CN105911581A - 一种底基观测平台、海底相对测地装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了底基观测平台、海底相对测地装置及系统其中，所述底基观测平台由回收系统和抛弃支架构成。所述海底相对测地装置及系统可以广泛的布设在海底火山、转换断层、扩张脊等各种海底构造单元附近，甚至还可以布设在扩张岩浆房或热点附近，以观察岩浆房的变化和热点与大洋扩张脊的相互作用。总之，本发明的海底相对测地系统能够近距离、实时、高精度地获取海底各种地质和沉积事件的运动过程信息，帮助人类建立对海洋岩石圈变形、演化和沉积等现象的全面认识。

Description

一种底基观测平台、海底相对测地装置及系统
技术领域
本发明涉及海洋地质科学观测技术领域，特别涉及一种底基观测平台、海底相对测地装置及系统。
背景技术
近年来，地震和海啸频发，夺走了大量的生命和财产，造成巨大损失。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。
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。
目前地震潜势评估及地震预测研究主要基于全球卫星定位系统(Global Positions System，以下简称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－GENOET，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，极大地促进了人类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。但由于技术限制，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。日本福岛地震结果表明，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。
解决这一问题，必须在海底布设测地系统，也就是在发震的俯冲板片、陆缘斜坡的锁定带和过渡带上布设测地仪器，近距离、实时监控海底地质体变形，监测海底地壳运动情况。既可用于地震潜势评估及地震预测研究，也可用于海啸活动、火山喷发、海底滑坡、沉积过程、天然气及油气活动等一系列与海底变形有关的过程研究，对人类认识这些周期性或突发性变形事件的物理机制以及帮助建立对大洋岩石圈变形过程的认识具有重要的意义。
有鉴于此，现有技术还有待改进和提高。
发明内容
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底基观测平台、海底相对测地装置及系统，以解决现有技术中“单侧”的陆地GPS观测无法准确测量海底地壳变形的问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种底基观测平台，其中，所述底基观测平台由回收系统和抛弃支架构成；
其中，所述回收系统进一步包括：
集成安装架、其包括顶部的锥形架、上部的水平环架、中部的若干平行的竖直杆、下部的水平环架、水平格架以及底部的兜架；
五浮球、其包括：第一浮球、第二浮球、第三浮球、第四浮球和第五浮球，第一浮球底部固定安装在所述集成安装架下部的水平格架上，其余四个浮球通过保护壳固定于所述的集成安装支架的竖直杆相同水平位置处；
二声学释放器、每一声学释放器均固定安装在集成安装架上；
一压力传感器、其固定安装在集成安装架的竖直杆上；
所述回收系统和抛弃支架相互连接。
所述的底基观测平台，其中，所述抛弃支架包括：顶部的环架和环架下方的三脚着陆架；所述的抛弃支架的三脚着陆架内部设有三脚支撑的连接组件，三脚支撑的连接组件上设有连接环；所述的三脚着陆架每个脚分别设有相同规格的配重块和导流筒。
所述的底基观测平台，其中，所述抛弃支架顶部的环架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套接于抛弃支架顶部的环架中，即置于所述垂直环面1内、水平环面上，水平环面上固定设有若干压缩弹簧。
所述的底基观测平台，其中，所述声学释放器为机械式深海声学释放器或者熔断式深海声学释放器。
所述的底基观测平台，其中，所述每一声学释放器由换能器、电池仓和释放控制器三个部分分别经水密处理后通过水密电缆连接构成，所述的换能器固定安装在集成安装架上部的水平环架上，所述的电池仓固定安装在集成安装架的竖直杆上，所述的释放控制器固定安装在集成安装架底部的兜架上。
所述的底基观测平台，其中，底基观测平台高度不小于3米；且所述底基观测平台还安装有灯光信标、无线电信标和/或标示旗；所述的灯光信标和无线电信标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。
一种海底相对测地装置，其中，包括：至少三个权利要求1所述的底基观测平台组网；所述的底基观测平台之间通过声学信号相互通讯，测量底基观测平台之间的相对距离，且相邻底基观测平台间距小于10公里。
所述的海底相对测地装置，其中，所述的每个底基观测平台都设有释放控制系统和数据采集与控制系统；所述的数据采集与控制系统包括声学测距仪、压力传感器、数据采集与自容模块、深海电池、时钟控制模块；所述的每个底基观测平台的声学测距仪负责发出声学信号并接收来自其他底基观测平台的声学信号由此实现底基观测平台之间的相对距离测量；所述的压力传感器用以长期监测平台所在位置的垂向位移变化；所述的数据采集与自容模块与声学测距仪、压力传感器电连接，负责将声学测距仪和压力传感器测得数据收集并存储。
所述的海底相对测地装置，其中，所述海底相对测地装置用于布放在海底俯冲带，选择构造活跃、地震活动较多的主干断层两侧多节点组网投放，观测断层的水平和垂直位移变化情况，结合陆地GPS台站分析俯冲带主干发震断层的应变情况，计算应变速率和耦合系数，并根据其他俯冲带的研究结果，分析主干断裂状态，从而分析判断近期内该主干断层发震的可能性。
一种海底相对测地系统，其中，包括：若干海底相对测地装置；海底相对测地装置之间通过声学信号相互通讯。
相较于现有技术，本发明提供的底基观测平台、海底相对测地装置及系统可以广泛的布设在海底火山、转换断层、扩张脊等各种海底构造单元附近，甚至还可以布设在扩张岩浆房或热点附近，以观察岩浆房的变化和热点与大洋扩张脊的相互作用。总之，本发明的海底相对测地系统能够近距离、实时、高精度地获取海底各种地质和沉积事件的运动过程信息，帮助人类建立对海洋岩石圈变形、演化和沉积等现象的全面认识。
附图说明
图1是本发明提供的海底相对测地装置进行相对测地的示意图。
图2是本发明提供的底基观测平台的第一实施例的整体结构示意图。
图3是本发明提供的底基观测平台的第一实施例的回收系统结构示意图。
图4是本发明提供的底基观测平台的第一实施例的抛弃支架结构示意图。
图5是本发明提供的底基观测平台的第一实施例的抛弃支架顶部环架结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种底基观测平台、海底相对测地装置及系统，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。
请参阅图1，本发明提供的一种海底相对测地装置，如图1所示，它由直径10公里的区域范围内的3个基本结构功能相同、各自独立运行的底基观测平台a组网构成；所述的底基观测平台之间通过声学信号b相互通讯，测量平台之间的相对距离。所述的每个底基观测平台都设有释放控制系统和数据采集与控制系统；所述的释放控制系统由2套相互独立的深海声学释放器并联组成；所述的数据采集与控制系统包括声学测距仪、压力传感器、数据采集与自容模块、深海电池、时钟控制模块；所述的每个平台的声学测距仪负责发出声学信号并接收来自其他平台的声学信号由此实现平台之间的相对距离测量；所述的压力传感器用以长期监测平台所在位置的垂向位移变化；所述的数据采集与自容模块与声学测距仪、压力传感器电连接，负责将声学测距仪和压力传感器测得数据收集并存储。
其中，所述的每个底基观测平台，如图2所示，大体由回收系统1和抛弃支架2构成；如图3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。
进一步的，如图4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；如图5所示，所述的抛弃支架2顶部的环架201包括相垂直的垂直环面2011和水平环面2012，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2011内、水平环面2012上，水平环面2012上固定设有若干压缩弹簧2013。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。
进一步的，本发明的海底相对测地装置中，组成所述的每个底基观测平台的释放控制系统的2套声学释放器可以相同，也可以不同；例如可以是两套相同的机械式深海声学释放器并联组成，也可以是一套机械式声学释放器和一套熔断式深海声学释放器并联组成；目的都是为了提高平台释放回收的成功率。本发明方案中优选由2套相同的机械式深海声学释放器并联组成底基观测平台的释放控制系统。
本发明进一步优选的方案中，所述的机械式深海声学释放器由换能器、电池仓和释放控制器三个部分分别经水密处理后通过水密电缆连接构成，也可称为“三分体声学释放器”。所述的每个底基观测平台的声学测距仪也采用分体式，由测距仪换能器探头和测距仪控制电路分别经水密处理后通过水密电缆串联构成。
在直径小于10公里区域范围内投放3个底基观测平台组建的观测网可以定义为一个“节点”(即本发明所述的海底相对测地装置)，以此为基础，多节点进一步组网后，可对更大尺度的(节点间组网有效观测区域理论上无限制)海底水平和垂直形变进行观测。即构成一种海底相对测地系统，其包括：若干海底相对测地装置；海底相对测地装置之间通过声学信号相互通讯。本发明的海底相对测地系统可以广泛的布设在海底火山、转换断层、扩张脊等各种海底构造单元附近，甚至还可以布设在扩张岩浆房或热点附近，以观察岩浆房的变化和热点与大洋扩张脊的相互作用。总之，本发明的海底相对测地系统能够近距离、实时、高精度地获取海底各种地质和沉积事件的运动过程信息，帮助人类建立对海洋岩石圈变形、演化和沉积等现象的全面认识。
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。
综上所述，本发明提供的底基观测平台、海底相对测地装置及系统其中，所述底基观测平台由回收系统和抛弃支架构成。所述海底相对测地装置及系统可以广泛的布设在海底火山、转换断层、扩张脊等各种海底构造单元附近，甚至还可以布设在扩张岩浆房或热点附近，以观察岩浆房的变化和热点与大洋扩张脊的相互作用。总之，本发明的海底相对测地系统能够近距离、实时、高精度地获取海底各种地质和沉积事件的运动过程信息，帮助人类建立对海洋岩石圈变形、演化和沉积等现象的全面认识。
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。

Claims (10)

1.一种底基观测平台，其特征在于，所述底基观测平台由回收系统和抛弃支架构成；
其中，所述回收系统进一步包括：
集成安装架、其包括顶部的锥形架、上部的水平环架、中部的若干平行的竖直杆、下部的水平环架、水平格架以及底部的兜架；
五浮球、其包括：第一浮球、第二浮球、第三浮球、第四浮球和第五浮球，第一浮球底部固定安装在所述集成安装架下部的水平格架上，其余四个浮球通过保护壳固定于所述的集成安装支架的竖直杆相同水平位置处；
二声学释放器、每一声学释放器均固定安装在集成安装架上；
一压力传感器、其固定安装在集成安装架的竖直杆上；
所述回收系统和抛弃支架相互连接。
2.根据权利要求1所述的底基观测平台，其特征在于，所述抛弃支架包括：顶部的环架和环架下方的三脚着陆架；所述的抛弃支架的三脚着陆架内部设有三脚支撑的连接组件，三脚支撑的连接组件上设有连接环；所述的三脚着陆架每个脚分别设有相同规格的配重块和导流筒。
3.根据权利要求2所述的底基观测平台，其特征在于，所述抛弃支架顶部的环架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套接于抛弃支架顶部的环架中，即置于所述垂直环面1内、水平环面上，水平环面上固定设有若干压缩弹簧。
4.根据权利要求1所述的底基观测平台，其特征在于，所述声学释放器为机械式深海声学释放器或者熔断式深海声学释放器。
5.根据权利要求4所述的底基观测平台，其特征在于，所述每一声学释放器由换能器、电池仓和释放控制器三个部分分别经水密处理后通过水密电缆连接构成，所述的换能器固定安装在集成安装架上部的水平环架上，所述的电池仓固定安装在集成安装架的竖直杆上，所述的释放控制器固定安装在集成安装架底部的兜架上。
6.根据权利要求1所述的底基观测平台，其特征在于，底基观测平台高度不小于3米；且所述底基观测平台还安装有灯光信标、无线电信标和/或标示旗；所述的灯光信标和无线电信标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。
7.一种海底相对测地装置，其特征在于，包括：至少三个权利要求1所述的底基观测平台组网；所述的底基观测平台之间通过声学信号相互通讯，测量底基观测平台之间的相对距离，且相邻底基观测平台间距小于10公里。
8.根据权利要求7所述的海底相对测地装置，其特征在于，所述的每个底基观测平台都设有释放控制系统和数据采集与控制系统；所述的数据采集与控制系统包括声学测距仪、压力传感器、数据采集与自容模块、深海电池、时钟控制模块；所述的每个底基观测平台的声学测距仪负责发出声学信号并接收来自其他底基观测平台的声学信号由此实现底基观测平台之间的相对距离测量；所述的压力传感器用以长期监测平台所在位置的垂向位移变化；所述的数据采集与自容模块与声学测距仪、压力传感器电连接，负责将声学测距仪和压力传感器测得数据收集并存储。
9.根据权利要求7所述的海底相对测地装置，其特征在于，所述海底相对测地装置用于布放在海底俯冲带，选择构造活跃、地震活动较多的主干断层两侧多节点组网投放，观测断层的水平和垂直位移变化情况，结合陆地GPS台站分析俯冲带主干发震断层的应变情况，计算应变速率和耦合系数，并根据其他俯冲带的研究结果，分析主干断裂状态，从而分析判断近期内该主干断层发震的可能性。
10.一种海底相对测地系统，其特征在于，包括：若干海底相对测地装置；海底相对测地装置之间通过声学信号相互通讯。
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CN106841203A (zh) * 2017-03-26 2017-06-13 中国海洋大学 一种海底正交观测设备
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