2010, Vol. 53
2. 北京大学地球与空间科学学院, 北京 00871;
3. 中国科学院南海海洋研究所, 广州 10301
, LI Jia-Biao1, CHEN Yong-Shun2, QIU Hua-Lin3, TUN Zhen-Li1, DIAO Meng-Hui3, NIU Xiong-Wei1, WANG Chun-Long2, WANG Xian-Guang2
2. Institute of Earth and Space Science of Beijing University, Beijing 100871, China;
3. South China Sea Institute of Oceanography, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer, 简称OBS)是海洋地震观测和勘探的重要设备, 既可以用于主动地震勘测也可以用于天然地震观测[1].由于OBS是与海底面直接接触, 因此除了P波外还可以接收S波, OBS的布设和陆地地震仪一样, 可以进行广角地震勘测, 探测深度较大, 这两点是OBS不同于海洋多道地震的最大特点.我国的海底地震仪的研制和使用相比先进国家是比较晚的.近年来在国家多个渠道和项目的支持下, 我国在OBS的引进和实际应用中都已取得了显著进展[2], 尤为重要的是国产OBS的研制已取得了很大的成功, 并进行了多次试验和实际应用[3, 4].但作为新的科研产品, 还需在实践中作进一步的检验, 对存在的问题需要不断地发现和改进.2010年1~3月间, DY115-21航次第6航段西南印度洋中脊构造调查, 集中了4种型号41台短周期和宽频带OBS, 其中国产宽频带I-4C型OBS 5台.以前多次海上作业实践显示, 国产OBS在释放上浮系统方面还存在一些问题, 影响了回收率, 因此, 本次海上作业国产I-4C型OBS的试验重点为释放上浮系统和外部结构.本文拟对这5台OBS的试验过程和结果作较详细描述, 指出存在的问题, 并提出对该型OBS进行改进的建议.
2 I-4C宽频OBS的主要性能指标与国外产品相比, 在设计原理、地震计、记录器等主要方面都是一致的.主要差异体现在外部结构、上浮系统、电源系统、数据读取方法.国产I-4C OBS的设计适应了国际上技术发展的趋势, 采用了一些新技术, 如可充式锂电池、蓝牙输人参数读取数据和GPS通讯等.主要性能指标简述如下.
(1)地震计
仪器舱内集成了姿控宽带三分量地震计, 频带60 s~50 Hz, 一个水听器.由于没有机械零点和锁摆问题, 使OBS的工作可靠性提高.频带宽和4分量设计与国外同类产品类似, 长周期60 s比国外产品的30 s更大些, 但高频比国外产品的100 Hz偏小.
(2)记录器
前放电路在信号输人端加配一阶无源LC低通抗混叠滤波器, 采用极低噪音精密双运算放大器构成仪器放大电路, 且有很高的抗干扰能力.曾在南海的973项目中将国产OBS与德国OBS进行了共同作业试验, 结果表明国产OBS的数据其后续波质量更好些.A/D采用4阶∑-Δ增量调制器, 动态范围大于120 B, 数据容量16 G, 整体功耗小于0. 3 W, 内部时钟精度优于5×10-8.这些指标与同外国类产品相当, 功耗属于较小的一类.采用蓝牙技术进行参数设置和数据的读取, 且速较高达2M字节/s, 符合国际技术发展趋势.
(3)电源
采用了11.1V的10AH锂电池8枚.可以在数十小时内完成充电.内置了一个电源管理模块, 当能量低于某一预定值时, 可以自动关闭所有耗电设备, 使OBS在海底滞留一年以上还能回收.这一点与国外产品不同, 例如德国GeoPro产品是将记录器、声学释放器和融断电路独立开来.
(4)上浮释放和外部结构
采用的玻璃球为国外进口, 最大工作水深为6000 m, 与国外产品相当, 可以满足多数条件下的海洋调查要求.以前多次海上作业发现该型OBS的主要问题是脱钩释放系统, 在上船之前, 研制单位对该型OBS的电化学释放系统进行了改进, 主要措施是燃烧线变细, 燃烧线段变短.为保险起见, 增加了另外一种释放系统, 采用机械转动技术, 并增加了一个浮球.OBS通过第一种电化学系统固定在第二种机械系统上, 再将其固定在沉耦架上.甲板声学应答单元为进口的国际上流行设备, 可靠性高.OBS上浮后的搜寻方法主要有两个, 一是用GPS无线数传模块, 二是频闪灯.而国外产品, 如德国和法国的OBS都采用无线电发送和接收技术.
3 试验过程和结果DY115-21航次第6航段西南印度洋中脊综合地球物理调查, 自2010年1月31日从毛里求斯Louis港起航至3月7日返航靠港, 历时1个多月.调查船为我国最先进的海洋地球物理调查船"大洋一号".本航段的重点是洋中脊构造的OBS勘测.使用OBS 41台: 19台德国GeoPro公司制造的短周期OBS, 5台国产I-4C型宽频带OBS (以上24台OBS为国家海洋局第二海洋研究所拥有), 法国IPGP研究所提供了15台短周期OBS和2台宽频带OBS.
2010年1月31日下午在水深3318m的海区对国产I-4C型OBS 1台进行了投放和回收试验.投放结束后3 h, 在确保OBS抵达海底之后, 开始上浮回收试验.试验的第一步是用甲板声学单元向电化学释放系统发射水下释放指令; 第二步是30 min后, 用甲板声学单元向机械释放系统发射水下释放指令.随后在预计的时间和地点附近先后发现OBS和浮球及机械释放系统的主要部件声学应答器, 并打捞成功.上浮的平均速度为50 m/min.
2月5日凌晨开始OBS投放.考虑到OBS的回收作业可能会在夜间进行, 为了上浮后海面搜索和打捞的方便, 将OBS与浮球用绳子连接在一起, 以便利用OBS内置的闪光灯, 同时确定在随后的回收作业时, 电化学释放和机械释放同时动作, 这与上述试验中两种释放动作间隔30 min不同.4台国产I-4C型OBS被投放在A区中心点(以往航次发现热液喷口的地方)周边5 km范围内, 各台站均在洋中脊中轴附近的峡谷内.I-4C001台水深3534 m, I-4C003台水深2574 m, I-4C005台水深3051 m, I-4C006台水深3172 m. I-4C004台被投放在B区(热液活动平静区)的洋中脊中轴线上, 地形上为隆起区, 水深2370 m.
枪阵放炮完成后, OBS回收作业从2月21日上午开始.I-4C001台回收从18:00开始, 海面能见度尚好.定点停船后, 释放指令发射和应答的测距数据较为稳定地变小.确认OBS已上浮.采用GPS定位应答系统和甲板望远镜及肉眼观察搜寻.GPS方法始终无法收到定位应答信号.在预定时间内没有发现上浮的OBS.经1个多小时的搜寻, 肉眼在300 m左右的地方发现了OBS.在船靠近后又发现了浮球及连带的机械释放系统, 它们与OBS之间的连接绳已脱落, OBS和浮球分两次打捞.由于OBS和浮球外套上的挂钩点朝下, 所以打捞工作十分困难.打捞上船后, 确认OBS的燃烧线融断.随后在夜间22:00许对I-4C003台进行释放和回收.释放指令发射和应答的测距数据较为稳定地变小, 确认OBS的已上浮.在预定时间很快由肉眼发现OBS和浮球及连带的机械释放系统.两者连在一起.待船调头后目标丢失, 随后一直没有发现目标, 直至次日凌晨3:00左右又由肉眼再次发现目标, 由于OBS与浮球连在一起, 一次打捞成功, 并确认OBS的燃烧线融断.从中我们得出的结论是, OBS内置闪光灯在球内的位置不理想, 发出的光线太弱, GPS定位和应答系统在实际海上作业时船体运动的条件下是不可行的.白昼的作业可能是有利的.所以我们调整了计划, 将后面3个站位I-4C型OBS的回收工作安排在白天进行.图 1为I-4C型宽频带OBS上浮后的现场的照片, 可以看出其上浮姿态不好.
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图 1 国产I-4C型宽频带OBS回收现场照片 Fig. 1 An in situ photo of I-4C OBS recovering |
2月23日14:10~17:50先后回收了I-4C006台和I-4C005台.两者在释放指令发射、应答的测距数据和确认OBS的上浮过程都很顺利.在预定的时间和点位, 很快地由肉眼锁定目标.OBS和浮球及连带机械释放系统都连在一起, 很快打捞上船, 每一台的释放打捞均只用了1.5 h.确认OBS燃烧线融断.2月24日在B区对I-C004台进行释放回收, 过程也非常顺利, 与上述两台基本相同.
图 2为I-4C001台记录的一个折合时间地震剖面.可以看出, 地震记录效果很好, 最大偏移距可达100 km左右, 主要震相直达水波、基底下部折射Pg、莫霍面反射PmP和折射Pn都清晰可辨, 为后续的反演提供了保证.
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图 2 I-4C001台记录的一个折合时间地震剖面 Fig. 2 One of the time reduced seismic sections recorded at I-4C001 station |
经过DY115-21航次第6航段的0BS海上试验和实际作业, 可以看出国产宽频带I-4C型OBS已具备较好的深海作业能力.但仍然存在一些技术问题.(1)灯光系统存在位置不当、光线透出不够的问题.夜间在波浪汹涌的海面间断性地闪烁容易丢失目标.相比之下, 其他类型的OBS在夜间较容易发现.(2) GPS定位和应答方法在不停摇晃的船上不能发挥锁定目标的作用.与之相反, 本航段其他类型OBS使用的无线电应答和锁定、配合望远镜和肉眼搜寻的方法却十分奏效, 无一失误.(3)没有安装红色或黄色的旗子是一明显的缺陷.在白天的自然光的条件下, 在波浪粼粼的海面上, 色彩鲜艳的旗子对于目标的搜寻是十分有用的.其他类型的OBS都安装了旗子, 效果很好.(4) OBS的重心偏高, 造成上浮后顶面朝下底部朝上的姿态.既不利于搜寻, 也不利于打捞.这方面法国产的OBS由于浮球较大且置于顶部, 上浮漂移时姿态很好且稳定.(5) OBS和浮球上外置的挂钩钢环偏小, 稳定性不好, 不利于从船上向下挂吊钩.除此之外, 还有一个问题值得注意, 即在读取数据前需要进行GPS授时以便获取记录器的时钟漂移, 但在摇晃的船甲板上, 需数小时的较长时间后才能进行, 甚至无法进行.
5 结论及建议本次OBS调查, 国产I-4C型宽频带OBS的6个台次的投放和回收均获得了成功, 回收率达到了100%.说明国产I-4C型宽频带OBS的研制是成功的, 在总体上已具备较为完整的内外配置和工作能力.在3分量拾震器、水听器、记录器、释放发射指令、测距应答、工作水深、连续记录能力和数据存储等主要方面都表现优良.尤其是采用了不开球充电、参数设置和读数的蓝牙技术大大方便了工作.提高了效率, 这一点对于海上多条剖面的连续作业是十分重要的.
根据本次试验所发现的问题, 并参照国外OBS的优点, 我们提出如下改进建议, 以使I-4C OBS性能更为完善: (1)将GPS定点搜寻改为无线电应答搜寻, 这是该型OBS最急需改进的一点, 对安全回收具有重要意义.(2)燃烧线融断技术已被证明是成功的, 没有必要再安装机械转动释放系统, 这样就可以大大减轻设备重量, 改善海面漂浮时的姿态并利于打捞.(3)将闪光灯位置进行改动, 并在外套上开若干孔口以便光线的透出, 并改间断性闪光为持续的灯光.再是设法增加一面桔黄或红色的旗子, 旗杆长在1 m左右.这样就可以不分昼夜地回收.(4)将OBS的重心降低.可以使用双球系统.或者外加浮力材料做成的环圈.这是改善海面漂浮姿态的又一措施.再是将挂钩改成较大较高的半圆环, 并使之牢靠固定, 保持竖直, 这样可大大方便用钩子打捞.(5)改进GPS授时系统的稳定性, 这对于节省在船上读取和存储数据所需时间和后续的数据处理时对时间漂移的校正是十分重要的.
致谢参加DY115-21航次第6航段西南印度洋中脊构造调查的其他科考队员和全体船员为OBS调査工作的顺利完成付出了辛勤劳动.同时向中国大洋协会的领导和航次组织者表示衷心的感谢.
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