王赟，菅一凡*，賀永勝，苗強強，滕吉文，王志民，榮亮亮，邱隆清，謝成良，張啟升，劉向東，孫和平，楊亞新，楊軍

1 中國地質大學（北京）地球物理與信息技術學院，北京 100083 2 中國人民解放軍軍事科學院國防工程研究院工程防護所，河南洛陽 471023 3 中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029 4 中國科學院高能物理研究所，北京 100049 5 中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海 200050 6 華中科技大學物理學院，武漢 430074 7 中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院，武漢 430074 8 東華理工大學地球物理與測控技術學院，南昌 330013 9 廣東工業(yè)大學信息工程學院，廣州 510006

0 引言

地下實驗室具有低宇宙射線強度、低電磁輻射、低振動噪聲的特征，為開展粒子物理、基礎物理、天體物理及宇宙學等學科的一些重大基礎性前沿問題研究提供了非常重要的實驗場所和良好的低本底環(huán)境（Ewan and Davidson,2005;Normile,2009;程建平等，2011;Suzuki and Inoue,2012;Bettini,2014;Rosat et al.,2018）.目前，許多國家都已建立起地下實驗室，容積從幾百立方米到十幾萬立方米，垂直巖石覆蓋厚度從幾百米到兩千多米不等，其分布和巖石覆蓋厚度如圖1和表1所示.為了避免專門挖掘地下工程的高成本投入，目前地下實驗室均是利用已有的地下空腔，大致分為兩類，一類是利用廢棄的礦井，另一種是利用山體中的隧道空腔.國際上一些代表性的地下實驗室包括意大利的LNGS、法國的LSM和LSSB、美國的SUL和DUSEL、加拿大的SNO、日本的神崗（Kamioka）、韓國的襄陽（Y2L）、南美的ANDES、英國的Boulby、西班牙的LSC和俄羅斯的Baksan等；其中中國錦屏暗物質實驗室（CJPL）是目前垂直覆蓋層最厚的地下實驗室.這些實驗室中，利用隧道的實驗室大部分位于山體中，具有一定的海拔高度；部分利用礦井的實驗室深入海平面以下；其中只有加拿大SNO、英國Boulby、在建的芬蘭CUPP實驗室深達海平面以下千米，且以加拿大SNO實驗室最深，達1700多米.盡管從評價宇宙射線通量的角度，垂直覆蓋層厚度是個重要的參數（程建平等，2011），但對于振動噪聲和電磁干擾的屏蔽，海平面以下的地下實驗室更具優(yōu)勢（Lesko,2008）.

圖1 當前國際地下實驗室分布 （集中于北半球）（根據Dib，2015）Fig.1 Current distribution of international underground laboratories （concentrated in the northern hemisphere）（redrawing according to Dib ,2015）

表1 國際主要地下實驗室相關信息Table 1 Information about major international underground laboratories

這些地下實驗室以開展暗物質、雙β衰變、中微子等各種類型的粒子物理實驗為主，同時也進行著巖體力學、地球科學、地下生物等學科的實驗研究.幾十年的持續(xù)建設與發(fā)展，地下實驗室已成為重大基礎科學研究的綜合性平臺，是一個國家關鍵、標志性的重大基礎科學設施（賀永勝等，2018）.其中，深入地下500 m以上的深部地下實驗室（以下簡稱深地實驗室）具有優(yōu)良的“超靜”、“超凈”原位本底環(huán)境，且空間巨大、人員可進入性良好（Rosat et al.,2018;張苗苗等，2021），可實現多物理場的高精度四維監(jiān)測，對開展地球深部動力結構和過程演化的研究具有重要意義.本文在介紹國際重要地下實驗室的基礎上，重點對地下進行的地球物理觀測實驗和研究進行介紹.

1 國際上有代表性的地下實驗室

1.1 天體與粒子物理實驗室

2010年前加拿大的SNO（Sudbury Neutrino Observatory）曾是世界上正在運行的、垂直巖石覆蓋厚度（約2000 m）最大的地下實驗室（圖2）；該實驗室位于廢棄的地下礦井中，容積約為3萬m3.SNO實施的項目包括暗物質搜索、無中微子雙β衰變實驗、超新星中微子探測，以及由SNO+探測器承擔的多種物理實驗（Lesko,2015）；其中最著名的就是利用數萬噸重水來觀測大氣和太陽中微子的振蕩實驗，實驗結果證實了中微子振蕩的存在，加拿大科學家Arthur B.McDonald因這一成果獲得了2015年諾貝爾物理學獎.

圖2 SNO的布局及其實驗方案（Lesko,2015）Fig.2 Layout and experiment plans of SNO （Lesko,2015）

俄羅斯的Baksan地下實驗室BNO（Baksan Neutrino Observatory）是前蘇聯從20世紀60年代開始在北高加索安德爾奇山的水平隧道中建設的，山體垂直覆蓋厚度1270 m.一臺裝有3200個探測器的地下望遠鏡占據了整個實驗大廳；在距隧道入口3500 m的最深處布設了鎵鍺中微子望遠鏡，主要實施中微子探測、尋找雙β衰變及引力波探測等物理實驗（Pomansky,1986）.

圖3 SUL的布局及其實驗計劃（Lesko,2015）Fig.3 Layout and experiment plans of SUL （Lesko,2015）

美國SUL（Soudan Underground Laboratory，蘇丹地下實驗室）位于明尼蘇達州Soudan的一個地下礦井中，其巖石覆蓋厚度約為600 m，如圖3所示；目前運行著中微子振蕩實驗MINOS及利用低溫高純鍺和硅探測器直接探測暗物質的實驗CDMS等（Lesko,2015）.

韓國襄陽（Y2L）地下實驗室建在抽水蓄能電站地下廠房附近的隧道中，垂直巖石覆蓋厚度約為700 m，空間容積約為1000 m3.清華大學暗物質實驗團隊從2000年開始參與韓國襄陽地下實驗室的建設、重要參數測量和暗物質實驗研究工作.目前韓國開展了碘化銫晶體直接探測暗物質的實驗和鉬酸鈣晶體測量雙β衰變的實驗.2005年清華大學在該實驗室開展了低能量閾高純鍺探測器直接探測暗物質的實驗研究，為我國暗物質實驗技術的探索和實驗人才的培養(yǎng)奠定了良好的基礎（程建平等，2011）.

1.2 綜合類實驗室

意大利LNGS（Laboratory National Gran Sasso,革蘭薩索國家實驗室）容積達到18萬m3，垂直巖石覆蓋厚度達1400 m；位于意大利東北部亞平寧山脈一條長達10 km交通隧道的中部，所處地層為意大利中部最大的含水層.實驗空間包括長、寬、高分別約為100 m、20 m、20 m的3個實驗大廳以及服務區(qū)、入口和緊急隧道.該實驗室開展了數十個包括暗物質、雙β衰變、中微子實驗、引力波實驗、地質力學實驗等不同類型的科學研究，取得了一系列非常重要的實驗成果；并且建設了國際上最好的超低本底放射性核素測量平臺，其本底計數率可以達到幾十個微Bq的超低水平，為放射性材料檢測、暗物質、雙β衰變、中微子等實驗提供超純材料選擇、本底分析等服務.

20世紀50年代美國科學家利用廢棄的Homestake礦井，布設重量約600 t的C2Cl4液體作為探測器開展太陽中微子實驗研究，證明了中微子的存在，并探測到了太陽中微子；Raymond Davis憑借這項研究成果獲得了2002年度諾貝爾物理學獎.2002年Homestake礦井擬關閉時，美國國家科學基金會（NSF）出資進行改擴建，重命名為DUSEL（Deep Underground Science and Engineering Laboratory，深地科學與工程實驗室），在原垂直巖石覆蓋厚度1500 m的基礎上，計劃拓展到2300 m，如圖4所示，后因投資等問題終止.

圖4 DUSEL各分區(qū)實驗功能分布Fig.4 Distribution of experimental functions in each zone of DUSEL

圖5 SURF的布局及其實驗計劃（Lesko,2015）Fig.5 Layout and experiment plans of SURF （Lesko,2015）

2006年，T.Denny Sanford對Homestake礦井進行了繼續(xù)的改擴建，增加了新的實驗空間和設施；并以Sanford命名這些實驗室，統稱為SURF（Sanford Underground Research Facility，Sanford地下研究設施）投入使用.大型地下氙（LUX）暗物質實驗、長基線中微子觀測與深地中微子實驗（LBNF/DUNE）是其中運行的兩個大型實驗項目，位于地下1478 m的區(qū)域（圖5）；此外，SURF還運行著生物、地球科學和工程學科領域的實驗項目，但人們習慣上還稱之為DUSEL.

日本神崗（Kamioka）實驗室位于日本神崗附近的一個礦井中，其垂直巖石覆蓋厚度約1000 m，容積超過5萬m3.實驗室建造有大型中微子探測器——超級神崗探測器，其最初設計目標是探測質子衰變，同時也能夠探測太陽、地球大氣和超新星爆發(fā)產生的中微子.神崗探測器成功探測到了來自太陽的中微子，并證實了Raymond Davis的實驗結果.1987年2月，神崗探測器與美國的探測器共同發(fā)現了大麥哲倫云系中超新星1987A爆發(fā)時產生的中微子，這是人類首次探測到太陽系以外的天體產生的中微子.基于該實驗室中運行的中微子實驗，日本科學家曾于2002和2015兩個年度獲得了諾貝爾物理學獎.

法國LSM（Le Laboratoire Souterra inde Modane，莫丹洞穴實驗室）位于法國東部羅納—阿爾卑斯大區(qū)薩瓦省的邊境小鎮(zhèn)Modane、阿爾卑斯山脈弗雷瑞斯山峰下1700 m的巖石中，處于連接法國薩瓦省和意大利西北的皮埃蒙特大區(qū)的弗雷瑞斯交通公路隧道的正中央（圖6）；離入口處約6.5 km，面積400 m2，空間容積約3500 m3.LSM于1982年正式開放，最初用于屏蔽宇宙射線，探測質子潛在的不穩(wěn)定性，開展天體物理的基礎研究，揭示宇宙的奧秘（起源、組成和演變）.1988年后，通過國際合作，研究擴展至暗物質、中微子、雙β衰變和超重化學元素；涉及核物理、粒子物理、宇宙學、地球科學、光譜學、微電子學等諸多學科領域.目前主要開展了四大實驗：EDELWEISS（探測WIMPs粒子，尋找暗物質）、NEMO（中微子和雙β衰變研究）、TGV（雙β衰變研究）和SHIN（尋找自然界中的超重元素）.同時，它擁有世界獨一無二的14臺尖端的γ能譜超低本底鍺探測器，在環(huán)境監(jiān)測、超純材料遴選、海洋放射性普查、地質定年，甚至在波爾多葡萄酒酒齡的鑒定方面進行了獨特的應用研究.該平臺為世界不同國家和地區(qū)的低放射性水平樣品提供高靈敏度的測量服務（馮立迎等，2014）.

圖6 LSM實驗功能與分區(qū)示意（www.cas.cn/kxcb/kpwz/201104/t20110419_3118407.shtml）Fig.6 Experimental functions and zones of LSM

法國的LSBB（Labortoire Souterrain a Bas Bruit，低噪聲洞穴實驗室）最初出于軍事目的，建在遠離大城市、工業(yè)和交通發(fā)達地區(qū)的法國Rustrel呂貝龍公園，深達地表以下500 m，具有低背景噪聲優(yōu)勢.實驗室由EQUIPEX MIGA（Matter wave-laser based Interferometer Gravitation Antenna，基于激光干涉的引力波探測）項目和歐洲FEDER 2006—2013“PFM LSBB——LSBB環(huán)境質量發(fā)展”項目資助（Rosat et al.,2016）；安裝有巨大的非常規(guī)屏蔽圓形筒，它不含μ金屬，體積為1268 m3，10 Hz以上背景電磁噪聲低于2fTHz-1/2，用低溫SQUID3-D超導磁力儀可以清楚觀測到10 Hz以下的地磁場脈動（Gaffet et al.,2005）.

西班牙的LSC （Laboratorio Subterráneo de Canfanc，Canfanc地下實驗室）位于阿拉貢比利牛斯山西班牙一側的托巴佐山下850 m深處的隧道內.該實驗室始建于1985年，目前包括多個工作間、分區(qū)實驗室和開發(fā)新探測器原型機的潔凈室，實驗室的物理條件相當于2500 m深的水下.西班牙地下實驗科學創(chuàng)新部（Ministry of Science and Innovation Under-ground Laboratory）、阿拉貢政府（Government of Aragon）和薩拉戈薩大學（University of Zaragoza）組成了Canfranc地下實驗室聯合管理體（Canfranc Underground Laboratory Consor-tium），主要致力于研究粒子物理和天體物理（趙丹，2013）.由于該實驗室地處西歐最活躍的地震帶，一個名為Geodyn的地球動力學觀測設施也是該實驗室的一部分.

英國的Boulby地下實驗室位于英國東北部Boulby的廢棄鉀鹽礦礦井中，垂直巖石覆蓋厚度達1100 m，實驗空間約為5000 m3.該實驗室運行著利用氣液兩相氙直接探測暗物質的實驗項目ZEPLIN，以及利用具有方向敏感性的時光投影室探測暗物質粒子方向的Drift實驗項目.這個世界一流的英國暗物質實驗中心于2003年4月28日正式啟動，主要致力于探測弱相互作用大質量粒子，希望能解開宇宙大部分物質的丟失之謎；實驗室中同時也進行著其他學科的實驗，包括地質學、地球物理學、環(huán)境氣候學以及地外生命勘測儀器的開發(fā)和極端環(huán)境的生命研究.

中國CJPL（China Jin-Ping Underground Laboratory，錦屏地下實驗室）于2010年12月12日在四川雅礱江錦屏水電站揭牌并投入使用，垂直巖石覆蓋厚度達2400 m（圖7），是目前世界上垂直巖石覆蓋最厚的實驗室.宇宙射線通量相當于地面的億分之一甚至更小，是意大利LNGS 的百分之一.該實驗室地下空間包括入口隧道、連接隧道和主實驗廳三部分，總容積約為4000 m3.實驗室圍巖主要是大理巖，放射性核素含量低于北京地表正常環(huán)境水平約幾十分之一到幾百分之一，是一個非常好的天然低本底環(huán)境.錦屏地下實驗室的主要研究內容包括探測暗物質，粒子物理學、天體物理學、宇宙學等相關領域.目前正在開展的項目為清華大學主持的“中國暗物質探測實驗”（CDEX）與上海交通大學主持的PANDAX實驗——氙探測實驗.

1.3 其他實驗室

國際上還有很多在建和擬建的地下實驗室.其中南美的ANDES（Agua Negra Deep Experiment Site）擬建在智利與阿根廷連接的安第斯山脈公路隧道中，垂直巖石覆蓋厚度1750 m.此實驗室為國際合作實驗室，將開展暗物質搜索、地震學、地質學、地球物理學和生物學等方面的研究，也發(fā)展低本底儀器及相關科學技術計量服務（Dib,2015）.芬蘭的CUPP（Centre for Underground Physics in Pyh?salmi）位于地下1440 m，由廢棄的歐洲最深金屬礦——皮海薩爾米礦（Pyhsalmi Mine）改造而成，由芬蘭Oulun yliopisto大學主導建設.澳大利亞SUPL（Stawell Underground Physics Laboratory）利用維多利亞一個正在運營的金礦建設，距地面1000 m.該實驗室研究人員將與意大利的LNGS實驗室研究人員共同工作，檢測大質量弱相互作用粒子（WIMP）.他們還將共同分析地球位于太陽系不同位置時所觀測到的其他星系中暗物質數量是否會發(fā)生變化.由于與意大利差不多處于地球的兩端，他們可以將雙方的數據結果進行比較分析.印度中微子觀測站INO（Indian Neutrino Observatory）擬建于泰米爾納德邦地下1200 m，是印度塔塔基礎研究院與25所大學和研究機構共同合作的結果.該實驗室將進行不涉及加速器的高能物理研究，通過5萬t級的鐵質量熱計來分析大氣μ中微子，目前正在等待政府審批.

圖7 錦屏隧道及地下實驗室位置示意（程建平等，2011） Fig.7 Location of Jinping Tunnel and underground laboratory （Cheng et al.,2011）

根據上述地下實驗室調研情況，目前國際上的地下實驗室主要是以天體物理和粒子物理實驗研究為主，涉及地球物理學的大型實驗項目比較少.

2 深部地下地球物理觀測

除了天體物理與粒子物理實驗之外，某些地下實驗室還布設了大量高精度地球物理儀器，開展系列地球物理學的實驗研究.下面分別從重力觀測、地震觀測和電磁觀測等方面著重介紹這些地下實驗室進行的地球物理學相關的實驗與研究.

2.1 重力觀測

利用低溫超導重力儀進行超高精度的相對重力測量在國際上已經形成了網絡化運行.初期是以歐洲國家為主，包括法國的LSBB（RU），貝寧的朱古（DJ）、捷克的Pecny山（PE）、南非的薩瑟蘭（SU）、南極大陸的日本昭和科考站（SY）、西班牙的小行星觀測站（YS）和德國的Wettzell大地測量天文臺（WE）、黑森林超導重力觀測站（BF）、巴特霍姆堡觀測站（BH）等，現已覆蓋到澳大利亞、加拿大和美國等地（Rosat et al.,2016,2018）.如圖8所示，在甚低頻<1 mHz的地震頻段，超導重力儀顯示了明顯低于低噪聲模型的觀測精度.通過聯合承擔歐盟或美國的基礎物理項目，或通過數據共享交互機制的建立，在利用地下實驗室進行高精度重力觀測、星際研究、重力導航等方面開啟了基礎物理、天體物理和地球物理聯合研究的良好局面.其中法國LSBB地下實驗室安裝的新型超導重力儀iOSG-24懸浮鈮球重達17.7 g，有效降低了傳感器內部布朗運動產生的熱噪聲，如圖8中的藍線所示；而且地下實驗室的觀測在0.001～0.01 Hz頻段顯示了明顯低于其他非地下觀測地點的環(huán)境噪聲優(yōu)勢.自2015年7月以來，該超導重力儀一直連續(xù)記錄著時變重力場，精度可達10-11m·s-2.研究人員對得到的重力記錄進行了系列的分析研究，包括潮汐分析、噪聲水平對比等.實驗證明，該重力測量站是世界上最安靜的臺站之一，具有明顯低背景噪聲，所獲得的高質量重力觀測在尋找小振幅地球物理信號方面非常有希望（Rosat et al.,2016,2018）.此外，該實驗室還進行過水文變化相關的重力測量實驗：通過不同位置、不同高度便攜式絕對重力儀和相對重力儀的重力變化觀測，同時聯合地面以及GRACE衛(wèi)星測量數據，綜合分析展示了十分有意義的研究成果（Wang et al.,2011）.

圖8 國際超導重力觀測低頻噪聲譜（其中紅色為Peterson（1993）低噪聲模型，藍色曲線為法國LSBB地下實驗室的背景噪聲功率譜）（Rosat et al.,2016）Fig.8 Low-frequency noise spectrum of international superconducting gravity observation （where red curve is Peterson′s low-noise model （1993） and blue curve is the background noise power spectrum of LSBB underground laboratory in France） （Rosat et al.,2016）

此外，美國DUSEL的SURF中建有一個深地重力實驗室DUGL（Deep Underground Gravity Laboratory），主要進行大型引力波實驗.

2.2 地震觀測

De Luca等（1998）應用意大利Gran Sasso地面臺站和地下實驗室中布設的地震陣列曾進行過地震場地效應的研究.Saccorotti等（2006）應用LNGS地下物理實驗室部署的13個短周期三分量地震計密集臺陣對2002年11月至2003年9月期間27次地震進行了高分辨率的頻率-慢度和極化分析，使用縱波、橫波后方位角和橫波延遲時間反演定位這些事件，并將結果與國家地震臺網目錄中的數據進行比較，結果顯示橫波兩組位置之間的差異不超過10 km，而縱波有很大的誤差.這種聯合微震觀測對意大利中部的發(fā)震構造進行了深入的分析和闡明.2016年，布設于LNGS的GINGERino——高靈敏度天文級大型環(huán)形激光陀螺儀（RLG），在超萬千米的遠震距離實現了地震旋轉信號的首次深地觀測，Simonelli等（2016）推斷的震源后方位角與理論分析結果一致，這表明聯合RLG和同址的地震臺陣部署可以實現地震波場傳播方向的精確單點估計；根據平移和旋轉信號高相關值的時間間隔估計了Love波的相速度值，與PREM模型中Love波相速度具有良好的一致性.GINGERino與寬帶地震儀聯測，同時記錄了地震的旋轉和平動分量，實現了地震旋轉和平動的聯合矢量分析.在第一次運行期間，全球CMT（Centroid-Moment-Tensor，矩心矩張量）目錄中出現的所有主要遠震事件都被成功探測到，且旋轉和平動信號間顯示了良好的相關性（Belfi et al.,2017）.LNGS中的RLG具有很好的長期穩(wěn)定性和精度，利用記錄的2016年秋意大利中部發(fā)生的系列地震，科學家們獲得了包括近場和遠場很多重要的地震學信息（Beverini et al.,2019）.Simonelli等（2018）對系列地震旋轉和平動分量進行分析，在建模的不確定性范圍內，預測的旋轉（Bindi et al.,2011）與觀測到的一致，顯示了建立地面旋轉運動特定衰減模型的可行性（Gravirov and Kislov,2022）.

日本神岡地下實驗室布設了一個100 m長的高精度激光應變儀（ADM），采用Fabry-Pérot腔雙調制解調技術；與簡單的邁克爾遜干涉儀不同，ADM需要不間斷的條紋計數來監(jiān)測地面變形，它能夠在任何給定的時間確定空腔的絕對長度，從而實現可靠的長期運行.該儀器能夠記錄數年運行中的各種事件，包括地震和潮汐應變等.從計量的角度來看，ADM是基于精確的激光干涉和穩(wěn)定的量子計時的最成功的觀測系統；這種方法被認為不僅對長度測定有效，而且對其他類型的地球物理觀測也有效.另一臺基于邁克爾遜干涉儀的常規(guī)激光應變儀（LSM），即相對測距儀，與ADM同址觀測（Takamori et al.,2014）.Araya等（2010）分析了發(fā)生在日本中部、震中距100～530 km的10次地震（5.8～7.4級，深度8～374 km）的應變響應，實測應變與使用現有觀測（地震和大地觀測）推斷的斷層參數計算得到的預期應變比較顯示，震源深度大于20 km的地震觀測結果與修正PREM球對稱地球模型更符合，而不是均勻彈性半空間模型；ADM和LSM對比觀測捕獲了大量的可靠同震應變響應，為遠場大地測量預測斷層參數提供了良好的約束.2016年8月，另一個基線長度1500 m的激光應變儀在神岡地下實驗室開始運行，已經探測到不同振幅和時間尺度的地面運動，其記錄的潮汐波形與理論波形基本一致.實踐證明，在沒有主動對準控制的情況下，千米級長基線激光應變儀可以穩(wěn)定工作，并且具有出色的分辨率、動態(tài)范圍和帶寬，為在地震、大地測量和中等時間尺度上觀測低頻地面運動提供了一種新方法（Araya et al.,2017）.

西班牙LSC中建立的Geodyn地球動力學實驗室旨在連續(xù)記錄從近場地震活動到構造變形的整個地球動力過程頻譜，包括地球潮汐和地核的動態(tài)信息等.該地震臺于2011年春季正式運行，包括一個Titan加速度計、一個Trillium 240 s寬頻地震儀和兩個70 m長的激光應變儀.Geodyn實驗室位于地表以下350 m，距離阿拉貢河河道400 m，距離隧道入口800 m；隧道入口附近有氣象數據監(jiān)測，包括溫度、降雨量和風力，比通常的地震臺站具有更低的地震背景噪聲.LSC附近有一個氣象觀測站，可以將臺站的觀測結果與河水水位和流量的變化進行比較，進而分析是否可以從地震和變形數據中獲得關于河流物理特性的重要信息（Díaz et al.,2014）.

美國DUSEL也布設了地下地震觀測陣列，在鉆孔和隧道內延伸數千米.憑借深部地下低噪聲環(huán)境及其網格化分布，該陣列將精確地確定地震事件的位置及震源機制的響應，包括監(jiān)測深地實驗室內的人員活動以及近震、區(qū)域震和遠震事件；并可對實驗室區(qū)域地層結構進行快速動態(tài)成像.該陣列包括兩個機械式水平傳感系統，直接接入了美國地震數據采集系統.自2008年12月運行以來，該系統記錄到Peterson（1993）低噪聲模型的部分頻段信號，并且在甚低頻段檢測到地球潮汐的峰值變化，這對于了解傳感器系統的極低頻帶性能以及Homestake場地的低頻地震響應是十分有意義的（Acernese et al.,2010）.為配合引力波實驗，加州理工學院Victor Tsai團隊在91～1478 m的多個深度布設了15個地震臺站，另外4個放置在地表，用于監(jiān)測地面運動，并為研究人員提供三維地震圖像.這些地震觀測數據不僅有助于了解地下振動噪聲的來源，配合大型引力波實驗，還可以對實驗室場地區(qū)域進行動態(tài)地震監(jiān)測（www.sanfordlab.org）.Harms等（2010）用SURF的地震數據對地震噪聲和各種人為干擾進行分析，通過噪聲頻譜的長期變化了解震源的性質，同時對三種不同深度的地震頻譜進行比較，將1250 m的深度定為世界一流的低振動噪聲環(huán)境.

Naticchioni等（2022）分析了在俄羅斯Baksan中微子天文臺（BNO）進行的地震噪聲測量結果，結果顯示低于1 Hz的主要頻譜特征為海洋噪聲，而對于較高頻，測得的水平和垂直加速度接近Peterson（1993）低噪聲模型.此外，還開展了距離隧道入口不同距離的臺站之間微震（0.1～0.5 Hz）相關性的研究，并根據測量結果評估了體波噪聲背景中的牛頓噪聲貢獻.BNO中還布設有用于測量應變的邁克爾遜干涉儀，Milyukov和Myasnikov（2005） 從頻率和極限靈敏度兩個方面定義了干涉儀的工作范圍，結果表明其能夠為全球及區(qū)域地震和構造過程引起的巖石圈變形提供高質量的可靠信息.

錦屏地下實驗室二期隧洞開挖工程中曾開展了微震監(jiān)測等工作（李邵軍等，2021）.微震監(jiān)測傳感器采用立體放射式布設，有效捕捉了開挖過程中的微震事件和微震活動，并對微震時間到時拾取、微震事件特征參量、能量指數分布特征、微震事件b值、頻帶能量分布等進行了研究.目前由中國科學院地質與地球物理研究所艾印雙研究員牽頭，正在進行第二期地球物理觀測臺網的建設規(guī)劃.

2.3 電磁觀測

法國LSBB實驗室曾進行過與地震相關的地磁觀測，使用便攜式磁力儀來確定不同位置的磁場變化，同時將磁測與電測、地震測量結果聯合分析（Wang et al.,2011）.例如對于2001年1月26日震中距6250 km的印度地震，LSBB中運行的寬帶地震臺陣和磁力儀同震觀測，偏振分析顯示遠震引起了磁場擾動；頻譜分析顯示出擾動的某些頻段與山體水動力過程有關（Gaffet et al.,2005）.利用自研的三軸SQUID磁力儀，法國LSBB實驗室測量的地下實驗室噪聲水平在高于40 Hz時可達到2 fTHz-1/2，觀測精度可達0.1 pT；其中建設的零磁空間對5 Hz以上的信號屏蔽性能達到了2×108以上（Gaffet et al.,2005）.

盡管德國和加拿大等國早已開展超導電磁觀測技術研究，并在深地找礦中得到應用，發(fā)現多個大型礦體；但目前國際深地電磁觀測與研究僅限于地震電磁關系的探討以及流體的響應觀測（Gaffet et al.,2005;Wang et al.,2011）.美國DUSEL地下實驗室曾計劃進行大型巖石物理原位觀測，觀測內容包括物理、化學和生物響應，以探討巖石力學擾動前后的地球物理場變化；其中包括流體的鹽度改變對電阻率/電導率的影響，大埋深、高應力和溫度條件下巖體破裂過程的電磁響應.這種原位的實驗室?guī)r體尺度下的力學實驗對工程技術領域是有重要指導意義的.

2.4 其他地球物理相關觀測

氡與地震之間的關系也是地震學重要研究題目之一（趙影等，2021）.意大利LNGS曾運行了一個環(huán)境監(jiān)測項目ERMES（Environmental Radioactivity Monitoring for Earth Sciences，地球科學環(huán)境放射性監(jiān)測），用液相閃爍光譜法（LSC）、伽馬射線能譜法及電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）監(jiān)測地下水中氡（222Rn）、放射性碳（14C）、氚（3H）、鐳（226Ra）和鈾（238U）；并進行了高精度14C的測量（Laubenstein et al.,2012）.Ciarletti等（2016）分析了拉奎拉地震（2009年4月6日）之前、2010年下半年發(fā)生的震群之前觀察到的鈾地下水異常與格蘭薩索地區(qū)周圍的地震特征之間的可能相關性.Hosokawa等（2015）開發(fā)了一種具有更好氣密性的新型氡探測器，用于日本神岡深地實驗室氡檢測；利用深地實驗室的超低本底宇宙射線優(yōu)勢，該實驗室開發(fā)的高靈敏度氡探測器也為氡的高精度檢測提供了良好的硬件平臺支持.

作為地球上較為活躍的板塊構造單元，安第斯山脈的火山和地震活動頻繁，因此這里也是研究地球構造運動與內部結構的有利場所.建設中的南美ANDES同時還是智利和阿根廷國家天然地震觀測網的重要組成部分，該實驗室實現的深地高精度觀測將為研究地震活動或巖石破裂與氡氣釋放等的關系提供良好的環(huán)境條件（Dib,2015）.

法國LSBB也曾進行誘發(fā)地震活動和形變的觀測實驗，探討了近場水文和水動力參數與誘發(fā)地震的關聯性，以及深部地下坑道中裂隙型巖溶體的地震各向異性響應（Bere? et al.,2013）.

3 討論

3.1 深地地球物理觀測的科學目標

深地重力觀測：我國基本上是與國外同行同期開展了高精度超導重力的地面觀測；由于國內目前沒有在低背景噪聲地下實驗室布設重力觀測基準及相應的儀器比對與標定平臺，地下觀測尚未正式開展.已有的重力觀測試驗顯示：我國超導重力儀的儀器噪聲水平優(yōu)于10-9m·s-2·Hz-1/2（0.5 mHz～1 Hz），但地表的超導重力儀分辨率只有10-9m·s-2；在深地環(huán)境中，低溫超導重力儀的觀測分辨率有望達10-10m·s-2或更高的10-11m·s-2.高精度深地超導重力觀測將為我國高精度重力模型的建立、大幅度提升北斗衛(wèi)星的導航精度提供基礎的、高精度的重力觀測數據和基準模型；并可能進一步為核幔邊界動力過程、慢地震（Rogers and Dragert,2003）、地外星體對地球重力場演化的影響（Dahlen and Sailor,1979；Widmer et al.,1992）等諸多科學問題的討論提供基礎、高精度、可靠的觀測數據.

深地地磁觀測：低溫超導磁力儀是目前理論上精度最高的儀器，分辨率可達fT級.目前國內只有地面的地磁觀測，地磁總場強度絕對觀測精度為1 nT，矢量磁場D、I分量絕對觀測精度為3 nT，地磁場分辨能力低于0.1 nT；而深地地磁觀測處于實驗階段，根據法國LSSB實驗室曾實現的超導地磁觀測（Gaffet et al.,2005），在深地條件下進行地磁場觀測，三分量矢量磁力儀噪聲水平可降為pT級，零點漂移≤50 pT/a，精度可達0.1 pT；深地實驗室的零磁空間屏蔽性將可能優(yōu)于106@1 Hz，達到107@1 Hz的水平；超導地磁觀測系統噪聲水平將優(yōu)于2 fTHz-1/2，有望達1 fTHz-1/2，觀測精度達到0.1 pT，并可能突破0.05 pT水平.可以推測，深地地磁觀測將為低頻、微弱地磁信號的探測以及Schumann共振（Toledo-Redondo et al.,2010;Manu et al.,2015）、腦電和腦磁（Cherry,2003）的長期穩(wěn)定監(jiān)測提供優(yōu)良的實驗環(huán)境.

深地電磁觀測：目前國際上電磁測量使用的寬頻及長周期電磁儀主要包括烏克蘭LEMI-417、德國GMS-07e、加拿大V8、MTU-5C與MTU-5A等；主要技術參數為：頻帶范圍DC～幾百赫茲，磁場測量范圍±68000 nT，磁場分辨率10 pT，噪聲水平（頻率0.03～0.3 Hz之間）<15 pT （均方差），長期零漂移<±5 nT/a，溫度漂移<0.2 nT/℃；電場測量范圍±600 mV，電場分辨率0.07 μV.國內深地電磁觀測試驗剛剛展開，根據初步觀測結果，在深地條件下可提高電磁場觀測性能至電場測量精度優(yōu)于10 nV，超導磁場精度可達0.1 pT，疊加后的磁場觀測精度可達0.01～0.05 pT的水平；且電磁場的穩(wěn)定性非常好.這說明，深地實驗室將可能為電磁場的時變規(guī)律和深部精細結構研究以及震電、電震耦合機理的探索、全隱蔽甚低頻電磁通訊導航技術的研發(fā)提供優(yōu)良的實驗平臺；也將為地球電磁場的起源及其與固體地球外圈層電磁場相互作用關系等科學問題的探索提供可靠的數據保障.

深地旋轉運動觀測：高精度慣性導航一直是一個國家的核心、戰(zhàn)略競爭技術.國外高精度光學旋轉觀測技術的研究始于20世紀80年代，目前已經證實其具有10-13rad·s-1以上的分辨能力，并在地面實驗室實現了大型旋轉多分量觀測，在深地實驗室構建了用于引力波探測的大型旋轉觀測裝置 （Simonelli et al.,2016）.國內華中科技大學羅俊院士團隊在武漢喻家山防空洞實驗室中實現了約7×10-11～9×10-11rad·s-1的激光旋轉高精度測量（Li et al.,2018），與國外相比尚存在2～3個量級的差距；大型多自由度旋轉運動觀測尚屬空白.在深地條件下有望將旋轉觀測的精度提升至10-12～10-14rad·s-1水平，因此，構建以深部地下大型旋轉多分量觀測裝置為依托的地基觀測網絡將為我國精確導航系統的升級以及自由振蕩、極移等固體地球基本運動現象的量化（Schreiber and Wells,2013）、觀測和研究Lense-Thirring效應，進行更深層次時空關系的探索（Di Virgilio et al.,2014）等系列基礎物理、天體物理、發(fā)震機制的研究提供理想的觀測和實驗平臺.

深地地震觀測：在地震觀測領域，寬頻帶、長周期地震儀主要由美國等生產，其對核心的MEMS芯片采取了限制出口和管控措施；國外研發(fā)的光纖地震計在±0.25 g的測量范圍下，噪聲約為60 ng·Hz-1/2，達到了傳統地震計KS-54000的水平；法國ixBlue公司生產的商用blueSeis-1X的測量靈敏度達1×10-9rad·s-1·Hz-1/2.在傳統電子儀器領域，我國長期依賴國外地震儀或芯片進口的局面仍難改變，國產儀器只是國外允許出口MEMS芯片的集成和包裝.光學儀器方面我國并不落后：北京大學采用1970 m保偏光纖研制出零偏穩(wěn)定性達0.061°/h的光纖陀螺（操玉文等,2022）；北京航空航天大學研制出了精度達1×10-9rad·s-1的光纖陀螺原型樣機（Yang et al.,2020）；哈爾濱工程大學的平動光纖地震儀也投入了觀測應用；中國科學院半導體研究所張文濤團隊的光纖光柵地震計工作頻帶覆蓋0.01～10 Hz，儀器噪聲水平達到了27 ng·Hz-1/2@0.1 Hz.深地環(huán)境下，利用深地環(huán)境超靜優(yōu)勢，有望大幅度提高光學地震儀的制造和觀測水平，其中平動地震儀：分辨率優(yōu)于1 ng·Hz-1/2，動態(tài)范圍優(yōu)于180 dB，工作頻段優(yōu)于240 s～100 Hz；旋轉地震儀：分辨率優(yōu)于1×10-11rad·s-1·Hz-1/2，動態(tài)范圍優(yōu)于200 dB，工作頻段優(yōu)于360 s～100 Hz.即深地實驗室將有助于實現卡脖子裝備技術——六分量高精度光纖地震儀的研發(fā)，從而帶動天然地震預警預報水平、深地電磁震接力傳遞通訊技術、復雜地質條件下綜合地球物理探測技術的發(fā)展.利用深地實驗室的低背景噪聲優(yōu)勢，不僅可以為地震場地效應的產生機理、震電轉換機制等科學問題的討論提供實驗平臺，還可為慢地震、深部核幔結構的探測等地球動力學問題探索提供可靠數據，為低信噪比地面觀測中地震信號的有效識別和重建提供基準.

深地高能粒子觀測：20世紀40年代國外就開始了標準中子場的建設，目前已達1014n/s量級；我國僅在國防領域建有中子場，民口領域缺乏；蘭州大學中子產額20世紀末可達3.3×1012n/s，比同期國外低1～2個量級.國際上先進的地面伽馬譜儀可以做到0.01 Bq/kg，地下實驗室可以做到0.001 Bq/kg甚至更高，滿足大多低本底材料測量需求（Thomas et al.,2013）；而國內大量商用的伽馬譜儀，僅能達到0.1～1 Bq/kg的探測水平，一般測量樣品為1 kg量級，放射性為0.5 Bq左右的樣品約需2天時間.錦屏地下實驗室的測量裝備已經達到較高水平，接近國際先進水平（Zeng et al.,2015;Du et al.,2018）；但測量機時、儀器裝備水平尚有待進一步提高.利用深地實驗室建設標準中子場，比照國外水平（Loaiza et al.,2011），中子源最高產額有望達1012n/s，進入國際先進水平，中子能譜探測范圍可達0～14 MeV；建立深部地下的通用材料低本底探測器，有望將國內的痕量放射性測量水平提高1～2個量級至0.001 Bq/kg，甚至更高，達到國際先進水平；也十分有利于系列低本底宇宙射線類實驗的開展和相關科學問題的探索.

深地放射性計量：國際上地面目前低本底放射性測量主要采用極低本底的鉛室加上反康普頓設計高純度鍺（HPGe）探測器；地下實驗室采用低本底的放射性環(huán)境+低本底的鉛室+HPGe或者大體積的液體探測器；氡室采用Ra源或者鈾礦石作為補給源.意大利Gran Sasso深地實驗室目前建有國際上最好的超低本底放射性核素測量平臺，而國內的計量平臺中高分辨高密度大體積無機閃爍NaI探測器依賴進口，8192～16384精密高速高分辨數字化能譜處理系統依賴進口，基于核脈沖形狀描述方法的高端精密超深連續(xù)采樣系統也依賴進口，與國際先進水平存在量級上的差距.若能利用深度超過800 m的地下實驗室三維立體結構設計反宇宙射線的低本底放射性測量平臺，將實現：符合與反符合測量垂直距離超過800 m，信號同步時間小于1 μs；自補給氡室濃度100～2000 Bq/m3；精密超深連續(xù)采樣系統實現24 h不間斷采樣、存儲、處理；α、β、γ射線類系列儀器可達國際先進或領先水平，將極大的助力我國超低本底高精度粒子測量裝備和技術服務的發(fā)展.

3.2 我國深地礦井空間資源優(yōu)勢

新中國成立以來，長期大規(guī)模的煤炭等固體礦產資源的開采利用在為我國國民經濟建設和社會發(fā)展做出巨大貢獻的同時，也留下巨量的地下礦井空間資源.其中傳統礦產資源枯竭或去產能的礦井地下空間近百億立方米；僅去產能的生產煤礦全國礦井數量就達12000處，如圖9所示，地下可利用空間近70億m3（袁亮等，2020）.以毗鄰郯廬斷裂的安徽淮河能源（集團）股份有限公司下屬的潘一東礦為例，2012年建成投產，2018年因去產能需要停產，擬用于深地實驗室建設；礦區(qū)建有現代化的、完備的地面和地下基礎設施；-848 m和-1042 m兩個深度巷道空間資源近60萬m3，大孔徑（7～8 m）直孔四口，如圖10所示，為深部地下實驗室的建設提供了良好的基礎條件；經過少量的基建改造，包括巷道路面的平整、電力供應降穩(wěn)壓和現有光纖網絡的升級，即可實現低成本、高標準的深地實驗室建設，并帶動示范從而形成獨特的、遍布全國的深地實驗室網絡系統.

隨著我國經濟社會的持續(xù)、快速發(fā)展，地球多物理場觀測所需要的聲、光、電、磁等地面環(huán)境急劇惡化（Bleier and Freund,2005），觀測數據可靠性降低，嚴重影響了相關研究和科技保障能力.向地球深部進軍，已成為地球科學地球物理觀測技術發(fā)展的重要方向之一（習近平，2016；滕吉文等，2016，2017）.根據國內外開展的深地和地面重力、地磁、電磁、地震、宇宙射線等的觀測和對比分析結論，深地實驗室可提供比地面至少低1～2個量級的“超靜”、“超凈”優(yōu)越觀測環(huán)境（陳和生，2010；謝和平等，2017；張苗苗等，2021；王赟等，2022）.因此，發(fā)揮我國深部地下礦井空間資源優(yōu)勢，實現網絡化的深部地下多物理場高精度聯合觀測是有相當好的基礎條件的.

圖9 我國可利用的煤礦礦井空間資源分布（袁亮等，2020）Fig.9 Distribution of available coal mine space resources in China （Yuan et al.,2020）

圖10 淮南潘一東煤礦巷道與井分布示意Fig.10 Distribution of tunnels and wells in Panyi East Coal Mine,Huainan

4 結論

深地實驗室具有良好的低本底振動噪聲、電磁噪聲和宇宙射線環(huán)境條件，為物理和地球科學等各個前沿學科的觀測研究提供了重要的實驗場所.目前各個國家的地下實驗室大多致力于粒子物理和天體物理實驗，深部地球物理場的觀測實驗，包括重力、地震、地磁觀測等，目前還處于起始發(fā)展階段.

在深部地下實驗室對深部巖石地震波、形變場和應力場進行連續(xù)、直接的觀測，除了能有效屏蔽場地效應，同時由于深部的低本底環(huán)境，還可以大大降低環(huán)境噪聲的影響，使檢測到的地震波信號具有較高信噪比，為發(fā)震機制、深地動力學等研究奠定觀測基礎；尤其，深地多物理場的原位高精度聯測將有助于更好地理解具有地球尺度的不同過程和物理現象的關聯性.因此，低本底環(huán)境的深地實驗室無疑是未來進行地球物理實驗的首選場所.

如果在接下來國家“深地計劃”實施中，側重于深地實驗室的規(guī)劃建設，并大力發(fā)展深地地球物理聯測，形成全國乃至國際間的網絡化聯測，必然會很大程度地推動地球物理學等諸多學科的跨越式發(fā)展.其中，深部地下多物理場的高精度聯測將可能為地磁場的產生、地球各圈層結構及其演化、地震災害預警、地球各圈層與地外星體作用機制、Lense-Thirring效應與時空演化、錢德勒擺動、引力波觀測、郯廬斷裂帶的地震活動性及其深部動力學機制、震電耦合響應機理等諸多基礎科學和地球科學核心問題的探索給出新的觀測、新的視角、新的解答.

致謝感謝淮河能源（集團）股份有限公司對近三年的深部地下地球物理觀測試驗提供了諸多便利條件，在深地環(huán)境安全保障等方面做了大量的支撐工作.