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【科技日报】下潜10027米,记录地球心跳——国产海底地震仪首获万米海洋人工地震剖面
2017-04-07 | 作者:转自:科技日报 | 【 】【打印】【关闭

来源:科技日报  发布日期:2017-4-6  作者:何亮 王静婷

 

“探索一号”科考船在马里亚纳海沟布放地震仪 

  “呼叫海底,呼叫海底”,“探索一号”科考船在甲板上发出回收指令。

  指示灯亮起,地震仪在马里亚纳海沟挣脱沉耦架的束缚,头也不回直冲海面,如同游子急迫的回到母亲身边。

  下潜10027米,作业600个小时,接到指令后地震仪以每秒0.8米速度、历时4个小时成功返回海面。

  随着56台仪器回收完毕,我国成为世界上首个成功获取万米级海洋人工地震剖面的国家。

  “九五”之前,我国海底探测技术几乎空白。20年后,国产地震仪不仅实现了万米突破,还记录到地球深处的心跳。这台只有17英寸的地震仪是一种什么设备?又是如何在水下待得住、醒得快、回得来呢?

  万米自由落体 “不倒翁”传感器自动调整姿态 

  从海平面到海底,万米下潜并不困难——重力来自于20公斤的沉耦架,带着地震仪在水中自由落体。但是,沉底后能否正常工作,传感器的平衡是关键。

  “在陆地上,可以手动调整地震仪的姿态,落到海底,所处的地形无法选择,地震仪的站立姿态各式各样,需要地震仪在内部自动调整。”国产海底地震仪设计者、中科院地质与地球物理所研究员游庆瑜告诉科技日报记者,“形象点说,这时的传感器就是一个‘不倒翁’,不管地震仪怎么掉到海底,内部的地震传感器都能自动调整到平衡姿态。”

  在地震仪内部,有两个负责调平的器件。一个是姿态传感器,负责测量地震传感器的姿态信息,另一个是磁阻式电子罗盘负责测量地震传感器的方向信息,它们使得地震仪在着底后,身体可以歪斜而内部地震传感器实现平衡。

  但是,要将地动信号转化为电信号并准确拾取,除了平衡,高质量的地震动信号记录还需要地震仪整体构件的良好耦合。游庆瑜打了一个坐汽车的比方,车过坎时晃了一下,你在车上颠了两下,信息必然错误,因为耦合较差;如果将你绑在车上甚至与车同为一体、同频共振,这时的信息与客观吻合,因为耦合良好。

  海底地震仪依靠设计合理的整体结构,使海底与舱球、舱球与传感器互相耦合,以保证万米深渊下与地球同频共振,拾取到的信息准确无误。

  深海沉睡600小时 功耗最低说醒就醒 

  “不论地震仪在海底逗留多久,只有成功收回,才能发挥作用。”海底地震仪设计者、中科院地质与地球物理所研究员郝天珧告诉科技日报记者,“回收率作为检验仪器质量的一个关键指标,各国都在不断摸索。”

  海底地震仪的“粮食”是装载在身上的电池,谁的电量消耗少,谁就能在海底保留的时间长,记录的资料多,留海时间长,回收率也就越高。郝天珧解释道,在全球范围内,中国的地震仪功耗是最低的。

  2014年冬季,我国在黄岩岛海域回收相同条件下布设的中、法地震仪。在回收时节偶遇台风来袭,船上成员只抢收到部分法国地震仪。等到来年三月,科考船再次来到黄岩岛重收剩余的仪器时,国产仪器悉数收回,法国仪器却因电量耗尽而全军覆没。今年在马里亚纳海沟的不同深度,共布放60台地震仪,成功收回56台,全部使用的自行研制的水声应答释放模块。而且,万米地震仪下潜作业600个小时,待呼唤时说醒就能醒。

  百兆帕水压 戴着“项圈”像水母一样飞升 

  “海底水压非常大,海斗深渊的万米压力是100MPa(兆帕),就是1平方厘米负载1吨的重量。一台海洋仪器要到万米深处所承受的压力,相当于一个手指甲盖上要承担一部小轿车的压力。”中科院地质与地球物理所王元博士在中科院做万米深渊科考见闻报告时提到。

  万米地震仪接到返回指令后,以每秒0.8米的速度迅速飞升。海底地震仪由于下潜深、环境压力大,多采用无动力上浮技术,这就需要在耐压同时,可以提供一定的浮力,从而对浮力材料提出了较高要求。在地震仪内部的玻璃球上端,一个嵌在地震仪脖子处的橙色固体“项圈”是整套设备浮升的一个主要动力装置。

  “这种固体浮力材料是以胶黏剂为基体、空心玻璃球为浮力调节介质的复合材料。它的浮力来自低密度空心玻璃球,粘度低、流动性好的树脂粘胶被填入玻璃球之间的缝隙,加温固化后的材料既能均匀承受水的压力,又能抵抗水的渗透。”中船重工七一〇研究所高级工程师陈江告诉科技日报记者,带有“项圈”的地震仪就像一只水母,在力学控制下沿着直线上升。

  “不同水压对浮力材料的要求是不一样的,适合5000米的材料可能在6000米就不适用,所以,除把握材料选择标准外,还需对浮力材料的配比反复进行探索,制作出不同规格的设备。”陈江说。

  科研只是起步 国土划界矿产勘探也在用 

  “很多人不知道,除了科研,海底地震仪在海洋划界方面有着重要作用。”郝天珧一边说,一边亮出“国家科学技术进步奖二等奖” 证书——“中国海大陆架划界关键技术研究及应用”。

  中日海洋划界的争议中,冲绳海槽两侧的归属是一个焦点。日本提出以中国东海中线为界,我国认为应以冲绳海槽的中线划界。如何提供证据?中科院地质与地球物理研究所通过地震仪的监测,给解释不清的坡角结构提供了清晰的数据,证明地壳在冲绳海槽处已经有洋壳产生,海槽并不是大陆架的自然延伸,使中日划界的规则发生更改,确定了中国的划界原则。

  在全球,海洋资源勘探是地震仪的用武之地。全球的海底资源调查权对全世界开放,想要获得深水洋中脊开采权,就得先行调查。郝天珧告诉记者,通过海底地震仪探测,我国获得了印度洋大洋中脊相应区域下的地质结构,也让我国成为世界上第一个向海底矿产资源委员会提出申请并授勘探权的国家。

  “随着我国深海探测技术的发展,尤其是越来越多的自主研发技术达到国际水平,我国在海洋世界的话语权越来越多,我国在海洋领域的影响力也越来越大。”郝天珧自豪地说。

 

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  二十年磨一剑 国产海底地震仪的前世今生 

  “九五”国家863计划开始,国产地震仪开启了自主研发之路。

  1997年,第一批5台国产样机在东海进行了海试。每台仪器分在20个箱子里运输,5台仪器近百个箱子,需要科研人员在现场组装调试多日方能使用。

  2003年,在南海潮汕凹陷海域,5台短周期地震仪按测线方式排列,间隔20公里,最大工作水深达到1800米,全部回收成功。

  “十一五”期间,高频地震仪在南海北部神狐示范区海域进行海试,虽然数据质量很好,最大工作水深达到2000米,但回收率偏低,国产地震仪在研发道路上遇到了坎坷。

  2011年,我国大洋航次在西南印度洋热液喷口的地球物理探查中,5台国产仪器全部回收成功,表明前期存在的整机可靠性较差、水声通讯模块不稳定等问题已基本解决。

  2011年至2013年,在渤海和黄海分别开展了3次海陆地震联合探测,前后投入国产仪器共74台次,均100%回收成功,这也是我国首次开展的海陆双向地震联合探测。

  2016年,在中国科学院“探索号”马里亚纳海沟深渊科考航次中,9台国产仪器100%回收,最大工作水深7731米。

  2017年3月,再探马里亚纳海沟,工作水深刷新为10027米,成功获取了世界上首条万米级海底地震勘探数据。

 
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