2019, Vol. 62
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郭永刚5
,
张艺峰6,7,
游庆瑜1,2,
谢志招6,7,
刘善虎6,7,
杨杰5,
徐锡强1,2,
周蓝捷6,7,
郑韶鹏6,7,
张妍1,2,
王肃静5,
黄松1,2,
李红旮8
2. 中国科学院地球科学研究院, 北京 100029;
3. 海底科学重点实验室, 自然资源部第二海洋研究所, 杭州 310012;
4. 中国科学院大学, 北京 100049;
5. 中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室, 北京 100190;
6. 福建省地震局, 福州 350003;
7. 中国地震局厦门海洋地震研究所, 福建厦门 361021;
8. 中国科学院遥感与数字地球研究所, 北京 100094
, GUO YongGang5, ZHANG YiFeng6,7, YOU QingYu1,2, XIE ZhiZhao6,7, LIU ShanHu6,7, YANG Jie5, XU XiQiang1,2, ZHOU LanJie6,7, ZHENG ShaoPeng6,7, ZHANG Yan1,2, WANG SuJing5, HUANG Song1,2, LI HongGa8
2. Institute of Earth Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. Key Laboratory of Submarine Geoscience, State Ocean Administration, Second Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Hangzhou 310012, China;
4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
5. State Key Laboratory of Acoustics, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;
6. Fujian Earthquake Agency, Fuzhou 350003, China;
7. Xiamen Institute of Marine Seismology, China Earthquake Administration, Fujian Xiamen 361021, China;
8. Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China
线缆式海底地震观测技术是一种利用基于海底光电复合缆的光电传输技术将海底地震采集站和陆地地震数据库或地震监测系统相连接的海底地震观测方式，它可以改变长周期地震观测基本位于大陆或岛屿的现状，将观测台站向海区延伸，弥补海区地震观测台站的空白或不足，实现实时、长期连续观测海底内部过程观测及对活动构造的监测(李风华等，2015).线缆式海底地震观测台站主要构成包括：光电缆传输系统；海底地震采集站与海床基；岸基管理系统与支撑系统等.它可以为海洋灾害预警预报、环境监测、活动地质构造研究等提供重要支撑.
多个海底地震观测台还可以通过与岸基联网组成覆盖范围较大的观测网络，成为近年来人类为了探索海洋、认识地球、减灾防灾而发展起来的新型观测平台，使海区的科学活动从短期或临时观测向连续、实时、原位和长期转变，为人类认知海洋和减少海洋地质灾害提供不同时间尺度的科学依据与新的手段(汪品先, 2007；Barnes et al., 2010).
发达国家在海底地震观测方面一直占领科技前沿(Becker and Davis, 2004; Kawaguchi et al., 2008; Kanazawa et al., 2013; 李风华等，2015; 海洋地质国家重点实验室(同济大学), 2017)，从目前已有的海底观测网来看，美国、加拿大以及欧洲等国的海底观测网大部分以海洋综合观测为目标，成为物理海洋、海洋化学、海洋生物、海洋地质地球物理等学科为一体的观测平台.
2002年，美国启动第一个具有深海性质的海底观测系统MARS(Monterey Accelerated Research System)(引自：oceanobservatiories.org)，2007年，这个布放在900 m深的海底、全天候不间断的海底观测系统开始工作后，美国的海底观测系统能力一直不断提升(Consortium for Ocean Leadership, 2008)，发展到今天，美国大型海洋观测计划OOI(Ocean Observatories Initiative)已经由区域网、近海网和全球网三大部分组成，实现了从陆地延伸到深海、从海底到海面的立体观测系统(Arrott et al., 2011；李风华等，2015).
2006年建成的加拿大维多利亚海底实验观测网VENUS(Victoria Experimental Network Under the Sea)和加拿大海王星海底试验网(NEPTUNE-Canada)共同构成了加拿大海底观测网，它覆盖了从近岸水域一直到洋中脊的范围，通过对海底多年的连续原位观测，推动了一系列关键地球科学问题的探索(Barnes et al., 2010, 2011, 2013)，为科学研究提供了新型研究平台(Barnes et al., 2013；李风华等，2015；海洋地质国家重点实验室(同济大学)，2017).
与北美国家的海底观测网的侧重点不同，由于地震、海啸多发，主干海缆受威胁程度差异，日本海底观测网则以地震、海啸的实时观测和预警为主要目的；另外，考虑系统的鲁棒性和可扩张性要求不同，北美的海底观测网采用恒压供电技术，日本海底观测网采用恒流供电技术先后建成的地震和海啸海底观测密集网络DONET(Dense Ocean floor Network System for Earthquakes and Tsunamis)、DONET2覆盖了从近岸到海沟的广大海域，为地震和海啸提供了海底预警装置，还成为研究板块俯冲带的地震机制的科学观测设施(Kaneda, 2010；Kawaguchi et al., 2008, 2015；李风华等，2015).2015年建成的S-net观测网(日本海沟海底地震海啸观测网)沿日本海沟布设(http://www.seafloor.bosai.go.jp/S-net/)，观测站之间南北相距约50 km，东西相距约30 km，做到每个里氏(M)7.5级的地震源区有一个观测站，推动了区域结构和地震机制的科学研究(图 1).
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图 1 S-net观测网分布图 引自：http://www.seafloor.bosai.go.jp/S-net/ Fig. 1 Distribution of S-net |
当前国外的海底观测网大多是多种手段的组合，其关键技术包括接驳技术、能源供应技术、水下网络传输与信息融合技术等(朱俊江等，2017).对于海底地震观测，还有地震仪布设方式的设计、地震仪与海底间的耦合等关键问题需要解决.背景噪声是海底地震观测中最大的难点，为了压制该噪声发展了多种技术方案，包括浅埋、钻孔地震观测、井塞地震观测、井下地震观测等观测系统.1991年“大洋地震网”(OSN)计划在胡安·德夫卡洋中脊使用了海底井塞装置进行井下长期地震观测，该技术已成为大洋钻探的主要技术手段.2003—2006年期间，NEPTUNE工程在海底沉积层覆盖区先用圆柱形塑料桶安放在沉积层内，然后将钛合金密封的OBS放置其中并注满小玻璃球加以覆盖；而对于缺乏沉积覆盖层的站点则先用ROV打钻孔，然后将有钛合金保护的OBS安装在水平方向的钻孔内，这两种方式都取得了良好的效果.日本的DONET观测网的最大特色在于OBS的密集分布，配备了多种类型的传感器，能够精确观测不同程度的地震、海啸和海洋板块变形等(刘文义，2013).
总体说来，海底地震观测站(网)主要利用的是地震发生时, P波与S波在传播速度上的差异以及设置在海底的宽频带地震仪可以相对于陆地台网更早接收到地震信号的特点而实现地震与海啸预警的.以日本的DONET和S-net海底观测网为例，根据对监测数据的数值模拟研究，科研人员已经揭示出海底水压变化与海啸波高的相关性，对于在日本海沟处发生的地震，地震预警最大可获得15~30 s，海啸预警最大可获得15~20 min(http://www.seafloor.bosai.go.jp)，因此，海底地震持续观测的科学价值和社会效益显而易见.DONET是监测仪器布局很密集的海底观测网，观测点间距只有15至20 km，各自配备地震仪、压力计等多个仪器，能够精确观测不同程度的地震、海啸和海洋板块变形等.另一个十分重视海底地震观测的例子就是我国台湾省.由于台湾岛与日本同样处于地震多发区，2011年，我国台湾科学家提出的“台湾东部海域电缆式海底地震仪及海洋物理观测系统建设计划”(MACHO，Marine Cable Hosted Observatory)第一期已建设完成.该计划采用恒流供电技术由日本公司布设完成，从宜兰县头城镇向东南外海铺设了1条全长45 km的光纤海底电缆，并在海底深度约300 m的海床上设置1座科学观测节点，连接地震仪、海啸压力计、温盐仪与水听计等仪器设备，通过海底光纤电缆持续地将观测数据传送至陆上监测站，不仅能加强对地震与海啸活动的监测，还可长期提供海洋科学观测资讯.以上实例说明，地震观测已经逐渐从陆区走向海区，海洋地区缺少地震长期观测的现状已经开始改变.实际上，从科学角度看，任何一个海洋的环境、资源、地质、污染及灾害过程要素都是伴随着多种物理、化学等特征而出现的，采用单平台、单一观测设备不可能完全刻画出观测对象的特性.采用多种先进海洋观测设备综合集成在多种高性能海洋综合观测平台上实现体系观测获取观测对象的多维特征，将会在很大程度上提高海洋观测技术应用的有效性和准确性，可以更深刻的理解事物的本质和演变规律，为人类服务(汪品先, 2007；Berg et al., 2010；吕枫等, 2011；彭晓彤等, 2011；李风华等，2015).因此，海底地震观测及海底观测网技术随着科技的进步与发展，方兴未艾.
我国在海底地震观测方面起步较晚，与发达国家相比还有较大差距.在国家“863”计划等项目的支持下，“十一五”计划以来，海底观测网有关技术和小规模的观测网试验系统开始了研究与试验，海底地震长期观测的装备和实用技术得以逐步发展.自2006年起，由上海市地震局牵头开展了大陆首个海洋地震观测系统建设，包括东海离岸约100 km的试验性活节桩平台和离岸约400 km的东海平湖石油平台，其中活节桩平台后期因电源故障而失效；东海平湖石油平台于2009年建成了地震观测井，观测数据可实时传输到中国地震台网中心，为后期建设更大规模的海洋地震综合观测系统提供了有益实践经验(连尉平等，2009).2007年，天津市地震局利用石油平台，在渤海建设1个海底井下测震台，但由于故障并缺乏后续经费，试验未能获得理想观测数据(杨程，2017).2009年，东海海底观测小衢山试验站建成并试运行，为进一步建立深海观测系统研究成功迈出重要一步(张艳伟等，2011).此后，“东海海底观测网”研究建设和南海的“海底观测示范系统”和“海底观测网试验系统”中都曾经试验过海底地震观测技术，特别是中国科学院南海研究所、声学研究所、沈阳自动化研究所主持的“南海海底观测实验示范网”的技术成果(李风华等，2015)，推动了海底地震观测技术的向前发展，从装备、通讯、技术等多个方面为海底地震观测技术的实用化积累了前期经验，也提出了更高、更精准的要求，我国海底地震观测技术面临着从研究积累向实用建设“临门一脚”的突破.
2013年，在国家重大科学仪器设备开发专项的支持下，中国科学院地质与地球物理研究所主持的“海底地震监测仪器开发和应用”项目联合了中国科学院声学研究所、福建省地震局厦门地球物理勘测中心以及中国科学院遥感应用研究所的科研人员，为了实现“海底地震监测网络应用示范”的目标，开展了海底地震观测台网技术研究并在福建近海建设成功、实现连续运行，为我国今后海底地震实时观测发展了自有技术.“福建近海海底地震观测台”的建设目标是：(1)验证关键技术的可靠性；(2)实现实时入网功能目标；(3)完善系统技术，为我国今后的海底地震观测台(网)提供参考.
1 线缆式海底地震观测台站系统设计 1.1 系统总体架构浯屿岛海底地震观测台由光电缆传输系统、海床基、岸基管理系统与支撑系统组成，海床基中包括了恒流供电型实时传输与授时接驳装置(水下仪器控制、光电分离/光电转换、水下电源等)和海底地震采集站(2台60 s宽频带速度型地震采集站、1台短周期速度型地震采集站和2台强震型地震采集站)，各型号设备参数见表 1.整套海床基规格约2.3 m×2.3 m×1.5 m, 重量约1.5 t.
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表 1 海底地震采集站参数 Table 1 Parameters of OBS |
岸基管理系统由岸基接驳部分、通讯部分和陆上比测设备所组成.按照地震行业要求及比测实验需求，陆上比测设备中含有1套Guralp-5CDE型强震仪和1套Guralp-40TDE型宽频带地震仪和MEMS烈度计.岸基接驳部分包含了总控、馈电、网络交换、网络时间服务等核心功能，具备可接入我国地震行业网的能力.
如图 2所示，光电缆通过海床基的光电分离/光电转换部分将海底地震采集站(以下简称OBS)与岸基接驳设备连接，通过中国电信MPLS-VPN数据专线通信网将岸基接驳部分的通讯设备和地震行业网的网络设备对接，实现海底地震观测站地震观测数据的入网、传输、并在厦门中心实现对地震台站的监控与运维.
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图 2 福建海底地震台观测系统拓扑图 Fig. 2 Topological graph of observation system of Fujian submarine seismic station |
海底地震观测系统的研发目标是实现海底地震实时观测记录、传输并具备并入我国地震行业专业网的能力，因此组网系统需实现以下功能：实时监视各个设备运行状况；提供波形断记告警功能，自动形成运行率统计日志文件；对波形数据质量进行自动监视，发现异常及时告警；提供台站运行状况集中监视界面，提供实时波形显示功能等，达到与地震行业网站相同的无差别监控、运维标准.通过设置地震行业专网标准入网接口，参考地震行业网数据汇集传输标准、设备监控服务标准和数据处理专用软件、自动存储波形数据、事件波形数据归档、波形数据准实时服务等方面的专业要求，采用与现有福建烈度计台网运维中心共用中心机房设备的形式实现日常管理.海底地震观测台站入网之后，观测站数据可实时发往福建省地震局厦门地震勘测研究中心的数据机房，并进入后续数据处理、存储流程，由厦门地震勘测研究中心进行远程运维监控观测站的运行.
传输协议定义：采用统一的“烈度仪协议/重庆CZS”传输协议实施实时波形数据传输，利用厦门地震勘测研究中心多台服务器资源及充足的数据存储空间，提供基于JOPENS6.0流服务的数据汇聚功能.基于TCP/IP的优化指令集，设计了适用于实时数据传输的数据流传输方案.在保证数据流的及时有效性的前提下大幅提高数据的有效信息比，同时加入时间引导帧，可保证数据流的时间有效性，并为数据恢复提供前提.
打包时间间隔定义：根据地震预警、烈度速报等应用场景要求设定数据传输适配器的数据打包时间间隔，通常为0.5 s或1 s.
报错及自恢复功能：基于数据流连续性的误码自恢复机制，设计了实时数据传输过程中的数据自恢复机制，有效的解决了仪器在受到外界干扰情况下出现的数据流内码元的突发误码，降低了误码率.同时仪器设计了针对不同突发情况下的自恢复机制，保证仪器在受到极大的干扰下仍能正常工作.
时钟精确同步机制：开发基于NTP的网络授时同步机制，在原有NTP协议的基础上增加上层时间漂移滤波算法，滤除在网络环境较差情况下的授时漂移，实现高精度网络授时.实验结果表明，此授时算法可在原有NTP网络授时基础上提高10倍精度.
1.3 基站显控软件设计基站显控软件包括网络通讯、岸基远程供电控制、接驳盒详细控制、OBS详细控制等部分.前台将传统工控和数据可视化显示进行集成，构成显控主程序.后台为设备代理程序，对OBS、接驳盒等进行监控.图 3为软件系统功能结构.
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图 3 软件系统功能结构 Fig. 3 The function and structure of software |
在网络模式下，实传式OBS支持两种访问方式：服务器(Server)模式(实传式海底地震采集站自身为Server，远程控制端为Client)和终端(Client)模式(实传式OBS自身为Client，远程控制端为Server).在TCP/IP端口交互模式下，实传式OBS支持指令同在网络模式下的服务器(Server)模式相同.烈度仪在服务器模式下访问时，识别的指令分为控制类指令、查询类指令、配置类指令和辅助指令四大种.
控制类指令在上位机发出后，仪器接收执行相应的操作，并返回相同的指令用于下位机指令接收确认.查询类指令用于仪器状态的查询操作.指令由上位机发出后，下位机收到相应的查询指令，进行数据完整性校验后，将返回仪器的相应的查询状态.配置类指令完成仪器的配置，指令码为相应的配置指令，附加指令为相应的配置参数.辅助指令包括仪器重启、远程实传时间校正、仪器整体状态检查等指令.同时，通过开发后台监控程序，每5 min进行延时信息校验，生成一次24 h运行有效率报告.利用厦门地震勘测研究中心企业微信进行故障和状态信息的推送，可以确保台站运行状态得到及时保障.
2 海底地震观测系统关键技术 2.1 海底地震采集站(OBS)在硬件电路方面，所有电子模块都由数据采集器中的32位单片机统一控制，形成一个有机整体，提高了系统的集成度.对模数电路、时间电路、存储电路、控制电路进行设计和优化，对系统的总体硬件电路进行整合优化，增强采集器硬件电路的可靠性和稳定性，并实现低功耗采集.嵌入式软件总体设计方面采用基于中断驱动的嵌入式软件设计以高效地实现任务调度，并优化各个功能模块的软件代码，采用状态机模式代替阻塞式等待实现MPU的高效利用.沿用原有沉浮式OBS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，实现在不同环境下地震计的自动调平.
设计了专门用于实时通信的硬件接口，实现了全双工通信，采用压差驱动，抗干扰能力强.设计了适用于实时数据传输的数据流传输方案，采用在发送采样率个点的数据单元前发送时间引导信息帧的技术方案，在保证时间精度的同时又可以极大的增加有效信息比.设计了实时数据传输过程中的数据自恢复机制，解决了仪器在受到外界干扰情况下出现的数据流内码元的突发误码，降低了误码率.同时设计了针对不同突发情况下的自恢复机制，保证仪器在受到极大的干扰下仍能正常工作.
2.2 水下接驳技术水下接驳技术是福建浯屿岛海底地震观测台建设中非常重要的一项关键技术，其主要功能包括电能的高中压变换与分配管理、通信与远程监控以及时钟授时同步等功能.
(1)恒流供电技术
岸基电源将市电转换为恒流高压直流电能，通过海缆传输至海床基接驳装置，接驳装置内的电能变换单元采用恒功率双冗余及故障隔离技术，将恒流高压输入转换为低压恒压稳定输出，为通信与监控单元及OBS提供电能供给.
(2)通信与监控技术
采用千兆以太网的光纤通信技术，以FPGA控制双路热备份自动切换方式实现岸基与多套OBS之间的远程高速、稳定通信.接驳装置为OBS提供监控通道，通过高效的通信汇聚和传送技术可实现各类不同速率级别信号的有效复用汇聚和传送管理，实现端到端的可靠传送，保障观测数据的有效性和管控指令的可靠性.另外，接驳装置可实时监测不同OBS的工作状态，对每个独立的接驳端口实现故障诊断与隔离，有效降低故障对系统的影响.
(3)网络授时技术
通过网络时间协议方式提供时间基准，使不同OBS和岸基时间服务器之间实现网络化精确时间授时同步，避免了传统OBS长时间工作后时钟漂移的影响，保证了数据的质量和可信度.
2.3 数据实时传输及显控技术数据传输通常分为伪实时即延迟超过3 s；准实时即延迟1~3 s；真实时即延迟 < 1 s，平均500 ms.线缆式海底地震观测系统主要延时来自于通讯延时、数据压包和数据绘制.为了提高海底地震观测系统效率，避免多台设备之间数据压包和绘制对计算资源的占用，采用对象代理(Agent)技术，将数据接受处理和数据绘制分为不同进程同步处理，避免单一设备不稳定时导致系统整体延误.Agent是一种具有控制功能的实体，它接收信息，然后根据自己的知识、规则和控制逻辑对信息进行处理，然后把信息转发出去.
每台OBS以及接驳盒连接部分都设计成为后台代理，负责设备通讯、数据处理、数据推送.主要功能包括接受设备端口数据、数据检校、数据解压、数据压包、日志记录、数据指令传输、评估设备状态、数据通讯中断后自动恢复等，其中每个OBS代理按100 Hz频率接受HZ、HE、HN和水听器数据，同步传输到显控主程序，按0.5 s间隔实时发送到厦门地震勘测研究中心JOPENS系统.
在OBS代理中，将数据接收、数据压包、数据推送等功能分为不同线程，为了支持千万数量级地震时间序列数据持续高并发写入，设计建立内存高并发环形队列和环形缓存数据结构.OBS代理中数据接收线程，在完成接收数据、数据解码和检验之后，数据按时间标签进入环形队列；数据处理线程，在内存中建立环形缓存，读取队列中数据分通道压缩为mseed格式数据，放入环形缓存等待发送，按0.5 s间隔发送.日志线程定时将内存中环形队列中数据以及指令数据整批保存在硬盘中.
显控主程序建立多个窗口同步绘制机制.每一个绘制窗口对应一个线程，每个线程独占一段显示资源，并根据窗口大小和移动，进行动态调整.窗口独立显示和绘制，保障在同一页面内100 Hz频率高速同步绘制5台OBS共20条地震曲线以及各设备实时状态.此外，用户还可以在显控主程序页面根据工控逻辑流程，利用可视化开关，控制设备状态.
3 系统研发及台站建设在完成系统总体架构设计后，浯屿岛海底地震观测台的研发及示范建设包括了关键技术研发、仪器性能测试、场地勘选与建设、海底路由勘察设计、海缆敷设、海床基布放施工、系统安装调试和试运行几个关键阶段，详见表 2.
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表 2 海底地震观测台建设关键节点 Table 2 Development key node of submarine seismic station |
通过针对性的模拟研究及测试比测以确保OBS长期稳定观测.组网模拟测试与仪器性能比测分别在福建泉州地震基准台(2016年)和北京(2018年)两次测试.根据陆上台站测试规范要求，完成仪器初相位一致性、OBS波形和时间服务一致性、动态范围和自噪声分辨能力的性能检测，验证海底地震采集技术的实用性和可靠性.测试内容包括(1)与陆地地震基准台信号采集对比试验，检验OBS天然地震监测能力及时间服务一致性、仪器噪声水平；(2)对OBS在陆地组网传输中进行连通率、在线运行率等测试.经过数据对比分析，得到结论如下：
(1) OBS可以清晰记录到人工敲击信号和天然地震的信号，与基准台站以及测震台的信号波形基本一致；
(2) 测试的OBS和基准台的时间服务一致，满足天然地震观测要求；
(3) 个别型号OBS在部分测试时间段的噪声水平大于陆地天然地震噪声水平，这为后期OBS的进一步优化提供了重要参考；
(4) 模拟组网测试结果表明，OBS传输技术在网络通联测试、数据读取与储存、并网实时运行率等各方面满足地震观测设备组网入网要求.
此后，课题组在北京中科院声学所(2018年)，浙江南通(2018年)开展OBS长期观测稳定性、外部供电技术及外部实时传输控制技术、实时数据回传及实时显示技术、远程故障分析与监测技术及水密等测试试验，为最后确保海底监测系统有效长期的稳定运行打下坚实的基础.
3.2 台站选址我国目前尚未有关于海底地震观测台站场址勘选标准及规范发布.但台址勘选决定未来观测的成败，因此，首先参考陆上地震观测台站建设标准：(1)《中国数字地震观测网络技术规程》JSGC-01；(2)《地震台站观测环境技术要求》(GB/T 19531—2004)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会，2004)；(3)《地震台站建设规范测震台站》(DB/T 16—2006)(中国地震局，2006)，同时考虑海底观测台的特殊性，需要满足四个方面的要求：(1)质量要求：海底噪声满足观测要求，基站对观测环境地噪声水平的要求应符合GB/T 19531.1—2004第4章的规定，应不大于III级环境地噪声水平，即＜-130 dB.)；(2)作业要求：海底地形平坦便于海上施工作业；(3)安全要求：具有一定的水深，后期渔业活动破坏和干扰少；(4)连续工作要求：具备连续稳定供电能力、实时、连续和稳定通信条件.海缆路由线路应为平缓的沙岸，避免海底礁石、海流的摩擦冲刷破坏，延长海缆工作寿命.应尽可能选择交通便利和有安全保障的地点，避开对观测可能发生影响的发展规划区域、陡坡、风口或河滩等地区，避开各类干扰源，如：飞机场、铁路、县级以上公路、采石场、重型机械厂、岩石破碎机、火力发电站、水泥厂与大型输油输气管道(符合GB/T 19531.1—2004第5章的规定)等.课题组从福建省地震观测台网125个站点中筛选出3个、从61个GPS基准站中筛选出3个、从福建沿海28个验潮站中选出3个、从20个海边民居中选出3个共12个备选点逐一进行现场踏勘，必要时进一步开展场地地噪声水平测试与分析.地噪声水平测试采用宽频带地震计，在备选的台址附近连续记录至少48 h以上，分析其地脉动波形，依据《地震台站观测环境技术要求》(GB/T 19531.1—2004)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会，2004)中规定的台站地震监测条件的相应技术指标及噪声等级的划分，分析噪声水平.
在此基础上进一步筛选出5个备选站点，综合场地位置、场地背景噪声水平、登陆点条件、海底地形、交通、供电与通讯条件等开展比选论证.如东山岩仔鲍鱼养殖场等备选点经过实地踏勘，发现存在交通条件、海况、地噪声与人文活动噪声、施工、登陆点海底底质方面问题(图 4)，因此被逐一淘汰.
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图 4 东山县岩仔村鲍鱼养殖场备选点登陆点岸边地貌 Fig. 4 Landforms of Landing point at alternative station in Yanzai Abalone farm |
通过对漳州浯屿岛噪声水平测试分析(图 5、表 3)，评估结果1~20 Hz频带范围内PSD的评价级别为良好；1至20 Hz频带范围内RMS的总平均值为-138.8906 dB，为Ⅱ级环境地噪声水平，满足选址要求.综合场地设立条件、设成后运行条件等多方面综合分析，该场址各项条件良好，优于其他候选场地，适于台站设立(表 4)，最终选择漳州浯屿岛船厂码头作为福建近海海底地震观测台站位置(图 6).
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图 5 漳州浯屿岛场地噪声水平 Fig. 5 Noise level at Wuyu Island station |
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表 3 福建浯屿岛船厂选址条件评估 Table 3 Seismic station Condition evaluation at Wuyu Island shipyard |
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表 4 观测站部分噪声水平测试记录 Table 4 Test records of some noise levels in the seismic station |
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图 6 漳州浯屿岛备选点海域情况(A)与位置(B).(B)中蓝色三角为实验站位置，红色圆圈代表曾经发生过的不同震级的地震震中位置，同时给出了周边地区断裂分布情况，选址位置有利于后期对活动断裂的监测 Fig. 6 (A) Sea area photo of Wuyu Island alternative station and the station location (B). Blue triangle shows the location of seismic station and red circles show the epicenters with different magnitudes that have occurred in fig.(B). The distribution of faults in this area is also shown. The site location is beneficial to the monitoring of active faults |
路由勘察指对计划辅设海缆和海床基的海域进行调查，获取相关海域海底的地貌及底质信息，给出最佳的海底电缆及海床基的布放路径.路由勘察参考技术规范有《海洋调查规范第8部分：海洋地质地球物理调查》(GB/T 12763.8—2007)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2007)、《水运工程探测规范》(JTS 131—2012)、《水运工程岩土勘察规范》(JTS 133-1—2013)(中华人民共和国交通运输部, 2013, 2014)、《海洋工程地形探测规范》(GB 17501—1998)(国家质量技术监督局，1999)，主要进行了海底多波速测深、声呐测扫和浅层地层剖面探测，并完成了表层抓斗采样，以便了解海域底质、礁石分布与延伸，浯屿岛路由勘察范围参见图 7.其中表层抓斗采样在最低潮位时实施，以了解其他手段无法取得的浅滩数据.
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图 7 路由勘察范围示意图(图中蓝色区域) Fig. 7 Schematic diagram of routing survey(blue area in the diagram) |
经过路由调查，可以得到以下认识：(1)该海域底质主要由沙区与礁岩区组成；(2)初步确定海床基的设计位置是在砂区；(3)海缆远离海滩两侧的礁石延伸区；(4)尽可能远离航道，以减少噪声.通过调查确定拟投放海床基位置，投放位置周边30 m范围海底地形平坦，无明显地形起伏，坡度约6°，底质为沙泥，结构较为稳定，满足海底台布设要求，有利于海床基内地震仪与海底耦合.同时规划了海缆从海床基位置、海区、陆区路由到设备终端的线路，线路全长约600 m(海域250 m，陆域375 m).路由线路分布，海域路由低潮实景和海域路由浅地层探测剖面结果参见图 8A、B、C.
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图 8 海区路由路线(A)，低潮实景(B)和浅地层探测剖面结果(C) Fig. 8 Routing way in marine area (A), Real scene photo when low tide (B) and Shallow stratum exploration profile (C) |
近岸基站建设参照陆上固定台建设规范及标准《地震台站观测环境技术要求》(GB/T 19531.1—2004)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会，2004)、《地震台站建设规范—测震台站》(DB/T 16—2006)(中国地震局，2006)、《中国数字测震台网技术规程》(JSGC-01)执行.图 9A、B分别为岸基房设备分布示意图与实景.海底设备布放施工是一个复杂的系统作业工程，施工过程严格依据《福建近海海底观测台场地勘选及路由勘察报告》、《海底地震监测网络示范应用系统实施方案》执行，海域施工原则为从陆上设备终端向海底台(海床基)牵引铺设海缆，海缆牵引至岸滩位置后，预留一定长度海底光缆用于海上路由铺设，海缆从岸侧往海底台进行敷设.
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图 9 (A) 岸基房设备分布，(B)控制室内景，(C)海床基接驳示意图，(D)海床基投放入水 Fig. 9 (A) Sketch diagram of instruments distribution inside onshore base house, (B) Photo of control room, (C) Sketch diagram of seabed base connection, (D) Seabed base deploying |
2018年9月，充分测试和现场检验后，成功完成了搭载5台OBS的海床基投放与海缆布设.以“浙台海研7号”科考船为施工母船，海缆按照设计路由沉放到位.海床基沉放处海底为平坦沙地，满足耦合要求.海缆投放前经过接驳组装及测试、投放入水通电测试，投放结束后成功通过了全系统测试.图 9C、D分别为海床基接驳示意图和海床基入水实地照片，其中路由确定、母船定位、海缆套管沉放、海床基布放是海底地震观测台站海域施工部分的关键难点，关系到整个项目的成败.
5 系统试验运行2018年10月1日起，浯屿岛海底地震观测台进入试运行阶段.在此期间，各项技术系统运行正常.厦门地震勘测研究中心数据流服务器正常，数据存储每天产生约240 MB的miniseed格式数据.
(1) 系统总运行率及延时
表 5是系统功能检测后功能实现情况，表 6是2018年10月1日至12月31日三个月系统的总体运行率及延时情况.试运行期间总体运行率99%、平均延时1500 ms.2018年10月26日8 : 07和2018年11月9日17 : 55分别出现OBS04掉线和OBS授时异常情况，通过手动重新链接恢复.2018年11月16日14 : 28出现网络中断报修，11月17日14 : 32恢复正常.
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表 5 系统功能目标实现情况 Table 5 Realization of system functional objectives |
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表 6 系统的总体运行率及延时情况 Table 6 Overall operating rate and delay of the system |
(2) 事件记录
试运行期间记录到的地震事件波形数据质量良好(图 10)，但幅值较大时会存在缺数情况，经查为协议限定，1 s封包无法存储全部数据导致缺数，故而后改为0.5 s封包，缺数问题即解决.
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图 10 2018年9月28日印尼MS7.4地震事件记录 Fig. 10 MS7.4 earthquake event records in Indonesia on September 28, 2018 |
(3) 运行维护
对浯屿岛观测站数据利用后台监控程序，对数据传输的延时和每日运行率进行监控，确保台站运行状态得到有效保障.对JOPENS系统延时信息进行统计，每5 min进行一次校验，当海底台延时超出阈值时产生一条故障信息；每天生成一次24 h运行有效率报告，对有效率低于95%的OBS产生故障信息；检测到的故障信息会通过利用企业微信进行故障和状态信息推送，及时有效送达运维人员.试运行期间，系统发生故障3次，值班人员处置之后均恢复正常.
6 结论浯屿岛海底地震观测台经过超过三个月的试运行，可以得到结论如下：
(1) 漳州浯屿岛作为海底地震观测台场址，环境噪声水平符合《地震台站观测环境技术要求》规定.多波速水深探测、侧扫声呐探测、浅地层剖面探测、表层地质取样4个手段的详细物探勘察对于水下地形、浅地层剖面、礁石分布及海底台预定位置及海缆路由设计非常必要；
(2) 陆区仪器性能检测与组网模拟测试结果表明，海底地震采集站在远程网络通联测试、远程数据读取与储存、并网实时运行率等各方面满足地震观测设备组网入网要求；
(3) 海床基沉放处海底表层为平坦沙地，满足海床基耦合要求.海床基投放前接驳组装及测试、投放入水通电测试是海床基成功投放的必要环节；
(4) 浯屿岛海底地震观测台数据实时发往厦门中心的数据机房，实现了数据流服务，并可接入JOPENS系统，数据实时传输正常，自动存储实时波形数据，具备进入地震行业网的能力；
(5) 试运行期间浯屿岛海底地震观测台取得了实际99%以上的高运行率，达到国家测震台网管理规定的优秀标准(运行率95%以上)；
(6) 利用福建省地震烈度速报一般站台网技术系统，可实时监视各设备运行状况，提供波形断记告警功能，自动形成运行率统计日志文件；对波形数据质量进行自动监视，发现异常及时告警；提供台站运行状况集中监视界面，提供实时波形显示功能.
致谢 浯屿岛海底地震观测台研发与建设是国家重大科学仪器设备开发专项(2013YQ12035704)“海底地震监测仪器开发和应用”项目的研究成果，在此，对科技部对项目的大力支持表示衷心感谢！本项目是由中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院声学研究所和福建省地震局共同合作完成的.在研发与建设海底地震观测台站期间，得到了福建省地震局金星局长、自然资源部第三海洋研究所许江教授级高工、平潭地震台叶晓明台长、东山地震台林木金台长、浯屿村委会蔡建华、浯屿大华船厂郭志鹏、蔡友成、海洋工程技术专家赵波等人的鼎力支持与帮助，本文的审者也付出辛苦的劳动和宝贵的时间，在此一并致谢！同时对参与研发与建设的全体成员的努力表示深深感谢！
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