微地震监测技术 发展方向及应用

微地震监测技术是一种地球物理检测技术，其主要手段是对生产活动中产生的微小地震事件，进行数据的采集，并加以观测和分析，并对所得数据及结论进行记录，对微小地震事件对生产活动的干扰、效力及岩体保持稳态的预测。系统监测微地震的三要素是监测活动的首要任务，他们包括震源的位置、发生的时刻以及震源深度及强度。本文通过微地震监测技术在国内外的发展现状及历史，针对广泛应用的原理加以解释，并对具体生产生活中的应用提供方案并进行了相关评价。

随着生产需要的不断演进，页岩气、非常规油气开采以及各类矿井开采的深入研究，微地震监测技术作为其依赖的核心成为保证效率和人员设备安全的重要保证。其多应用于判断压裂裂缝的形成、发展趋势的判断依据。研究微地震监测技术发展方向以及技术领域成为必然。经过近几年的不懈努力与不断探究，我国在该项技术上面取得了长足的进展。

微地震监测技术原理

在生产活动中经常会产生一些微小地震事件，通过特定的监测手段对其产生的扰动进行全面分析我们称之为微地震检测技术，通过这项技术可以评估出小地震事件对生产活动产生的影响。由于其为物理监测技术相应的也可以监测到地下洞室围岩的稳定状态。作为破坏力极强的自然灾害，地震的监测一直以来都是人们极力想要探明的一个领域，而地震发生时的震心位置，地震发生的时间和震源在地下的深度以及地震的强度都需要及时判断，对这些信息的追踪和确定是监测活动主要解决的问题。在岩体断裂的断面或者变形的表面微地震事件多有发生，这是出于应力集中现象，在生产活动中会对岩体原有的应力平衡破坏，这时应力集中就会出现在岩体中的裂缝周围，这些裂缝可以是本身存在的或新产生的，其应变能量提高。在岩体中存在原有裂缝，原有裂缝会受到外界的作用力影响，当受到较大的作用力时会发生局部的逆向屈服以及发生形变，导致裂缝会向物体内部不断延伸，此时应力松弛伴随向外界以弹性波的形式向外辐射能量。这种现象称其为微地震现象。

这些波的频率一般在200～1 500Hz范围内，一般持续时间较短低于15s。监测系统通过对原有裂缝缺陷部分和新产生的裂缝区域进行信号采集并加以分析记录，并借助外力的增加等信息确定新发生裂缝的变形位置以及具体形式和尺寸。经过不断地积累数据，形成数据库，根据经验可知：当频率越高，时间越短，辐射波的能量也就越小也就是说微地震事件越微弱，相应的可知破裂长度越短。利用统计学原理分析，可得出微地震事件的时间和空间相关信息，通过这些经验就可以对岩体区域稳定性给出一个较为合理的综合评价。

微地震监测技术的国内外发展现状

国内发展现状

早在2002年赵向东就提出了如下理论：由于在生产生活种应用材料不同，使得材料内部的强度迥异，有些材料内部强度不够，会形成局部能量过高现象。这样就使得外界扰动作用在这些固体材料时，应力集中现象发生在物体内部，局部应力的集中很有可能会出现塑性形变和微观损伤，正所谓千里之堤溃于蚁穴，当物体存在一定数量的微观损伤，这些损伤不断扩张会形成较大的裂痕，使得整体材料内部受损，失去其功能性。在1991年和2000年，吴光琳、彭新明分别对岩石声进行了科学阐释。在裂纹的聚集和扩展时，会以一种较为突然的形式累积，与此同时释放能量，其形式就是弹性波。在较长时间内，包括一些地质勘探活动，以及生产活动的进行，会持续对岩体造成损伤，损伤累积会导致岩体结构的整体破坏，当这些破损辐射的能量在低频率带时，这种现象就属于微地震。

在2012年，宋维琪提出了关于监测微地震事件等效速度反演定位法，其用意是为了解决地面微地震监测资料相邻通道走势曲线时差微小的问题，该方法主要利用的是建立模型，该模型具备记录初始速度的能力，并可以模拟出其等效速度，主要利用已有的扰动速度模型，通过差分计算迅速锁定等效速度。通过这些信息追溯该地震事件来定位的方法。校正了反演不够灵敏，且精度不高的问题。其有效性也给出了相关了的证明并得到了实验验证。在2013年，何惺华利用射孔直达级三分量检波器震源反演法来定位震源。首先利用射孔直达纵波水平分量来确定检波器的方位角。通过其传播速度与时间按照偏移角度向回推得到大概的地震发生的中心区域范围；但是由于震源反演中存在有多解问题，需要再多确定一个要素如检波器与震源方向偏差的夹角，通过空间坐标系利用矩阵方法，根据统计学原理，来计算得出地震中心的具体坐标，这种极具创造性的检测方法为将来的发展方向打开了全新的思路。

国外发展现状

微地震研究作为一项地球物理技术在国际上发展迅猛，尤其在欧美发达国家当中，OYO Geospace，Avalon，Sercel等公司在硬件供应方面非常出色。而相应的在软件方面有建树的如ESG、ASC等公司。众所周知检测系统实为核心Pinnacle，Schlumberger，Microseismi Inc.等公司具备很强的实力。

早在2009年斯伦贝公司就推出了StimMAP系统，该系统是一个实时自动的监测与定位系统，主要用于微地震监测与定位真正实现了自动化和全面的实时显示。该系统的设计思路是利用已知具体参数的外界激励，对周围物体施加水力压，并用地震检波器进行探测，经过分析计算实现实时水力压裂微地震监测，这一过程一般会在半分钟内完毕并提出检测报告。

2006年时威德福公司推出了FracMap技术，该项技术主要应用于永久性井下设备制造、安装和数据采集。其检测技术主要体现在储层压裂监测和油藏动态监测。这种井下声波设备十分先进，是一种比较直观且有效的定位测量方法，可以通过裂缝的传播追根溯源，并且繪制连续的画面进行裂缝形成的回执报告信息，通过反馈信号可知其具体状态，包括形成过程及在收到压力时的状态。

微地震监测技术的具体应用endprint

矿山安全开采微地震监测

在某处陡峭的山坡上发现一处矿产，两侧山体应力较高，其中一侧存在较深的内部裂缝，海拔较低的位置有松弛的岩体，总体地质条件复杂。当挖掘工作不断延伸，围岩应力平衡将会被打破，平衡被打破就会造成岩体的破坏，原本存在的缺陷漏洞就会形成宏观上的破坏。这就给整体工程的人员以及设备财产带来巨大的安全隐患，为了能保证施工过程的安全性要对整个岩体的各种缺陷以及在挖掘过程中形成的岩体破裂现象发生的具体时间，破裂程度以及破裂深度和具体位置，监测并进行标记存档；采集到的微地震信号其产生的具体方式，辐射出去的能量形式，具有的频率特性和持续时长需要分析才能溯源计算得到岩体破裂的具体类型。在接下来的生产活动中即可实现实时监测、分析变形预测其发展趋势，评估工程安全性达到预警的效果。与此同时需要查阅相关资料，如历年对岩体观测记录，当地岩体地质信息特征等，才能更好地分析微地震与应力卸荷的关系，这样才能对岩体保持稳定状态特性的科学评估。

隧道挖掘的微地震监测

1）傳感器、监测台站、线缆及监测孔是组成系统的必要部分。为了更好地全方位接收必要信号信息，这就需要在没个检测孔上安装上灵敏的传感器，一般多用至少三分量传感器；2）信号输入系统以后，需要相应的进行采集判别进行分类处理，信号采集模块是常用的部件，经过初步处理之后一并传输到处理器当中进行相关计算和分析；3）处理器会利用相关软件和修改，主要是对存储在记录仪当中的关于微地震信息各项参数，接受并传输数据对其做处理，并对数据进行初步分析，绘制出波形信号图示，并将所得信息和图形进行存储；4）信号数据传入电脑中，数据处理软件会对所得信号进行采样并进行初步处理，经过微地震监测系统计算可得出因生产活动遭到破坏的岩体位置、深度等信息。这样就可以预知那些施工部位的安全性，保证人员设备安全。

结论

全文通过对当下热门的微地震监测技术的发展历史，理论研究进程以及最前沿的包括国内和国际上的科研成果进行了比较全面的概述，阐释了在近几年飞速发展并被广泛研究的地球物理技术的原理及其主要应用。在国内相关研究起步较为落后，在我们的发展过程当中将会遇到诸多需要攻克的技术难题，例如针对微地震现象，我们还缺少对该现象专门进行数据收集的计量系统、对微地震必要要素的迅速采集和精确判断以及对微地震产生的波形研究和发生机理的研究都是亟待解决的课题。未来道阻且长，需要大量的数据采集积累并付出艰巨的劳动才能使微地震检测技术成为一种较为成熟的检测与预报手段。

参考文献

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（作者简介：徐金，云南省地震局。）endprint