环境、人类活动干扰
17、等不利因素带来的不确定性与不稳定性,能降低降雨、雷电等气象因素的干扰,也能明显降低地表岩石风化与地形的影响(苏恺之,2003;苏恺之等,2003a,2005;李海亮等,2004;欧阳祖熙等,2009)。因此,深井地壳活动综合观测技术能够实现同一深孔内开展岩体受力变形多参数综合观测,便于比较、检验数据质量,还可排除气压、地形、地壳横向不均匀性及地下水等环境因素的影响,在获取低噪声信号、综合探测多源信息汇集等方面,具有地表观测台站无法比拟的巨大优势,有利于获得高精度、高质量和长期连续的观测数据。综上,深井地壳活动综合观测技术是深地观测的重要手段和获得高质量地壳应力场动态变化数据的主要途径,能够弥补
18、测震和 GPS 观测的不足。攻克深井地壳活动综合观测系统集成关键技术,能够加快推动深地深海综合观测仪器装备研发进程,获取低噪声环境下的深部应力场、流体、温度、电磁场等动态变化特征及岩石微破裂产生的微震信号,将为地壳运动研究、深部矿产和地热资源开采工程致灾机理、地震活动趋势分析提供可靠的研究资料,有助于提高地震等内动力地质灾害的预测能力,对认识地球动力学特征及其相互作用过程、发展地质力学理论具有一定的实践意义。1国内外研究概况 1.1国外发展概况20 世纪 90 年代以来,随着地球系统科学研究不断深入开展以及解决人类所面临的环境、资源、302地质力学学报https:/2023灾害等科学问题的需要
19、,实施了多个大陆、大洋科学钻探工程,并建成深井科学观测站,开展深井地壳变形连续观测,使得深井地壳活动综合观测技术得到飞速发展。国际地质学界非常重视地壳应力应变观测网建设,以日本、美国为代表的发达国家迅速转向研发深井综合观测仪器,这标志着深井地壳变形及应力动态观测技术进入新的发展时期。2000 年,美国华盛顿卡耐基研究所在灾害频发的 西 部 板 块 边 界 带 实 施 了 板 块 边 缘 观 测 计 划(PBO),计划建立一个由钻孔应变仪(200 套)、激光应变仪(5 套)和全球定位系统接收器(975 套)构成应力应变立体观测网络,开展应变、倾斜、地震、地温等井中综合观测,研究地球动力学过程与灾
20、害效应。截至 21 世纪初,实际建成 85 个钻孔应变台站,并在同一钻孔实现地震、孔隙压和倾斜综合观测(欧阳祖熙等,2009)。同一时期,美国地质调查局和斯坦福大学的科学家们以主要活动断裂为探测目标,启动了“圣安德烈斯深部探测计划(SAFOD)”,组织实施美国 Parkfield 地震实验场地球深部钻孔观测计划(观测井深 3.86km;图 1),建成以深钻孔综合观测仪为主要观测单元的圣安德烈斯断裂深井地壳活动综合观测站(图 2),并与地表观测相结合,长期观测震前震时震后的岩石性质和地应力状态的变化,以期获得活动断裂区域的应力响应特征 和 变 化 规 律(Hickmanetal.,2004;Un
21、sworthandBedrosian,2004)。FO 遥测仪75m 管道封隔区管路通往地面旁通膨胀管路三分量检波器三分量加速度计高温倾斜仪旁通膨胀管路三分量检波器三分量加速度计压力/温度计高温倾斜仪图2Parkfield 深井综合观测仪(据彭华等,2011 修改)Fig.2Parkfield deep-well comprehensive observation instrument(revisedfromPengetal.,2011)日本是世界上最早开展深井观测的国家之一。东浓地震科学研究所、名古屋大学环境研究所和东京大学地震研究所联合研发地壳活动综合观测系统(Ishii,2001;Ish
22、iietal.,2001;2002)。该系统可在一个钻孔实现应变、倾斜、地震、地磁、水位、井温等多参量一体化观测(图 3)。2000 年以来,日本实施了东京都地区、伊豆半岛地震群、神冈矿山活断层等多个观测网建设项目,其中 10003800m深井观测站就有 22 个(Wallaceetal.,2016)。随着综合 大 洋 钻 探 计 划(International Ocean DiscoveryProgram,IODP,20032013)的实施,IODP 研究领域的技术手段从钻探扩大到海底深部观测网和井下试验,开启了海底观测的新时代,世界上众多深井综合观测方向的科学家转向深海洋壳活动综合观测领域
23、。03214131030100300钻孔位置中间山脉第 1 年:钻探施工第 23 年:短期监测3.套管固井穿过断裂带2.井下测量和流体取样;1.钻孔关键点侧壁取心(1.52 km);3.定期拆卸仪器记录套管变形信息2.利用井内仪器研究原位表征;1.安装地震和流体压力监测仪器;第 4 年:连续取心2.在取芯孔内安装有槽衬管,便于后续水文监测1.连续 4 次侧窗穿过断裂带取芯,长度 250 m/次;第 5 年:开展长期监测(建成断裂带观测站)1.安装地震、流体压力、温度和变形综合监测仪器圣安德烈斯断裂?深度/km电阻率/(/m)图例主井侧钻井推测断裂图1美国 Parkfield 地震实验场深部钻孔
24、计划(据Zobacketal.,1998 修改)Fig.1Deep drilling plan of Parkfield Seismic Test Site in theUnitedStates(revisedfromZobacketal.,1998)第3期蔡美峰:深井地壳活动综合观测技术略谈303国际大洋发现计划(IODP,20132023),是地球科学领域迄今历时最久(成立于 1968 年,历经3 次更名)、规模最大(涉及美国、日本、欧洲、中国等 26 个国家)、影响最深的国际合作研究计划,实现了地球科学史上一次又一次的重大突破,提出了“揭示地球表层与地球内部的连接、研究导致灾害的海底过程
25、”等近期科学目标(叶建良等,2019)。为了研究海底运动、地壳变形和水文地质过程等多种海洋现象机理,IODP 第 332 次远征 C0002G 孔、第 365 次远征C0010A 孔和第 380 次远征 C0006 孔均 安 装 了 钻 孔 长 期 监 测 系 统(LTBM)。其 中,第380 次远征钻孔长期监测系统(LTBM)由压力计、应变仪、加速计、地震仪、倾斜仪和热敏电阻串组成(图 4),对海底断层活动及洋壳动力过程开展长期观测(Kopfetal.,2017;Safferetal.,2017;Kinoshitaetal.,2018a,2018b)随着科学技术不断发展,地球动力学与地震机理
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