海底地震仪及其国内外发展现状

文章编号:1001-909X (2004)02-0019-09

收稿日期:2003-05-19

基金项目:973资助项目(G 200004760404)

作者简介:阮爱国(1963-),男,浙江温岭市人,博士,主要从事地球物理方面研究。

海底地震仪及其国内外发展现状

阮爱国1,李家彪1,冯占英2,吴振利1

(1.国家海洋局第二海洋研究所,国家海洋局海底科学重点实验室,浙江杭州　310012;

2.北京联合大学自动化学院,北京　100101)

摘　要:以改进型得克萨斯海底地震仪为主线,详细描述了海底地震仪的工作原理、主要仪器

参数、观测方式和回收方法,同时,对美国、日本等几个国家和地区海底地震仪研制和实际观

测工作方面的发展状况作了简要介绍,并对海底地震仪的发展趋势和应用前景作了展望。

关键词:海底地震仪;发展现状

中图分类号:P 716+.83 文献标识码:A

0　引言

海底地震仪(ocean bottom seismometer,OBS)是一种将检波器直接放置在海底的地震观测系统,在海洋地球物理调查和研究中,既可以用于对海洋人工地震剖面的探测,也可以用于对天然地震的观测,其探测和观测结果可以用于研究海洋地壳和地幔的速度结构及板块俯冲带、海沟、海槽演化的动力学特征,也可以用于研究天然地震的地震层析成像以及地震活动性和地震预报等,目前美国、英国、日本等国家已纷纷投入大量人力物力进行海底地震仪的研制和应用研究[1]。在我国,虽然曾有部分单位通过国际合作等方式开展过少量的人工剖面探测方面的工作[2～4],但总体来说这方面工作尚处于起步阶段,我国的OBS 观测系统仍处于研制和试验阶段[5,6]。本文对海底地震仪的工作原理和方法进行了详细描述,并对美国、日本等几个发达国家和地区的OBS 观测系统研制发展状况作了简要介绍。1　设计原则[7～9]

设计海底地震仪时,有以下原则:

(1)要保证地震仪与海底有良好的接触。部分海底的覆盖物并不是岩石,而是软沉积物,因而要想获得良好的数据记录,必须使地震仪与海底有良好的接触。(2)为了捕捉小震或远震,海底地震仪需要有高度的灵敏性。整机的设计要求为低噪声,除了将磁带记录中的机械旋转部分的振动与检波器(即振动探头)隔绝外,还应减小放大器的电噪声。同

第22卷　第2期2004年6月 东 海 海 洋DONGHAI MARI NE SCIENCE

Vol.22　No.2J une,2004

时,设计时还应考虑水流诱发噪声产生的影响。(3)因为需留在海底无人管理达一定的时段,海底地震仪应有高度的可靠性。同时,海底地震仪是由有限体积和重量的电池作为供电源的,因而应设计为低耗电。(4)海底地震仪的记录应为高质量的记录,这样才能保证数据处理的可靠性。如在利用反演法和层析成像法等现今在地震学中常用的处理方法进行数据处理时,需要有高信噪比、大动态范围和低失真度的记录资料作为基础。(5)海底地震仪的体积需小而轻,以保证在考察中灵活地增减海底地震仪的数量,这对提高测量结果的准确性无疑是有益的。在某些情形下(如用直升机布设海底地震仪时),地震仪体积的大小显得尤为重要,甚至成为决定试验本身能否进行下去的主要或决定的因素。(6)海底地震仪还必须备有可靠的回收装置,包括自动搜寻辅助器(闪光器)、无线电波发射机和释放机械等装置。(7)海底地震仪必须有一个声应答器系统。当应答系统接收到由船上发出的指令后,能使锚镇重物脱扣,并能测量从船只到海底地震仪的精确距离,从而确保海底地震仪精确定位。

2　观测系统[7～9]

各国和地区研制的OBS 观测系统是不同的,但其总体构件和工作原理差异不大。现以奥斯汀的得克萨斯大学地球物理研究所制作的改进型得克萨斯OBS 为例,对OBS 观测系统的构成和工作原理作简要介绍。该OBS 观测系统成本低、体积小、易布设并易回收,是以最早的单通道模拟式仪器为原型,通过发展数字化单元设计而来的,可以放置到深度达4000m 的海底。

2.1　系统结构

OBS 观测系统由几个相互关联的单元或组件构成,如图1所示。

2.1.1　传感器单元

传感器单元是由3个正交的地震检波器和1个任意的水中检波器组成。3个4.5Hz 的L-15B 型地震检波器中有2个为水平向,1个为垂直向。检波器被安装在万向支架上,以便即使仪器的箱体在海底倾斜达25°时也能保持水平位置。高粘度硅油阻尼万向支架的机械装置可保证它的位置平衡。该传感器可接收多达4个通道的传感器输入。

2.1.2　信号调节和暂时存储器单元

为避免假频干扰,来自传感器的信号放大后须经低通滤波处理,然后由一个三级增益范围的放大器和一个24位模-数转换器将滤波后的模拟信号转换为数字信号,达到126分贝的总动态范围。最大采样率是每通道每秒1000次,数字化的数据可暂时储存在存储板上512K 字节容量的随机存储器里。

2.1.3　记录单元

在给定的时间间隔里或者当暂时存储器被填满时,传感器可将数据从暂时存储器通过SCSI 接口传送到较永久性的数字记录装置里。虽然任何SCSI 存储装置实际上将作为永久数据存储器使用,但仍在每一个第一级单元上使用了1台TDC -3600盒式磁带机,1盘183m 的盒式磁带机,使存储容量可达到最大值155M 字节。若在1台T DC-3820磁带机上使用

・20・东　海　海　洋22卷2期　

图1　OBS 观测系统原理框图

1盘305m 的盒式磁带,可将存储容量提高到525M 字节。这个系统还可以在一个硬盘上记录数据,例如Conner3200或Toshiba MK2224FB 磁盘机,每一台都有203M 字节的容量。记录装置的电源是由CPU 通过一对继电器控制的。

2.1.4　控制单元

OBS 观测系统是由一个CPU -8088板上的80C88微处理器控制的,这块板上还包含了一个小RAM 、一个存储了控制软件的可编程存储器(EPROM)以及串、并行接口和一个晶体控制的实时时钟。微处理器控制了全部的数据采集过程,并按照一个预先给定的程序放置仪器。处理软件可以选择包含一个事件检测算法,它以一个长期-短期信号电平的比较为基础来检测地震事件。

2.1.5　释放单元

OBS 观测系统采用了两个独立的解脱功能,确保即使在其中之一失效的情况下仍可将固定架上的仪器松脱。当到了预先给定的松脱时间时,主CPU 控制解脱功能中的一个操作功能发出释放命令,备用的时钟定时器也独立地发出释放命令,每个释放命令后,系统将打开各自的继电器,通入电流到不锈钢电线(释放电线),这些电线在某些与水接触的部分将融化,从而使仪器箱从固定架上脱扣。

2.1.6　仪器箱(压力舱)

全部电子组件安装在一个直径43cm 的玻璃球里,它相当于一个压力舱,用万向支架固定的地震检波器被牢固地安装于球内底部。这个球被放进一个半球状的塑料安全“帽”里,・

21・阮爱国等:海底地震仪及其国内外发展现状