一種海底相對測地方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種海底相對測地方法，首先，將相同的若干個底基觀測平臺投放至海底預設位置組建成觀測網，通過連續(xù)觀測、自容存儲各基站之間的相對距離及其變化數據，實現各基站的相對測地功能，從而可獲得各基站之間的相對運動速度和位移量、垂向位移變化。結合陸地GPS數據，計算俯沖帶各段的耦合系數，分析俯沖帶各段的應力積累狀況，估算發(fā)震可能性和震級大小。本發(fā)明的海底相對測地方法能夠對海底水平和垂直形變進行長期精確的觀測和記錄，進而為海底俯沖帶發(fā)震的可能性分析提供依據。
【專利說明】
一種海底相對測地方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及海洋地質科學觀測技術領域，特別涉及一種海底相對測地方法。
【背景技術】
[0002] 占地球表面總面積三分之二的海底，既是油氣能源、金屬礦產等重要資源的儲集 場所，也是各種基礎科學問題的孕育之地，但卻只有日本、美國的很少幾個深海測地觀測 站。2011年日本大地震的實例說明，大陸GPS對海上變形的估算嚴重不足，必須建立深海測 地觀測網，直接監(jiān)測海底斷層、地震、海嘯、火山、沉積物搬運、海岸滑波等位移變化。
[0003] 近些年的幾次大地震，都發(fā)生在科學家們依據以往統(tǒng)計經驗，認為不可能發(fā)生大 震的區(qū)域。以往雖然也有多種論述，包括俯沖速率大小，是否存在弧后擴張，俯沖帶沉積物 的多少等，但流行的觀點認為，俯沖帶是否會產生大震主要取決于俯沖洋殼的年齡及俯沖 速率，俯沖洋殼越年輕、俯沖角度就會越平緩，水平俯沖速率越大，越容易發(fā)生大震；反過 來，俯沖洋殼較老(如馬里亞納海溝處的洋殼）、俯沖角度就會較陡，水平俯沖速率越小，越 不容易發(fā)生地震。然而，2011年日本Mw9.0級大地震就在年齡是120百萬年，俯沖速率約6厘 米/年的老洋殼上發(fā)生了。而2004年蘇門答臘Mw9.2級大地震發(fā)生的位置-班達亞齊在當地 有記錄的歷史上從未發(fā)生超過Mw8級的大震。對大地震發(fā)生規(guī)律和影響因素的認識誤差，主 要源于發(fā)震周期長于人類觀測的歷史，通常Mw9.0級以上地震的發(fā)震周期是幾個世紀，且震 級越大，發(fā)震的周期就越長，而人類有地震記錄的歷史卻不過一個多世紀，因此科學家們對 地震發(fā)震頻率以及影響因素的認識積累都還相當不足，需要更多觀測和研究的補充，并進 行各區(qū)域地震特點和地質條件的對比分析。
[0004] 根據地震觀測和俯沖板片分析，沿俯沖帶地震主要發(fā)生在鎖定帶和過渡帶附近， 在地震的間歇期，伴隨俯沖板塊的推進，上覆板塊會由于耦合作用(被鎖定帶鎖緊)而發(fā)生 彈性彎曲，當應力積累到一定程度，就會發(fā)生鎖定帶的破裂和回彈，產生大地震，地震的大 小與鎖定帶發(fā)生斷裂的長度成正比，即斷裂長度越大，震級越大。根據此基本原理，在大震 發(fā)生之前，俯沖帶上盤基本上所有區(qū)域都表現出向陸和向上的一個運動向量(縮短向量）， 地震之后的一段時間內，俯沖帶上盤主要表現為向洋的一個運動向量，因此，增加對俯沖帶 的觀測，尤其是增加對俯沖帶上主要發(fā)生應變積累和釋放的過渡帶和鎖定帶的觀測，對評 估某大斷層的最大震級以及目前的應力積累狀態(tài)十分必要。然而大部分俯沖帶的過渡帶和 鎖定帶都位于靠近海溝的深海之下，僅靠陸地上的GPS臺站，無論是對發(fā)震影響因素的研 究，還是對震前-震間-震后變形進行更好的監(jiān)測，都已明顯地表現出鞭長莫及。
[0005] 自從全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positions System，文中簡稱GPS)于1973年由美 國國防部開始發(fā)展使用，短時間里世界各國都相繼建立起GPS觀測網絡，如日本自1994年著 手建立由一千個固定站組成的全國性GPS連續(xù)觀測網一GEN0ET，主要目的為全面監(jiān)測地殼 應變的時空變化，提供地震潛勢評估及地震預測研究。我國主要于2000年正式運行"中國地 殼運動觀測網絡"，以GPS觀測技術為主，結合精密重力和精密水準測量構成的大范圍、高精 度、高時空分辨率的實時板塊運動監(jiān)測網絡。過去二十年來GPS觀測網絡的快速發(fā)展，極大 地促進了我們對于塑造大陸形態(tài)的眾多因素的認識:如汶川與玉樹大地震引起的地表三維 形變以及震前及震后的區(qū)域地殼運動、印藏碰撞造山過程引起的地表塊體運動、菲律賓海 板塊相對歐亞大陸邊緣的運動方向和運動速率、臺灣島的地震及造山活動、以及滑坡、冰 川流動等。
[0006] 目前全球GPS觀測網大多布設在陸地，造成嚴重的局限在陸地上的"單側"觀測，而 占地球表面總面積三分之二的海底卻只有日本、美國、歐洲的很少幾個觀測站。然而，世界 上具有巨大破壞性的特大地震和海嘯多發(fā)生在各大洋板塊邊緣的深水下，而這些區(qū)域是目 前的陸地GPS系統(tǒng)所無法直接觀測到的。而且洋殼的變形規(guī)律與陸殼有著極大的不同，即使 能夠對近岸的部分地質現象進行觀測，但也會隨著觀測距離的增加帶來較大的誤差。福島 地震結果表明，原有的從陸地上進行的遠距離單向觀測的方式存在極大的偏差，海底與陸 上觀測結果最多相差10倍之多。由此可見，"單側"的陸地GPS觀測無法準確測量海底地殼變 形，導致科學家無法獲得建立發(fā)震機制分析的準確參數，進而導致對發(fā)震機制和影響因素 認識的不足。
[0007] 統(tǒng)計表明，全球8級以上的大震，80%發(fā)生在俯沖帶上，主要變形段淹沒在深海下， 由于震中附近的變形向周圍迅速衰減，因此遠距離觀測對于正確地發(fā)布海嘯預警將非常不 利。由于地震波速度傳播較快，且發(fā)震機制尚未被科學家破解，因此想準確地預報地震在目 前是不可能的，但海嘯的預警非常有意義，因為地震引發(fā)海嘯在遠海由于振幅不大，沒有什 么殺傷力，只有到了近岸，隨著水深變淺而垂向振幅迅速放大，才會形成高達10米，具有強 大破壞力的巨浪。但由于水波的傳播速度較慢，100公里的距離，會比地震和海嘯初發(fā)時間 滯后約1個小時到達。因此準確地預警海嘯時間和幅度將對人員撤離，海上船只逃生以及其 他重要設施的處理具有非常重大的意義。
[0008] 而要做到準確和及時預警，必須實時監(jiān)測海底地殼運動情況。目前認為海底測地 將是監(jiān)測海底地殼運動的有效手段，對我們認識這些周期性或突發(fā)性變形事件的物理機制 以及幫助我們建立對大洋巖石圈變形過程的認識具有重要的意義，也將為我國能在任何水 深開展地質過程的高分辨率動態(tài)監(jiān)測和研究提供最重要和最基本的技術支持。
[0009] 有鑒于此，現有技術還有待改進和提高。

【發(fā)明內容】

[0010] 鑒于上述現有技術的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種海底相對測地方法， 以解決現有技術中從陸地上進行的遠距離單向觀測方式中存在極大的偏差的問題。
[0011 ]為了達到上述目的，本發(fā)明采取了以下技術方案：
[0012] 一種海底相對測地方法，其中，包括：
[0013] A、將相同的若干個底基觀測平臺投放至海底預設位置組建成觀測網；
[0014] B、通過連續(xù)觀測、自容存儲各基站之間的相對距離及其變化數據，實現各基站的 相對測地功能，從而可獲得各基站之間的相對運動速度和位移量、垂向位移變化。
[0015] 所述的海底相對測地方法，其中，所述步驟A進一步包括：
[0016] A1、將若干底基觀測平臺投放至預定海底構造帶，單節(jié)點投放的底基觀測平臺數 不小于2個，每兩個底基觀測平臺間距〈10公里;所述的底基觀測平臺帶有聲學通訊設備和 壓力傳感器；
[0017] A2、對于投放到位的每個節(jié)點的所有底基觀測平臺通過聲學信號相互通訊組網， 每隔2-256分鐘互相通訊一次，測定相對距離，同時每個底基觀測平臺采集一個距離數據， 做自容式存儲。
[0018] 所述的海底相對測地方法，其中，所述步驟A2中還包括:每個節(jié)點的每個底基觀測 平臺每2-256分鐘測定并記錄一個壓力數據，做自容式存儲。
[0019] 所述的海底相對測地方法，其中，所述步驟A2中還包括:定期回收自容式存儲的數 據。
[0020] 所述的海底相對測地方法，其中，所述的相互通訊時間為每10分鐘一次。
[0021 ]所述的海底相對測地方法，其中，所述的壓力數據為每10分鐘測定并記錄一個。
[0022] 所述的海底相對測地方法，其中，所述的定期回收是通過母船定期巡航至觀測點 后與底基觀測平臺之間通過雙向水聲通訊傳輸所述自容式存儲的數據來完成。
[0023] 所述的海底相對測地方法，其中，所述的定期回收是通過母船定期巡航至觀測點 后，與底基觀測平臺通過單向水聲通訊，實現底基觀測平臺自容式存儲設備的釋放上浮，然 后母船打撈、回收并讀取自容式存儲的數據。
[0024] 所述的海底相對測地方法，其中，所述步驟A2中還包括:進一步對底基觀測平臺之 間的沉積底質進行聲學測量，用以校正聲速，并將校正后的聲速用于所述的測定底基觀測 平臺相對距離變化。
[0025] 所述的海底相對測地方法，其中，所述的步驟A2中通過聲學信號測定相對距離的 具體做法是:根據設置的參數，某一底基觀測平臺的聲學測距儀周期性發(fā)射測距聲學脈沖 信號，其他底基觀測平臺的聲學測距儀收到測距脈沖信號后，回復一個應答聲學脈沖信號， 在先發(fā)出信號的底基觀測平臺接收應答信號，計算出聲學信號在兩平臺間傳輸的時間t，再 根據已知聲速C，就可計算出兩個底基觀測平臺之間的距離R，其計算公式如下：
[0027] 相較于現有技術，本發(fā)明提供的海底相對測地方法將相同的若干個底基觀測平臺 投放至海底預設位置組建成觀測網，通過連續(xù)觀測、自容存儲各基站之間的相對距離及其 變化數據，實現各基站的相對測地功能，從而可獲得各基站之間的相對運動速度和位移量、 垂向位移變化。結合陸地GPS數據，計算俯沖帶各段的耦合系數，分析俯沖帶各段的應力積 累狀況，估算發(fā)震可能性和震級大小。本發(fā)明的海底相對測地方法能夠對海底水平和垂直 形變進行長期精確的觀測和記錄，進而為海底俯沖帶發(fā)震的可能性分析提供依據。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明提供的海底相對測地方法中底基觀測平臺的實施例的整體結構示意 圖。
[0029] 圖2是本發(fā)明提供的海底相對測地方法中底基觀測平臺的實施例的回收系統(tǒng)結構 示意圖。
[0030] 圖3是本發(fā)明提供的海底相對測地方法中底基觀測平臺的實施例的拋棄支架結構 示意圖。
[0031 ]圖4是本發(fā)明提供的海底相對測地方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0032]本發(fā)明提供一種海底相對測地方法，為使本發(fā)明的目的、技術方案及效果更加清 楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具 體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0033]為了方便理解，首先介紹一下底基觀測平臺的結構和功能，請參閱圖1，所述的每 個底基觀測平臺大體由回收系統(tǒng)1和拋棄支架2構成;如圖2所示，所述的回收系統(tǒng)包括集成 安裝架、5個浮球、2套三分體聲學釋放器、1個高精度壓力傳感器和1套聲學測距儀;所述的 集成安裝架形似尖底的"鳥籠"，包括頂部的錐形架101、上部的水平環(huán)架102、中部的若干平 行的豎直桿103、下部的水平環(huán)架104及水平格架105、底部的兜架106;所述的5個浮球中，1 個浮球作為儀器倉107裝載電池、電源驅動板、主控板與姿態(tài)傳感器，其底部固定安裝在所 述集成安裝架下部的水平格架105上;其余4個浮球108規(guī)格構造完全相同，都通過保護殼固 定于所述的集成安裝支架的豎直桿103相同水平位置;所述的2套三分體聲學釋放器電源供 給和控制完全獨立，每套都由換能器109、電池倉110和釋放控制器111三個部分分別經水密 處理后通過水密電纜連接構成，所述的換能器109固定安裝在集成安裝架上部的水平環(huán)架 102上，所述的電池倉110固定安裝在集成安裝架的豎直桿103上，所述的釋放控制器111固 定安裝在集成安裝架底部的兜架106上;所述的高精度壓力傳感器112固定安裝在集成安裝 架的豎直桿103上;所述的聲學測距儀也采用分體式，由測距儀換能器探頭113和測距儀控 制電路114分別經水密處理后通過水密電纜串聯構成，所述的測距儀換能器探頭113固定安 裝在集成安裝架頂部的錐形101架頂點下方位置，所述的測距儀控制電路114固定安裝在集 成安裝架的豎直桿103上。
[0034]進一步的，如圖3所示，所述的拋棄支架2包括頂部的環(huán)架201和環(huán)架下方的三腳著 陸架202;所述的拋棄支架2的三腳著陸架202內部設有三腳支撐的連接組件208,三腳支撐 的連接組件208上設有連接環(huán)206;所述的三腳著陸架202每個腳分別設有相同規(guī)格的配重 塊203和導流筒204;所述的拋棄支架2頂部的環(huán)架201包括相垂直的垂直環(huán)面和水平環(huán)面， 即其縱剖面呈L形，所述的集成安裝架下部的水平環(huán)架104套接于拋棄支架頂部的環(huán)架201 中，即置于所述垂直環(huán)面內、水平環(huán)面上，水平環(huán)面上固定設有若干壓縮彈簧。所述的裝有 釋放控制器111的集成安裝架底部的兜架106深入三腳著陸架內部，接近三腳支撐的連接組 件208,用一根鋼絲繩207的一端連接某一釋放控制器111底部的活動掛鉤，鋼絲繩另一端穿 過連接環(huán)206后與另一釋放控制器111底部的活動掛鉤連接;所述的三分體聲學釋放器的釋 放控制器111、高精度壓力傳感器112和測距儀控制電路114分別與儀器倉107內的主控板電 連接。所述的集成安裝架上還固定安裝有燈光信標115、無線電信標116和/或標示旗117;燈 光信標115和無線電信標116設有機械式壓力開關，控制其在水中處于關閉狀態(tài)、出水后開 啟。
[0035] 請一并參閱圖4，本發(fā)明的海底相對測地方法包括：
[0036] S100、將相同的若干個底基觀測平臺投放至海底預設位置組建成觀測網；
[0037] S200、通過連續(xù)觀測、自容存儲各基站之間的相對距離及其變化數據，實現各基站 的相對測地功能，從而可獲得各基站之間的相對運動速度和位移量、垂向位移變化。
[0038]具體來說，所述步驟S100進一步包括：
[0039] S110、將若干底基觀測平臺投放至預定海底構造帶，單節(jié)點投放的底基觀測平臺 數不小于2個，每兩個底基觀測平臺間距〈10公里;所述的底基觀測平臺帶有聲學通訊設備 和壓力傳感器；
[0040] S120、對于投放到位的每個節(jié)點的所有底基觀測平臺通過聲學信號相互通訊組 網，每隔2-256分鐘互相通訊一次，測定相對距離，同時每個底基觀測平臺采集一個距離數 據，做自容式存儲。
[0041 ]進一步的，所述的海底相對測地方法中，所述步驟S120中還包括:每個節(jié)點的每個 底基觀測平臺每2-256分鐘測定并記錄一個壓力數據，做自容式存儲。
[0042]進一步的，所述的海底相對測地方法中，所述步驟S120中還包括:定期回收自容式 存儲的數據。
[0043]另外，所述的海底相對測地方法中，所述的相互通訊時間為每10分鐘一次。所述的 壓力數據為每10分鐘測定并記錄一個。
[0044] 更進一步的，所述的海底相對測地方法中，所述的定期回收是通過母船定期巡航 至觀測點后與底基觀測平臺之間通過雙向水聲通訊傳輸所述自容式存儲的數據來完成?；?者所述的定期回收是通過母船定期巡航至觀測點后，與底基觀測平臺通過單向水聲通訊， 實現底基觀測平臺自容式存儲設備的釋放上浮，然后母船打撈、回收并讀取自容式存儲的 數據。
[0045] 其中，所述步驟S120中還包括:進一步對底基觀測平臺之間的沉積底質進行聲學 測量，用以校正聲速，并將校正后的聲速用于所述的測定底基觀測平臺相對距離變化。
[0046] 在本實施例中，所述的海底相對測地方法中，所述的步驟S120中通過聲學信號測 定相對距離的具體做法是:根據設置的參數，某一底基觀測平臺的聲學測距儀周期性發(fā)射 測距聲學脈沖信號，其他底基觀測平臺的聲學測距儀收到測距脈沖信號后，回復一個應答 聲學脈沖信號，在先發(fā)出信號的底基觀測平臺接收應答信號，計算出聲學信號在兩平臺間 傳輸的時間t，再根據已知聲速C，就可計算出兩個底基觀測平臺之間的距離R，其計算公式 如下：
[0048] 在具體實際操作過程中，可以將本發(fā)明的海底相對測地系統(tǒng)布放在馬尼拉俯沖帶 北段巴士海峽段，選擇構造最活躍，地震活動最多的主干斷層兩側投放，以多節(jié)點組網觀測 斷層的水平和垂直位移變化情況，通過連續(xù)觀測、自容存儲各底基觀測平臺之間的相對距 離及其變化數據，實現各平臺的相對測地功能，從而可獲得各平臺之間的相對位移量、垂向 位移變化。在此基礎上結合陸地GPS臺站分析馬尼拉俯沖帶北側主干發(fā)震斷層的應變情況， 計算應變速率和耦合系數，根據其他俯沖帶的研究結果，分析主干斷裂是鎖定應力積累狀 態(tài)，還是線性滑移解鎖狀態(tài)，從而分析判斷近期內該主干斷層發(fā)震的可能性。
[0049] 綜上所述，本發(fā)明提供的海底相對測地方法將相同的若干個底基觀測平臺投放至 海底預設位置組建成觀測網，通過連續(xù)觀測、自容存儲各基站之間的相對距離及其變化數 據，實現各基站的相對測地功能，從而可獲得各基站之間的相對運動速度和位移量、垂向位 移變化。結合陸地GPS數據，計算俯沖帶各段的耦合系數，分析俯沖帶各段的應力積累狀況， 估算發(fā)震可能性和震級大小。本發(fā)明的海底相對測地方法能夠對海底水平和垂直形變進 行長期精確的觀測和記錄，進而為海底俯沖帶發(fā)震的可能性分析提供依據。
[0050]可以理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據本發(fā)明的技術方案及其發(fā) 明構思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應屬于本發(fā)明所附的權利要求的保 護范圍。
【主權項】
1. 一種海底相對測地方法，其特征在于，包括： A、 將相同的若干個底基觀測平臺投放至海底預設位置組建成觀測網； B、 通過連續(xù)觀測、自容存儲各基站之間的相對距離及其變化數據，實現各基站的相對 測地功能，從而可獲得各基站之間的相對運動速度和位移量、垂向位移變化。2. 根據權利要求1所述的海底相對測地方法，其特征在于，所述步驟A進一步包括： A1、將若干底基觀測平臺投放至預定海底構造帶，單節(jié)點投放的底基觀測平臺數不小 于2個，每兩個底基觀測平臺間距<10公里;所述的底基觀測平臺帶有聲學通訊設備和壓力 傳感器； A2、對于投放到位的每個節(jié)點的所有底基觀測平臺通過聲學信號相互通訊組網，每隔 2-256分鐘互相通訊一次，測定相對距離，同時每個底基觀測平臺采集一個距離數據，做自 容式存儲。3. 根據權利要求2所述的海底相對測地方法，其特征在于，所述步驟A2中還包括:每個 節(jié)點的每個底基觀測平臺每2-256分鐘測定并記錄一個壓力數據，做自容式存儲。4. 根據權利要求3所述的海底相對測地方法，其特征在于，所述步驟A2中還包括:定期 回收自容式存儲的數據。5. 根據權利要求2所述的海底相對測地方法，其特征在于，所述的相互通訊時間為每10 分鐘一次。6. 根據權利要求3所述的海底相對測地方法，其特征在于，所述的壓力數據為每10分鐘 測定并記錄一個。7. 根據權利要求4所述的海底相對測地方法，其特征在于，所述的定期回收是通過母船 定期巡航至觀測點后與底基觀測平臺之間通過雙向水聲通訊傳輸所述自容式存儲的數據 來完成。8. 根據權利要求4所述的海底相對測地方法，其特征在于，所述的定期回收是通過母船 定期巡航至觀測點后，與底基觀測平臺通過單向水聲通訊，實現底基觀測平臺自容式存儲 設備的釋放上浮，然后母船打拱、回收并讀取自容式存儲的數據。9. 根據權利要求3所述的海底相對測地方法，其特征在于，所述步驟A2中還包括:進一 步對底基觀測平臺之間的沉積底質進行聲學測量，用W校正聲速，并將校正后的聲速用于 所述的測定底基觀測平臺相對距離變化。10. 根據權利要求2述的海底相對測地方法，其特征在于，所述的步驟A2中通過聲學信 號測定相對距離的具體做法是:根據設置的參數，某一底基觀測平臺的聲學測距儀周期性 發(fā)射測距聲學脈沖信號，其他底基觀測平臺的聲學測距儀收到測距脈沖信號后，回復一個 應答聲學脈沖信號，在先發(fā)出信號的底基觀測平臺接收應答信號，計算出聲學信號在兩平 臺間傳輸的時間T，再根據已知聲速C，就可計算出兩個底基觀測平臺之間的距離R，其計算 公式如下：
【文檔編號】G01V1/38GK105911591SQ201610211364
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月5日
【發(fā)明人】林間, 孫珍, 孫兆華, 黃健龍, 黃銳, 李曉偉
【申請人】中國科學院南海海洋研究所