一种海底相对测地方法
【专利摘要】本发明公开了一种海底相对测地方法，首先，将相同的若干个底基观测平台投放至海底预设位置组建成观测网，通过连续观测、自容存储各基站之间的相对距离及其变化数据，实现各基站的相对测地功能，从而可获得各基站之间的相对运动速度和位移量、垂向位移变化。结合陆地GPS数据，计算俯冲带各段的耦合系数，分析俯冲带各段的应力积累状况，估算发震可能性和震级大小。本发明的海底相对测地方法能够对海底水平和垂直形变进行长期精确的观测和记录，进而为海底俯冲带发震的可能性分析提供依据。
【专利说明】
一种海底相对测地方法
技术领域
[0001] 本发明涉及海洋地质科学观测技术领域，特别涉及一种海底相对测地方法。
【背景技术】
[0002] 占地球表面总面积三分之二的海底，既是油气能源、金属矿产等重要资源的储集 场所，也是各种基础科学问题的孕育之地，但却只有日本、美国的很少几个深海测地观测 站。2011年日本大地震的实例说明，大陆GPS对海上变形的估算严重不足，必须建立深海测 地观测网，直接监测海底断层、地震、海啸、火山、沉积物搬运、海岸滑波等位移变化。
[0003] 近些年的几次大地震，都发生在科学家们依据以往统计经验，认为不可能发生大 震的区域。以往虽然也有多种论述，包括俯冲速率大小，是否存在弧后扩张，俯冲带沉积物 的多少等，但流行的观点认为，俯冲带是否会产生大震主要取决于俯冲洋壳的年龄及俯冲 速率，俯冲洋壳越年轻、俯冲角度就会越平缓，水平俯冲速率越大，越容易发生大震；反过 来，俯冲洋壳较老(如马里亚纳海沟处的洋壳）、俯冲角度就会较陡，水平俯冲速率越小，越 不容易发生地震。然而，2011年日本Mw9.0级大地震就在年龄是120百万年，俯冲速率约6厘 米/年的老洋壳上发生了。而2004年苏门答腊Mw9.2级大地震发生的位置-班达亚齐在当地 有记录的历史上从未发生超过Mw8级的大震。对大地震发生规律和影响因素的认识误差，主 要源于发震周期长于人类观测的历史，通常Mw9.0级以上地震的发震周期是几个世纪，且震 级越大，发震的周期就越长，而人类有地震记录的历史却不过一个多世纪，因此科学家们对 地震发震频率以及影响因素的认识积累都还相当不足，需要更多观测和研究的补充，并进 行各区域地震特点和地质条件的对比分析。
[0004] 根据地震观测和俯冲板片分析，沿俯冲带地震主要发生在锁定带和过渡带附近， 在地震的间歇期，伴随俯冲板块的推进，上覆板块会由于耦合作用(被锁定带锁紧)而发生 弹性弯曲，当应力积累到一定程度，就会发生锁定带的破裂和回弹，产生大地震，地震的大 小与锁定带发生断裂的长度成正比，即断裂长度越大，震级越大。根据此基本原理，在大震 发生之前，俯冲带上盘基本上所有区域都表现出向陆和向上的一个运动向量(缩短向量）， 地震之后的一段时间内，俯冲带上盘主要表现为向洋的一个运动向量，因此，增加对俯冲带 的观测，尤其是增加对俯冲带上主要发生应变积累和释放的过渡带和锁定带的观测，对评 估某大断层的最大震级以及目前的应力积累状态十分必要。然而大部分俯冲带的过渡带和 锁定带都位于靠近海沟的深海之下，仅靠陆地上的GPS台站，无论是对发震影响因素的研 究，还是对震前-震间-震后变形进行更好的监测，都已明显地表现出鞭长莫及。
[0005] 自从全球卫星定位系统(Global Positions System，文中简称GPS)于1973年由美 国国防部开始发展使用，短时间里世界各国都相继建立起GPS观测网络，如日本自1994年着 手建立由一千个固定站组成的全国性GPS连续观测网一GEN0ET，主要目的为全面监测地壳 应变的时空变化，提供地震潜势评估及地震预测研究。我国主要于2000年正式运行"中国地 壳运动观测网络"，以GPS观测技术为主，结合精密重力和精密水准测量构成的大范围、高精 度、高时空分辨率的实时板块运动监测网络。过去二十年来GPS观测网络的快速发展，极大 地促进了我们对于塑造大陆形态的众多因素的认识:如汶川与玉树大地震引起的地表三维 形变以及震前及震后的区域地壳运动、印藏碰撞造山过程引起的地表块体运动、菲律宾海 板块相对欧亚大陆边缘的运动方向和运动速率、台湾岛的地震及造山活动、以及滑坡、冰 川流动等。
[0006] 目前全球GPS观测网大多布设在陆地，造成严重的局限在陆地上的"单侧"观测，而 占地球表面总面积三分之二的海底却只有日本、美国、欧洲的很少几个观测站。然而，世界 上具有巨大破坏性的特大地震和海啸多发生在各大洋板块边缘的深水下，而这些区域是目 前的陆地GPS系统所无法直接观测到的。而且洋壳的变形规律与陆壳有着极大的不同，即使 能够对近岸的部分地质现象进行观测，但也会随着观测距离的增加带来较大的误差。福岛 地震结果表明，原有的从陆地上进行的远距离单向观测的方式存在极大的偏差，海底与陆 上观测结果最多相差10倍之多。由此可见，"单侧"的陆地GPS观测无法准确测量海底地壳变 形，导致科学家无法获得建立发震机制分析的准确参数，进而导致对发震机制和影响因素 认识的不足。
[0007] 统计表明，全球8级以上的大震，80%发生在俯冲带上，主要变形段淹没在深海下， 由于震中附近的变形向周围迅速衰减，因此远距离观测对于正确地发布海啸预警将非常不 利。由于地震波速度传播较快，且发震机制尚未被科学家破解，因此想准确地预报地震在目 前是不可能的，但海啸的预警非常有意义，因为地震引发海啸在远海由于振幅不大，没有什 么杀伤力，只有到了近岸，随着水深变浅而垂向振幅迅速放大，才会形成高达10米，具有强 大破坏力的巨浪。但由于水波的传播速度较慢，100公里的距离，会比地震和海啸初发时间 滞后约1个小时到达。因此准确地预警海啸时间和幅度将对人员撤离，海上船只逃生以及其 他重要设施的处理具有非常重大的意义。
[0008] 而要做到准确和及时预警，必须实时监测海底地壳运动情况。目前认为海底测地 将是监测海底地壳运动的有效手段，对我们认识这些周期性或突发性变形事件的物理机制 以及帮助我们建立对大洋岩石圈变形过程的认识具有重要的意义，也将为我国能在任何水 深开展地质过程的高分辨率动态监测和研究提供最重要和最基本的技术支持。
[0009] 有鉴于此，现有技术还有待改进和提高。
【发明内容】
[0010] 鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种海底相对测地方法， 以解决现有技术中从陆地上进行的远距离单向观测方式中存在极大的偏差的问题。
[0011 ]为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
[0012] 一种海底相对测地方法，其中，包括：
[0013] A、将相同的若干个底基观测平台投放至海底预设位置组建成观测网；
[0014] B、通过连续观测、自容存储各基站之间的相对距离及其变化数据，实现各基站的 相对测地功能，从而可获得各基站之间的相对运动速度和位移量、垂向位移变化。
[0015] 所述的海底相对测地方法，其中，所述步骤A进一步包括：
[0016] A1、将若干底基观测平台投放至预定海底构造带，单节点投放的底基观测平台数 不小于2个，每两个底基观测平台间距〈10公里;所述的底基观测平台带有声学通讯设备和 压力传感器；
[0017] A2、对于投放到位的每个节点的所有底基观测平台通过声学信号相互通讯组网， 每隔2-256分钟互相通讯一次，测定相对距离，同时每个底基观测平台采集一个距离数据， 做自容式存储。
[0018] 所述的海底相对测地方法，其中，所述步骤A2中还包括:每个节点的每个底基观测 平台每2-256分钟测定并记录一个压力数据，做自容式存储。
[0019] 所述的海底相对测地方法，其中，所述步骤A2中还包括:定期回收自容式存储的数 据。
[0020] 所述的海底相对测地方法，其中，所述的相互通讯时间为每10分钟一次。
[0021 ]所述的海底相对测地方法，其中，所述的压力数据为每10分钟测定并记录一个。
[0022] 所述的海底相对测地方法，其中，所述的定期回收是通过母船定期巡航至观测点 后与底基观测平台之间通过双向水声通讯传输所述自容式存储的数据来完成。
[0023] 所述的海底相对测地方法，其中，所述的定期回收是通过母船定期巡航至观测点 后，与底基观测平台通过单向水声通讯，实现底基观测平台自容式存储设备的释放上浮，然 后母船打捞、回收并读取自容式存储的数据。
[0024] 所述的海底相对测地方法，其中，所述步骤A2中还包括:进一步对底基观测平台之 间的沉积底质进行声学测量，用以校正声速，并将校正后的声速用于所述的测定底基观测 平台相对距离变化。
[0025] 所述的海底相对测地方法，其中，所述的步骤A2中通过声学信号测定相对距离的 具体做法是:根据设置的参数，某一底基观测平台的声学测距仪周期性发射测距声学脉冲 信号，其他底基观测平台的声学测距仪收到测距脉冲信号后，回复一个应答声学脉冲信号， 在先发出信号的底基观测平台接收应答信号，计算出声学信号在两平台间传输的时间t，再 根据已知声速C，就可计算出两个底基观测平台之间的距离R，其计算公式如下：
[0027] 相较于现有技术，本发明提供的海底相对测地方法将相同的若干个底基观测平台 投放至海底预设位置组建成观测网，通过连续观测、自容存储各基站之间的相对距离及其 变化数据，实现各基站的相对测地功能，从而可获得各基站之间的相对运动速度和位移量、 垂向位移变化。结合陆地GPS数据，计算俯冲带各段的耦合系数，分析俯冲带各段的应力积 累状况，估算发震可能性和震级大小。本发明的海底相对测地方法能够对海底水平和垂直 形变进行长期精确的观测和记录，进而为海底俯冲带发震的可能性分析提供依据。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明提供的海底相对测地方法中底基观测平台的实施例的整体结构示意 图。
[0029] 图2是本发明提供的海底相对测地方法中底基观测平台的实施例的回收系统结构 示意图。
[0030] 图3是本发明提供的海底相对测地方法中底基观测平台的实施例的抛弃支架结构 示意图。
[0031 ]图4是本发明提供的海底相对测地方法的流程图。
【具体实施方式】
[0032]本发明提供一种海底相对测地方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清 楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具 体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0033]为了方便理解，首先介绍一下底基观测平台的结构和功能，请参阅图1，所述的每 个底基观测平台大体由回收系统1和抛弃支架2构成;如图2所示，所述的回收系统包括集成 安装架、5个浮球、2套三分体声学释放器、1个高精度压力传感器和1套声学测距仪;所述的 集成安装架形似尖底的"鸟笼"，包括顶部的锥形架101、上部的水平环架102、中部的若干平 行的竖直杆103、下部的水平环架104及水平格架105、底部的兜架106;所述的5个浮球中，1 个浮球作为仪器仓107装载电池、电源驱动板、主控板与姿态传感器，其底部固定安装在所 述集成安装架下部的水平格架105上;其余4个浮球108规格构造完全相同，都通过保护壳固 定于所述的集成安装支架的竖直杆103相同水平位置;所述的2套三分体声学释放器电源供 给和控制完全独立，每套都由换能器109、电池仓110和释放控制器111三个部分分别经水密 处理后通过水密电缆连接构成，所述的换能器109固定安装在集成安装架上部的水平环架 102上，所述的电池仓110固定安装在集成安装架的竖直杆103上，所述的释放控制器111固 定安装在集成安装架底部的兜架106上;所述的高精度压力传感器112固定安装在集成安装 架的竖直杆103上;所述的声学测距仪也采用分体式，由测距仪换能器探头113和测距仪控 制电路114分别经水密处理后通过水密电缆串联构成，所述的测距仪换能器探头113固定安 装在集成安装架顶部的锥形101架顶点下方位置，所述的测距仪控制电路114固定安装在集 成安装架的竖直杆103上。
[0034]进一步的，如图3所示，所述的抛弃支架2包括顶部的环架201和环架下方的三脚着 陆架202;所述的抛弃支架2的三脚着陆架202内部设有三脚支撑的连接组件208,三脚支撑 的连接组件208上设有连接环206;所述的三脚着陆架202每个脚分别设有相同规格的配重 块203和导流筒204;所述的抛弃支架2顶部的环架201包括相垂直的垂直环面和水平环面， 即其纵剖面呈L形，所述的集成安装架下部的水平环架104套接于抛弃支架顶部的环架201 中，即置于所述垂直环面内、水平环面上，水平环面上固定设有若干压缩弹簧。所述的装有 释放控制器111的集成安装架底部的兜架106深入三脚着陆架内部，接近三脚支撑的连接组 件208,用一根钢丝绳207的一端连接某一释放控制器111底部的活动挂钩，钢丝绳另一端穿 过连接环206后与另一释放控制器111底部的活动挂钩连接;所述的三分体声学释放器的释 放控制器111、高精度压力传感器112和测距仪控制电路114分别与仪器仓107内的主控板电 连接。所述的集成安装架上还固定安装有灯光信标115、无线电信标116和/或标示旗117;灯 光信标115和无线电信标116设有机械式压力开关，控制其在水中处于关闭状态、出水后开 启。
[0035] 请一并参阅图4，本发明的海底相对测地方法包括：
[0036] S100、将相同的若干个底基观测平台投放至海底预设位置组建成观测网；
[0037] S200、通过连续观测、自容存储各基站之间的相对距离及其变化数据，实现各基站 的相对测地功能，从而可获得各基站之间的相对运动速度和位移量、垂向位移变化。
[0038]具体来说，所述步骤S100进一步包括：
[0039] S110、将若干底基观测平台投放至预定海底构造带，单节点投放的底基观测平台 数不小于2个，每两个底基观测平台间距〈10公里;所述的底基观测平台带有声学通讯设备 和压力传感器；
[0040] S120、对于投放到位的每个节点的所有底基观测平台通过声学信号相互通讯组 网，每隔2-256分钟互相通讯一次，测定相对距离，同时每个底基观测平台采集一个距离数 据，做自容式存储。
[0041 ]进一步的，所述的海底相对测地方法中，所述步骤S120中还包括:每个节点的每个 底基观测平台每2-256分钟测定并记录一个压力数据，做自容式存储。
[0042]进一步的，所述的海底相对测地方法中，所述步骤S120中还包括:定期回收自容式 存储的数据。
[0043]另外，所述的海底相对测地方法中，所述的相互通讯时间为每10分钟一次。所述的 压力数据为每10分钟测定并记录一个。
[0044] 更进一步的，所述的海底相对测地方法中，所述的定期回收是通过母船定期巡航 至观测点后与底基观测平台之间通过双向水声通讯传输所述自容式存储的数据来完成。或 者所述的定期回收是通过母船定期巡航至观测点后，与底基观测平台通过单向水声通讯， 实现底基观测平台自容式存储设备的释放上浮，然后母船打捞、回收并读取自容式存储的 数据。
[0045] 其中，所述步骤S120中还包括:进一步对底基观测平台之间的沉积底质进行声学 测量，用以校正声速，并将校正后的声速用于所述的测定底基观测平台相对距离变化。
[0046] 在本实施例中，所述的海底相对测地方法中，所述的步骤S120中通过声学信号测 定相对距离的具体做法是:根据设置的参数，某一底基观测平台的声学测距仪周期性发射 测距声学脉冲信号，其他底基观测平台的声学测距仪收到测距脉冲信号后，回复一个应答 声学脉冲信号，在先发出信号的底基观测平台接收应答信号，计算出声学信号在两平台间 传输的时间t，再根据已知声速C，就可计算出两个底基观测平台之间的距离R，其计算公式 如下：
[0048] 在具体实际操作过程中，可以将本发明的海底相对测地系统布放在马尼拉俯冲带 北段巴士海峡段，选择构造最活跃，地震活动最多的主干断层两侧投放，以多节点组网观测 断层的水平和垂直位移变化情况，通过连续观测、自容存储各底基观测平台之间的相对距 离及其变化数据，实现各平台的相对测地功能，从而可获得各平台之间的相对位移量、垂向 位移变化。在此基础上结合陆地GPS台站分析马尼拉俯冲带北侧主干发震断层的应变情况， 计算应变速率和耦合系数，根据其他俯冲带的研究结果，分析主干断裂是锁定应力积累状 态，还是线性滑移解锁状态，从而分析判断近期内该主干断层发震的可能性。
[0049] 综上所述，本发明提供的海底相对测地方法将相同的若干个底基观测平台投放至 海底预设位置组建成观测网，通过连续观测、自容存储各基站之间的相对距离及其变化数 据，实现各基站的相对测地功能，从而可获得各基站之间的相对运动速度和位移量、垂向位 移变化。结合陆地GPS数据，计算俯冲带各段的耦合系数，分析俯冲带各段的应力积累状况， 估算发震可能性和震级大小。本发明的海底相对测地方法能够对海底水平和垂直形变进 行长期精确的观测和记录，进而为海底俯冲带发震的可能性分析提供依据。
[0050]可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发 明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保 护范围。
【主权项】
1. 一种海底相对测地方法，其特征在于，包括： A、 将相同的若干个底基观测平台投放至海底预设位置组建成观测网； B、 通过连续观测、自容存储各基站之间的相对距离及其变化数据，实现各基站的相对 测地功能，从而可获得各基站之间的相对运动速度和位移量、垂向位移变化。2. 根据权利要求1所述的海底相对测地方法，其特征在于，所述步骤A进一步包括： A1、将若干底基观测平台投放至预定海底构造带，单节点投放的底基观测平台数不小 于2个，每两个底基观测平台间距<10公里;所述的底基观测平台带有声学通讯设备和压力 传感器； A2、对于投放到位的每个节点的所有底基观测平台通过声学信号相互通讯组网，每隔 2-256分钟互相通讯一次，测定相对距离，同时每个底基观测平台采集一个距离数据，做自 容式存储。3. 根据权利要求2所述的海底相对测地方法，其特征在于，所述步骤A2中还包括:每个 节点的每个底基观测平台每2-256分钟测定并记录一个压力数据，做自容式存储。4. 根据权利要求3所述的海底相对测地方法，其特征在于，所述步骤A2中还包括:定期 回收自容式存储的数据。5. 根据权利要求2所述的海底相对测地方法，其特征在于，所述的相互通讯时间为每10 分钟一次。6. 根据权利要求3所述的海底相对测地方法，其特征在于，所述的压力数据为每10分钟 测定并记录一个。7. 根据权利要求4所述的海底相对测地方法，其特征在于，所述的定期回收是通过母船 定期巡航至观测点后与底基观测平台之间通过双向水声通讯传输所述自容式存储的数据 来完成。8. 根据权利要求4所述的海底相对测地方法，其特征在于，所述的定期回收是通过母船 定期巡航至观测点后，与底基观测平台通过单向水声通讯，实现底基观测平台自容式存储 设备的释放上浮，然后母船打拱、回收并读取自容式存储的数据。9. 根据权利要求3所述的海底相对测地方法，其特征在于，所述步骤A2中还包括:进一 步对底基观测平台之间的沉积底质进行声学测量，用W校正声速，并将校正后的声速用于 所述的测定底基观测平台相对距离变化。10. 根据权利要求2述的海底相对测地方法，其特征在于，所述的步骤A2中通过声学信 号测定相对距离的具体做法是:根据设置的参数，某一底基观测平台的声学测距仪周期性 发射测距声学脉冲信号，其他底基观测平台的声学测距仪收到测距脉冲信号后，回复一个 应答声学脉冲信号，在先发出信号的底基观测平台接收应答信号，计算出声学信号在两平 台间传输的时间T，再根据已知声速C，就可计算出两个底基观测平台之间的距离R，其计算 公式如下：
【文档编号】G01V1/38GK105911591SQ201610211364
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月5日
【发明人】林间, 孙珍, 孙兆华, 黄健龙, 黄锐, 李晓伟
【申请人】中国科学院南海海洋研究所