0 引言

千百年以来人类只能从地面或者海面观测地球。20世纪地球观测最大的技术进展在于遥测遥感对地观测系统的建立。人类终于能够离开地面，从空间获取地球信息，不仅丰富了信息量，而且解放了观测者的视角，进入“数字地球”和“地球系统”的新阶段。然而，遥感技术难以透过平均深度3 800 m的水层观测大洋海底，人类迄今对深海海底的了解尚不如月球和火星。随着高科技的发展，海底观测系统正在成为新的热点。印度洋海啸的悲剧，引起了全世界对观测预警系统的注意。深受地震之害的日本和美国西海岸，早已着手深海海底观测网的建设，这不仅为地球观测系统带来革命性变化，估计数年以后还将引发国际权益与安全之争。因此，建议中国尽早采取措施，力争主动 (汪品先, 2005, 2007)。中国《国家防震减灾规划 (2006-2020年)》明确提出，建设海洋地震综合观测系统，实施海域地球物理观测和地震海啸预警。

在过去的50年，美国和日本持续推动着海洋地震观测的发展。从1960年到现在，全球海洋地震观测约每10年实现一个大的跨越。最近美国OOI等项目的启动，标志着全球海洋地震观测正式进入长时间序列有线宽频带观测阶段。诸多国家拥有海底电缆，以加拿大的NEPTUNE海底电缆观测系统是目前为止最完整的。

1 北美海底地震观测 1.1 发展历史

美国早在20世纪60年代即开展海洋地震观测，具体历程如下：① 20世纪60年代研制出模拟记录海底地震仪，结构为浮标系留式和海底电缆式，观测规模和仪器数量有限；② 20世纪70年代，率先研制沉浮式海底地震仪。l977-1979年开展长测线海洋人工地震观测，每次应用OBS数采几十台，测线达上千千米。多次采用沉浮式海底地震仪设立大孔径海底台阵，开展地壳与上地幔结构研究；③ 1980年美国推出低功耗事件触发带预处理的数字化海底地震仪；④ 1979-1982年，美国完成几个在DSDP和ODP钻孔中安装地震仪的实验；⑤ 1987-1992年美国和日本分别在大西洋中脊和日本海的DSDP/ODP钻孔中安装宽带地震仪，成功获得宽带观测数据；⑥ 1988年，伍兹霍尔海洋研究所 (Woods Hole Oceanographic Institution，WHOI) 研讨会提出永久性宽频带海底地震观测台网 (OSN)，促进美国由短周期海底地震观测向宽频带海底地震观测发展；⑦ 1993年，在其推动下，IASPEI (国际地球内部地震和物理国际协会) 成立国际大洋台网委员会，提出大洋宽带地震台网 (ION) 计划；⑧ 1998年美国在夏威夷瓦胡岛用3台宽带海底地震计开展OSN Pilot试验，随后利用退役电缆建成H20站，同年开展Monterey海底地震试验MOISE (The Monterey Bay Ocean Bottom international Seismic Experiment)，在海底部署1套地球物理和海洋物理仪器包，该试验通过海底电缆与陆上连接，为长期海底观测做技术研究；⑨ 1998年至今，NEPTUNE、ORION等观测计划相继推出，并整合成OOI。

1.2 NEPTUNE及原型试验

美国于1998年正式启动著名的NEPTUNE (the North East Pacific Time – Integrated Undersea Networked Experiment)“海王星”海底观测网络计划 (Delaney et al，2000)。加拿大于1999年6月加入该计划。NEPTUNE海底观测网络试验计划由美国华盛顿大学约翰•德莱尼和美国著名的伍兹霍尔海洋研究所 (Woods Hole Oceanographic Institution，WHOI) 的科学家们共同提出，数百名科学家和工程师参与计划实施。

NEPTUNE Canada是NEPTUNE计划的一部分，是目前世界上最大的海底观测系统，可对深海海底各种过程进行原位、实时连续监测，包括板块移动、深海热液和“可燃冰”及生态环境的种种变化，不怕风暴、不用间断，用光电缆供应能源、传输信号。该项目沿东北太平洋Juan De Fuca区域铺设800 km海底光缆，覆盖20万平方千米海域，建设5-6个主节点 (1个主节点目前暂未落实经费)，水深从100 m到2 500 m左右，海王星计划布局见图 1。

作为海王星计划的原型试验，美国和加拿大分别建立小型试验观测系统MARS (Monterey Accelerated Research System) 和VENUS (Victoria Experimental Network Under the Sea)。美国承担的MARS观测系统最大布设水深约900 m，光缆全长52 km并组成网络，通过该网络向各个观测点供应电力，并将观测数据和图像通过光缆传回岸基站。加拿大维纳斯 (VENUS) 观测系统的观测站设在水下约3 000 m的海床上，用800 km长的电力通讯光缆在海底与岸基站围成联通的环路，环路上设有6个节点，包括700多个传感器。MARS与VENUS观测系统组成一个深海底观测网。

1.3 OOI

美国2006年通过由近海、区域、全球3大海底观测系统组成的“海洋观测计划”(OOI)。其中重要的是区域性海底观测网，即东北太平洋的加拿大“海王星”(NEPTUNE) 计划，能将上千个海底观测设备联网。OOI (Ocean Observatories Initiative) 是划时代的海洋观测计划，包括CI (Interactive Cyber infrastructure)、RSN (Regional Scale Nodes)、GSN (Global-Scale Nodes) 和CSN (Coastal-Scale Nodes)4部分，其中CI把RSN、GSN和CSN观测整合为一体，并深入数据验证、服务和研究等。海洋地震观测集中在RSN中，在东北太平洋铺设400 km左右的海底电缆，建设5个海底观测主节点，和NEPTUNE Canada一起构成对Juan De Fuca块体的整体观测，布局见图 2。

2 欧洲海底观测

根据GMES计划 (Global Monitoring for Environment and Security--全球环境监测与保护) 开展4D观测的需要，英、德、法在2004年制定ESONET欧洲海底观测网计划 (Priede et al，2003)。欧洲海底观测网 (ESONET) 计划与海王星计划类似，对地球物理学、化学、生物化学、海洋学、生物学和渔业等提供战略性长期监测。针对从北冰洋到黑海不同海域的科学问题，在大西洋与地中海精选10个海区 (北冰洋、挪威海、爱尔兰海、大西洋中央海岭、伊比利亚半岛海、利古利亚海、西西里海和科林恩海以及黑海等) 设站建网，进行长期海底观测。整个系统包括约5 000 km长的海底电缆 (http://www.oceanlab.abdn.ac.uk/research/esonet.php)。

理想情况下，ESONET计划将涵盖北冰洋到黑海的所有欧洲水域，通过在这些海域连接电缆式观测系统或引入浮标系统来实现GMES计划。与NEPTUNE计划不同，ESONET计划并不是一个独立完整的海底观测网络系统，它是由不同地域间的网络系统组成的联合体。在处理从ESONET取得的数据资料的同时，参考德国国际海洋数据中心的PANGEA系统，并与ORION的标准仪器接口相协调。ESONET欧洲海底观测网使用的海底观测传感器见表 1。

3 日本海底地震观测 3.1 发展历史

日本是建立海底观测网络最早的国家之一，从1978年开始在日本海域铺设短的海底电缆，20世纪70年代到90年代初建设3个海底地震观测系统，分别为御前崎海底地震观测系统、胜浦海底地震观测系统、北海道襟裳呷浮标遥测式海底地震观测系统 (卢振恒，1999)。1987年，日本提出海神计划 (POSEIDON)，在西太平洋、东北亚、东南亚建立海陆联合地震台网。1995年阪神大地震以后，日本政府、大学、科研机构投入巨资建设海底地震观测系统，主要包括：日本文部科学省投资的海洋半球台网计划，简称OHP计划 (周公威等，2005)；东京大学5年计划海底地震观测网络；东北大学海底海啸和地震观测系统；海洋-地球科学与技术研究中心高知县室户岬冲海底地震综合观测系统。

OHP计划从1996年开始实施并于2002年完成，地震台网以1 000-2 000 km的间距连接海底观测台站、陆地和岛屿观测台站，并覆盖西太平洋地区。OHP台网填补了西太平洋海域原有观测台网的空白，有助于提高地球内部成像研究的分辨率、深入认识地幔动力学和地幔构造、促进大尺度地震构造的精确研究、提高西太平洋板块边缘的地震定位、震源机制和发生过程结果的精确度 (Fukao et al，2001)。

3.2 DONET

日本主要以Tokai (东海)、Tonankai (东南海) 和Nankai (南海)3个震源区为日本未来可能发生下一代大地震的预测地区。近年来，因为地震和海啸的关系，开始建立真正为预警和海啸专用的DONET海底监测网络 (图 3)。DONET由长度超过300 km的主干电缆系统、5个科学节点和20个观测台站组成。节点间距15-20 km，每个节点安装超宽频带地震仪 (360 s-50 Hz) 和强震仪等设备，台站通过海底缆线连接到岸上。DONET2海底监测网络 (DONET第2阶段) 与DONET建设并行，监测面积扩大到DONET西侧，由1个长度450 km的主干电缆系统、2个登陆站、7个科学节点和29个观测站组成 (http://www.jamstec.go.jp/donet/j/donet/)。日本DONET海底海啸和地震海底监测网络布局见图 3。

3.3 日本海沟海底监测网络

2011年日本东北大地震发生时，日本1 500多个地震观测台站大多部署在陆地上，只有55个部署在海底。为了弥补海底地震观测网络的空隙，2011年“日本海沟地震和海啸海底地震监测网络”修缮项目开始启动。该观测网络由千叶县房总冲到北海道东方冲，沿日本海沟、千岛海沟共布设154个观测节点。日本海底监测网络布局见图 4。

该观测网络分别在5个海域各布设25个东西间距30 km、南北间距50-60 km的观测节点；在海沟外侧，从北海道根室冲到千叶县房总冲间隔约50 km设置观测节点 (金沢敏彦，2012；植平賢司等，2012)。154个海底观测台站用总长度约为5 800 km的光纤电缆连接。每个观测节点配备地震观测和海啸观测台站；地震观测台站备有多种地震计，加速度动态范围0.001-4 g，频率范围0.05-30 Hz；水压验潮站的分辨率为几毫米水银柱，装备2个相同类型的水压验潮仪 (Kenji Uehira et al，2012)。

观测节点为圆柱形状 (图 5)，直径32 cm，长度2.3 m，分为开放和密封两部分。开放部分用于测量水压，密封部分用于储存其他仪器。观测节点主体部分采用高强度铍铜合金制作；密封部分采用激光束焊接，可久经海水深透。如果出现问题，如光纤在一些节点断掉，或部分仪器、陆基台站被破坏，可以利用冗余设计连续运行。观测设备部署在8 km深的海底，并提供长达30年的生命周期，保障了防震减灾系统长时间内的持续性和可靠性需求。

4 中国海洋地震观测 4.1 中国台湾海洋地震观测

目前中国台湾有多项正在执行的海洋地震观测计划。其中，中国台湾气象局组织的中国台湾东部海域电缆式海底地震仪及海洋物理观测系统建置计划 (MACHO计划)，是目前值得关注的海洋地震观测行动。该计划从宜兰县头城向外海延伸，沿东部外海的南澳海盆，与和平海盆铺设环状海底电缆，全长412 km，建设5个节点，最大水深3 km以上，配置海底地震观测系统及水压仪等 (许树坤等，2006)。

4.2 大陆海洋地震观测最新进展

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，钻孔深度约130 m，安装英国Guralp公司生产的CMG三分向宽频带海底地震仪。由于故障并缺乏后续经费，试验未能获得理想观测数据。同期，上海市地震局在长江口崇明岛东部南北两侧及东海平湖八角亭钻井平台上，分别架设3个海洋地震监测台。东海平湖八角亭地震观测台是中国首个海洋石油平台上的地震台，于2009年2月建成，目前观测数据已实时传输到中国地震台网中心。位于长江口崇明岛东部北侧的台站，与上海其他海洋研究单位合作建设，配备由北京市地震局生产的JDF-1型短周期六分向井下地震计，水深约30 m，钻孔深度约170 m (连尉平等，2009)。

中国首个运用于海底观测并进行数据采集的信息观测组网--东海海底观测小衢山试验站于2009年4月19日试运行。在试运行阶段，该试验站采集数据完整率达95%以上。该研究课题由中国著名海洋科学家、中国科学院院士汪品先教授领衔。建成的观测系统实现了能源自动分配、数据实时采集、网络传输与可视化管理。此外，成功研制1套涵盖数据接收、监视和管理的可视化信息系统。东海海底观测小衢山试验站由海洋登陆平台及控制和传输模块、1.1 km海底光电复合缆、特种接驳盒等多种仪器组成 (许惠平等，2011)。该试验站在东海正式运行，为中国进一步建立深海观测系统研究成功迈出第一步。2011年4月中国启动东海海底观测网建设，同济大学海洋学院与浙江大学等合作的东海海底观测平台一期工程目前已完成设备调试，正在距上海陆地20 km的水下30 m深海域铺设海底光缆，用于连接地震仪和水下工作站等的缆线长度仅约1 km，以连续实时观测海底地壳变化过程。下一步计划铺设50 km长的光缆。目前，中国还在南海海底进行观测网研发。

4.3 发展中国海底地震监测网络

海底观测网可应用于重大科学问题研究、海洋技术与海洋工程问题，灾害与环境预防和保护、航海以及军事等方面。海底地震观测网络的建设对提高中国海域的防震减灾能力具有重要意义。建设海底观测网络是为了进行地震监测、海啸监测以及竖直地壳形变监测等，主要目地用于提供防震减灾的实时地球物理数据。由海洋底部监测台站获取数据，使得精确预报海岸海啸高度的下一代海啸预警系统成为可能。

中国海洋科技基础薄弱，虽然已经启动建设海底观测网并开展海底地震观测，但相关技术及配套工艺明显落后。建设海底地震监测网络时必须攻克诸多常规技术难关，如海底接驳盒技术、电能供给技术、海底工程布设技术等，同时考虑“网络化”布设、标准数据接口预留及系统稳定运行等更高层次的技术难题，只有充分发挥后发优势，坚持高起点、高可靠度、高利用率的基本原则，尽早规划和支持一批长期专项试验，是推动中国海底地震观测技术发展的比较可行的具体措施。