海底流動地震觀測臺陣

文/曹 凝朱日祥

1中國科學院計劃財務局 北京 10 0 8 64 2中國科學院地質與地球物理研究所 北京 10 0 0 2 9

海底流動地震觀測臺陣

文/曹 凝1*朱日祥2

1中國科學院計劃財務局 北京 10 0 8 64 2中國科學院地質與地球物理研究所 北京 10 0 0 2 9

科研裝備，海底流動地震觀測臺陣

1 科學背景

海洋資源特別是海洋油氣等礦產資源的勘探和開發與國民經濟發展關系重大。被動大陸邊緣盆地的陸坡區及深海平原區發現了許多大型油氣田，水深從300m到3 000m。深水區的坳陷中沉積巨厚，采用常規的反射地震方法所采集的資料中，中深層地震信號微弱，干擾嚴重，地震反射信噪比低，難以滿足地質解釋的需要。傳統的地震反射資料（multitle channels seismic，MCS）難于揭示深部地層信息，因此海底地震儀（Ocean bottom seismometer，OBS）和MCS組合探測技術越來越受到重視。

OBS流動觀測臺陣是進行地殼結構及其與油氣盆地之間相互關系研究十分有效的探測手段，成為目前海底地殼內部結構和地球動力學研究的新的發展方向。

多年來，OBS技術一直為少數發達國家所壟斷。我國臺灣地區近年來正在建立主要用于科學研究的OBS共享平臺，也是在美國的幫助下開展的。作為我國內地海底地震儀研制的主要單位中科院地質與地球物理所，在“863”計劃的長期支持下，從“九五”期間就開始研制OBS，于2003—2008年成功研制出擁有自主知識產權的OBS第一代（2Hz—100Hz，3通道）與第二代（2Hz—100Hz，4通道），打破了國外的壟斷，使我國躋身于國際上少數擁有OBS技術的國家之列。

在國家重大科研裝備研制項目支持下，地質與地球物理所于2007年6月啟動了新一代OBS的研制工作。新一代OBS具有寬帶、高頻兩套傳感器，可同時接收人工震源與天然地震兩種震源。另外，通過制作一定數量的OBS形成觀測臺陣，還可以開展示范性應用。該臺陣的建立不僅可應用于海洋劃界等國家目標和海洋地質結構以及地球動力學等科學研究，在深水油氣勘探、自然災害監測（海底地震、火山、海嘯預警）等方面發揮巨大作用，更重要的是，可以打破國外長期的技術封鎖與限制，具有巨大的社會和經濟效益。

2 裝置綜述

該項目的總體研制目標是在第一代3通道和第二代4通道高頻OBS的基礎上，進一步研制由40臺第三代7通道（3個寬頻帶60秒—50Hz地震計通道，3個高頻4.5Hz—150Hz地震計通道，1個水聽計通道）OBS和配套設備及軟件系統組成的海底流動觀測臺陣。

第三代OBS具備7通道數據采集能力，可同時接收高頻人工震源和天然地震激發的地震信號，實現對海區不同深度地質結構的同步探測。可實現水下定位、定向、數字信標回收，最大工作水深6 000m，連續記錄時間為4個月，最大海底滯留時間為6個月，地震儀具有自動開鎖、調平、調零等功能，數據動態范圍大于120dB。

OBS受體積重量的限制，內部結構緊湊，對功耗、容量、可靠性等指標有著嚴格的要求。另外，寬帶OBS的工作環境非常惡劣，海底高水壓、地形起伏、海洋底流、不確定的基底耦合狀態等諸多環境因素都可能會對OBS的記錄性能產生不利影響。因此，針對OBS的環境性能測試確定該項目研制工作的核心與重點，項目從5個方面進行了關鍵技術攻關。

（1）水聲通訊模塊。水聲通訊模塊是海底地震儀實現水下測距定位和回收釋放功能的電子設備。該項目基于FPGA器件，研制成功了采用數字解調方式的水聲通訊模塊。利用FSK（Frequency-shift keying）碼調制傳輸，譯碼采用基于PLL（Phase locked loop）鎖相環的解調電路，大大降低了制作工藝難度，提高了可靠性，性能與國外同類產品相當，成本僅有其1/10。

（2）脫鉤機構。脫鉤機構是儀器安全回收的關鍵設備，在水聲通訊模塊的控制下脫鉤機構通過電腐蝕方式使儀器艙球與沉耦架之間實現脫離，儀器上浮回收。脫鉤機構置于儀器的頂部，與國外同類儀器相比具有更強的耦合剛度和更好的耦合性能。同時，裝置安裝非常方便，20分鐘內即可完成海底地震儀脫鉤機構的安裝和測試。

（3）常平機構。在該項目的研制方案中，利用姿態傳感器和步進電機對地震儀的姿態進行控制和調節，姿控調整的范圍從前兩代設備不足10度擴展為30度左右，體積和重量也有所降低。

（4）采集器系統。該系統包括前放電路設計、儀器時鐘調試以及低功耗的A/D轉換電路、時間服務電路、數據存儲電路和邏輯控制電路等，采集器功耗低于120mW，整機功耗低于250mW，大大優于國際同類儀器水平（1W左右）。采集器系統的前放電路工作穩定，共模抑制比大于100dB，具有高抗干擾能力。采用溫補晶振構成的振蕩電路作為內部時鐘，在0℃—4℃溫度范圍內其精度優于5×10-8。運用增量調制模數轉換模塊使儀器的動態范圍超過120dB。

（5）電源配置。OBS采用可充電鋰電池，呈環狀固定在玻璃艙球的下部。可對電池的充放電狀態和電壓進行檢測，以便用戶根據每個電池的充電電量和充電時間等信息，及時發現電池性能降低或失效的情況。內置電源管理模塊能實時監督電池的電能儲量，當電量低于某一預定值，地震儀會自動關閉除水聲通信之外的所有耗電設備，使地震儀在海底滯留6個月以上仍能正常回收。

該項目研制的OBS自2010年以來經歷了154臺次海上試驗性示范應用，并在渤海和南海開展了海陸聯合地震觀測。這些示范應用成果顯示儀器在各次海試中，工作穩定、采集數據良好，實用性強，表明儀器的主要技術指標滿足我國海洋深部結構和資源調查的需求。2011年10月9日，中科院組織了“海底流動地震觀測臺陣”項目驗收會。驗收委員會專家一致認為：該臺陣的建立與應用填補了國內該型裝備空白，提高了我國海底地震觀測技術水平，項目研制的海底地震儀在聲學應答與釋放回收裝置實現國產化，整機功耗低于國外同類儀器，姿控地震計優于國外同類產品等3項關鍵技術方面實現了突破。

3 組織與管理

為保證研制項目的順利實施，研究所組建了項目管理工作組和專家委員會，根據《國家重大科研裝備研制項目管理辦法（試行）》規定，實施單位法人負責制，項目監理制和合同管理制，明確各自職責，按全面質量管理的要求管理整個研制流程，保證儀器研制過程中合作伙伴在設計、加工測試、試驗、海上作業等方面強強聯合，優勢互補。

項目管理工作組由研究所各個職能部門主管組成，主要負責研制項目執行期間的人力與技術資源的調配與協調，為項目實施提供或創造實驗室、動力、網絡等一系列必要條件；對儀器研制進度和經費使用進行監督，監理實驗室的管理規章制度，協調研究所與外單位的合作關系；監督各個研究環節及進度節點的任務完成情況。另外，項目管理工作組聘請有相當工作經驗積累的人員作為項目質量內審員。內審員對項目管理小組負責。

項目專家委員會由研究所內外從事海洋科學、地震儀器研制的知名科學家組成。專家委員會向項目管理工作組負責，是研究所領導下的咨詢委員會，負責海底地震觀測臺陣的研制方案，制定和審核技術指標、技術路線和具體海試方案，對于研制工程中遇到的問題進行質詢與建議，監督各個研究環節及進度節點的任務完成情況，交流國外相關產品的最新信息，為研制儀器走向產業化提供信息和咨詢。

該項目在實施過程中分為2個子項目組，子項目負責人分別制定詳細的研制進度表，嚴格按計劃進度執行；由項目負責人定期檢查、督促；經費嚴格遵守預算制，專款專用，項目負責人總體協調。

為保證40臺（套）OBS的質量都符合設計要求，具有高的質量品質，項目組設置2名子項目質量監督員專門對OBS按照工藝流程加工測試進行監督。項目組成員要根據子項目質量監督員的建議進行修改，并將改正情況報告項目負責人。

該項目在研制過程中，采用企業廣泛采納的6S（整理（SEIRI），整頓（SEITON），清掃（SEISO），規范（SEIKETSU），素養（SHITSUKE），安全（SECURITY））工作模式，并聘請具有相關管理經驗的人員負責儀器研制現場的管理工作。

4 應用

2010年以來，該項目研制的OBS在多個海區經過了150余臺次的海上作業，儀器回收率超過98%，數據完整率超過95%。

西南印度洋中脊試驗。作業時間為2010年2月5—24日。5臺國產寬頻帶OBS搭載“大洋一號”科考船在西南印度洋中脊復雜地形和3 000米水深下工作20天，獲得了良好的數據記錄，投放6臺次全部順利回收。同時觀測的法國2臺寬帶OBS無數據記錄。

渤海海陸聯合觀測。第一階段作業時間為2010年3月20日—4月10日。投放國產OBS 28臺、德國22臺、法國3臺。國產儀器與進口儀器沿測線交替投放。OBS全部回收，數據完整。22臺德國Geopro公司OBS丟失1臺，回收的儀器中有10臺沒有有效數據。第二階段作業時間為2011年8月3日—20日。投放國產OBS20臺、德國20臺。國產儀器與進口儀器沿測線交替投放。全部回收，數據完整。德國Geopro公司OBS丟失1臺，后由漁民打撈送回。

南海海陸聯合觀測。2010年7月，在國家基金委地質地球物理開放航次中使用了該項目OBS，在南海北部海陸聯合深地震探測試驗中用于記錄大容量氣槍震源激發的地震信號。在2條測線共投放6臺次，全部順利回收，時鐘記錄與數據記錄均正常。德國Geopro公司OBS在1條測線投放的8臺儀器時鐘全部出現錯誤。

南海深海盆三維OBS地震觀測。兩岸合作航次，作業時間為2010年12月11日至2011年3月22日。投放了3個國家的3個型號的OBS。該項目研制的OBS投放8臺，回收7臺，回收率87.5%；德國Geopro公司高頻OBS投放15臺，回收11臺，回收率66.6%；由臺灣合作方提供的法國Sersel公司MicroOBS（高頻），投放17臺，但由于恰遇臺風不能及時回收，而該儀器留海時間較短，待3個月返回工作海區后僅回收8臺，回收率47%。該項目研制的OBS在3個月留海期間還記錄了一系列天然地震事件。同期工作的進口高頻OBS，僅裝配有高頻檢波器，沒有記錄天然地震信號的能力。

國家基金委南海深部結構探測。2011年5—6月，該項目OBS首次在南海中央海盆4 000多米水深海域大批量投入使用，航次中前后共投放該類型儀器52臺次，全部成功回收，回收率100%，在南海擴張中脊等深部結構調查中發揮了重要作用。圓滿完成國家基金委重大研究計劃重點支持項目“南海中央海盆三維OBS探測與擴張脊深部地震結構研究”的海上調查任務，南海北部地球物理科學考察的OBS探測任務，為國家基金重大項目記錄到寶貴的實測數據，標志著OBS儀器各項技術在實際應用中又邁出關鍵一步。

5 發展展望

受技術手段的限制，在該項目啟動之初，我國通過國際合作在南海北部陸緣總共完成了7條測線，共74臺次的海底地震探測。在項目結束之際，該項目研制的OBS就參加了超過7條測線的海底地震探測，投放次數150余次，這些成果表明OBS當前在海底地震觀測方面的應用已得到了海洋科學研究與資源調查單位的廣泛重視，必將為我國海底地震觀測的發展提供重要的科研支撐，并形成良好的應用前景。

該項目可在海上流動地震觀測之前，根據用戶的研究目標設計相應的臺陣觀測系統，綜合水深、臺站位置、震源特性等計劃和作業方案；海上流動觀測作業結束后，根據用戶要求進行觀測數據的格式轉換、地震事件提取、數據預處理等其它后續技術支持。

不僅如此，通過建立海底流動地震觀測臺陣，可為國內海洋科學研究、油氣勘探生產、海洋地質調查、海區地震監測等部門提供儀器裝備，并在觀測技術、數據處理、分析解釋等方面提供全方位的技術服務。海底流動觀測臺陣建立后，將通過互聯網實現數據及信息的發布。各用戶單位可根據實際需要定制、購買或租賃OBS等觀測設備，也可采取提供觀測經費由研究所代為開展觀測作業，獲取的數據將實現雙方共享。

目前，“OBS工程化研究”已列為科技部“十二五”“863”計劃海洋領域第一批啟動的項目，于2012年初正式啟動。除此以外，為提高OBS的國產化率，研究所積極與相關單位合作，重點研制耐壓艙體、電化學地震傳感器、深水水聽計、深水換能器等關鍵部件，目前相關工作已取得顯著進展。

*中科院計劃財務局副局長。E-mail:zbc@cashq.ac.cn

2011年12月17日