Havsbottenseismometer

En havsbottenseismometer ( OBS ) är en seismometer som är utformad för att registrera jordens rörelse under hav och sjöar från konstgjorda källor och naturliga källor.

Sensorer på havsbotten används för att observera akustiska och seismiska händelser. Seismiska och akustiska signaler kan orsakas av olika källor, av jordbävningar och skakningar samt av artificiella källor. Beräkning och analys av data ger information om typen av källa och, i händelse av naturliga seismiska händelser, havsbottens och den djupare jordskorpans geofysik och geologi . Utplaceringen av OBS längs en profil kommer att ge information om den djupa strukturen av jordskorpan och den övre manteln i offshoreområden. OBS kan utrustas med maximalt en trekomponents geofon utöver en hydrofon , och därför behöver den en kapacitet på mer än 144 Mbyte, vilket skulle vara minimum för en adekvat MCS-profilering. I en typisk undersökning bör instrumenten vara i drift i flera dagar (utbyggnader kan överstiga 12 månader), vilket kräver en datalagringskapacitet på mer än 500 Mbyte. Andra experiment, som tomografiska undersökningar inom en 3D-undersökning eller seismologisk övervakning, kräver ännu större kapacitet.

Instrumentpaket

En havsbottenseismometer går över sidan av R/V Oceanus i början av 2001, utanför Barbados. Den kommer att spela in långa, lågfrekventa seismiska vågor i upp till ett år innan fartyget återvänder för att hämta instrumentet. (Foto av John Whitehead, Woods Hole Oceanographic Institution)

OBS består av en aluminiumsfär som innehåller sensorer, elektronik, tillräckligt med alkaliska batterier för att hålla 10 dagar på havsbotten och en akustisk utlösning . De två sfärhalvorna sätts ihop med en O-ring och en metallklämma för att hålla ihop halvorna. Ett lätt vakuum placeras på sfären för att bättre säkerställa en tätning. Sfären flyter av sig själv, så det behövs ett ankare för att sänka instrumentet till botten. I det här fallet är ankaret en platt metallplatta 40 tum (1,02 meter) i diameter. Instrumentet har utformats för att kunna utplaceras och återhämta sig från nästan alla fartyg. Allt som behövs (för utplacering och återhämtning) är tillräckligt med däcksutrymme för att hålla instrumenten och deras ankare och en bom som kan lyfta en OBS från däcket och svänga över den för att sänka den i vattnet. OBS:n skruvas fast i ankaret och släpps sedan (försiktigt) över sidan.

Arbetssätt

Seismometrar arbetar med tröghetsprincipen. Seismometerkroppen vilar säkert på havsbotten. Inuti hänger en tung massa på en fjäder mellan två magneter. När jorden rör sig gör det också seismometern och dess magneter, men massan stannar kort där den är. När massan svänger genom magnetfältet producerar den en elektrisk ström som instrumentet mäter. Seismometern i sig är en liten metallcylinder; resten av den OBS i storleken footlocker består av utrustning för att köra seismometern (en datalogger och batterier), vikt för att sänka den till havsbotten, en fjärrstyrd akustisk utlösning och flytning för att få instrumentet tillbaka till ytan.

Typer av OBS

Markrörelsen som orsakas av jordbävningar kan vara extremt liten (mindre än en millimeter) eller stor (flera meter) . Små rörelser har höga frekvenser, så att övervaka dem kräver att man mäter rörelser många gånger per sekund och producerar enorma mängder data. Stora rörelser är mycket sällsynta, så instrument behöver spela in data mer sällan för att spara minnesutrymme och batterikraft för längre driftsättningar. På grund av denna variation har ingenjörer designat två grundläggande typer av seismometrar:

Kortvariga OBS

De spelar in högfrekventa rörelser (upp till hundratals gånger per sekund). De kan registrera små, korta jordbävningar och är också användbara för att studera de yttre tiotals kilometerna av havsbotten. Tekniska detaljer för två modeller: WHOI D2 och Scripps L-CHEAPO.

OBS med långa perioder

De registrerar ett mycket bredare utbud av rörelser, med frekvenser på cirka 10 per sekund till en eller två gånger i minuten. De används för att registrera medelstora jordbävningar och seismisk aktivitet långt från instrumentet. Tekniska detaljer för två modeller: WHOI long-deployment OBS och Scripps long-deployment OBS.

Anpassade OBS

Anpassade OBS börjar utvecklas, eftersom behovet av utökad täckning inom området seismologi ökar och permanenta utbyggnader är nödvändiga. En anpassning för att förbättra datakvaliteten på seismometrarna är att borra seismometern i ett aluminiumhölje i ytan (~1 m) för att skapa stabilitet i havsbottens mjuka sediment. En annan anpassning som är möjlig är att lägga till en differentialtrycksmätare (DPG) och/eller strömmätare för att förstå hur trycket förändras runt seismometern. Det kan också vara praktiskt att lagra dataloggern och batteriet i en Benthos-sfär av glas för att kunna ansluta till fartyget genom användning av ett fjärrstyrt fordon (ROV), vilket är ett nödvändigt framsteg för att ha och bibehålla permanent OBS-distributioner.

Detta visar en P-våg (röd) som omvandlas till en S-våg (blå), där P-vågen har förmågan att resa genom havet och reflektera tillbaka ner från ytan till seismometern. Detta skapar vattenmultiplar som inte existerar när seismometern har fri luft ovanför sig.

Fördelar

Mycket stabila klockor gör avläsningarna från många avlägsna seismometrar jämförbara. (Utan tillförlitliga tidsstämplar skulle data från olika maskiner vara oanvändbara.) Utvecklingen av dessa klockor var ett avgörande framsteg för seismologer som studerade jordens inre. Efter att ha återställt en havsbottenseismometer kan forskare ladda ner instrumentets data genom att koppla in en datakabel. Denna funktion sparar uppgiften att försiktigt ta isär instrumentets skyddshölje när du är ombord på ett rullande skepp. Möjligheten att koppla en seismometer till en förtöjning eller observatorium gör instrumentets data omedelbart tillgängliga. Detta är en stor fördel för geologer som försöker svara på en stor jordbävning.

Nackdelar

Miljön för dessa utbyggnader komplicerar standardmetoder som används för att analysera data på grund av havet ovanpå seismometern, i motsats till fri luft ovanför en typisk landstation. Dessa seismometrar har också ett minskat signal-brusförhållande på grund av brus som skapas av havens rörelser på grund av vinddrivna tidvatten, särskilt vid perioder på 7 och 14 sekunder. Denna långvariga rörelse och ström som flyter runt seismometern kan skapa problem med långtidsljud på de horisontella komponenterna eftersom det mjuka (mättade) sedimentet som seismometern vilar på är mer mottagligt för att tillåta seismometern att luta och idealiskt kommer den horisontella komponenten att inte röra på dig och vara vinkelrät mot gravitationen för att få bästa resultat ur seismometern. Det mättade sedimentet minskar också signal-brusförhållandet avsevärt eftersom P- och S-vågornas hastighet minskar och de seismiska vågorna fastnar i sedimentlagret och skapar en ringning med stor amplitud på grund av energibevarandet .

Detta är en karta över land- och havsbottenstationerna som utplacerades i Cascadia-initiativet. (Foto från http://cascadia.uoregon.edu/CIET/cascade-initiative-background )

Anmärkningsvärda distributioner

En av de största OBS-utbyggnaderna någonsin var The Big Mantle Electromagnetic and Tomography (Big MELT) Experiment, som involverade nästan 100 OBS i East Pacific Rise med målet att förstå magmagenerering och utveckling av medelhavsryggen . Cascadia-initiativet är en offshore/onshore-utbyggnad för att observera deformationen av Juan de Fuca- och Gorda-plattorna , såväl som ämnen som sträcker sig från megathrust-jordbävningar till vulkanisk bågestruktur i Pacific Northwest . Hawaiian PLUME (Plume-Lithosphere Undersea Melt Experiment) var en onshore/offshore (övervägande offshore) utbyggnad för att bättre förstå vilken typ av mantelplym som finns under Hawaii och för att bättre förstå manteluppväxten i denna region och dess förhållande till litosfären. Asthenospheric and Lithospheric Broadband Architecture från California Offshore Region Experiment (ALBACORE) utplacering från 2010 till 2011 av 34 OBS för att bättre förstå den tektoniska interaktionen vid Stillahavs-Nordamerikas plattgräns och deformationsstilar av Stillahavsplattan och de närliggande mikroplattorna.

externa länkar