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Observation and research of deep underground multi-physical fields—Huainan–848 m deep experiment

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Science China Earth Sciences 2023年第1期66卷 54-70页

作者： Yun WANG Yaxin YANG Heping SUN Chengliang XIE Qisheng ZHANG Xiaoming CUI Chang CHEN Yongsheng HE Qiangqiang MIAO Chaomin MU Lianghui GUO Jiwen TENG School of Geophysics and Information Technology China University of GeosciencesBeijing 100083China School of Geophysics and Measurement-control Technology East China University of TechnologyNanchang 330013China Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology Chinese Academy of SciencesWuhan 430077China Institution of Engineering Protection IDEAMSPLALuoyang 471023China State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines Anhui University of Science and TechnologyHuainan 232001China Institute of Geochemistry Chinese Academy of SciencesGuiyang 550081China

Compared with the surface,the deep environment has the advantages of allowing“super-quiet and ultra-clean”-geophysical field observation with low vibration noise and little electromagnetic interference,which are conducive to the realization of long-term and high-precision observation of multi-physical fields,thus enabling the solution of a series of geoscience *** the Panyidong Coal Mine,where there are extensive underground tunnels at the depth of 848 m below sea level,we carried out the first deep-underground geophysical observations,including radioactivity,gravity,magnetic,magnetotelluric,background vibration and six-component seismic *** concluded from these measurements that(1)the background of deep subsurface gravity noise in the long-period frequency band less than 2 Hz is nearly two orders of magnitude weaker than that in the surface observation environment;(2)the underground electric field is obviously weaker than the surface electric field,and the relatively high frequency of the underground field,greater than 1 Hz,is more than two orders of magnitude weaker than that of the surface electric field;the east-west magnetic field underground is approximately the same as that at the surface;the relatively high-frequency north-south magnetic field underground,below 10 Hz,is at least one order of magnitude lower than that at the surface,showing that the underground has a clean electromagnetic environment;(3)in addition to the highfrequency and single-frequency noises introduced by underground human activities,the deep underground space has a significantly lower background vibration noise than the surface,which is very beneficial to the detection of weak earthquake and gravity signals;and(4)the underground roadway support system built with ferromagnetic material interferes the geomagnetic *** also found that for deep observation in the“ultra-quiet and ultra-clean”environment,the existing geophysical equipment and observation technology hav

关键词： Multi-physical fields Radioactivity Gravity Geomagnetic Electromagnetic Earthquake Observations deep underground

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地下实验室与深地环境下的地球物理观测

地球物理学报 2022年第12期65卷 4527-4542页

作者：王赟菅一凡贺永胜苗强强滕吉文王志民荣亮亮邱隆清谢成良张启升刘向东孙和平杨亚新杨军中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院北京100083 中国人民解放军军事科学院国防工程研究院工程防护所河南洛阳471023 中国科学院地质与地球物理研究所北京100029 中国科学院高能物理研究所北京100049 中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050 华中科技大学物理学院武汉430074 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院武汉430074 东华理工大学地球物理与测控技术学院南昌330013 广东工业大学信息工程学院广州510006

地下实验室具有良好的低本底环境条件,为许多前沿学科研究提供了重要的实验场所,已经成为一个国家关键性的科学研究平台.目前国际上很多国家利用山体中的隧道空腔或地下矿井建立起众多的地下实验室,其中大多数进行天体物理和粒子物理实... 详细信息

地下实验室具有良好的低本底环境条件,为许多前沿学科研究提供了重要的实验场所,已经成为一个国家关键性的科学研究平台.目前国际上很多国家利用山体中的隧道空腔或地下矿井建立起众多的地下实验室,其中大多数进行天体物理和粒子物理实验与研究,部分同时进行着地球科学、岩体力学、地下生物等学科的相关实验.本文在介绍国际上一些重要地下实验室的基础上,着重对其在地球物理方面的观测与实验研究成果进行介绍;针对深部地下实验室所具有的“超静”与“超净”环境,阐述深部地下环境多种物理场观测所能达到的测量指标;针对深部地下实验室可实现的超高精度观测,讨论深地地球物理观测对目前仪器科学、装备与观测技术提出的挑战,及其将应对解决的诸多地球物理领域关键基础性科学问题.

关键词：地下实验室低本底地球物理超静超净

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几种旋转地震仪在深部地下巷道的观测对比

地球物理学报 2022年第12期65卷 4569-4582页

作者：陈畅王赟郭高源操玉文李帅张东明菅一凡汪超中国地质大学(北京) 地质过程与矿产资源国家重点实验室北京100083 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院 “多波多分量”研究组北京100083 北京大学电子学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室北京100871 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191 北京自动化控制设备研究所北京100074 中国科学院地球化学研究所贵阳550081

光纤旋转地震仪具有宽频带、高灵敏度、便携等优点,在地震旋转运动的观测中有着广阔的应用前景.光学旋转地震仪的性能会受观测环境噪声的影响,因此,在低噪环境下测试仪器的自噪声、验证其对远震信号的分辨能力是非常有意义的.利用淮南... 详细信息

光纤旋转地震仪具有宽频带、高灵敏度、便携等优点,在地震旋转运动的观测中有着广阔的应用前景.光学旋转地震仪的性能会受观测环境噪声的影响,因此,在低噪环境下测试仪器的自噪声、验证其对远震信号的分辨能力是非常有意义的.利用淮南停产的潘一东煤矿-848 m的地下巷道空间,我们开展了深部地下地震联合观测试验,对比了R-2型电化学式旋转地震仪与FOS1、FOS2、FOS3三种光纤旋转地震仪的自噪声水平,及其记录的远震Love波信号垂向旋转分量与切向加速度的相干性.观测与分析结果表明:光纤旋转地震仪的灵敏度高于R-2电化学式;较小的体积使得FOS3型六分量地震计的自噪声较高,而相对大体积的FOS1型单分量与FOS2型双分量光纤旋转地震计具有更低的自噪声和Allan方差,能有效捕获1000 km左右的远震旋转信号,且二者观测地震事件的波形具有较高的一致性.表明深地环境可用于光纤旋转地震仪的自噪声测试和比对,且有助于国内旋转地震仪性能的提高.

关键词：光纤旋转地震仪深部地下自噪声 Allan方差

利用单点六分量地震提取面波频散谱的数值验证

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地球物理学报 2023年第10期66卷 4269-4278页

作者：陈锋王赟李维郭高源秦林鹏孙丽霞韦永祥张宝剑中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院北京100083 福建省地震局福州350001

面波频散反演是揭示地下速度结构的一项重要手段.传统面波勘探技术侧重于多台站阵列数据频散分析.旋转地震学理论框架下六分量地震观测时,仅利用单台站记录的平动与旋转分量就可以获得面波频散曲线.本文从频率域谐振分析出发,利用模态... 详细信息

面波频散反演是揭示地下速度结构的一项重要手段.传统面波勘探技术侧重于多台站阵列数据频散分析.旋转地震学理论框架下六分量地震观测时,仅利用单台站记录的平动与旋转分量就可以获得面波频散曲线.本文从频率域谐振分析出发,利用模态叠加正演方法,讨论了不同模型下平动与旋转联合估算Rayleigh波相速度的可靠性.结果表明:单台站多分量地震数据估算的频散曲线受多种因素影响,估计过程存在一定的系统误差;典型浅层地质模型下,单点估算与多道面波分析方法(MASW)提取的Rayleigh波频散曲线在低频段吻合性好;若要降低单点多分量地震估算的系统误差,仍需研发配套的波场分离与不同阶频散谱的高精度提取技术.

关键词：面波频散曲线平动旋转数值模拟旋转地震学

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光纤旋转地震记录中的谐波噪声压制

地球物理学进展 2023年第4期38卷 1787-1798页

作者：菅一凡陈畅秦林鹏孙丽霞廖春奇汪超苑益军王赟中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院 “多波多分量”(MWMC)研究组北京100083 福建省地震局福州350003 中国科学院地球化学研究所贵阳550081

随着旋转地震仪的日趋成熟,天然地震旋转分量信号的观测工作进入大规模的试验阶段.我们使用一款基于光纤陀螺的三分量旋转地震仪在福建泉州台进行了为期28天的天然地震观测.室内处理数据时发现旋转信号中存在大量能量很强且频率成一定... 详细信息

随着旋转地震仪的日趋成熟,天然地震旋转分量信号的观测工作进入大规模的试验阶段.我们使用一款基于光纤陀螺的三分量旋转地震仪在福建泉州台进行了为期28天的天然地震观测.室内处理数据时发现旋转信号中存在大量能量很强且频率成一定规律的谐波噪声,本文针对此类具有明显特征的谐波噪声分别采用了低通滤波、时频滤波、奇异值分解以及单频滤波4种不同的方法对其进行压制试验,从而更好地识别有效地震事件.经结果对比表明奇异值分解法对此类谐波的去噪效果较为理想.分析去噪处理后的数据发现谐波掩盖下存在一些有效的旋转观测信号,经偏振分析应为近震源的人工干扰.

关键词：旋转分量谐波低通时频滤波奇异值分解单频滤波

深部地下多物理场观测研究--淮南-848m深地试验

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中国科学：地球科学 2023年第1期53卷 55-71页

作者：王赟杨亚新孙和平谢成良张启升崔小明陈畅贺永胜苗强强穆朝民郭良辉滕吉文中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院北京100083 东华理工大学地球物理与测控技术学院南昌330013 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院武汉430077 军事科学院国防工程研究院工程防护研究所洛阳471000 安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室淮南232001 中国科学院地质与地球物理研究所北京100029

相对于地表,深地环境具有振动噪声低、电磁干扰小的“超静超净”地球物理场观测优势,有利于实现多物理场的长期、高精度观测,从而使得一系列地球科学问题的解决成为可能.在淮南潘一东矿海拔-848m深部地下巨大的巷道空间内实施的首次放... 详细信息

相对于地表,深地环境具有振动噪声低、电磁干扰小的“超静超净”地球物理场观测优势,有利于实现多物理场的长期、高精度观测,从而使得一系列地球科学问题的解决成为可能.在淮南潘一东矿海拔-848m深部地下巨大的巷道空间内实施的首次放射性、重力、地磁、电磁、背景振动、六分量地震观测发现:(1)相对于地表观测环境,小于2Hz的长周期频段深部地下重力噪声本底要低近两个量级.(2)地下电场明显弱于地面电场,其中大于1Hz的相对高频段比地面弱两个量级以上;东西向磁场地面与地下近似一致;10Hz以上相对高频段南北向磁场地下比地面至少低一个量级,显示地下具有洁净的电磁环境.(3)除了地下人类活动引入的高频和单频噪声,深部地下空间具有明显优于地表的低背景振动噪声,十分有利于弱地震和重力信号的检测.(4)地下巷道支护系统对地磁场信号产生放大干扰.同时也发现,针对“超静超净”环境下的深地观测,现有的地球物理装备、观测技术存在适应性差和精度不足的问题,以及深地观测数据的信噪有效分离等数据清洗问题;而解译和综合利用高精度多物理场观测数据更显紧迫.

关键词：多物理场放射性重力地磁电磁地震深地观测

淮南深地重力观测的环境噪声评估与慢地震探测潜力

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地球物理学报 2022年第12期65卷 4555-4568页

作者：王振宇王赟徐如刚刘泰付广裕孙和平中国地震局地震预测研究所北京100036 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院北京100083 安徽省地震局合肥230031 中国科学院精密测量科学与科技创新研究院大地测量与地球动力学国家重点实验室武汉430077

深地实验室的低噪声特性为高精度连续重力观测提供了理想的外部条件.为了揭示深地观测环境对重力观测精度的提升效果,本研究利用CG-5型和CG-6型各两台重力仪,在淮南煤矿的地下和地表同时开展重力观测.为减小仪器性能差异对结果的影响,... 详细信息

深地实验室的低噪声特性为高精度连续重力观测提供了理想的外部条件.为了揭示深地观测环境对重力观测精度的提升效果,本研究利用CG-5型和CG-6型各两台重力仪,在淮南煤矿的地下和地表同时开展重力观测.为减小仪器性能差异对结果的影响,先在淮北重力站进行同址观测.研究结果表明,相比于地表观测,地下观测可以减少1/3至1/2的线性漂移和1/3左右的非线性漂移,提取的潮汐因子精度也更高.地下非线性漂移的功率谱密度比地表低,二者差异在半日波频段最大可达15 dB.相比于地表和山洞,深地观测在次地震频段有明显的低噪声优势.地震位错理论计算结果表明,冲绳海沟7级左右的地震可在淮南深地试验场产生大约0.003μGal的重力变化,超过0.001μGal的超导重力静态观测精度.因此有望利用淮南深地实验室,在次地震频段的低噪声优势环境下开展超导连续重力观测,捕捉冲绳海沟可能存在的7级以上慢地震事件.

关键词：地下实验室重力观测潮汐分析功率谱密度慢地震

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基于背景噪声记录的某建筑结构健康监测

工程地球物理学报 2023年第3期20卷 314-321页

作者：廖春奇秦林鹏王赟陈畅邵泉洋万文涛刘劲松福建省地震局福建福州350003 中国地质大学地球物理与信息技术学院北京100083

建筑物的共振频率是结构健康监测(Structural Health Monitoring,SHM)的重要指标。人们通常认为该指标受地震事件或环境变化影响最大,但很少有人讨论人类活动对它的影响。为了对福建省防灾减灾中心大楼进行结构健康监测,并分析人类活动... 详细信息

建筑物的共振频率是结构健康监测(Structural Health Monitoring,SHM)的重要指标。人们通常认为该指标受地震事件或环境变化影响最大,但很少有人讨论人类活动对它的影响。为了对福建省防灾减灾中心大楼进行结构健康监测,并分析人类活动对建筑物共振频率的影响,通过分析地震背景噪声数据,采用水平垂直谱比法(Horizontal to Vertical Spectral Ratio,HVSR),得出中心大楼地基的场地放大频带为1.5~3.5 Hz的多峰宽频带,大楼顶层的共振放大频带为以1.4 Hz左右为中心的单峰频带。大楼共振放大和场地效应处于同一频带,但放大程度是场地的近10倍。同时,顶层的HVSR谱幅值呈现出与人类活动有关的日变化、周变化特征,即春节、周末和夜间幅值小,工作日的白天幅值大。大楼的共振频率变化呈突变和渐变两个过程。其中,突变表现为:工作日白天,建筑物共振频率集中在1.36 Hz附近,其他时间集中在1.48 Hz附近,是被人类活动影响的体现;渐变表现为:在每天夜间、春节和大部分周末,中心大楼的共振频率不断上升,展现了建筑物共振频率恢复的动态过程。本研究的结果有助于建筑结构健康监测中考虑人类活动对共振频率的影响及共振频率的恢复,并为类似建筑物的健康监测提供参考。

关键词：背景噪声结构健康监测水平垂直谱比法共振频率

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广州市区浅层横波速度六分量地震探测试验

工程地球物理学报 2023年第3期20卷 411-420页

作者：郭高源李维张壹王赟曹瑜珈张丁凡中国地质大学地球物理与信息技术学院北京100083 中国地质大学“MWMC”研究组北京100083 中国地震局地球物理研究所北京100081 杭州友孚科技有限公司杭州浙江311200

理论上,通过平移与旋转运动联合观测的六分量地震记录,在单物理点上即可实现浅层横波速度结构的反演。本文主要目的为结合正演模拟设计六分量面波数据处理的流程,并将此单物理点方法应用至广州市区所采集的数据当中。本次研究在正演模... 详细信息

理论上,通过平移与旋转运动联合观测的六分量地震记录,在单物理点上即可实现浅层横波速度结构的反演。本文主要目的为结合正演模拟设计六分量面波数据处理的流程,并将此单物理点方法应用至广州市区所采集的数据当中。本次研究在正演模拟的阶段中,通过时频域滤波方法实现了基阶面波数据的提纯,设计了使用单物理点的六分量数据实现浅层横波速度结构反演的流程;在实际应用阶段,通过数据的波形和偏振分析,介绍了甲烷气爆震源激发下的六分量波场特征,并分析出基阶面波所在的时频区域,结合时频域滤波、基阶面波相速度反演得到了试验区的横波速度结构。其结果与区域地质调查结果有较好的对应性,说明此六分量地震观测方法在工程地震领域的应用是可行的。

关键词：平动旋转六分量面波频散基阶

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