|
伴随海底通讯产业的发展，水下供电及数据传输技术日趋成熟，海底有线实时观测成为继潜水器和水下机器人之后新兴的海洋调查方法。其搭建方式大致可分为既有线路改造和新系统架设两种。前者主要基于20世纪90年代停用的太平洋海底通信线缆，如美国的H2O（Hawaii-2 Observatory）和日本的GeO-TOC。后者则以加拿大NEPTUNE 系统为代表，包括美国、加拿大、欧盟所规划建设的一系列海底有线观测项目。 NEPTUNE以陆基台站为起点沿海底向外洋延伸通信供电线缆，后者藉由特定连接装置搭载一系列固定观测仪器（搭载化学传感器及水样采集装置的自动升降浮标、流向流速计、声学多普勒流速剖面仪、声波层析成像仪和浮游生物相机）和海底接地型观测仪器（海底观测平台、地震仪和重力仪）。类似的有线式综合海洋环境监测系统还有沿岸VENUS系统（加拿大）和MARS系统（美国）。辅以自动潜水器定期探测，NEPTUNE系统能实现海洋底层科学参数的连续采集，是海洋过程研究的必备基础。 日本海洋研究开发机构（JAMSTEC）自2006年起便开始着手高密度地震—海啸实时观测网的建设（DONET），以期监测日本南海海槽的高危地震—海啸活动（图1）。其中日本东南海区段的DONET1于2011年竣工，而日本南海区段的DONET2则于2016年竣工。相对NEPTUNE 系统，DONET重点关注地震和地壳变动等地动信号的监测， 为此日本海洋学会提议增设海洋化学—生物学测项群，以实现物理—化学—生物的综合观测。  图1 DONET分布示意图 一、DONET概况 截止2017年3月，DONET1/DONET2拥有22个/29个观测点，积累了超过5年/1年的观测数据。DONET的台站平均间距为15～20km，覆盖了从近岸到海沟的广大区域。经后续改造，个别IODP（Integrated Ocean Drilling Program）的海底钻孔观测点也以有线方式接入DONET的实时数据流。高密度观测为仪器的安装调试和运行维护带来了诸多不便。这就要求观测系统在具备风险抵御能力的同时，还应兼顾水下作业的便捷性和质量管理的可行性。事实上，日本早在2002年便已着手论证海底有线科学观测的可行性及技术方案，并于次年提出环绕日本列岛的ARENA观测系统。作为ARENA在南海海槽的局部实现，DONET受惠于ARENA的人才和技术储备，同时也为后者的全面展开提供宝贵经验以及有益的社会反馈。 ⒈基本参数 DONET由观测装置、科学节点（Scientific Nodes）、基干线缆系统组成。海底实时监测要求基干线缆稳定可靠，科学节点可供更换，观测仪器便于拓展。 海底通讯产业为DONET基干线缆提供了成熟的技术支撑和可靠的产品保障。基干线缆系统以基干线缆为骨架，由中继器（Repeater）、分路器（Branching Units）和终端单元（Termination Units）等控制元件组成。基干线缆兼具直流供电和光纤通信功能，由陆基终端向大洋延伸构成闭合环路以满足系统冗余要求。线缆光纤每隔40～60km便设有中继器用于信号增益及监控。分路器受控于基干线缆的控制光纤，可调节科学节点负载。附有水声信标的终端单元为遥控无人潜水器（ROV）提供科学节点的操作界面，是后者联系基干线缆的纽带。 科学节点藉由水下光电插拔连接器同基干线缆断连，其中共设有8组观测点光电连接器，每组可对应一个观测点。科学节点是基干线缆系统和末端观测群的连接中枢，兼具负载调配、数据控制、授时等功能。除个别情况，DONET 的科学节点普遍连有4个观测点，剩余连接接口可供系统拓展及冗余配置要求。 观测点安装有强震计、宽频带地震计、石英水压计、微差压计、水听计和温度计等观测装置群，能有效捕捉从地壳变动到海底振动的各频段地动信号和海啸波动。相对基干线缆，科学节点和观测点之间的延长线缆较为纤细，以便ROV作业的开展。 ⒉施工流程 DONET施工可大致分为基干线缆铺设、科学节点放置和仪器安装3个步骤。为确保海底基干线缆良好的工作环境以及ROV水下作业的顺利进行，DONET预先开展了线路勘察和海啸冲击模拟等准备措施。为避免浅海渔业和船只抛锚的影响，水深不足1000m的海底线缆均被掩埋。基干线缆铺设由专用船舶沿规划路线拖航完成。到达指定点位后，船只投放终端单元，后者借助水声信标引导ROV运载科学节点完成定位和连接工作。ROV全程参与了科学观测仪器的安装以及延长线缆铺设作业，是DONET施工的重要环节。 鉴于海底水流的强烈扰动和水下施工难度，DONET的地震计采取浅坑覆罩掩埋的方法压制背景噪声。工程人员通过ROV在指定地点钻孔—封套—清淤，随后在孔内及海底表面分别安装地震计和其他仪器（水压计和温度计）。随后用延长线缆连接观测仪器及对应科学节点， 最后灌砂掩埋孔内的地震仪。受海底介质等实际工况条件限制，DONET1的部分台基出露于海底，这些点位显著增强的背景噪声佐证了降噪作业是必要的。 ⒊仪器工况 在众多观测仪器中，地震计对摆放方向有着明确的要求，后者直接影响了水平地动分量的准确测量。而水下地震计的定位安装只能藉由ROV及其摄像装置远程操控实现，潜在误差巨大。JAMSTEC采用多种方法评估DONET海底地震计的定向情况。其中包括：①陆基台站长周期波形互相关；②远震P波初动方向；③气枪震源的质点运动轨迹。 研究表明海底地震计的定向偏差普遍在10°左右，部分观测点甚至可达50°。这些定量估计结果提供了数据后续校正处理的重要参数，也从侧面反映了水下作业的艰难。 另一方面，深水压力也会造成水压计的漂变，进而妨碍对地壳变动及海啸扰动的监测。为此JAMSTEC设计建造了专门的海底温压模拟设备，用于压力计的工况评估和漂变校正。同时，参考水听计也被置于观测点旁以对比原水听计的观测结果。针对DONET海底形变观测需要，JAMSTEC与日本东北大学开展了GPS/声学海底定位方法的联合研究，提高了海底定位的实时性和精度。 ⒋DONET2 DONET1于2011年竣工，其中的5个科学节点连接着20个观测点，随后又增设了2 个观测点。DONET2于2016年竣工，包括7个科学节点及其对应的29个观测点。由于观测规模和覆盖区域的扩大，DONET2针对电力和信号负载的增加调整了系统的供电和数据传输模式。为适应DONET2施工过程中更大的浮力变化范围，ROV的浮力调控系统也得到升级改造。在DONET1建设过程中，由于部分台址地基过于致密，活塞取芯难以有效向下深入掘进，致使地震计未能按设计要求进行浅坑掩埋，严重影响了观测质量。DONET2 利用水压震动锤解决了这一难题，并成功应用于4个观测点位的台基施工。 此外，为确保延长线铺设质量并减轻作业人员负担，DOENT2采用了全自动延长线铺设技术。这些技术革新为未来的海底有线观测系统建设提供了有益的参考。  日本南海海槽位置图 二、基于DONET开展的科学研究 作为毗邻人口稠密区的强震孕震带，日本南海海槽一直是科学研究的关注热点。DONET通过专门的数据管理平台（JAMSTEC Ocean-bottom Seismology Database）将该区域的海底地动—水压信号实时传送至有关职能部门，并向科学研究团体提供数据的归档下载服务，为区域地震—海啸预警以及后续科学研究提供了可靠的数据保障。DONET显著扩展了日本列岛地震台网的覆盖，有效提高了区域地震的观测和定位能力。根据区域微震监测的需要，JAMSTEC改造升级了原有的地震数据处理系统。与此同时，研究者通过分析海底低速沉积层对地震波振幅以及震级测定的影响，定量评估了DONET台站的震级偏差情况。而数值模拟研究则揭示出海底水压变化与海啸波高的关联，提高了海啸预警的实效性和精确度]。结合仪器工况的校验，这些软件的投入最大限度的确保了DONET地震—海啸监测机能的良好运转，是硬件建设不可或缺的配套补充。 DONET积累的详实地动—水压资料有力推动了区域精细结构和地震机制的科学探索。其中地震—水压数据被联合用于南海海槽增生楔的剪切波速反演。基于DONET的地震精定位和震源机制结果，研究者揭示了南海海槽板块构造的次级结构及其运动规律。而孕震区近场观测和应力监测则有助于对大型逆冲地震的前兆探索。慢滑事件引发的地壳形变会造成DONET水压观测的差异变化，后者同地震活动性的相互关联暗示了孕震机制的新线索。 DONET不仅是陆基台网在数量上的扩展，更为整个地震观测带来质的飞跃。DONET成功记录到水下滑坡的地震信号，还澄清了甚低频地震（Very Low Frequency Earthquake）与低频震颤（Low Frequency Tremor）的内在一致。特别地，研究者从DONET地震记录中提取了“3·11”东日本特大地震触发的地方震序列。上述研究仅凭现有陆地观测系统无从实现，印证了DONET对于在整个地震监测网的重要作用。 与此同时，JEMSTEC还充分发掘了DONET水压观测在地震研究中的应用潜力。海底水压信号被用以约束海啸地震的震源破裂区及其垂向位移。而海啸地震的海底水压扰动也揭示出地动信号同水压变化的关联，暗示了地震—水压资料联合反演的原理基础。目前已开展了利用水压信号甄别上行—下行震相并压制海面反射波的方法研究并取得了一定成果。 DONET数据的科研产出囊括了从日常台网运行维护到常规观测整合，再到基本方法探索，直至热点科学问题的诸多领域，涉及数据流采集、整理、发掘的各个环节。受数据获取渠道限制，这些工作主要由JAMSTEC及其日本国内合作机构完成。随着国际合作的广泛开展，DONET有望成为国际海底有线观测系统的重要组成部分，发挥更加积极的作用。  三、中国的海底实时观测系统 以加拿大NEPTUNE为代表，当代海底有线实时观测系统已迈向了海洋物理—化学—生物跨学科综合观测的新时代。相比而言，日本的DONET则剑走偏锋，侧重于地震及海啸信号的监测。NEPTUNE和DONET均布设于大洋板块俯冲带的强震高危地段，具有明确的科学及社会意义。相对日本的俯冲岛弧构造背景，我国沿海大陆架宽广，海啸危险不甚显著，而除过台湾海峡，整体强震活动也较为有限。我国的海底实时监测系统结合实际，针对最为迫切的社会和科学诉求，坚持“从易到难，由近及远，自浅至深”的原则，开展了一系列工作。2017 年5月，国家海底科学观测网正式立项。该项目为期5年，由同济大学和中国科学院声学研究所共建，将在东海和南海的海底分别建立海底有线科学观测网。相对DONET，该观测系统更加侧重海洋物理—化学—生物的综合全方位观测，重点关注强烈的人类活动影响下的海陆相互作用、海洋环流与沉积搬运、海洋碳循环过程、海底深部过程等4个关键的前沿科学问题，开启了我国海洋研究的新篇章。 我国海底观测系统的建设主要采取NEPTUNE模式，从而回避了DONET测项相对单一的不足，然而，DONET仍有不少成功经验值得借鉴。纵观选址评估、装置架设的硬件建设以及运行维护、数据管理的软件支撑，DONET的工作流程及理念是我们当下工作的良好范本。这既包括性能优异的科学观测装备，也需要先进的海底作业技术，更离不开可靠的制度和人事保障。而日本学者对DONET数据的全方位深度挖掘则是我国科技人员努力不懈的目标。从DONE T1到DONET2，DONET的建设本身便是一个技术迭代升级的过程。日本工程人员针对实际遇到的问题及时调整方案并改进技术，力争兼顾作业效率及操作者的体验，为我国的现场施工提供了有益参考。而另一方面，我国与日本国情差别显著，所面临的困难也不尽相同。例如，为避免渔业及航运影响，DONET的浅水线缆均掩埋海底。我国沿海大陆架宽广，浅水范围较大，操作可行的保护措施便成了必须面对的问题。而跨学科的数据流管理则对软件系统建设提出了更高的要求。这就要求我们实事求是，创造性地解决前进中的问题和障碍。 四、结语 本文介绍了日本高密度地震—海啸实时观测网DONET 的硬件布局及科研产出情况。DONET致力于海底地动和水压信号的监测，旨在监测日本南海海槽孕震带的地震及海啸活动。无论是设计施工还是数据质量控制，DONET都能为我国海底监测系统的建设和维护提供宝贵经验。从地震—海啸监测能力的改善到区域精细结构的阐明，再到地震机理以及地动—水压联合反演的探索，以日本学者为主体的研究团队基于DONET 数据开展了细致扎实的研究工作。我国的海底有线科学观测网以东海和南海为主要观测区域，于2017年正式立项，具有里程碑意义。另一方面，海洋观测，尤其是远洋领海观测，其意义往往不仅止于科学研究及社会福祉，更是海权的申明。这赋予了我国东海和南海海底系留科学观测更为深远的内涵。  【作者简介】文/申中寅，男，博士，中国地震局地球物理研究所，从事固体地球物理学研究；本文为基金项目，中国全球地震台网建设预研（201508007）；文章来自《国际地震动态》（2018年第7期），参考文献略，版权归作者与出版社共同拥有，用于学习与交流，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。 |
|
|
