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科技日報:國產海底地震儀首獲萬米海洋人工地震剖面
來源:辦公室 發布時間:2018-06-22

   “呼叫海底,呼叫海底”,“探索一號”科考船在甲板上發出回收指令。

  指示燈亮起,地震儀在馬里亞納海溝掙脫沉耦架的束縛,頭也不回直沖海面,如同游子急迫的回到母親身邊。

  下潛10027米,作業600個小時,接到指令后地震儀以每秒0.8米速度、歷時4個小時成功返回海面。

  隨著56臺儀器回收完畢,我國成為世界上首個成功獲取萬米級海洋人工地震剖面的國家。

  “九五”之前,我國海底探測技術幾乎空白。“九五”國家863計劃開始,國產地震儀開啟了自主研發之路。20年后,國產地震儀不僅實現了萬米突破,還記錄到地球深處的心跳。這臺只有17英寸的地震儀是一種什么設備?又是如何在水下待得住、醒得快、回得來呢?

  萬米自由落體

  “不倒翁”傳感器自動調整姿態

  從海平面到海底,萬米下潛并不困難——重力來自于20公斤的沉耦架,帶著地震儀在水中自由落體。但是,沉底后能否正常工作,傳感器的平衡是關鍵。

  “在陸地上,可以手動調整地震儀的姿態,落到海底,所處的地形無法選擇,地震儀的站立姿態各式各樣,需要地震儀在內部自動調整。”國產海底地震儀設計者、中科院地質與地球物理所研究員游慶瑜告訴科技日報記者,“形象點說,這時的傳感器就是一個‘不倒翁’,不管地震儀怎么掉到海底,內部的地震傳感器都能自動調整到平衡姿態。”

  在地震儀內部,有兩個負責調平的器件。一個是姿態傳感器,負責測量地震傳感器的姿態信息,另一個是磁阻式電子羅盤負責測量地震傳感器的方向信息,它們使得地震儀在著底后,身體可以歪斜而內部地震傳感器實現平衡。

  但是,要將地動信號轉化為電信號并準確拾取,除了平衡,高質量的地震動信號記錄還需要地震儀整體構件的良好耦合。游慶瑜打了一個坐汽車的比方,車過坎時晃了一下,你在車上顛了兩下,信息必然錯誤,因為耦合較差;如果將你綁在車上甚至與車同為一體、同頻共振,這時的信息與客觀吻合,因為耦合良好。

  海底地震儀依靠設計合理的整體結構,使海底與艙球、艙球與傳感器互相耦合,以保證萬米深淵下與地球同頻共振,拾取到的信息準確無誤。

  深海沉睡600小時

  功耗最低說醒就醒

  “不論地震儀在海底逗留多久,只有成功收回,才能發揮作用。”海底地震儀設計者、中科院地質與地球物理所研究員郝天珧告訴科技日報記者,“回收率作為檢驗儀器質量的一個關鍵指標,各國都在不斷摸索。”

  海底地震儀的“糧食”是裝載在身上的電池,誰的電量消耗少,誰就能在海底保留的時間長,記錄的資料多,留海時間長,回收率也就越高。郝天珧解釋道,在全球范圍內,中國的地震儀功耗是最低的。

  2014年冬季,我國在黃巖島海域回收相同條件下布設的中、法地震儀。在回收時節偶遇臺風來襲,船上成員只搶收到部分法國地震儀。等到來年三月,科考船再次來到黃巖島重收剩余的儀器時,國產儀器悉數收回,法國儀器卻因電量耗盡而全軍覆沒。今年在馬里亞納海溝的不同深度,共布放60臺地震儀,成功收回56臺,全部使用的自行研制的水聲應答釋放模塊。而且,萬米地震儀下潛作業600個小時,待呼喚時說醒就能醒。

  百兆帕水壓

  戴著“項圈”像水母一樣飛升

  “海底水壓非常大,海斗深淵的萬米壓力是100MPa(兆帕),就是1平方厘米負載1噸的重量。一臺海洋儀器要到萬米深處所承受的壓力,相當于一個手指甲蓋上要承擔一部小轎車的壓力。”中科院地質與地球物理所王元博士在中科院做萬米深淵科考見聞報告時提到。

  萬米地震儀接到返回指令后,以每秒0.8米的速度迅速飛升。海底地震儀由于下潛深、環境壓力大,多采用無動力上浮技術,這就需要在耐壓同時,可以提供一定的浮力,從而對浮力材料提出了較高要求。在地震儀內部的玻璃球上端,一個嵌在地震儀脖子處的橙色固體“項圈”是整套設備浮升的一個主要動力裝置。

  “這種固體浮力材料是以膠黏劑為基體、空心玻璃球為浮力調節介質的復合材料。它的浮力來自低密度空心玻璃球,粘度低、流動性好的樹脂粘膠被填入玻璃球之間的縫隙,加溫固化后的材料既能均勻承受水的壓力,又能抵抗水的滲透。”中船重工七一〇研究所高級工程師陳江告訴科技日報記者,帶有“項圈”的地震儀就像一只水母,在力學控制下沿著直線上升。

  “不同水壓對浮力材料的要求是不一樣的,適合5000米的材料可能在6000米就不適用,所以,除把握材料選擇標準外,還需對浮力材料的配比反復進行探索,制作出不同規格的設備。”陳江說。

  科研只是起步

  國土劃界礦產勘探也在用

  “很多人不知道,除了科研,海底地震儀在海洋劃界方面有著重要作用。”郝天珧一邊說,一邊亮出“國家科學技術進步獎二等獎” 證書——“中國海大陸架劃界關鍵技術研究及應用”。

  中日海洋劃界的爭議中,沖繩海槽兩側的歸屬是一個焦點。日本提出以中國東海中線為界,我國認為應以沖繩海槽的中線劃界。如何提供證據?中科院地質與地球物理研究所通過地震儀的監測,給解釋不清的坡角結構提供了清晰的數據,證明地殼在沖繩海槽處已經有洋殼產生,海槽并不是大陸架的自然延伸,使中日劃界的規則發生更改,確定了中國的劃界原則。

  在全球,海洋資源勘探是地震儀的用武之地。全球的海底資源調查權對全世界開放,想要獲得深水洋中脊開采權,就得先行調查。郝天珧告訴記者,通過海底地震儀探測,我國獲得了印度洋大洋中脊相應區域下的地質結構,也讓我國成為世界上第一個向海底礦產資源委員會提出申請并授勘探權的國家。

  “隨著我國深海探測技術的發展,尤其是越來越多的自主研發技術達到國際水平,我國在海洋世界的話語權越來越多,我國在海洋領域的影響力也越來越大。”郝天珧自豪地說。

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  二十年磨一劍

  國產海底地震儀的前世今生

  “九五”國家863計劃開始,國產地震儀開啟了自主研發之路。

  1997年,第一批5臺國產樣機在東海進行了海試。每臺儀器分在20個箱子里運輸,5臺儀器近百個箱子,需要科研人員在現場組裝調試多日方能使用。

  2003年,在南海潮汕凹陷海域,5臺短周期地震儀按測線方式排列,間隔20公里,最大工作水深達到1800米,全部回收成功。

  “十一五”期間,高頻地震儀在南海北部神狐示范區海域進行海試,雖然數據質量很好,最大工作水深達到2000米,但回收率偏低,國產地震儀在研發道路上遇到了坎坷。

  2011年,我國大洋航次在西南印度洋熱液噴口的地球物理探查中,5臺國產儀器全部回收成功,表明前期存在的整機可靠性較差、水聲通訊模塊不穩定等問題已基本解決。

  2011年至2013年,在渤海和黃海分別開展了3次海陸地震聯合探測,前后投入國產儀器共74臺次,均100%回收成功,這也是我國首次開展的海陸雙向地震聯合探測。

  2016年,在中國科學院“探索號”馬里亞納海溝深淵科考航次中,9臺國產儀器100%回收,最大工作水深7731米。

  2017年3月,再探馬里亞納海溝,工作水深刷新為10027米,成功獲取了世界上首條萬米級海底地震勘探數據。


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