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海底地震仪是怎么诞生的?
发布时间:2024-03-01     来源:北京科协     浏览:2881次

海洋幅员辽阔,在为人类提供了丰富的食物和矿产资源的同时,也带来了地震、火山喷发和海啸等灾害。所以,为了认识海洋、开发海底矿产、研究海底构造等,海洋地质地球物理学家们发明了一种装置——海底地震仪,通过其接收人工或天然地震波来研究海水之下地球深处的奥秘。

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“探索一号”科考船在马里亚纳海沟布放地震仪


2017年2月28日,中国科学院地质与地球物理研究所自主研发的万米级海底地震仪在世界最深处马里亚纳海沟挑战者深渊成功应用,工作水深刷新为10027米,成功获取了世界上首条万米级海底地震勘探数据。这台地震仪是一种什么设备?又有着哪些作用?今天,让我们一起来认识海底地震仪。

什么是海底地震仪


海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer,简称“OBS”)是一种海洋地球物理仪器,是海洋地球科学探测的重要设备,通过记录海底地震波动信号,对海底地层进行地震波成像,为认识海底地球内部结构提供依据。海底地震仪既可以用于天然地震观测,也可以用于主动源人工地震探测。

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投放前的OBS(来源:中国科学院地质地球所)

海底地震仪主要由三大系统组成:第一部分是数据采集系统,为仪器的核心部件,包括地震计、数据采集与存储;第二部分为仪器的投放回收系统,主要是声学应答系统、脱钩与熔断装置;第三部分为仪器的耐压防腐系统,包括耐压玻璃舱球、水密插件等。它的工作原理是在海面将与沉耦架连接的沉浮式OBS按计划点位投放,由沉耦架的重力作用使有浮力的OBS在海水中自由下落至海底进行数据记录,待完成计划任务后进行回收,回收时在船舶上发送声学指令,将沉耦架与OBS的连接断开,OBS即利用自身的浮力漂浮至海面进行回收。

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国产OBS原理图

(橙色圆圈代表耐高压、密封防水的圆形玻璃钢容器。容器内放置接收地震信号的高灵敏度三分量检波器,长时间连续工作的记录器、声学释放器、用于记录地震仪落到海底姿态和方位的电子罗盘,以及给这些组件供电的电池组。)

国产海底地震仪的发展史

海底地震仪问世于20世纪60年代,由于其潜在的军事用途,西方发达国家生产的海底地震仪对我国进行了出口限制。为了打破西方国家的出口垄断和限制,我国从20世纪80年代末开始了相关研究。

20世纪80年代末开始

先后研制出分别用于浅海和深海的数字磁带记录海底地震仪。然而,这种地震仪只能记录垂直方向振动人工地震信号,不能记录天然地震信号,还不能满足国家对海洋地质调查的需求。

1996年

在国家“863”计划的资助下,我国开始着手研制新一代数字型海底地震仪。

1997年

第一批5台国产样机在东海进行了海试。每台仪器分在20个箱子里运输,5台仪器近百个箱子,需要科研人员在现场组装调试多日方能使用。

2003年

在南海潮汕凹陷海域,5台短周期地震仪按测线方式排列,间隔20公里,最大工作水深达到1800米,全部回收成功。

“十一五”期间

高频地震仪在南海北部神狐示范区海域进行海试,虽然数据质量很好,最大工作水深达到2000米,但回收率偏低,国产地震仪在研发道路上遇到了坎坷。

2011年

我国大洋航次在西南印度洋热液喷口的地球物理探查中,5台国产仪器全部回收成功,表明前期存在的整机可靠性较差、水声通讯模块不稳定等问题已基本解决。

2011年至2013年

在渤海和黄海分别开展了3次海陆地震联合探测,前后投入国产仪器共74台次,均100%回收成功,这也是我国首次开展的海陆双向地震联合探测。

2016年

在中国科学院“探索号”马里亚纳海沟深渊科考航次中,9台国产仪器100%回收,最大工作水深7731米。

2017年

2月28日,中科院地质与地球物理研究所自主研发的万米级海底地震仪再探马里亚纳海沟,完成了两条万米级人工地震剖面,并获得极为珍贵的一手数据资料,这标志着我国成为继日本之后世界上第二个具有自主研发万米级海底地震仪能力的国家,并在世界首次成功获取万米级海洋人工地震剖面。

海底地震仪的应用

有人将海底地震仪比喻为海洋地质调查领域的“武林高手”。这位“武林高手”有三大“致胜法宝”,一是它的“金刚不坏”之身——高强度的耐高压密封容器;二是它的“最强大脑”和心脏,记录器中内置中央控制系统;三是它的“顺风耳”,即高灵敏度检波器,可探测到数百公里外的海水和地壳的“风吹草动”。在这“三大法宝”的作用下,海底地震仪就能在海底发挥神功。

首先,它能探测海底地震。绝大多数地震都发生在大洋和海底,由于陆地距海洋发震点距离远,在陆地上放置的地震仪受到的干扰也相对较大。尽管陆上地震仪观测站几乎遍布全世界,但是科学家根据陆上地震仪去研究海底地震活动是相当困难的。而海底地震仪可沉放在容易发生地震海域的海底,在相对安静的环境近距离地观测地震活动,科学家们研究海洋也有了有利工具。

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海底地震仪地震观测示意图

其次,它能用来研究海底地质构造。科学家将几十台海底地震仪按一定的间距布放在海底,通过在人工震源激发船发出人工地震波,地震波到达海底地层后反射到海底或在地层间滑行一段距离后折射到海底被地震仪接收,科学家对记录的地震波信号进行处理和成像,可分析海底地质构造特征,这个过程相当于给海洋地壳做“B超”。因此,海底地震仪是研究地球内部的一种最有力的和最精确的观测手段。

图片OBS海陆联测作业示意图

第三,它还能探测海底之下的石油、天然气和可燃冰等矿产资源,其工作原理与探测海底地质构造相同,不同的是一般采用短周期的海底地震仪,数量达到几百台甚至上千台,探测的精度更高,分辨能力更强,相当于给海洋地壳做“CT”。

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海底地震仪探测石油与天然气水合物示意图

来源:科技日报、人民网、南方都市报、“地调科普”公众号

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