海洋幅員遼闊，在為人類提供了豐富的食物和礦產(chǎn)資源的同時(shí)，也帶來了地震、火山噴發(fā)和海嘯等災(zāi)害。所以，為了認(rèn)識海洋、開發(fā)海底礦產(chǎn)、研究海底構(gòu)造等，海洋地質(zhì)地球物理學(xué)家們發(fā)明了一種裝置——海底地震儀，通過其接收人工或天然地震波來研究海水之下地球深處的奧秘。
“探索一號”科考船在馬里亞納海溝布放地震儀
2017年2月28日，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所自主研發(fā)的萬米級海底地震儀在世界最深處馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵成功應(yīng)用，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(shù)據(jù)。這臺地震儀是一種什么設(shè)備？又有著哪些作用？今天，讓我們一起來認(rèn)識海底地震儀。
什么是海底地震儀
海底地震儀（Ocean Bottom Seismometer，簡稱“OBS”）是一種海洋地球物理儀器，是海洋地球科學(xué)探測的重要設(shè)備，通過記錄海底地震波動信號，對海底地層進(jìn)行地震波成像，為認(rèn)識海底地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。海底地震儀既可以用于天然地震觀測，也可以用于主動源人工地震探測。
投放前的OBS（來源：中國科學(xué)院地質(zhì)地球所）
海底地震儀主要由三大系統(tǒng)組成：第一部分是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為儀器的核心部件，包括地震計(jì)、數(shù)據(jù)采集與存儲；第二部分為儀器的投放回收系統(tǒng)，主要是聲學(xué)應(yīng)答系統(tǒng)、脫鉤與熔斷裝置；第三部分為儀器的耐壓防腐系統(tǒng)，包括耐壓玻璃艙球、水密插件等。它的工作原理是在海面將與沉耦架連接的沉浮式OBS按計(jì)劃點(diǎn)位投放，由沉耦架的重力作用使有浮力的OBS在海水中自由下落至海底進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，待完成計(jì)劃任務(wù)后進(jìn)行回收，回收時(shí)在船舶上發(fā)送聲學(xué)指令，將沉耦架與OBS的連接斷開，OBS即利用自身的浮力漂浮至海面進(jìn)行回收。
國產(chǎn)OBS原理圖
（橙色圓圈代表耐高壓、密封防水的圓形玻璃鋼容器。容器內(nèi)放置接收地震信號的高靈敏度三分量檢波器，長時(shí)間連續(xù)工作的記錄器、聲學(xué)釋放器、用于記錄地震儀落到海底姿態(tài)和方位的電子羅盤，以及給這些組件供電的電池組。）
國產(chǎn)海底地震儀的發(fā)展史
海底地震儀問世于20世紀(jì)60年代，由于其潛在的軍事用途，西方發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的海底地震儀對我國進(jìn)行了出口限制。為了打破西方國家的出口壟斷和限制，我國從20世紀(jì)80年代末開始了相關(guān)研究。
20世紀(jì)80年代末開始
先后研制出分別用于淺海和深海的數(shù)字磁帶記錄海底地震儀。然而，這種地震儀只能記錄垂直方向振動人工地震信號，不能記錄天然地震信號，還不能滿足國家對海洋地質(zhì)調(diào)查的需求。
1996年
在國家“863”計(jì)劃的資助下，我國開始著手研制新一代數(shù)字型海底地震儀。
1997年
第一批5臺國產(chǎn)樣機(jī)在東海進(jìn)行了海試。每臺儀器分在20個箱子里運(yùn)輸，5臺儀器近百個箱子，需要科研人員在現(xiàn)場組裝調(diào)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(dá)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(qū)海域進(jìn)行海試，雖然數(shù)據(jù)質(zhì)量很好，最大工作水深達(dá)到2000米，但回收率偏低，國產(chǎn)地震儀在研發(fā)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(chǎn)儀器全部回收成功，表明前期存在的整機(jī)可靠性較差、水聲通訊模塊不穩(wěn)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(lián)合探測，前后投入國產(chǎn)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(lián)合探測。
2016年
在中國科學(xué)院“探索號”馬里亞納海溝深淵科考航次中，9臺國產(chǎn)儀器100%回收，最大工作水深7731米。
2017年
2月28日，中科院地質(zhì)與地球物理研究所自主研發(fā)的萬米級海底地震儀再探馬里亞納海溝，完成了兩條萬米級人工地震剖面，并獲得極為珍貴的一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，這標(biāo)志著我國成為繼日本之后世界上第二個具有自主研發(fā)萬米級海底地震儀能力的國家，并在世界首次成功獲取萬米級海洋人工地震剖面。
海底地震儀的應(yīng)用
有人將海底地震儀比喻為海洋地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域的“武林高手”。這位“武林高手”有三大“致勝法寶”，一是它的“金剛不壞”之身——高強(qiáng)度的耐高壓密封容器；二是它的“最強(qiáng)大腦”和心臟，記錄器中內(nèi)置中央控制系統(tǒng)；三是它的“順風(fēng)耳”，即高靈敏度檢波器，可探測到數(shù)百公里外的海水和地殼的“風(fēng)吹草動”。在這“三大法寶”的作用下，海底地震儀就能在海底發(fā)揮神功。
首先，它能探測海底地震。絕大多數(shù)地震都發(fā)生在大洋和海底，由于陸地距海洋發(fā)震點(diǎn)距離遠(yuǎn)，在陸地上放置的地震儀受到的干擾也相對較大。盡管陸上地震儀觀測站幾乎遍布全世界，但是科學(xué)家根據(jù)陸上地震儀去研究海底地震活動是相當(dāng)困難的。而海底地震儀可沉放在容易發(fā)生地震海域的海底，在相對安靜的環(huán)境近距離地觀測地震活動，科學(xué)家們研究海洋也有了有利工具。
海底地震儀地震觀測示意圖
其次，它能用來研究海底地質(zhì)構(gòu)造。科學(xué)家將幾十臺海底地震儀按一定的間距布放在海底，通過在人工震源激發(fā)船發(fā)出人工地震波，地震波到達(dá)海底地層后反射到海底或在地層間滑行一段距離后折射到海底被地震儀接收，科學(xué)家對記錄的地震波信號進(jìn)行處理和成像，可分析海底地質(zhì)構(gòu)造特征，這個過程相當(dāng)于給海洋地殼做“B超”。因此，海底地震儀是研究地球內(nèi)部的一種最有力的和最精確的觀測手段。
OBS海陸聯(lián)測作業(yè)示意圖
第三，它還能探測海底之下的石油、天然氣和可燃冰等礦產(chǎn)資源，其工作原理與探測海底地質(zhì)構(gòu)造相同，不同的是一般采用短周期的海底地震儀，數(shù)量達(dá)到幾百臺甚至上千臺，探測的精度更高，分辨能力更強(qiáng)，相當(dāng)于給海洋地殼做“CT”。
海底地震儀探測石油與天然氣水合物示意圖
來源：科技日報(bào)、人民網(wǎng)、南方都市報(bào)、“地調(diào)科普”公眾號
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