海底地震仪(OBS)及其由其组成的海底流动地震观测台阵是近年来发展起来的高新技术,在油气探测、科学研究、防灾减灾等方面有广泛的用途,是地球物理仪器与探测技术发展中的一个新增长点.近年来,在海底科学的研究中,被动大陆边缘如何从非稳态的初始张裂阶段发展到稳态的海底扩张阶段,成为国际大陆边缘计划(InterMARGINS)和综合大洋钻探计划(Earth,Oceans and Life,Initial Science Plans 2003~2013of IODP)的优先研究领域;主动大陆边缘如何因板块俯冲导致弧后扩张系统的形成,也是国际洋中脊计划的优先研究方向.在以上的研究中,海底深部结构是海盆构造演化的“骨架”,是边缘海形成演化、海底扩张和洋壳形成过程的信息载体,一直是大陆边缘演化与洋中脊扩张等科学问题研究的重点[1~10],而OBS探测是研究海底深部结构的最有效的地球物理方法,成为目前进行海底地壳内部结构研究的最新发展方向[11~15].1996年,Digranes等[16]用三分量海底地震数据模拟了挪威北部拉张大陆边缘地壳上地幔的纵横波速度结构,Flueh等[17]利用海底地震数据研究了卡斯卡迪俯冲带的岩石圈结构特征,Chian等[18]则用海底地震资料研究了南伊利比利深海平原的地壳结构.1999年6月德国海洋地学研究中心(GEOMAR)在夏威夷海域投放了47台OBS[19];2000年4月,来自德国、英国和美国等国家的海洋研究单位联合在大西洋南5°洋中脊进行了大规模的OBS 探测,可以看出,海底地震探测技术在各种海洋构造研究中得到了广泛的应用.
未来世界油气总储量的44% 将来自海洋深水区,海洋石油勘探开发已从水深300m 扩展到3000m的深海区.OBS具有噪声小、排列长度大、包含折射波和转换横波等优势[11],特别是与大容量震源的结合,可成为海洋油气勘探的重要手段.1994 年,Katzman等[20]在南加利福尼亚海域成功进行了反射地震和海底OBS 联合观测,在OBS 的共接收点道集上清晰地记录到BSR 反射震相.并用多道反射地震走时数据和OBS 记录的广角反射走时数据进行了速度结构反演.2005 年,Mienert等[21]在挪威中部的OmenLange海域进行了浅层天然气和天然气水合物的OBS观测.其观测系统采用以OBS为中心,炮点测线在6 个方向呈放射状分布的方式,利用接收到的反射波和PS转换波得到了该海域三个地区的Vp,Vs 和Vp/Vs 随深度变化的曲线,并据此推算了这三个地区的天然气及天然气水合物的饱和度.德国的Geopro公司生产了数以百计的OBS[22],为全球数十家石油公司和科研单位提供高分辨地震勘探服务.其客户中石油公司占了将近一半,是将OBS技术引入油气勘探领域比较成功的单位之一.特别是该公司在苏伊士湾采用OBS 广角反射地震法,较好地解决了中新统蒸发岩下伏地层层速度较低、常规反射地震无法揭示高速层之下的地质构造情况的技术难题,成为油气勘探中的一个范例.目前,国外的石油勘探公司已经开始将OBS技术用于油气勘探,并开始向小型化方向发展.特别是针对海洋油气资源勘探开发过程中的巨大投资风险,为提高钻井成功率,各石油公司开展的多种井场地球物理调查工作,对OBS密度和信息量的需求也远远超过了一般海洋深部结构调查.
尽管OBS技术在海洋深部结构和海洋油气勘探中可以发挥重要的作用,但是多年来,OBS 技术一直只为少数发达国家所拥有.2003 年以前,我国在南海北部陆缘完成过7条测线、共74台次的海底地震探测,都是通过国际和地区合作来实现的,所使用的OBS都不是我国自主研发.我国自主研发的OBS虽然起步较晚[23],但在国家863计划以及仪器研制专项的大力支持下,中国科学院地质与地球物理研究所在2003年研发成功3通道高频OBS的基础上,于2008年又研制成功宽频带、7通道OBS,使我国成为拥有OBS 技术的国家之一,并于2009~2011年期间多次在渤海、南海以及西南印度洋的海底结构探测中得到了应用[24~26],取得了很好的效果.它标志着国产OBS 技术日趋成熟,从原理样机逐步走向实际应用.目前已批量制作了40 套,初步形成了海底流动观测台阵.
2 国产宽频带、7通道(I-7C)OBS介绍 2.1 (I-7C)OBS的构成与技术指标宽频带、7通道(I-7C)OBS 采用单球一体化结构,具备了7通道的采集能力(3通道宽带地震计、3通道高频检波器、1通道水听计).单台OBS同时具备了接收气枪等高频人工震源信号和天然地震的能力,它主要由三部分组成(参见图 1).
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图 1 (I-7C)OBS的构成 1为脱钩机构,2为承压仪器舱,3、为沉耦架. Fig. 1 Configuration of (I-7C) OBS Component 1 is the (rehabilitate mechanism) device, component 2 is the pressure hull, components 3 and 4 are the settlement coupling mounting. |
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表 1 (I-7C)OBS的设计指标与实际实现指标对比 Table 1 Comparison between design and actual technical data of (I-7C) OBS |
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表 2 (I-7C)OBS与美国WHOI研制的OBS的指标对比 Table 2 Comparison of technical data between (I-7C) OBS (China) and WHOI OBS (USA) |
(1) 声学应答模块
声学应答模块是海底地震仪实现回收的关键部件,目前通讯距离达到10000m 的声学应答模块我国基本依赖进口,价格昂贵.(I-7C)OBS采用自主研制的基于微功耗FPGA 器件,采用数字解调方式的声学应答模块.其技术创新点在于大大降低了制作工艺难度,提高了可靠性.其性能与国外产品相当,而制作成本只有购买国外产品的1/10.
(2) 低功耗采集系统
自主研发了低功耗的AD 转换电路、时间服务电路、数据存储电路和逻辑控制电路,采集器功耗低于120mW,整机功耗低于250mW,大大低于国际同类仪器水平.
(3) 姿态姿控常平装置
该装置采用机电一体化技术,由单片机根据姿态传感器的姿态信息,控制垂向电机与步进电机调整姿态.这种姿态调整装置使得地震计与玻璃舱球底部的耦合呈刚性连接,增强了信号的传递性,保证地动信号的低失真传递.
在以上关键技术实现的基础上,国产OBS在整机性能、数据质量方面都具自己的特点与优势.
北京时间2009年4月16日4时01分,自主研发的(I-7C)OBS 在南海记录到印尼苏门答腊南部(3.1°S,100.4°E)发生M6.6级地震.这是我国首次利用OBS在深水海区记录到天然地震资料(图 2).
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图 2 南海海盆(水深约4300 m)中的OBS的天然地震记录 Fig. 2 Earthquake recording of the OBS in the marine basin of South China Sea (water depth is about 4300 |
2009年,广州海洋地质调查局采用电火花震源,在测试水槽中将国产OBS与法国Sercel公司的MicroOBS于同样环境下的记录进行了测试对比,结果表明:国产OBS数据具有更好的分辨率与信号一致性(图 3).
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图 3 国产OBS与法国Secel公司MicoOBS的水槽测试结果对比(广州海洋地质调查局伍忠良提供) 左:MiroOBS;右:国产 OBS. Fig. 3 Comparison of test results at water tank (provide by Wu Zhongliang of Guangzhou Marine Geological Survey) Lett: MicroOBS;Right: (I-7C) OBS. |
(I-7C)OBS研制成功后,在浅海地区经历>30台次的投放回收试验,并没有出现丢失.但是在2009年4月实施南海共轭大陆边缘深部结构的OBS探测剖面中,却经历了重大挫折,丢失了17台仪器.项目组迅速总结经验,针对可能引发回收失败的原因进行了改进,于2010 年2 月5 日~2 月24日搭载“大洋一号”在西南印度洋大洋中脊海区再度开展试验.由于面临OBS 回收再度失败的风险,项目组特别研制了深水试验装置(图 4),在国内尚没有适合的ROV 配合的情况下,该装置可以实现试验用OBS的单独回收与试验装置的整体回收,即使OBS脱钩失败,也能通过加装的机械脱钩释放器将其回收,便于故障原因的定位分析.不仅可在深水回收试验中降低仪器丢失风险,同时也能够对OBS的脱钩释放性能进行真实测试.深水试验装置在西南印度洋中脊试验中采用取得了很好的应用效果.
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图 4 OBS深水试验装置设计图 Fig. 4 Test set of the OBS for deep water |
5台(I-7C)OBS搭载“大洋一号”科考船在西南印度洋中脊复杂海底地形和3000 余米水深环境下工作了近20天,获得了良好的数据记录(图 5),投放了6台次全部顺利回收(图 6),数据基本正常.同期参加该航次还有来自法国与德国的OBS.其中,法国两台同类宽带OBS 无有效数据记录,法国IPGP研究所15 台短周期OBS 丢失1 台,德国GeoPro公司19 台OBS 丢失1 台.这是对(I-7C)OBS实际性能真实测试试验中最为重要的一次.通过这次试验,还发现了夜间回收灯光不明显、OBS上浮后姿态不利于打捞等一些问题,对后期的改正有至关重要的作用.
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图 5 西南印度洋航次中(I-7C)OBS〇4记录的折合时间剖面(中国科学院南海海洋研究所丘学林提供) Fig. 5 Time section of the (I-7C) OBS recordings in Southwestern Indian Ocean (provided by Qiu Xuelin of South China Sea Institute of Oceanology,CAS) |
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图 6 西南印度洋航次中(I-7C)OBS回收的现场照片(国家海洋局第二海洋研究所阮爱国提供) Fig. 6 Field photos of recovery operation of (I-7C) OBS in Southwestern Indian Ocean voyages (provided by Ruan Aiguo of the Second Institute of Oceanography,SOA) |
该项调查任务来自于国家自然科学基金重大研究计划“华北克拉通破坏”中的重点研究项目“渤海及邻区深部结构及其对华北克拉通破坏的响应”以及国家863计划“海陆联合深部地球物理探测关键技术研究”,目的就是通过在渤海海域布设的两条“十字”型地震探测剖面,开展海区与陆区的联合地震观测,形成一套进行海陆地震联合探测的综合地球物理技术.渤海海域是开展华北克拉通破坏研究的关键地区之一,是东部陆块破坏最严重、地壳减薄的中心(28km).利用海底地震观测数据研究区内大地震的分布、重要的断裂带(如郯庐、张家口-蓬莱断裂带)与克拉通破坏的关系、油气盆地形成的深部原因等都有重要的意义.
作业分两次进行.第一条NW 向剖面观测采集于2010年3月20日~4 月10 日进行(图 7),此次作业共投放28台国产OBS、德国产22台、法国产3台.沿测线国产仪器与进口仪器交替投放.国产OBS在回收时丢失1台,后来在葫芦岛海区被渔民发现后寻回,回收的仪器数据完整.投放的22 台德国Geopro公司产OBS,回收时丢失3台,后来寻回2台,回收的仪器有5台完全没有数据.另外投放了3台广州海洋地质调查局进口的法国Sercel公司产OBS,回收时丢失1 台,后来经渔民发现找回,回收的仪器数据完整.第二条NE 向剖面采集作业时间为2011年8月3日~20日,此次作业共投放20台国产OBS、20 台德国Geopro 公司产OBS,沿测线国产仪器与进口仪器交替投放.国产OBS 全部回收,数据完整.德国产OBS有2台未能释放成功,实验后为渔民送回.海上试验表明,研发的OBS 样机在工作稳定性和回收可靠性上有了进一步的提升.
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图 7 渤海海陆联合地震探测剖面位置 图中红色圆点代表国产OBS;蓝色三角为德国产OBS. Fig. 7 Locations of seismic profiles for marine-land joint survey in the Bohai Sea The red circles represent (I-7C) OBS. The blues represent the OBS made in Germany. |
2010年7月12日~8月10日,国家自然科学基金委员会在南海实施了地球物理开放航次,其中有多条海陆联合地震观测剖面,目的是查明滨海断裂带的位置以及深部地壳结构特征.在这些观测剖面中,国产OBS在AB和DE 测线共投放6台次,全部顺利回收,数据正常.航次首席科学家丘学林教授认为:“经数据回放和分析处理,显示数据信号清晰,震相追踪可达100km 以上,比国外同类仪器有更好的剖面质量.”
3.4 南海深海盆三维OBS地震观测这是国产OBS首次在南海深海海盆中开展的三维地震观测.震源由4支1500in3 的BOLT 空气枪组成,双排列组合,航速4~5kn,数据采样率250Hz(间隔4ms).投放时间:2010年12月11日;回收时间:2011年3月22日.此次海上作业的时间为2010年12月~2011 年3 月,由国家海洋局第二研究所组织实施.该航次搭载“奋斗七号”科学考察船,共采用了三种不同的OBS:(1)8台国产宽带OBS;(2)15台德国Geopro公司产OBS;(3)17台法国Sercel公司的MicroOBS.三种OBS 均为单舱球OBS,采用了同样的耐压玻璃舱球.国外的两种OBS装配短周期检波器,仅能应用于主动源地震探测.此次海试较充分地体现了国产仪器宽频带、低功耗的优势.在2010年12月15 日,科考船完成了测线放炮作业,但因台风逐渐接近作业海区,科考船被迫避风.考虑到法国Sercel公司生产的MicroOBS留海时间短,科考船于2011年1月5 日至6 日在恶劣的海况下抢先回收了8台MicroOBS后离开作业区.直至2011年3月海况条件允许的情况下,科考船再度回到作业海域重新进行OBS回收工作.回收情况如下:
(1) 国产宽带OBS,投放8 台,回收7 台;回收率87.5%.
(2) 德国Geopro公司产高频OBS,投放15台,回收11台;回收率66.6%.
(3) 法国Sercel公司产MicroOBS(高频),投放17台,回收8台,回收率47%.在2011 年3 月的回收作业中因天气原因剩余的MicroOBS均未能成功回收.
受天气原因,科考船未能按预定计划如期回收OBS,使滞留海底4个月的国产宽带OBS还接收到一些天然地震事件,其中包括日本东海3月11日发生的9级大地震(图 8).
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图 8 6号OBS台站记录到的日本东部海域9级地震(国家海洋局第二海洋研究所阮爱国提供) 震中距:34.934°,反方位角:39.821°发震时间:05:46:24,到时:05:53:07;直达P波走时6 min43 s. Fig. 8 8 MS 9 earthquake of eastern seas of Japan recorded by No. 6 OBS station (provided by Ruan Aiguo of the Second Institute of Oceanography, SOA) Epicenter distance: 34. 934° reverse azimuth: 39. 821° Earthquake origin time: 05:46:24, arrival time: 05:53:07; Travel time of direct P waves: 6 min and 43 s. |
2011年5月~6月,自主研发的宽带OBS首次在南海中央海盆4000 多米水深海域大批量投入使用,航次中前后共投放该类型仪器52 台次,回收率100%,在南海扩张中脊等深部结构调查中发挥了重要作用(图 9).该航次首席科学家丘学林教授认为“国产海底地震仪(OBS)已达到国际先进水平”;本航次的第二航段为6月2日~6月9日,历时8天,圆满完成国家自然科学基金委员会南海北部地球物理科学考察的OBS 探测任务,共投放20 台国产宽带OBS,全部成功回收,放炮测线长230km,连续放炮作业1天多,OBS平均留底时间3天.
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图 9 南海中央海盆OBS台阵和放炮测线分布图(中国科学院南海海洋研究所丘学林提供) 白圈为国产OBS,灰圈为德国产OBS Fig. 9 Locations of OBS stations and shot lines in the central marine basin of South China Sea (provided by Qiu Xuelin of South China Sea Institute of Oceanology, CAS) White circles represent (I-7C) OBS and gray ones represent the OBS made by Germany. |
在这个航次中,国产OBS 第一次采用大批量、跳蛙式作业采集方式集中在4000 m 水深海域作业,不但自身得到了检验,也为国家基金重大项目记录到宝贵的实测数据,标志着国产宽带OBS仪器各项技术的进一步成熟,在实际应用中又迈出关键性一步.
2010年以来,国产沉浮式宽频带OBS 经历了大量的海上试验的检验,共投放超过150台次,回收率超过98%,数据完整率超过95%.在历次海试中均有国外同类仪器进行应用对比,国产仪器在回收率与数据质量方面均具有优势,同时也积累了经验,有助于在海洋油气探测、海洋深部结构调查等领域中的进一步应用.
4 结论与展望2010年以来,国产OBS 在我国各个海区经过上百台次的海上作业(超过半数工作水深在2000m以上),仅丢失一台.仪器回收率超过98%;数据完整率超过95%.每次都有国外同类仪器进行对比,在易用性,回收率、数据完整率等重要指标上都具有一定的优势.仪器的性能也得到了国内广大涉海地质研究单位的认可.结合国内外的发展趋势,预计国产OBS应有较好的应用前景.主要表现在:
(1) 国产OBS技术日趋成熟;
(2) 随着海底科学研究的不断深入,随着一些新的科学问题涌现[26, 27],势必拉高国内各海洋研究单位开展OBS探测研究的需求;
(3) 发达国家已经将OBS技术引入海洋深水油气勘探、开发领域并作为一种重要的地球物理手段,我国迄今为止在这方面的应用仍是空白.
针对这样的情况,近期OBS的主要研发方向将包括:
(1) 根据当前国外发展动态,开展海底耦合的研究.针对低频地动信号,优化整机结构,提高仪器记录天然地震的数据质量;积极开展海区天然地震观测.
(2) 在863 计划支持下研发便携式高频OBS.采用33cm 耐压舱球,可将仪器体积、重量缩减近一半,更适用于高密度海洋地质调查.在此基础上进一步研制适用于深水油气的海底地震勘探设备.
(3) 针对涉海研究单位的需求,开展仪器定制研发.
综上所述,国产宽频带OBS 发展到今天,总体技术已经比较成熟,整机指标比较稳定,与国外同类产品相比具有自己的优势.回顾我国国产OBS从无到有的长期艰苦研发过程,应该说这是两代科学家和国内多个海洋研究单位共同努力的成果,特别是与来自国家科技部、财政部、中国科学院以及中国科学院地质与地球物理研究所各级领导的支持和来自全国众多地球物理专家的合作与帮助密不可分.在研制的过程中,项目组经历了成功的喜悦和失败的打击,也肩负了更多的希望.时至今日,项目组对每次海试用户反馈的意见与建议都认真地进行了分析,并对OBS进行了持续改进.未来还将在改进内部配重、增配浮力材料、调整上浮姿态等方面继续努力,使国产OBS更加实用、可靠.
致谢感谢国家科技部、财政部、中国科学院在国产OBS研发过程中的大力支持!感谢国家海洋局第二海洋研究所、中国科学院南海海洋研究所、国土资源部广州海洋地质调查局、国家海洋局第一海洋研究所、大港油田等单位给予的合作与支持!对在国产OBS研发中热情关心、始终指导的刘光鼎院士、朱日祥院士、秦蕴珊院士、李家彪研究员、丘学林研究员、阮爱国研究员、周立宏教授以及所有关心该项目的人们,以及辛勤工作的《地球物理学报》评委与编辑,在此一并致谢!
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