国产海底地震探测装备技术研发与应用

郝天珧, 游庆瑜*， 王元， 郭永刚, 丘学林, 黄松,徐亚, 赵春蕾, 张妍, 徐锡强

(1.中国科学院地质与地球物理研究所油气资源研究重点实验室， 北京 100029； 2.中国科学院地球科学研究院， 北京 100029； 3.中国科学院大学， 北京 100049； 4.中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室， 北京 100190； 5.中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室， 广州 510301)

海洋面积占地球表面71%，合理开发海洋、高效经略海洋直接关系到国民经济持续发展，同时海洋权益保护也是国家主权的焦点。巨厚的海水和复杂的海洋地质环境，成为科学家认识海底深部结构、海盆构造、边缘海形成演化、海底扩张等热点地球科学问题的屏障。地震学方法是目前研究地球内部圈层结构最为有效的方法之一，而海底地震仪(ocean bottom seismometer,OBS)则是能突破海水“屏障”并“看穿”海底结构的关键探测装备。OBS是用于接收和记录海底地震波的一种海洋地震观测与勘探设备，是近年来发展起来的一种海洋探测高新技术产品，已广泛应用于海洋地质构造研究、海洋油气资源探测与防灾减灾等领域，也是海洋地球物理仪器与探测技术中的一个新亮点、新增长点[1]。

美国科学家于1938年公开发表了首个独立的OBS雏形[2]，并于1939—1940年开展了测试[3]。首次试验成功后便开始了间歇性投放应用，直到20世纪50—60年代，随着核爆监测的需求，为达到监测目的需要在海洋布设地震台站，使得全球地震台站位置均匀分布并覆盖陆地和海洋[3]。自此开始，美国推动了“Vela Uniform Project”项目，海底地震仪的被动源和主动源观测逐渐常态化[4]。20世纪80年代，研发成功面向实际海底观测应用的自沉浮式短周期海底地震仪[5]，并成为海底观测的常规科考作业设备[6]。

通常OBS采用玻璃舱球作为耐压防水和浮力材料，自身具有正浮力，投放前安装沉藕架，在船上直接投放后OBS利用沉藕架重力下沉落至海底开展观测，观测完成后在船上向海底OBS发送声呐信号，OBS收到信号后自动抛载沉藕架，基于自身正浮力上浮至海面供回收。这种仪器配备了短周期(short-period)检波器(1～5 Hz)，自身配备的电池可供在海底连续工作数月。短周期OBS为20世纪80年代后期国际上开始研发的宽频带海底地震仪奠定了技术基础。诸多国际科研机构随之均研发出不同型号的宽频带OBS，如日本东京大学、美国斯科利普斯海洋研究所、美国伍兹霍尔海洋研究所和拉蒙特-多尔蒂地球观测站等。宽频带OBS于20世纪90年代后期成功完成海试与应用。自2000年开始，美国三家科研机构合力建成美国国际OBS库(OBS instrument pool，OBSIP)，OBS设备统一管理和维护。

中国自20世纪90年代末开启了基于海底地震仪的海洋地球物理调查。1996年，中国科学院南海海洋研究所、中国海洋石油南海西部公司、海南省地震局与德国基尔大学联合在南海莺歌海盆地开展了海陆联合观测。当时中国自主研发的海底地震装备尚属空白，由德国基尔大学提供海底水听仪(ocean bottom hydrophone，OBH)，基于广角地震反射/折射技术完成针对盆地地壳结构的初步测量[7]。2001年8月，中国科学院南海海洋研究所与广东省地震局、中国台湾海洋大学等单位合作，利用中国台湾海洋大学提供的6台三分量UTIG海底地震仪，在南海东北部开展了针对深部结构的海陆联测[8]，不仅取得了很好的学术成果，也为国产OBS的诞生与应用积累了宝贵的经验。

面对长期中国缺乏海底地震仪设备的现状和迫切需求，科技部、中国科学院等从21世纪初开始推进国产海底地震仪装备的自主研发。中国科学院地质与地球物理研究所通过数年持续技术攻关，成功自主研发出中国首批可批量应用的海底地震仪设备。现重点介绍国产海底地震仪研发过程中突破的系列关键技术，以及在深渊科考中的实际应用成果。

1 关键技术与创新突破

海底地震仪因投放在海底开展长期地震信号监测，需攻克高压海水、海底供能、海洋通讯、稳定和高灵敏度传感器、海底自主熔断释放等关键技术。

1.1 数字调零宽带地震传感技术

海底地震仪采用自主沉浮设计，海面投放至海底后自动采集存储地震信号，且长期无人值守。为采集到高分辨率海底地震信号，实现长期留海观测与数据采集工作，需稳定且灵敏度较高的地震计。对此，海底高信噪比数据采集面临三大难点：①需长期稳定的地震传感器器件，地震计元器件因老化等因素，会降低地震计的稳定性、灵敏度等核心指标参数；②大倾角采集，因OBS自主下落至海底着陆，着陆点不可控，且海洋存在洋中脊、俯冲带、海山等复杂地形，无法保证每次着陆点均是平坦的，解决该实际条件的关键技术点是开发能适应大倾角采集的宽频带地震计，保证仪器在倾斜角度较大的状态下仍能正常工作；③宽频带响应，为采集深部地幔甚至地核、地球自由振荡等超低频信号(240～10 S)，同时兼顾近震的中高频信号(1～10 Hz)，保证地震计的宽频带响应和多方法应用需求。

针对上述三大技术难题，提出了三大关键技术加以解决。

(1)复合材料结构元三维模拟加工工艺关键技术解决器件稳定性难题，针对传统地震计中采用的铜、镍、合金材料等容易老化问题，采用新型符合材料延缓材料老化、提升材料稳定性，通过对所有结构器件的前期三维数字化模拟，确定各材料成分配比关系，兼顾器件性能最优和稳定性最高。

(2)基于倾角限位精细化数字调零技术解决大倾角采集难题，传统海底地震仪的检波器允许倾斜角度为±5°(一般是2.5°，5°会有很大的失真)，需采用常平架进行姿态调整，这样会带来4个问题：一是地震计与海底的耦合要受到常平架的影响，附加额外的噪声干扰；二是增加仪器故障率，可能由于常平架卡死导致仪器记录到无效数据；三是常平架允许调整角度影响了仪器最大工作角度；四是常平架占据了海底地震仪舱内很大体积，减少了内部电池布放数量进而降低仪器留海工作周期，对此采用电位器释放高电压驱动高角度数字调零。

(3)基于深度负反馈低频数字扩频技术解决宽频带响应难题，海底地震仪观测频带下限取决于地震计工作阻尼常数和工作周期，需依据观测地震波频段选择地震器工作参数(固有周期和阻尼系数)，以期获得所需最佳信噪比振动信号，先后有地震计负反馈环节是一个浅反馈环，由浅反馈环生成工作周期和工作阻尼与反馈电路参数、机械摆参数相关，影响这两个工作参数参与部件繁多，长期工作中极难有效控制老化产生的漂移。

为解决地震计反馈式短周期检波器工作参数稳定的问题，采用加大负反馈环的反馈深度，该方法同时会造成反馈生成的闭环周期远大于所需工作周期，因此将采用函数变换的新思路来设计速度传感反馈式宽频带地震计。该方法的要点是保持机械摆的固有频率不变，以确保检波器自身噪声水平恒定，通过加大反馈深度来提高工作参数稳定性。因加大反馈深度后生成的闭环周期和闭环阻尼不是地震计所需的最终参数，仅为中间过渡参数。在闭环反馈环外通过函数变换电路消去该过渡的闭环周期和阻尼，并同时生成了地震计的工作周期与阻尼。

1.2 全海深陶瓷压电水听传感技术

图1 自主研发的中低频系列水听计Fig.1 Self-developed low-frequency series hydrophone photos

针对深海四分量地震仪设备，配备有三分量地震计和一分量水听计，而深水水听计(深度>1 000 m)长期面临禁运。深海海底地震仪需要研制深海水听计，面临水听计需超强耐压、高灵敏度和经久耐用三大难题。对此，通过稳定铁电畴与高致密度的陶瓷材料技术、全陶瓷封装与串并联组合结构设计技术和高阻水透声新型聚氨酯橡胶包覆技术解决上述3个技术难题，实现了用于海底地震仪中低频的万米级全陶瓷压电水听计设备(图1右侧深红色)。水听计技术指标如下：灵敏度-190 dB(re1V/μPa)、体积Φ35×90 mm、频带DC-10kHz、最大工作水深12 000 m。

1.3 软硬协同优化低功耗采集技术

海底地震仪不同于其他海洋探测装备的特征之一是需长期留底观测，以记录更多的天然地震事件供后期深部结构成像使用。因海底供能难题，为实现大于6个月甚至长达15个月的留海观测，在OBS的有限玻璃舱球内装配的电池容量有限，只有突破低功耗采集技术才能实现OBS长期留海观测。

为实现低功耗采集，硬件上选取无源传感器，地震计、水听计均采用无源设计(即无需供能的机械式地震计和陶瓷压电式水听计)。第二步在软件方面攻克了嵌入式软件开发、驱动中断控制和高效存储三个难点。基于深度嵌入MCU分项处理控制技术有效解决嵌入式软件低功耗运行难题；基于硬件中断的任务协同处理技术实现驱动中断，在留海观测期间关闭交互、数传等驱动模块、保留采集模块所需驱动，进一步降低功耗；基于堆栈等待的分时内存写卡技术实现高效、低功耗存储。自主研发的长周期海底地震仪与国外同类产品相比，功耗由1 W降低至0.25 W，留海观测时长同比提升3倍。

1.4 全海深高可靠性回收技术

海底地震仪的长期留海观测需求除了对低功耗采集要求苛刻外，如何保证长期留海观测结束后能正常从海底释放并成功回收，是海底地震仪面临的决定性考验。无法释放、回收失败则意味着该台站所记录的长期被动源地震数据丢失，对科研是巨大损失。如何保证长期留海观测后仍能实现高可靠性回收是一大技术难题。

高可靠性回收依赖于全海深耐压防水、万米声学通讯和稳定释放三大关键点。海底地震仪采用玻璃舱球为浮力材料，通过半球结构多圈层胶合固压加工工艺将两个半球封装成为一个整球，工艺水平直接决定了玻璃舱球的整体耐压防水程度。海底地震仪通过声学通讯实现由海面船舶至海底仪器之间的通讯，解决多信道多频谱Goertzel水声侦听技术，是实现全海深声学通讯的关键技术点。基于电化学熔断的机械脱钩技术可有效解决长期留海后的OBS稳定释放难题(图2)。

图2 稳定机械释放与脱钩部件设计图Fig.2 Design drawing of stable mechanical release and decoupling components

1.5 性能指标

中国科学院地质与地球物理研究所在多年持续科技攻克基础上，逐步突破上述四大关键技术，成功研制了系列海底地震仪(统称为IGG-OBS)，包括6 000米级便携式海底地震仪、9 000米级宽频带海底地震仪和万米级海底地震仪。系列关键技术扩展应用至组合式海底地震仪(OBN，又称为海底地震节点),如图3所示。具体如表1所示。

图3 研制的海底地震节点实拍图Fig.3 Photograph of IGG developed OBN

表1 宽频带IGG-OBS设备指标

2 IGG-OBS应用研究进展

自2010年IGG-OBS研制成功后，迅速在中国各海洋研究单位开展了应用，得到了中国科学院南海海洋研究所、自然资源部第二海洋研究所等单位的大力支持。作为前期为IGG-OBS的重点海试应用，他们不仅为国产仪器的诞生、改进提供了大量的建设性意见，更是成为自主研发仪器的首批试用者，为IGG-OBS后期能够实际应用做出巨大贡献。研制、海试、改进、再海试、再次改进的环节为其走向实用化奠定了坚实基础。

自2010年至今，IGG-OBS已为中外大于15家涉海单位提供了仪器支撑，科学研究足迹遍布中国四大海域、西太平洋、印度洋、里海、苏拉威西海、冰岛及极地等海域，投放共计1 425台次。其中，仅2017年一年投放海底地震仪299台次，具体如图4所示。为全球视野科学问题研究提供了技术支撑。

IGG-OBS的综合回收率大于90%，达到国际同等回收率，市场占有率目前已达93%，并同步带动中国多个企业厂家实现OBS关键核心部件技术突破(如玻璃舱球、接插件、换能器等)。

2.1 IGG-OBS在海底壳幔结构探测中的应用

广角地震反射/折射地震剖面探测方法是获取地质单元深部构造特征的关键手段。因海水存在、传统陆地地震仪无法布设的技术限制，中国诸多地震探测剖面均止于海域，限制了海底深部构造对整体大地构造的约束及二者关联的全面认知。为此，常采用陆地布设流动地震台站、海域布设OBS台站，陆地炸药震源激发、海域大容量气枪震源激发的作业方式，实现海陆地震联测剖面测量。IGG-OBS的成功研发，对中国海陆联测探测及海洋深地震探测做出巨大贡献，不仅改变了中国只能依赖国外OBS仪器完成探测的现状，推动了中国自主规划执行海陆联测与海洋深地震剖面的进程，也为中国近海深部壳幔结构探测提供了关键仪器支撑。

1996年，中国科学院南海海洋研究所等单位在莺歌海盆地与海南岛之间完成两条共长330 km的海陆地震联测剖面[7]。海底设备采用德方提供的OBH，但测线1因台风和渔船干扰，只有1/3的OBH记录到有效数据。但这也成功开启了中国海陆联测的征程，随后在中国南海、渤海、黄海、东海四大海域开展了多条海陆地震联测。该时段所用海底地震仪均为进口设备(图5中黑线)。

图5 IGG-OBS历年在南海应用的测线图Fig.5 The historical survey lines of IGG-OBS in the South China Sea

随着IGG-OBS设备的成功研发，自2010年开始在多个海洋地震剖面探测中使用部分国产OBS仪器、部分进口OBS仪器。如南海的OBS2010-2剖面(图5中橙线)、渤海海陆联测剖面[9]。在完全获得作业成功验证基础上，2011年在南海东部次海盆投放52台IGG-OBS开展三维深部结构探测(图5中3D2011)，作业深度达4 000 m，100%的回收率对IGG-OBS作业能力的再次验证与肯定。自此开始，IGG-OBS便在多个海洋调查航次中发挥作用(图5中红线)，成为中国海洋深部结构探测的关键装备与技术[10-11]。

2.2 万米OBS挑战挑战者深渊

Anton Bruun教授1956年首次提出Hadal Trench，汉译为“海斗深渊”(简称深渊)，定义为海水深度大于6 000 m的海沟区域[12]。全球共有37条海斗深渊，5条在大西洋、4条在印度洋、其余28条均位于太平洋。海斗深渊海底面积仅只占全球海洋总面积的1% ～2%，但是却代表了海洋底部至45%的深度范围，是海洋生态系统的重要组成部分[13]。深渊海底因压力大、温度低、黑暗无光、构造活跃，形成非常独特的极端环境区，两百多年以来一直是国际海洋科学研究的前沿热点区域。然而受限于其超水深、超高压、科研仪器以及技术条件的不足，对深渊区的地球科学、生物科学等研究难以深入，海斗深渊长期被视为人类的“禁区”。2014年4月10日，中国科学院正式启动了“海斗深渊前沿科技问题研究与攻关”战略性先导科技专项(B类)，首席专家由国际深海科技领域知名学者丁抗教授担任[14]。

2016年6月22日—8月22日，该专项承担单位组成的首批深渊科考队搭乘探索一号科考船，前往挑战者深渊开启首次万米深渊科考之旅，航次编号TS01。中国科学院地质与地球物理研究所参航队员负责航次海底地震仪作业，在挑战者深渊西侧开展首条横跨挑战者深渊、由9台OBS组成的海洋人工地震剖面测线，OBS最大作业深度7 700 m，是截至当时IGG-OBS的最大投放深度，是对深水OBS装备技术首次大水深海底作业的综合考量。OBS投放间距15 km，气枪激发总容量为6 000 in3(1 in=2.54 cm),作业炮线总长160.92 km(图6中2016 OBS Line)。最终，投放的9台OBS全部成功回收，数据完整率100%。完成主动源剖面作业后，投放了3台宽频带IGG-OBS用于开展长期海底天然地震和背景噪声的被动源地震观测(图6中2016 POBS)，于7个月后成功回收2台。该航次对IGG-OBS在深渊海底高压环境下的玻璃舱球密封、大水深声学通讯、机械释放脱钩等关键技术进行了充分验证，为后续万米级海底地震仪研发提供了借鉴经验。

图6 IGG-OBS在挑战者深渊的投放点位及测线Fig.6 The IGG-OBS deployment positions and survey lines in the Challenger Deep

2017年1月15日—3月23日，在TS01航次回航不到半年的时间，海斗专项又实施了第二次深渊科考，航次编号TS03，开启了国产OBS真正踏入万米深渊大门之旅。本航次共携带了50台IGG-OBS仪器，包含5台万米级OBS。紧挨2016 OBS Line，在挑战者深渊中部完成两条横跨海沟的海洋人工地震剖面测线(图6中2017OBS Line)，共投放60台次OBS，包括41台次6 000米级OBS[图7(a)]、12台次9 000米级OBS[图7(b)]和7台次万米级OBS[图7(c)]，最终成功回收56台次，总体回收率达到93%以上；丢失的4台OBS中，2台是6 000米级、2台是万米级，以6 000 in3大容量气枪放炮670 km。后续数据处理和检查表明主动源剖面测线OBS记录的数据完整、质量良好。该航次是万米级IGG-OBS的首秀，其成功回收(图7)标志着中国成为具日本后第二个具备研制万米级海底地震仪的国家。完成世界首条横跨挑战者深渊的海洋人工地震剖面测线，测线覆盖了输入板块、海沟、前缘隆起、弧后裂谷等整个俯冲系统构造单元，为中国深渊俯冲系统地震学成像研究提供了第一手数据。同期投放了6台被动源OBS开展了为期半年的被动源观测。图6中橙色圆圈为中国科学院南海海洋研究所“马沟计划”投放的5台被动源OBS，结合海斗专项2016—2018年度先后投放的被动源OBS，合计共获得18个站位的被动源OBS数据。

图7 马里亚纳海沟挑战者深渊IGG-OBS现场作业图Fig.7 The IGG-OBS fieldwork photos in the Challenger Deep, Mariana Trench

Zhu等[15]利用该批被动源OBS数据开展了挑战者深渊及邻区近震事件识别与重定位研究，发现在短短近7个月的OBS记录时间段内，该区近震达7 000余次，远大于基于全球地震台网数据的USGS地震目录数量(仅102次)。若仅依据USGS地震目录数据，会得出挑战者深渊俯冲系统少震这一论断，这有悖于俯冲系统多震的地质事实，而被动源OBS的观测结果表明该区俯冲系统为多震。Zhu等[16]基于该批数据开展了背景噪声成像研究，获得了该区SV速度剖面，在输入的太平洋板块靠近海沟位置25 km深度内发现大片低速异常区(3.6～4.1 km/s)，表明输入板块上地幔广泛水化。而弧前地区SV波速降低不明显，推测该区蛇纹石化程度较低。

2.3 IGG-OBS应用于实时海底地震观测台阵

在海底如何布设实时、长期地震观测台站是全世界致力解决的难题。自2018年开始，成功基于IGG-OBS发展了线缆式海底地震观测台网技术，并在福建浯屿岛实现了成功应用。通过海底光电复合缆的光电传输技术，实现海底长期供能和实时数据快速传输。该实时观测台阵已经具备接入中国地震局JOPENS系统的能力，数据实时传输格式与存储格式符合相关标准，试运行期间以99%以上的高运行率达到国家测震台网管理规定的优秀标准[17]。

3 未来发展

IGG-OBS自成功研发至批量应用，特别是作为中国首批万米深渊科考仪器设备，为海洋深地震探测提供关键仪器支撑。未来IGG-OBS的发展主要集中在仪器关键部件技术优化、仪器总体国产化率提升和拓宽仪器应用领域三个方面。

(1)关键部件优化主要内容为：①进一步扩宽地震计低频频带范围，以适用于更低频的核幔边界探测。目前IGG-OBS应用的电容换能式地震计低频截止60 S，且已实现批量应用，目前正在攻关低频至120 S和240 S的电容换能地震计，有望在近两年开始试验验证并开始批量应用；②优化调整仪器整体结构，现有IGG-OBS地震计集成在玻璃舱球内部，经沉藕架连接后与海底耦合，现有60 S级地震计可满足海底耦合需求，但随着低频地震计的研发和应用，需优化仪器结构以满足地震计与海底强耦合关系。

(2)仪器总体国产化率提升主要内容包括：①提升仪器采集板芯片国产化率，芯片是目前OBS内部唯一仍未国产化的部件，这与整体工业水平密切关联，需按照成熟一个替换一个的步骤逐步推进，非一日之功便可完成国产芯片替代；如GD32系列微功耗单片机替换STM32单片机OBS作为控制核心将会很快实现；②万米级换能器和玻璃舱球，作为OBS的回收和耐压防水关键部件，目前仍是依赖进口，尽管中国已研制成功万米级玻璃球舱并通过3 d的万米级海试验证，距离批量应用仍有一段距离。

(3)目前IGG-OBS的应用主要集中在科研领域，海洋油气资源勘探、海洋地质工程等方面应用相对偏少。随着Scholte波探测和海底地声探测方法技术的日臻完善，可以预见IGG-OBS在海洋地质工程等领域大放异彩的未来已并不遥远了。