地震预报是世界性科学难题，地震又是罕遇事件，实践及检验理论的机会较少。因此，按照科学思路，选择强震危险区域及多地震地区建立地震预报实验场，是使地震预报研究取得突破性进展的最佳途径^[1]。2018-05-12在汶川地震10周年国际研讨会暨第4届大陆地震国际研讨会上，王勇国务委员代表中国政府向国际社会宣布建设中国地震科学实验场(以下简称实验场)。实验场的建设使“野外地震科学实验”的概念得以实现，更多精准测量、密集观测、连续动态监测及在10 a尺度上“捕捉”地震并进行“贴近观测”开始成为可能^[2]。

近年来，依托实验场项目的建设，四川省地震局充分利用现有的观测网络，不断增设新的监测站点，使用多种高精度新型地震前兆观测仪器在实验场区进行野外观测，持续构建以潜在地震危险区为中心，深部、地表至近地空间的立体观测系统，探索地震监测布局优化的新模式，提升场区地震监测预报能力，并为探索地球深部物质组成状态与演化、地震孕育发生规律及成灾机理等重大地震科学问题提供数据支撑。本文主要介绍中国地震科学实验场(成都基地)中的5种新型观测手段：由应急管理部国家自然灾害防治研究院刘耀炜研究员团队牵头的高精度氢实验观测、应急管理部国家自然灾害防治研究院电磁监测实验卫星三频信标接收站(网)、北京大学深圳研究生院王新安教授团队的AETA多分量地震监测系统、上海交通大学何祖源教授团队的高精度光纤应变场检测仪实验观测和浙江工业大学林强教授团队的冷原子绝对重力仪实验观测。各实验观测点分布见图 1。

1 高精度氢实验观测 1.1 背景概述

氢具有粒子半径小、质量轻、迁移速度快等特性，地壳中的氢主要沿活动断裂带和活动板块边界带集中分布并大量释放，与地震活动关系密切。空气中氢的含量较低，地壳中氢的含量是大气中的几千甚至几十万倍，地震前出现的氢浓度异常持续时间短且特征显著，易于识别^[3-5]。

构造活动和地震活动强烈的断裂带是断层气释放强度较高的区域，断层气观测是地震前兆监测的有效手段之一^[6]。传统的利用气象色谱仪观测的氢未能达到台站连续观测的需要，连续观测痕量氢观测仪能够记录断裂带逸出氢的微动态变化过程，使氢的连续观测成为可能。

2015年由应急管理部国家自然灾害防治研究院刘耀炜研究员团队牵头，中国地震局地震预测研究所及四川省地震局共同参与的实验场项目“高精度氢地震观测新技术示范研究”在实验场区成立，主要进行断层土壤逸出氢观测技术实验与地震预测实践，为建立断层逸出氢的观测方法技术规范提供了实验依据。

1.2 野外架设

在项目实施过程中，综合构造特征、水文地质条件、人类活动和土壤气背景值测试结果，在安宁河-则木河断裂带上选择大箐梁、羊福山、小庙3个场地，建成5个土壤逸出氢连续观测点(其中小庙场地建设3个连续观测点)和12个定点流动观测孔。这些观测点具有土壤逸出氢浓度高、地下水位埋深深、人为干扰因素小、便于施工且利于维护等特点。观测点均布设在断层破碎带上，观测井孔直径1 m、孔深8 m，预埋集气装置及输气管，井孔集气装置见文献[7]。在孔底集气仓预置电子温度传感器，通过电缆与地面仪器连接。

5个野外连续观测点由井孔、地面基座、观测机柜、太阳能供电系统等组成，观测机柜内安装ATG-6118H型痕量氢观测仪、地温观测设备、电源及通信等辅助设备。ATG-6118H型痕量氢观测仪的检出限为0.01×10^-6(0.01 ppm)，测量范围为0.01~5 000 ppm，线性γ²≥0.996，平均相对误差δ≤5%，仪器配置有环境气温传感器和气压传感器，同机给出氢气浓度、气温和气压测值。在井孔地下8 m的集气仓内预埋有WD-2000型阵列式地温观测仪温度传感器，同步进行地温观测。

在流动观测孔上修建正方形水泥基座，输气管口安装气体阀门，井口配置水泥井盖，用于保护输气管和地温电缆，流动观测时使用ATG-3000H便携式测氢仪，每期观测间隔3~4个月。

1.3 实验观测

四川地区实验场的高精度氢观测台阵是由覆盖不同构造段、有较高密度的连续观测点和定点流动观测孔组成的断裂带土壤逸出氢观测台阵，实现了野外太阳能供电、无线传输和无人值守的设计要求，适合于高密度、低成本地震监测台网的发展趋势^[7]。

为进一步对比分析土壤逸出氢与井孔逸出氢的差异性，探索高精度氢观测的适用条件，同时选择汶川映秀台、都江堰龙池台、石棉台、西昌台和泸沽湖台的流体井孔及青川台的钻孔井孔进行同型号仪器对比观测(图 2)。观测数据表明，在断裂带上的井孔中开展逸出氢观测是可行的，断裂带内逸出氢浓度与其破裂程度、断层活动性及地震活动性密切相关，不同构造环境下氢的背景值与其动态特征各不相同^[8]。

高精度氢观测实验验证了土壤逸出氢与井孔逸出氢观测的可行性，目前几个土壤逸出氢实验点已移交地方专业台站进行长期观测。

2 电磁监测实验卫星三频信标地面接收站建设 2.1 背景概述

法国DEMETER卫星2004~2010年运行期间获取的探测资料是研究地震电磁空间探测的重要基础。结果证实，岩石圈发生的强烈地震可能在顶部电离层区域ULF/ELF/VLF频段上激发不同类型的电磁扰动^[9-10]，如汶川地震、智利地震、玉树地震前后，DEMETER卫星在ELF/VLF频段上观测到了强烈电磁波动。

2018-02-02首颗由中国自主研制的地震电磁监测实验卫星“张衡一号”成功发射入轨，正式开启其科学使命，将卫星数据在空间地震电磁探测中的应用推向新阶段^[11]。“张衡一号”卫星搭载了8种科学载荷，开启了中国自主空间探测地球物理场和各类电磁扰动信号，并用于积累空间地震前兆信息的先河^[9]。其中，高精度磁强计、掩星接收机和三频信标发射机加强了对高精度地磁场和电离层电子密度剖面结构的探测能力。

三频信标地面接收站是“张衡一号”卫星的地面信号接收点。2019年，由应急管理部国家自然灾害防治研究院组织管理、四川省地震局具体实施的四川区域三频信标接收站建设正式启动，拟沿卫星轨道方向在地震活跃区搭建电磁卫星工程应用系统，开展电离层动态实时监测和地震前兆跟踪监测，以探索地震电离层扰动机制^[11]。

2.2 野外架设

三频信标观测系统由星载发射机、地面接收站和卫星地震应用中心服务器等组成，为全自动运转。当卫星过顶时，星载发射机向地面同时发射150 MHz、400 MHz、1 067 MHz等3个频率的信号，由地面站接收系统收取信号，接收到的信号经过数据处理，反演获得接收站上空电离层电子密度剖面结构等数据产品。地面接收站由接收机、工控机、接收天线组成，接收机负责信号的接收、运行及控制，工控机用于参数设置、数据存储及外部通信传输，接收天线用于接收卫星信号。卫星地震应用中心服务器每天向接收机推送星历文件，接收机通过星历文件推算卫星轨迹，卫星从地面接收站上空飞过时接收机自动开机接收卫星信号并生成数据文件，数据文件即时通过行业网推送至卫星地震应用中心。

在项目实施过程中，结合地震活动情况、区域构造特征和三频信标选址要求，在绵阳、乐山、炉霍和稻城地区建设4个三频信标地面接收站(图 3)。它们具备：1)电磁环境条件良好，在观测频带内无强烈的电磁环境干扰；2)站点周边视野开阔，四周最大水平仰角小于15°；3)使用频谱仪进行台站电磁环境测试，经过信号衰减计算和信道模拟器的仿真，频带内的干扰信号强度不高于相关规定；4)较为完善的交通、电力、通信等综合保障场地条件。

接收天线安置在符合观测条件的楼顶天线基座上，接收机与工控机放置在室内专业机柜中。目前，绵阳站、炉霍站和乐山站已完成建设，数据传输回卫星地震应用中心并由专业人员进行数据分析应用。

3 AETA多分量地震监测系统 3.1 背景概述

大地震发生前和发生时，通常伴随异常声音，赵刚^[12]对这些地声的产生机理、特性及其与地震的相关性等展开研究，地震的各种观测记录及岩石破碎实验均证明了地震过程中地声的存在。岩石破裂实验同时表明，绝大部分岩石在受压至破裂前都会发出脉冲式电磁辐射信号^[13]。目前，电磁扰动观测已经发展成为电磁学领域的重要监测手段，有可能从震前电磁波辐射信号中提取短期临震前兆信息^[14]。

多分量地震监测系统AETA是由北京大学深圳研究生院王新安教授团队开发研制的地声、电磁扰动观测系统，2015年以来分批次在四川地区布设了115套观测设备(图 4)。

3.2 野外架设

多分量地震监测系统AETA由电磁传感探头、地声传感探头、数据处理终端及云平台组成。为屏蔽空间干扰，电磁传感探头和地声传感探头埋设于地表 2 m以下或布设在山洞内。电磁传感探头采用感应式磁传感器的磁棒设计，监测频段为0.1 Hz~10 kHz、0.1~1 000 nT较宽动态范围的甚低频、超低频电磁波段，采样率为500 Hz(低频)和30 kHz(全频)^[15]。地声传感探头是一种基于压电薄膜传感器的宽频带地声传感探头，监测频段为0.1 Hz~50 kHz，覆盖次声波、声波到部分超声波波段，采样率为500 Hz(低频)和150 kHz(全频)^[16]。采集到的电磁扰动和地声信号通过网络传输到云平台进行存储和处理，利用互联网可以对其进行实时访问。

3.3 实验观测

多分量地震监测系统AETA的设计目标是期望通过高密度、广覆盖的观测实验，获取地震事件前后的电磁信号和地声信号，研究分析观测信号中可能蕴含的地震前兆异常，从而进行地震监测和预测^[17]。从2015年安装3套实验仪器开始，不断进行仪器升级改造。2017年九寨沟7.0级地震前后，九寨沟附近刚安装2个月的部分仪器检测到异常信号；为进一步分析异常信号与地震的相关性，北大深圳研究生院加密布点，组点成网，先后在四川地区建成115个实验测点。

4 高精度光纤应变场检测仪实验观测 4.1 背景概述

地震是地壳运动的一种特殊形式，地壳形变是地震发生过程中最直接的伴随现象。新的观测技术结合新的研究思路将在现今地震形变观测及地震预报的科学发展中起到重要作用^[18]。从形变观测数据的角度来看，一方面地震应变传递到地表的量级大多小于10^-8，应变信号微弱；另一方面，数据测量周期长，干扰源也很复杂，因此高精度灵敏仪器的开发和应用变得尤为重要^[19]。

2018年，上海交通大学何祖源教授团队研发了基于超高精度准静态光纤应变传感技术的地壳应变场检测仪样机，并在四川省甘孜藏族自治州泸定县燕子沟地震台山洞(简称燕子沟山洞)内进行连续观测实验。

4.2 野外架设

该地壳应变场检测仪的实验室测量精度为0.1 nε，由光纤传感器解调主机和传感网络2个部分构成。其中，传感网络由光纤传感单元组成，每个传感单元包括2组传感元件，一组用于感测地壳应变信息，另一组用于拾取环境温度变化。光纤传感单元固定在地壳基岩上，当地壳发生形变时，这种形变信号被传递到光纤传感单元上，使光纤传感单元的光学参数发生改变，继而被光纤传感器解调主机检测出来，并由此得到各光纤传感单元所在位置的地壳应变，结合各光纤传感单元的位置分布信息，获得待测区的地壳应变场信息^[20]。

地壳应变场检测仪光纤传感系统布设在燕子沟山洞内，该洞为正南北走向，深80 m，内有3间观测洞室。野外作业时，在3号洞室基岩平台一侧2.0 m×1.3 m范围内，选取间距为1 m的4个点进行垂直打孔，孔深43 cm(18 cm水泥层+25 cm基岩层)，孔径35 mm。测量位点安装5个时分传感通道，包含4路呈“米”字型方向布设的应变传感单元和1路温度参考单元，以实现二维应变张量观测^[20]。

地壳应变场检测仪样机解调主机放置在台站机房，传感系统经由保偏光纤与山洞外的解调主机相连。通过控制软件程序使每个传感通道完成预应变调节，随后锁紧金属基座的紧固螺钉，固定预应变。最后，在整个传感单元阵列区域上方加盖两层隔离板密封，以保证传感单元所在空间的环境稳定。洞室密封一周后，传感单元阵列所处环境重新达到稳定状态，即可正式开始进行地壳形变的连续观测。

4.3 实验观测

实验观测结果显示，光纤应变传感器在测量精度、长期稳定性、可阵列化等主要指标方面优势突出^[21]；地壳应变场检测仪样机能够捕获地壳固体潮信号，可观测到地震引起的剧烈地应变变化，较为真实地反映地壳形变的实际状况，具备高精度应变测量能力。但在标准时间校准、断电恢复、数据格式规范化等方面还需进一步完善，以提高其实用性。

5 冷原子绝对重力仪实验观测 5.1 背景概述

重力场是地球的基本物理场，通过分析地球重力场与地壳深部结构、物质运移分布及动力学过程，可以研究地震孕育发生过程中的重力前兆变化特征。目前，在我国地震预测研究和实践中，连续的绝对重力观测受限于绝对重力仪无法进行长时间的连续观测。冷原子重力仪是近年来快速发展起来的一种新型绝对重力测量仪，其核心技术是原子干涉。随着激光技术和冷原子干涉仪技术的快速发展，紧凑且可移动并进行连续观测的冷原子重力仪已变成现实^[22]。

浙江工业大学林强教授团队研发了μGal级的高精度小型化冷原子绝对重力仪，为获取高精度重力场数据提供了重要技术支撑，该仪器样机于2019年在燕子沟山洞进行了连续15 d的实验观测。

冷原子绝对重力仪利用原子作为测试质量，在真空中下落或上抛一团冷却到μK量级甚至更低的原子，随后给原子团作用以拉曼激光，从而实现冷原子物质波的干涉^[23]。重力加速度会改变微观原子的下落路径，改变干涉条纹的相位，重力信息会包含在原子干涉条纹的相位里，通过测量冷原子干涉仪的相移就可以精确提取重力场信息^[24]。

5.2 实验观测

林强教授团队研发的冷原子绝对重力仪具有量子传感器的高稳定性、高灵敏度、高重复率和高精度等特点，实现了国产绝对重力仪的可移动、小型化和简单操作，具有自动调整倾斜功能，开机后能够快速测量，不需重新抽真空和精密机械对准或光学对准，其绝对重力测量精度为10 μGal，能够满足长期连续测量需求。

实验数据显示，连续15 d的不间断记录可清晰反映出潮汐引起的重力场变化，实验数据曲线与理论数据曲线具有较好的吻合性，观测实验达到预期的效果，冷原子绝对重力仪能满足较长时间的连续绝对重力测量。

6 结语

本文介绍的5种实验观测只是实验场区开展的部分实验，充分体现了实验场的开放、合作、多学科和综合性。多种新仪器、新技术、新方法在实验场区经过了实验研究与实践检验，有的已经进入行业内部进行常规观测，有的正在行业内推广，有的则继续改进与完善。

中国地震科学实验场作为国家重大科技基础项目，是世界首个研究从地震破裂过程到工程结构响应全链条的地震科学实验场，是集野外观测、数值模拟、科学验证和成果转化应用全链条的科技创新平台。随着“地震数值预报模拟器”、“地震科学大数据中心”等重大工程设施的持续推进，野外实验和室内实验还需相互补充。从实验场四川地区野外实验观测的现状来看，实验观测尚有很长的路要走。随着实验场工程项目的持续推进，还需要继续集合各个行业的科研力量，形成多主体共同参与的攻关机制，继续研发具有高稳定性、低成本、易于大量布设的监测设备及便携式地球物理场流动观测仪器。同时，数据的格式和产出质量还需要进一步规范，实验数据的采集质量尚需监督和评价。

致谢: 本文得到李大虎博士和陈嘉庚博士的帮助，在此表示衷心感谢。