近日，中国地质调查局广州海洋地质调查局“海洋地质十二号”船在西太平洋海域圆满完成首次海底地震采集作业任务，海底地震仪（OBS）最大投放水深5826米，创下中国地质调查局海底地震作业全新水深纪录。海底地震仪是什么？它如何工作？除了监测地震，它还有什么作用？
为啥要在海底放地震仪？
海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer，简称OBS），人们通过其接收人工或天然地震波来研究海水之下地球深处的奥秘。地球上板块与板块之间相互挤压碰撞，造成板块边沿及板块内部产生错动和破裂，是引起地震的主要原因。地壳中的地震会传出像鼓锤打击锣鼓发出的音波，称为地震波。地震波像音波一样有回声、也会弯曲，在地底下碰到不同岩石层，会发出不同的音频。无论何种地震仪，其工作原理基本都一致，就是在仪器中放置可以监测记录不同种类地震波的装置，后续供科学家进行研究。
地震波示意图。来源：中国地质调查局科普办公室微信号
绝大多数地震都发生在大洋和海底，而陆地距海洋发震点距离大，在陆地上放置的地震仪受到的干扰也相对较大。尽管陆上地震仪观测站几乎遍布全世界，但是科学家根据陆上地震仪去研究海底地震活动是相当困难的。海底地震仪，可沉放在容易发生地震海域的海底，在相对安静的环境近距离地观测地震活动，科学家们研究海洋也有了有利工具。
海底地震仪厉害在哪
海底地震仪在观测功能上与陆地地震仪基本相同，但海洋与陆地环境相异甚大，这对它的设计提出了更高要求。要在海底安稳工作，海底地震仪必须有“武林高手”般的技能。
首先它要有一个“金刚不坏”之身。海水的深度从几米到上万米不等，物体越往海洋深处，受到水的压力就越大，海底地震仪必须密封防水、耐高压，才能保障内部的电子元件能够长时间可靠地工作。
有了密封防水、耐高压的技术后，几十公斤的沉耦架会带着整个仪器自由落体，从海平面沉到海底，但要保证沉底后正常工作，它也要练就“不倒翁”的技能：在地上，科学家们可手动调整地震仪的姿态，但仪器一旦落到海底，所处的地形无法选择，地震仪的站立姿态各式各样，需要地震仪在内部自动调整。在地震仪内部，有两个负责调平的器件，它们使得地震仪着底后，身体可以歪斜而内部地震传感器实现平衡。
投放前的OBS。来源：中国科学院地质地球所
其次，要在辽阔的海洋底下捕捉到更大范围的、更深层次的、微弱的地震信号，“顺风耳”也是要配备的。仪器必须有高灵敏度、强抗干扰的功能，沉耦架除了增加配重，还可帮助仪器牢牢地紧贴海底，更好地接收信号；高灵敏度检波器也可让其在海底高保真地探测到数百公里外的海水和地壳的“风吹草动”。其依靠设计合理的整体结构，使海底与舱球、舱球与传感器互相耦合，以保证万米深渊下与地球同频共振，拾取到的信息准确无误。
要圆满完成信息搜集和处理的任务，“最强大脑”和心脏也必不可少。地震仪内置强续航电池供能，能保证仪器长期在海底工作；记录器中安置中央控制系统，保证了仪器长期有序和无故障地工作。中国科学院地质与地球物理所相关研究员曾介绍，在全球范围内，中国的海底地震仪功耗是最低的。
OBS内部结构图。来源：《中国东部海域海底地震探测》
2014年冬季，我国在黄岩岛海域回收相同条件下布设的中、法地震仪。在回收时节偶遇台风来袭，船上成员只抢收到部分法国地震仪。等到来年三月，科考船再次来到黄岩岛重收剩余的仪器时，国产仪器悉数收回，法国仪器却因电量耗尽而全军覆没。
在完成工作后，只有无损回到海平面被成功收回，海底地震仪才能发挥作用。仪器醒目的橙黄色、外部接收回收上浮信号的传感器，还有地震仪中浮到海平面后向回收船发射位置信号的雷达天线或卫星实时定位装置，都有利于科学家成功将它们捞回“收编”。
此次最大投放水深达到5826米的海底地震仪。来源：自然资源部官方微博
除探测地震还能干啥？
作为“武林高手”，海底地震仪的用途当然不止一个。海底地震仪除了探测地震外，还可用于研究海底地质构造、探测海底之下的石油、天然气和可燃冰等矿产资源等功用。
科学家将几十台海底地震仪按一定的间距布放在海底，通过在人工震源激发船发出人工地震波，地震波到达海底地层后反射到海底或在地层间滑行一段距离后折射到海底被地震仪接收，科学家对记录的地震波信号进行处理和成像，可分析海底地质构造特征，这个过程相当于给海洋地壳作“B超”。因此，海底地震仪是研究地球内部的一种最有力的和最精确的观测手段。
它也曾为中日两国海洋划界提供准确证据。中日海洋划界争议中，冲绳海槽两侧的归属是一个焦点。日本提出以中国东海中线为界，我国认为应以冲绳海槽的中线划界。中国科学院地质与地球物理研究所通过地震仪的监测，给解释不清的坡角结构提供了清晰的数据，证明地壳在冲绳海槽处已经有洋壳产生，海槽并不是大陆架的自然延伸，使中日划界的规则发生更改，确定了中国的划界原则。
2017年3月，中国科学院深渊科考队通过“探索一号”科考船在马里亚纳海沟挑战者深渊完成了两条万米级人工地震剖面测线，海底地震仪工作水深刷新为10027米，成功获取了世界上首条万米级海底地震勘探数据。我国海底地震观测技术正式走向“万米时代”。来源：央视新闻
石油、天然气和可燃冰等海洋资源的勘探也是地震仪的用武之地。全球的海底资源调查权对全世界开放，想要获得深水洋中脊开采权，就得先行调查。中国科学院地质与地球物理所研究员在接受媒体采访时表示，通过海底地震仪探测，我国获得了印度洋大洋中脊相应区域下的地质结构，也让我国成为世界上第一个向海底矿产资源委员会提出申请并授勘探权的国家。
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在“九五”之前，我国海底探测技术几乎空白。中国科学院地质地球所的科研人员从“九五”开始，在科技部863计划、财政部和中国科学院重大仪器研发计划的持续支持下，坚持自主创新，发展国产技术，历经20多年的努力，终于攻克了全海深海底地震仪的技术难关，使我国成为继日本之后第二个具有自主研发万米级海底地震仪能力的国家。
2016年，在中国科学院“探索号”马里亚纳海沟深渊科考航次中，9台国产仪器100%回收，最大工作水深7731米。2017年3月，再探马里亚纳海沟，工作水深刷新为10027米，成功获取了世界上首条万米级海底地震勘探数据。
出品：南方都市报、N视频
整合：许乐
美编：原毅
资料来源：中科院之声、中国科学院地质地球所、中国地质调查局科普办公室微信号、科技日报、《地球物理学进展》《中国东部海域海底地震探测》等