“呼叫海底，呼叫海底”，“探索一號(hào)”科考船在甲板上發(fā)出回收指令。

指示燈亮起，地震儀在馬里亞納海溝掙脫沉耦架的束縛，頭也不回直沖海面，如同游子急迫的回到母親身邊。

下潛10027米，作業(yè)600個(gè)小時(shí)，接到指令后地震儀以每秒0.8米速度、歷時(shí)4個(gè)小時(shí)成功返回海面。

隨著56臺(tái)儀器回收完畢，我國成為世界上首個(gè)成功獲取萬米級(jí)海洋人工地震剖面的國家。

“九五”之前，我國海底探測(cè)技術(shù)幾乎空白。20年后，國產(chǎn)地震儀不僅實(shí)現(xiàn)了萬米突破，還記錄到地球深處的心跳。這臺(tái)只有17英寸的地震儀是一種什么設(shè)備?又是如何在水下待得住、醒得快、回得來呢?

萬米自由落體 “不倒翁”傳感器自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)

從海平面到海底，萬米下潛并不困難——重力來自于20公斤的沉耦架，帶著地震儀在水中自由落體。但是，沉底后能否正常工作，傳感器的平衡是關(guān)鍵。

“在陸地上，可以手動(dòng)調(diào)整地震儀的姿態(tài)，落到海底，所處的地形無法選擇，地震儀的站立姿態(tài)各式各樣，需要地震儀在內(nèi)部自動(dòng)調(diào)整?！眹a(chǎn)海底地震儀設(shè)計(jì)者、中科院地質(zhì)與地球物理所研究員游慶瑜告訴科技日?qǐng)?bào)記者，“形象點(diǎn)說，這時(shí)的傳感器就是一個(gè)‘不倒翁’，不管地震儀怎么掉到海底，內(nèi)部的地震傳感器都能自動(dòng)調(diào)整到平衡姿態(tài)?！?/p>

在地震儀內(nèi)部，有兩個(gè)負(fù)責(zé)調(diào)平的器件。一個(gè)是姿態(tài)傳感器，負(fù)責(zé)測(cè)量地震傳感器的姿態(tài)信息，另一個(gè)是磁阻式電子羅盤負(fù)責(zé)測(cè)量地震傳感器的方向信息，它們使得地震儀在著底后，身體可以歪斜而內(nèi)部地震傳感器實(shí)現(xiàn)平衡。

但是，要將地動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并準(zhǔn)確拾取，除了平衡，高質(zhì)量的地震動(dòng)信號(hào)記錄還需要地震儀整體構(gòu)件的良好耦合。游慶瑜打了一個(gè)坐汽車的比方，車過坎時(shí)晃了一下，你在車上顛了兩下，信息必然錯(cuò)誤，因?yàn)轳詈陷^差;如果將你綁在車上甚至與車同為一體、同頻共振，這時(shí)的信息與客觀吻合，因?yàn)轳詈狭己谩?/p>

海底地震儀依靠設(shè)計(jì)合理的整體結(jié)構(gòu)，使海底與艙球、艙球與傳感器互相耦合，以保證萬米深淵下與地球同頻共振，拾取到的信息準(zhǔn)確無誤。

深海沉睡600小時(shí) 功耗最低說醒就醒

“不論地震儀在海底逗留多久，只有成功收回，才能發(fā)揮作用?！焙５椎卣饍x設(shè)計(jì)者、中科院地質(zhì)與地球物理所研究員郝天珧告訴科技日?qǐng)?bào)記者，“回收率作為檢驗(yàn)儀器質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，各國都在不斷摸索?！?/p>

海底地震儀的“糧食”是裝載在身上的電池，誰的電量消耗少，誰就能在海底保留的時(shí)間長，記錄的資料多，留海時(shí)間長，回收率也就越高。郝天珧解釋道，在全球范圍內(nèi)，中國的地震儀功耗是最低的。

2014年冬季，我國在黃巖島海域回收相同條件下布設(shè)的中、法地震儀。在回收時(shí)節(jié)偶遇臺(tái)風(fēng)來襲，船上成員只搶收到部分法國地震儀。等到來年三月，科考船再次來到黃巖島重收剩余的儀器時(shí)，國產(chǎn)儀器悉數(shù)收回，法國儀器卻因電量耗盡而全軍覆沒。今年在馬里亞納海溝的不同深度，共布放60臺(tái)地震儀，成功收回56臺(tái)，全部使用的自行研制的水聲應(yīng)答釋放模塊。而且，萬米地震儀下潛作業(yè)600個(gè)小時(shí)，待呼喚時(shí)說醒就能醒。

百兆帕水壓 戴著“項(xiàng)圈”像水母一樣飛升

“海底水壓非常大，海斗深淵的萬米壓力是100MPa(兆帕)，就是1平方厘米負(fù)載1噸的重量。一臺(tái)海洋儀器要到萬米深處所承受的壓力，相當(dāng)于一個(gè)手指甲蓋上要承擔(dān)一部小轎車的壓力?！敝锌圃旱刭|(zhì)與地球物理所王元博士在中科院做萬米深淵科考見聞報(bào)告時(shí)提到。

萬米地震儀接到返回指令后，以每秒0.8米的速度迅速飛升。海底地震儀由于下潛深、環(huán)境壓力大，多采用無動(dòng)力上浮技術(shù)，這就需要在耐壓同時(shí)，可以提供一定的浮力，從而對(duì)浮力材料提出了較高要求。在地震儀內(nèi)部的玻璃球上端，一個(gè)嵌在地震儀脖子處的橙色固體“項(xiàng)圈”是整套設(shè)備浮升的一個(gè)主要?jiǎng)恿ρb置。

“這種固體浮力材料是以膠黏劑為基體、空心玻璃球?yàn)楦×φ{(diào)節(jié)介質(zhì)的復(fù)合材料。它的浮力來自低密度空心玻璃球，粘度低、流動(dòng)性好的樹脂粘膠被填入玻璃球之間的縫隙，加溫固化后的材料既能均勻承受水的壓力，又能抵抗水的滲透?！敝写毓て咭哗栄芯克呒?jí)工程師陳江告訴科技日?qǐng)?bào)記者，帶有“項(xiàng)圈”的地震儀就像一只水母，在力學(xué)控制下沿著直線上升。

“不同水壓對(duì)浮力材料的要求是不一樣的，適合5000米的材料可能在6000米就不適用，所以，除把握材料選擇標(biāo)準(zhǔn)外，還需對(duì)浮力材料的配比反復(fù)進(jìn)行探索，制作出不同規(guī)格的設(shè)備?！标惤f。

科研只是起步 國土劃界礦產(chǎn)勘探也在用

“很多人不知道，除了科研，海底地震儀在海洋劃界方面有著重要作用?！焙绿扃蛞贿呎f，一邊亮出“國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)” 證書——“中國海大陸架劃界關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用”。

中日海洋劃界的爭(zhēng)議中，沖繩海槽兩側(cè)的歸屬是一個(gè)焦點(diǎn)。日本提出以中國東海中線為界，我國認(rèn)為應(yīng)以沖繩海槽的中線劃界。如何提供證據(jù)?中科院地質(zhì)與地球物理研究所通過地震儀的監(jiān)測(cè)，給解釋不清的坡角結(jié)構(gòu)提供了清晰的數(shù)據(jù)，證明地殼在沖繩海槽處已經(jīng)有洋殼產(chǎn)生，海槽并不是大陸架的自然延伸，使中日劃界的規(guī)則發(fā)生更改，確定了中國的劃界原則。

在全球，海洋資源勘探是地震儀的用武之地。全球的海底資源調(diào)查權(quán)對(duì)全世界開放，想要獲得深水洋中脊開采權(quán)，就得先行調(diào)查。郝天珧告訴記者，通過海底地震儀探測(cè)，我國獲得了印度洋大洋中脊相應(yīng)區(qū)域下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，也讓我國成為世界上第一個(gè)向海底礦產(chǎn)資源委員會(huì)提出申請(qǐng)并授勘探權(quán)的國家。

“隨著我國深海探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，尤其是越來越多的自主研發(fā)技術(shù)達(dá)到國際水平，我國在海洋世界的話語權(quán)越來越多，我國在海洋領(lǐng)域的影響力也越來越大?！焙绿扃蜃院赖卣f。

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二十年磨一劍 國產(chǎn)海底地震儀的前世今生

“九五”國家863計(jì)劃開始，國產(chǎn)地震儀開啟了自主研發(fā)之路。

1997年，第一批5臺(tái)國產(chǎn)樣機(jī)在東海進(jìn)行了海試。每臺(tái)儀器分在20個(gè)箱子里運(yùn)輸，5臺(tái)儀器近百個(gè)箱子，需要科研人員在現(xiàn)場(chǎng)組裝調(diào)試多日方能使用。

2003年，在南海潮汕凹陷海域，5臺(tái)短周期地震儀按測(cè)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(tái)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(cè)，前后投入國產(chǎn)儀器共74臺(tái)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(cè)。

2016年，在中國科學(xué)院“探索號(hào)”馬里亞納海溝深淵科考航次中，9臺(tái)國產(chǎn)儀器100%回收，最大工作水深7731米。

2017年3月，再探馬里亞納海溝，工作水深刷新為10027米，成功獲取了世界上首條萬米級(jí)海底地震勘探數(shù)據(jù)。