DONET——海底高密度地震和海啸监测网系统

李莉 译 李万伦 审

DONET 是日本研制的实时海底监测网络,由“超级海豚”水下机器人负责完成海底电缆联接,在海底以15~20 千米的间距部署22 套现代化的海底测量仪器阵列。DONET 2 系统,于2015 年开始运行,包括7 个监测台站和450 千米长的主干缆线,在纪伊半岛近海的29 个测点安装了观测设备,以监测更大的范围。2011 年日本Tohoku 地震的经验表明,该系统可比陆上监测点提前15 分钟,对于减灾意义重大。

1 系统概念

1.1 系统概况描述

DONET(Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis)是采用海底电缆进行连接的实时海底观测网,用于地震和海啸精确监测。为了认识和预测地震及海底的相关活动,DONET在海底以15~20千米的间距部署20套现代化的海底测量仪器,并通过海底电缆连接。DONET由3个系统可靠性的重要部分构成,包括可靠性高的主干缆线系统、可更换的监测台站和可扩展的测量仪器(图1)。
图1
图1 DONET 系统概念图

1.2 主干缆线系统

主干缆线系统为海底设备提供供电线路和通讯通道。恒定电流的直流供电技术为应对电力线路事故障提供了保障。DONET主干缆线系统可在运行中负载3千瓦(电压3千伏,电流1安)的功率。

1.3 监测台站

监测台站有一台起集线器作用的设备,把主干缆线系统与海底仪器连接起来。监测台站的电力分配控制、数据传送控制和精确计时控制功能是DONET研发的最关键部分。

2 DONET的运行

DONET是一套由海底缆线连接而成的实时海底观测设施,其设计目标是在海底对地震和海啸进行长期的精确监控。DONET的主要目的是对日本Tonankai地震的震源区进行监测。DONET由长度约300千米的主干缆线系统、5个监测台站和20个观测点组成。

3 DONET二期(DONET 2)

DONET 2于2010年开始建设,以监测更大的范围;监测区扩展到DONET的西面。与DONET相比其规模更大,按照计划在纪伊半岛近海的29个观测点安装了观测设备。DONET 2包含450千米长的主干缆线系统,其中有2个地面观测站、7个监测台站和29个观测点(位置有待确定)。海底建设于2013年开始,2015年开始运行。
图2
图2 DONET 和DONET 2 站点位置图

4 系统详情

4.1 测量仪器

DONET的监测目标是微型至大型的地震、板块边界海底变形的缓慢滑动和DONET监测网覆盖区域内发生的海啸(图3)。利用多条从观测点扩展出的光纤电缆,DONET的设计允许在与主干海底电缆连接的5个监测台站上最多连接40个观测点。
图3
图3 地面地震监测站(蓝色圆点)和DONET 观测点(蓝色三角形)的预测模拟结果

DONET的观测目标需要精确的地震仪和压力计,如从小型到大型地震、板块边界上的斜坡滑动事件和海啸等。计划在每个测点上安装2种地震仪和3种压力计。

4.2 相关技术——缆线敷设水下机器人(ROV)

缆线敷设水下机器人(ROV)是日本研制的“超级海豚”水下机器人的改制型,用来装载带有10公里延伸缆线的缆线卷筒,能在海底任意两点间铺设延伸缆线。缆线敷设水下机器人还能利用缆线往返移动装置开展已敷设缆线的收回作业。

4.3 调查信息

缆线敷设水下机器人(ROV)是日本研制的“超级海豚”水下机器人的改制型,用来装载带有10公里延伸缆线的缆线卷筒,能在海底任意两点间铺设延伸缆线。缆线敷设水下机器人还能利用缆线往返移动装置开展已敷设缆线的收回作业。

5 数据分析

5.1 实时地震分析——洋底测网系统的实时分析

目前,要在发生过Tonankai 8级逆冲地震的地震带内部署具有实时记录系统的线缆网络测点(属于DONET网)。测网系统的配置以及波形数据分析可以发出早期灾害预警(图4)。
图4
图4 利用网络数据(区域分析)对震源各要素的实时实时评估图

5.2 实时海啸分析

在Tonankai海地震震源区,除地震传感器外,DONET还包含数十个海啸传感器(高精度压力传感器),它们有可能在海啸到达沿岸区之前把海啸检测出来。其目标之一是通过提供海啸警报为减轻海啸灾害做贡献。

5.3 地震学研究

借助在海底观测到的新数据,可更准确地估计地震的震源位置。一种情况是同时使用DONET和JMA数据,另一种情况是只使用JMA数据。使用DONET+JMA数据与仅使用JMA数据相比,获得良好效果的范围更广。

5.4 地震数据的同化

DONET项目,不仅能充分利用海洋观测网络系统开展实时监测,还能预测大型逆冲区地震的发生。当把缩小了取值范围的物理参数代入数值模型时,数值模拟结果可以为更清楚地观测物理现象提供更便捷的方法。而更清晰的观测数据分析,能给出更窄值域的物理参数值。

资料来源:http://www.jamstec.go.jp/donet/e/index.html.

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