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+ i" M+ l3 g( f; w4 g 我们知道地球70%以上的面积被海洋所覆盖，海洋在为人类提供了丰富的食物和矿产资源的同时，也带来了地震、火山喷发和海啸等灾害。所以，认识海洋、开发海底矿产、研究海底构造是当今世界各国科学家的努力方向。但是，如何知道海底之下地壳的结构和分布状况，如何知道丰富的油气和固体矿产资源分布在哪些地方呢？为探究海底的这些秘密，海洋地质地球物理学家们发明了一种装置——海底地震仪(Ocean Bottom Seismograph)，简称OBS，通过OBS接收人工或天然地震波来研究海水之下地球深处的奥秘。科学家们研究发现，地壳中的地震会使地球震动，传出像鼓锤打击锣鼓发出的音波，称为地震波（图1）。地震波像音波一样，有回声、也会弯曲，在地底下碰到不同岩石层，会发出不同的音频（图2）。科学家将这种利用地震波的特性研究地壳结构方法命名为地震勘探方法，海底地震仪是海洋地震勘探方法的一个重要的分支。 
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" Q% Q* l/ }- a+ H1 g6 m5 ~ 图1 地震波示意图
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图2 地震波传播示意图 : X, X: g! r7 \3 s
一、什么是海底地震仪？
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4 F+ e- I+ x/ e4 f* k% O: e 顾名思义，海底地震仪是放置在海底进行观测的地震仪，是海洋地球科学探测的一种重要设备，是为在海底观测人工地震、天然地震及其他地壳构造事件引起的地球微振动而设计的地震仪，它通过记录海底地震波动信号来认识海底地球内部的结构。海底地震仪在观测功能上与陆地地震仪基本相同，但在外观结构上又完全不同，这是由于海洋特殊的观测环境所决定的。首先，海底地震仪要有较强的防水性和抗压能力，海水的深度从几米到上万米不等，进水将导致海底地震仪无法工作，海水越深，地震仪承受的水压越大，在6000米水深下指甲盖大小的面积就要承受600公斤的压力，因此，海底地震仪必须装在密封和耐高压的容器内；其次，海底地震仪必须沉放到海底并与其无缝隙地紧贴在一起才能记录地震波，工作结束后，又必须能够从海底上浮到海面，使我们能够方便地回收和读取记录器中的数据，所以，海底地震仪还需要配备与海底无缝接触的沉耦架和接收上浮指令后自动上浮的声学释放单元。
* M8 w7 i) w9 v3 o* ], ?8 S 总的来说，一台海底地震仪主要包括接收地震波的检波器、记录地震波的采集单元、释放单元以及沉耦架四部分。图3（左）为国产海底地震仪的原理图，图中橙色圆圈代表耐高压、密封防水的圆形玻璃钢容器，之所以把它设计为圆形结构，主要考虑到其在海水下沉和上浮的阻力小，工作时受海底洋流的影响小，并且均匀地承受水下压力。容器内放置接收地震信号的高灵敏度三分量检波器，长时间连续工作的记录器、声学释放器、用于记录地震仪落到海底姿态和方位的罗盘，以及给这些组件供电的电池组。容器外配备了记录传播到海水中振动信号的水听器、接收回收上浮信号的传感器，还有地震仪上浮到海平面后向回收船发射位置信号的雷达天线。将这些组件组装在一起就是真实的海底地震仪（图3右）。图3右中底部的方形钢架为沉耦架，四角的圆筒可保证其完全插入海底并与其紧贴在一起，地震仪外部加橙红色的耐压塑料外壳，既起到保护玻璃容器的作用，也使其上浮到海平面时醒目可见。
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, d. M% U0 }' v9 v4 K" x$ K& a 图3国产OBS原理图（左）及实物图（中）
: q7 \* G) d0 i, x 二、海底地震仪的“武林功夫”
; t4 t8 k* N* {% X( M- g3 [ 如果将海底地震仪比喻为海洋地质调查领域的“武林高手”，那它就有三大“致胜法宝”：第一大法宝是海底地震仪有一个“金刚不坏”之身，高强度的耐高压密封容器保证其在10000米的水深下完好无损地工作。第二大法宝是海底地震仪有一个“最强大脑”和心脏，记录器中安置中央控制系统，保证了仪器长期有序和无故障地工作。第三大法宝是，它有“顺风耳”，高灵敏度检波器可以探测到数百公里外的海水和地壳的“风吹草动”。在这“三大法宝”的作用下，海底地震仪就能在海底发挥神功。 0 i- I7 q7 P+ F7 O. G: h3 q
首先，它能探测海底地震。大家都知道，绝大多数地震发生在大洋和海底，在发明海底地震仪之前，尽管陆上地震仪观测站几乎遍布全世界，但是科学家根据陆上地震仪研究海底的地震活动性是相当困难的，主要原因是陆地距海洋发震点距离大，陆地受到的干扰大。现在，我们将海底地震仪沉放在容易发生地震海域的海底（图4），在海底相对安静的环境下可以近距离地观测地震活动，为科学家研究海底地震提供了有利工具。
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" C; C! I; Q+ F 图4 海底地震仪地震观测示意图
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6 \% _4 c/ j7 ~8 m" e8 b 其次，它能用来研究海底地质构造。我们知道，板块间相互作用可引发地震，而地球上大多数板块结合带分布在海底。我们采用将几十台海底地震仪按一定的间距布放在海底，通过接收已知振动源(即人工地震，也可称为可控震源，或天然地震)的地震波来研究地球内部构造。在这里通常采用气枪作为可控源探测的震源，这种气枪利用高压空气可在海中产生强大的地震波，到达海底地层后反射到海底或在地层间滑行一段距离后折射到海底被地震仪接收。科学家对记录的地震波信号进行处理和成像，分析海底地质构造特征，这个过程相当于给海洋地壳作“B超”。因此，海底地震仪是研究地球内部的一种最有力的和最精确的观测手段。
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图5 OBS海陆联测作业示意图 9 m5 B. h$ B: B9 W) f
第三，它能探测海底之下的石油、天然气和可燃冰等矿产资源，其工作原理与探测海底地质构造相同，不同的是一般采用短周期的海底地震仪，数量达到几百台甚至上千台，探测的精度更高，分辨能力更强，相当于给海洋地壳作“CT”（图6）。
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" c2 }$ ] b8 d& f 图6 海底地震仪探测石油与天然气水合物示意图
) m: J) H/ H, M: M8 a" o- q% r1 X 三、海底地震仪的前世今生
3 R8 Y5 j& z2 c( E& I0 q9 {( o 海底地震仪问世于20世纪60年代，是当时美国为测定前苏联地下核试验的位置而研制的一种仪器，早期的仪器体积大、笨重且不能自动上浮，仪器结构大多采用浮标系留式或海底电缆式。
( Y/ ?, x; \% R2 r 70年代，美国率先推出了模拟磁带记录自动上浮式海底地震仪，但由于早期的分立元件多、记录器耗电量大，记录微震信号能力差等缺点，它的发展和应用受到极大的限制。 % b; [& [- K2 j7 T; H' D# P1 R
直到80年代，计算机和集成电路技术的发展，为海底地震仪的研制开创了新思路。美国研制出了由低功耗微处理器控制海底地震仪，提高了其实用价值。
, z( n" ?+ h: Q$ K) B 90年代，美国成功研制成了数字记录的海底地震仪，进一步降低了耗电量，提高了记录储存能力，延长了工作周期。
/ f N; D6 E! z' f 目前，美国、英国、德国、法国和我国均在制造海底地震仪，各国生产的地震仪型号不一，在外部结构、上浮系统、电源系统以及数据读取方法均存在不同程度的差异，但是在设计原理、地震检波器、记录器等主要方面还是高度一致的。 ' ]* }: o: o& r
海底地震仪属于高科技产品，特别是由于其潜在的军事用途，西方发达国家生产的海底地震仪对我国进行了出口限制。 $ f$ G! N5 `7 ]5 _- b
为了打破西方国家的出口垄断和限制，我国从20世纪80年代末开始，先后研制出分别用于浅海和深海的数字磁带记录海底地震仪。然而，这种地震仪只能记录垂直方向振动人工地震信号，不能记录天然地震信号，还不能满足国家对海洋地质调查的需求。 7 X+ p( c+ r; E7 t
1996年，在国家“九五863”计划的资助下，我国开始着手研制新一代数字型海底地震仪。
7 h* {+ w3 z) B' Z 2003年，科研人员历经七年的艰苦攻关研究，成功研发了记录人工地震信号的短周期海底地震仪，之后又成功研制了记录天然地震信号宽频带海底地震仪，使我国成为拥有海底地震仪技术的国家之一。
* u k4 T' Z" M( }! N! F, S! B 目前，我国能够制造万米水深级海底地震仪，成为继日本之后第二个具有自主研发和制造万米水深级海底地震仪能力的国家。利用我国研制的海底地震仪，先后多次在渤海、黄海、东海、南海、西南印度洋以及南极的海底结构探测中进行了应用，取得了良好的效果。 7 b' d& x l2 O8 Y
相信，在不远的未来，我国的海底地震仪技术将更加成熟，更加先进！ - s' R6 Y+ [2 J
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作者：吴志强 祁江豪 温珍河（青岛海洋地质研究所）
9 I& r, V* n8 \ 审核：杨金玉（青岛海洋地质研究所）
# D- }5 d% G+ _4 C9 L 编辑：梦 华 7 N% ?* O5 X! U! H2 B
1 i& J1 R: {+ f+ K# Z6 ` 排版：徐悦菡 5 q) b5 F' c, G6 P
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6 L4 Z! q1 ] {2 }( ^# f 爱地质，爱科学
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