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海底地震仪及其中的姿态传感器和电子罗盘应用

作者:深圳铭之光 发布时间:2018-09-18 14:50:27
  2018年9月1日至10日,由中科院地质与地球物理研究所主持,联合中科院声学研究所、重庆地质仪器厂等多家单位,共同研制的海底地震监测系统,成功完成了在福建漳州浯屿岛的布设。其中,5台海底地震仪和1台测试用烈度计的地震监测数据成功入网,且实时传输正常,标志着我国建成首个实现具备接入地震行业网条件、并具有较高国产化率的海底地震监测系统。
 


海底地震监测系统的投放
 
  据了解,2013年10月,国家重大科学仪器设备开发专项《海底地震监测仪器开发和应用》立项,“海底地震监测网络应用示范”是重要子课题之一,旨在促进海底地震仪(OBS)在海底长期地震台站建设方面的应用,扩展OBS的应用领域,同时,本示范应用的成功实施,也可促进OBS的工程化研究及批量生产,推动我国海底地震台站观测网建设。
 


此次布设时,为实现更好的海底耦合,设计海床基对OBS进行保护,并可以显著改善水平分量的记录质量。内部装载的OBS采用了钛合金舱球,可靠性远高于传统OBS的玻璃舱球。资料图
 
  据悉,参与此次施工的仪器装备包括多款实时网络传输的海底地震仪、海底恒流供电型实时传输和授时地震接驳装置。所有监测仪器均按照地震监测台网规范标准入网。
 
  海底地震仪(Ocean Bottom Seismograph,OBS),是海洋地球科学探测的一种重要设备,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。目前,我国已成为继日本之后,第二个具有自主研发万米级海底地震仪能力的国家。
 


2017年,国产万米级海底地震仪成功回收。资料图
 
  从海平面到海底,海底地震仪实现万米下潜并不困难,其重力来自于20公斤的沉耦架,带着地震仪在水中自由落体。但是,沉底后能否正常工作,传感器的平衡是关键。
 
  国产海底地震仪设计者、中科院地质与地球物理所研究员游庆瑜介绍说,在陆地上,可以手动调整地震仪的姿态,落到海底,所处的地形无法选择,地震仪的站立姿态各式各样,需要地震仪在内部自动调整。形象点说,这时的传感器就是一个不倒翁,不管地震仪怎么掉到海底,内部的地震传感器都能自动调整到平衡姿态。
 
  这是因为,在地震仪内部,有两个负责调平的器件。一个是姿态传感器,负责测量地震传感器的姿态信息;另一个是磁阻式电子罗盘,负责测量地震传感器的方向信息,它们使得地震仪在着底后,身体可以歪斜而内部地震传感器实现平衡。
 
  但是,要将地动信号转化为电信号并准确拾取,除了平衡,高质量的地震动信号记录还需要地震仪整体构件的良好耦合。就好比车过坎时晃了一下,你在车上颠了两下,信息必然错误,因为耦合较差;如果将你绑在车上甚至与车同为一体、同频共振,这时的信息与客观吻合,因为耦合良好。
 
  目前,我国研发的海底地震仪,依靠设计合理的整体结构,使海底与舱球、舱球与传感器互相耦合,以保证万米深渊下与地球同频共振,拾取到的信息准确无误。
 


我国的万米海底地震仪,成功记录了2016年发生在马里亚纳海沟的7.7级天然地震。资料图
 
  延伸阅读:海底地震仪的两大重要功用
 
  除了科研外,海底地震仪在海洋划界方面有着重要作用。在中日海洋划界的争议中,冲绳海槽两侧的归属是一个焦点。日本提出以中国东海中线为界,我国认为应以冲绳海槽的中线划界。如何提供证据呢?中科院地质与地球物理研究所通过地震仪的监测,给解释不清的坡角结构提供了清晰的数据,证明地壳在冲绳海槽处已经有洋壳产生,海槽并不是大陆架的自然延伸,使中日划界的规则发生更改,确定了中国的划界原则。
 
  另一方面,在全球,海洋资源勘探也是地震仪的主要用武之地。全球的海底资源调查权对全世界开放,想要获得深水洋中脊开采权,就得先行调查。通过海底地震仪探测,我国获得了印度洋大洋中脊相应区域下的地质结构,也让我国成为世界上第一个向海底矿产资源委员会提出申请并授勘探权的国家。