一種底基觀測平臺、海底相對測地裝置及系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了底基觀測平臺、海底相對測地裝置及系統其中，所述底基觀測平臺由回收系統和拋棄支架構成。所述海底相對測地裝置及系統可以廣泛的布設在海底火山、轉換斷層、擴張脊等各種海底構造單元附近，甚至還可以布設在擴張巖漿房或熱點附近，以觀察巖漿房的變化和熱點與大洋擴張脊的相互作用。總之，本發明的海底相對測地系統能夠近距離、實時、高精度地獲取海底各種地質和沉積事件的運動過程信息，幫助人類建立對海洋巖石圈變形、演化和沉積等現象的全面認識。
【專利說明】
一種底基觀測平臺、海底相對測地裝置及系統
技術領域
[0001]本發明涉及海洋地質科學觀測技術領域，特別涉及一種底基觀測平臺、海底相對測地裝置及系統。
【背景技術】
[0002]近年來，地震和海嘯頻發，奪走了大量的生命和財產，造成巨大損失。對大地震發生規律和影響因素的認識誤差，主要源于發震周期長于人類觀測的歷史，通常Mw9.0級以上地震的發震周期是幾個世紀，且震級越大，發震的周期就越長，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震頻率以及影響因素的認識積累都還相當不足。
[0003]根據地震觀測和俯沖板片分析，沿俯沖帶地震主要發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)而發生彈性彎曲，當應力積累到一定程度，就會發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，在大震發生之前，俯沖帶上盤基本上所有區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十分必要。
[0004]目前地震潛勢評估及地震預測研究主要基于全球衛星定位系統(GlobalPosit1ns System,以下簡稱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連續觀測網一GEN0ET，主要目的為全面監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測網絡。過去二十年來GPS觀測網絡的快速發展，極大地促進了人類對于塑造大陸形態的眾多因素的認識: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。但由于技術限制，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生在各大洋板塊邊緣的深水下，而這些區域是目前的陸地GPS系統所無法直接觀測到的。而且洋殼的變形規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。日本福島地震結果表明，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震機制分析的準確參數，進而導致對發震機制和影響因素認識的不足。
[0005]解決這一問題，必須在海底布設測地系統，也就是在發震的俯沖板片、陸緣斜坡的鎖定帶和過渡帶上布設測地儀器，近距離、實時監控海底地質體變形，監測海底地殼運動情況。既可用于地震潛勢評估及地震預測研究，也可用于海嘯活動、火山噴發、海底滑坡、沉積過程、天然氣及油氣活動等一系列與海底變形有關的過程研究，對人類認識這些周期性或突發性變形事件的物理機制以及幫助建立對大洋巖石圈變形過程的認識具有重要的意義。
[0006]有鑒于此，現有技術還有待改進和提高。
【發明內容】
[0007]鑒于上述現有技術的不足之處，本發明的目的在于提供一種底基觀測平臺、海底相對測地裝置及系統，以解決現有技術中“單側”的陸地GPS觀測無法準確測量海底地殼變形的問題。
[0008]為了達到上述目的，本發明采取了以下技術方案:
[0009]—種底基觀測平臺，其中，所述底基觀測平臺由回收系統和拋棄支架構成；
[0010]其中，所述回收系統進一步包括:
[0011]集成安裝架、其包括頂部的錐形架、上部的水平環架、中部的若干平行的豎直桿、下部的水平環架、水平格架以及底部的兜架；
[0012]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裝在所述集成安裝架下部的水平格架上，其余四個浮球通過保護殼固定于所述的集成安裝支架的豎直桿相同水平位置處；
[0013]二聲學釋放器、每一聲學釋放器均固定安裝在集成安裝架上；
[0014]一壓力傳感器、其固定安裝在集成安裝架的豎直桿上；
[0015]所述回收系統和拋棄支架相互連接。
[0016]所述的底基觀測平臺，其中，所述拋棄支架包括:頂部的環架和環架下方的三腳著陸架;所述的拋棄支架的三腳著陸架內部設有三腳支撐的連接組件，三腳支撐的連接組件上設有連接環;所述的三腳著陸架每個腳分別設有相同規格的配重塊和導流筒。
[0017]所述的底基觀測平臺，其中，所述拋棄支架頂部的環架包括相垂直的垂直環面和水平環面，即其縱剖面呈L形，所述的集成安裝架下部的水平環架套接于拋棄支架頂部的環架中，即置于所述垂直環面I內、水平環面上，水平環面上固定設有若干壓縮彈簧。
[0018]所述的底基觀測平臺，其中，所述聲學釋放器為機械式深海聲學釋放器或者熔斷式深海聲學釋放器。
[0019]所述的底基觀測平臺，其中，所述每一聲學釋放器由換能器、電池倉和釋放控制器三個部分分別經水密處理后通過水密電纜連接構成，所述的換能器固定安裝在集成安裝架上部的水平環架上，所述的電池倉固定安裝在集成安裝架的豎直桿上，所述的釋放控制器固定安裝在集成安裝架底部的兜架上。
[0020]所述的底基觀測平臺，其中，底基觀測平臺高度不小于3米;且所述底基觀測平臺還安裝有燈光信標、無線電信標和/或標示旗;所述的燈光信標和無線電信標設有機械式壓力開關，控制其在水中處于關閉狀態、出水后開啟。
[0021]一種海底相對測地裝置，其中，包括:至少三個權利要求1所述的底基觀測平臺組網；所述的底基觀測平臺之間通過聲學信號相互通訊，測量底基觀測平臺之間的相對距離，且相鄰底基觀測平臺間距小于10公里。
[0022]所述的海底相對測地裝置，其中，所述的每個底基觀測平臺都設有釋放控制系統和數據采集與控制系統;所述的數據采集與控制系統包括聲學測距儀、壓力傳感器、數據采集與自容模塊、深海電池、時鐘控制模塊;所述的每個底基觀測平臺的聲學測距儀負責發出聲學信號并接收來自其他底基觀測平臺的聲學信號由此實現底基觀測平臺之間的相對距離測量;所述的壓力傳感器用以長期監測平臺所在位置的垂向位移變化;所述的數據采集與自容模塊與聲學測距儀、壓力傳感器電連接，負責將聲學測距儀和壓力傳感器測得數據收集并存儲。
[0023]所述的海底相對測地裝置，其中，所述海底相對測地裝置用于布放在海底俯沖帶，選擇構造活躍、地震活動較多的主干斷層兩側多節點組網投放，觀測斷層的水平和垂直位移變化情況，結合陸地GPS臺站分析俯沖帶主干發震斷層的應變情況，計算應變速率和耦合系數，并根據其他俯沖帶的研究結果，分析主干斷裂狀態，從而分析判斷近期內該主干斷層發震的可能性。
[0024]—種海底相對測地系統，其中，包括:若干海底相對測地裝置;海底相對測地裝置之間通過聲學信號相互通訊。
[0025]相較于現有技術，本發明提供的底基觀測平臺、海底相對測地裝置及系統可以廣泛的布設在海底火山、轉換斷層、擴張脊等各種海底構造單元附近，甚至還可以布設在擴張巖漿房或熱點附近，以觀察巖漿房的變化和熱點與大洋擴張脊的相互作用。總之，本發明的海底相對測地系統能夠近距離、實時、高精度地獲取海底各種地質和沉積事件的運動過程信息，幫助人類建立對海洋巖石圈變形、演化和沉積等現象的全面認識。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明提供的海底相對測地裝置進行相對測地的示意圖。
[0027]圖2是本發明提供的底基觀測平臺的第一實施例的整體結構示意圖。
[0028]圖3是本發明提供的底基觀測平臺的第一實施例的回收系統結構示意圖。
[0029]圖4是本發明提供的底基觀測平臺的第一實施例的拋棄支架結構示意圖。
[0030]圖5是本發明提供的底基觀測平臺的第一實施例的拋棄支架頂部環架結構示意圖。
【具體實施方式】
[0031]本發明提供一種底基觀測平臺、海底相對測地裝置及系統，為使本發明的目的、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明，并不用于限定本發明。
[0032]請參閱圖1，本發明提供的一種海底相對測地裝置，如圖1所示，它由直徑10公里的區域范圍內的3個基本結構功能相同、各自獨立運行的底基觀測平臺a組網構成;所述的底基觀測平臺之間通過聲學信號b相互通訊，測量平臺之間的相對距離。所述的每個底基觀測平臺都設有釋放控制系統和數據采集與控制系統;所述的釋放控制系統由2套相互獨立的深海聲學釋放器并聯組成;所述的數據采集與控制系統包括聲學測距儀、壓力傳感器、數據采集與自容模塊、深海電池、時鐘控制模塊;所述的每個平臺的聲學測距儀負責發出聲學信號并接收來自其他平臺的聲學信號由此實現平臺之間的相對距離測量;所述的壓力傳感器用以長期監測平臺所在位置的垂向位移變化;所述的數據采集與自容模塊與聲學測距儀、壓力傳感器電連接，負責將聲學測距儀和壓力傳感器測得數據收集并存儲。
[0033]其中，所述的每個底基觀測平臺，如圖2所示，大體由回收系統I和拋棄支架2構成；如圖3所示，所述的回收系統包括集成安裝架、5個浮球、2套三分體聲學釋放器、I個高精度壓力傳感器和I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、上部的水平環架102、中部的若干平行的豎直桿103、下部的水平環架104及水平格架
105、底部的兜架106;所述的5個浮球中，I個浮球作為儀器倉107裝載電池、電源驅動板、主控板與姿態傳感器，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4所示，所述的拋棄支架2包括頂部的環架201和環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206;所述的三腳著陸架202每個腳分別設有相同規格的配重塊203和導流筒204;如圖5所示，所述的拋棄支架2頂部的環架201包括相垂直的垂直環面2011和水平環面2012，即其縱剖面呈L形，所述的集成安裝架下部的水平環架104套接于拋棄支架頂部的環架201中，即置于所述垂直環面2011內、水平環面2012上，水平環面2012上固定設有若干壓縮彈簧2013。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、出水后開啟。
[0035]進一步的，本發明的海底相對測地裝置中，組成所述的每個底基觀測平臺的釋放控制系統的2套聲學釋放器可以相同，也可以不同；例如可以是兩套相同的機械式深海聲學釋放器并聯組成，也可以是一套機械式聲學釋放器和一套熔斷式深海聲學釋放器并聯組成；目的都是為了提高平臺釋放回收的成功率。本發明方案中優選由2套相同的機械式深海聲學釋放器并聯組成底基觀測平臺的釋放控制系統。
[0036]本發明進一步優選的方案中，所述的機械式深海聲學釋放器由換能器、電池倉和釋放控制器三個部分分別經水密處理后通過水密電纜連接構成，也可稱為“三分體聲學釋放器”。所述的每個底基觀測平臺的聲學測距儀也采用分體式，由測距儀換能器探頭和測距儀控制電路分別經水密處理后通過水密電纜串聯構成。
[0037]在直徑小于10公里區域范圍內投放3個底基觀測平臺組建的觀測網可以定義為一個“節點”(即本發明所述的海底相對測地裝置)，以此為基礎，多節點進一步組網后，可對更大尺度的(節點間組網有效觀測區域理論上無限制)海底水平和垂直形變進行觀測。即構成一種海底相對測地系統，其包括:若干海底相對測地裝置;海底相對測地裝置之間通過聲學信號相互通訊。本發明的海底相對測地系統可以廣泛的布設在海底火山、轉換斷層、擴張脊等各種海底構造單元附近，甚至還可以布設在擴張巖漿房或熱點附近，以觀察巖漿房的變化和熱點與大洋擴張脊的相互作用。總之，本發明的海底相對測地系統能夠近距離、實時、高精度地獲取海底各種地質和沉積事件的運動過程信息，幫助人類建立對海洋巖石圈變形、演化和沉積等現象的全面認識。
[0038]在具體實際操作過程中，可以將本發明的海底相對測地系統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，以多節點組網觀測斷層的水平和垂直位移變化情況，通過連續觀測、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，還是線性滑移解鎖狀態，從而分析判斷近期內該主干斷層發震的可能性。
[0039]綜上所述，本發明提供的底基觀測平臺、海底相對測地裝置及系統其中，所述底基觀測平臺由回收系統和拋棄支架構成。所述海底相對測地裝置及系統可以廣泛的布設在海底火山、轉換斷層、擴張脊等各種海底構造單元附近，甚至還可以布設在擴張巖漿房或熱點附近，以觀察巖漿房的變化和熱點與大洋擴張脊的相互作用。總之，本發明的海底相對測地系統能夠近距離、實時、高精度地獲取海底各種地質和沉積事件的運動過程信息，幫助人類建立對海洋巖石圈變形、演化和沉積等現象的全面認識。
[0040]可以理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據本發明的技術方案及其發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明所附的權利要求的保護范圍。
【主權項】
1.一種底基觀測平臺，其特征在于，所述底基觀測平臺由回收系統和拋棄支架構成； 其中，所述回收系統進一步包括: 集成安裝架、其包括頂部的錐形架、上部的水平環架、中部的若干平行的豎直桿、下部的水平環架、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裝在所述集成安裝架下部的水平格架上，其余四個浮球通過保護殼固定于所述的集成安裝支架的豎直桿相同水平位置處； 二聲學釋放器、每一聲學釋放器均固定安裝在集成安裝架上； 一壓力傳感器、其固定安裝在集成安裝架的豎直桿上； 所述回收系統和拋棄支架相互連接。2.根據權利要求1所述的底基觀測平臺，其特征在于，所述拋棄支架包括:頂部的環架和環架下方的三腳著陸架;所述的拋棄支架的三腳著陸架內部設有三腳支撐的連接組件，三腳支撐的連接組件上設有連接環;所述的三腳著陸架每個腳分別設有相同規格的配重塊和導流筒。3.根據權利要求2所述的底基觀測平臺，其特征在于，所述拋棄支架頂部的環架包括相垂直的垂直環面和水平環面，即其縱剖面呈L形，所述的集成安裝架下部的水平環架套接于拋棄支架頂部的環架中，即置于所述垂直環面I內、水平環面上，水平環面上固定設有若干壓縮彈簧。4.根據權利要求1所述的底基觀測平臺，其特征在于，所述聲學釋放器為機械式深海聲學釋放器或者熔斷式深海聲學釋放器。5.根據權利要求4所述的底基觀測平臺，其特征在于，所述每一聲學釋放器由換能器、電池倉和釋放控制器三個部分分別經水密處理后通過水密電纜連接構成，所述的換能器固定安裝在集成安裝架上部的水平環架上，所述的電池倉固定安裝在集成安裝架的豎直桿上，所述的釋放控制器固定安裝在集成安裝架底部的9?架上。6.根據權利要求1所述的底基觀測平臺，其特征在于，底基觀測平臺高度不小于3米;且所述底基觀測平臺還安裝有燈光信標、無線電信標和/或標示旗;所述的燈光信標和無線電信標設有機械式壓力開關，控制其在水中處于關閉狀態、出水后開啟。7.—種海底相對測地裝置，其特征在于，包括:至少三個權利要求1所述的底基觀測平臺組網；所述的底基觀測平臺之間通過聲學信號相互通訊，測量底基觀測平臺之間的相對距離，且相鄰底基觀測平臺間距小于10公里。8.根據權利要求7所述的海底相對測地裝置，其特征在于，所述的每個底基觀測平臺都設有釋放控制系統和數據采集與控制系統;所述的數據采集與控制系統包括聲學測距儀、壓力傳感器、數據采集與自容模塊、深海電池、時鐘控制模塊;所述的每個底基觀測平臺的聲學測距儀負責發出聲學信號并接收來自其他底基觀測平臺的聲學信號由此實現底基觀測平臺之間的相對距離測量;所述的壓力傳感器用以長期監測平臺所在位置的垂向位移變化;所述的數據采集與自容模塊與聲學測距儀、壓力傳感器電連接，負責將聲學測距儀和壓力傳感器測得數據收集并存儲。9.根據權利要求7所述的海底相對測地裝置，其特征在于，所述海底相對測地裝置用于布放在海底俯沖帶，選擇構造活躍、地震活動較多的主干斷層兩側多節點組網投放，觀測斷層的水平和垂直位移變化情況，結合陸地GPS臺站分析俯沖帶主干發震斷層的應變情況，計算應變速率和耦合系數，并根據其他俯沖帶的研究結果，分析主干斷裂狀態，從而分析判斷近期內該主干斷層發震的可能性。10.一種海底相對測地系統，其特征在于，包括:若干海底相對測地裝置;海底相對測地裝置之間通過聲學信號相互通訊。
【文檔編號】G01S15/88GK105911581SQ201610211297
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月5日
【發明人】孫珍, 林間, 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