创新研究：自调平钻孔测斜仪在海底地震和火山监测中的应用

通过在海底布设地震监测设备，对海沟、海底火山等巨型结构中可能累积的能量进行监测和分析，可以更加准确地记录地震的震级、震源深度、震源位置等数据，这些数据对于科学家们研究地震的发生机理和规律、了解地震的潜在强度和频率非常重要。大部分常见的地质灾害都与物质表面发生倾斜、位移、破碎等变化有关。因此，海底测斜仪的使用对于海底结构运动、火山喷发行为的研究具有一定价值。

科学家们基于钻孔倾斜仪，在海沟（日本海沟）及海底火山（Axial Seamount）的监测上取得了成果。

华盛顿卡内基研究所(Carnegie Institution of Washington)的科学家们在日本东海岸的日本海沟地区建立的长期海底观测站，采用大地测量钻孔测斜仪监测地壳变形。通过长期监测地震和抗震变形将使科学教能够了解日本海沟的应变是如何以及何时释放。

观测站位于日本东海岸约150公里处的日本海沟地区，在这个地点，太平洋板块与欧亚板块碰撞并在欧亚板块下方滑动，这一过程被称为俯冲(Subduction)，而俯冲带是地球上发生*大和*具破坏性地震的地方。科学家们正试图在世界上*活跃的地震带之一建立长期的海底观测站，用以记录地震和地球运动对于研究构造碰撞的动力学过程。

作为深海钻探项目的一部分，设备在JOIDES Resolution研究船上进行了安装。每个观测站都包含一个Jewell 510型大地测量钻孔倾斜仪、SacksEverston钻孔应变仪、两个地震仪和一个温度传感器。当板块碰撞时，这些传感器可以锁定并积累以地震(地震变形)形式迅速释放的后期应力。板块缓慢碰撞的地方也可能发生爬行运动(抗震变形)。

Jewell 510型大地测量钻孔测斜仪

长时间监测地震和抗震变形将使科学家能够了解日本海沟的应变是如何以及何时释放的。这些数据将用于帮助建立一些预测措施，以防止生命损失和城市破坏。

全世界70%的火山活动都发生在海底，了解海底火山的活动规律和特点可以帮助我们预测火山喷发和海啸等自然灾害，保护人类和海洋生态环境。为了摸清这些海底火山的脉搏，知道它们的脾性，科学家们就要建立海底火山的实时监测系统。位于太平洋东北部的Axial Seamount海底火山具有完备的监测系统。

华盛顿大学（University of Washington）的研究人员使用来自Axial Seamount的4个有线压力传感器和5个倾角传感器的数据，包括自校准倾角加速度计（SCTA），来研究其自2015年喷发以来的喷发行为。

地面倾角测量是监测活火山的关键大地测量工具，因为它们提供了多维数据，可以解决复杂的变形信号。研究团队开发了一种用于海洋环境的自校准倾角加速度计（SCTA），分别部署在斯克里普斯海洋研究所Cecil和Ida Green Pion Flat天文台的陆地上和Juan de Fuca山脊轴向海山的海床上。

SCTA利用Quartz Sensor Solutions三轴加速度计冠状万向节系统定期将水平通道旋转到垂直方向，以根据局部重力矢量进行校准。这种校准将传感器漂移降低到10μg/年以上。SCTA倾斜仪具有同时测量地面加速度和记录地震信号的额外优势。

将Axial Seamount顶峰破火山口的SCTA中心与OOI电缆上的Jewell Instruments LILY测斜仪进行了比较。

Axial Seamount火山的收缩事件

研究团队已经发现了几个持续数十天的显著厘米级收缩事件。仪器位置的倾斜和相对海拔在其转折点上是不对称的，这表明其机制比简单的惯性反转更复杂。科学家正在对变形信号进行正向建模，以确定大地测量信号是否与这些时期之间破火山口向外倾斜的环形断层上的差异滑动率一致，该差异滑动率标准化为膨胀/收缩。计划调查的另一个看似合理的机制是岩浆从南部破火山口下方侧向输送到北部破火山口或位于东部5公里处的次级储层。

这些收缩事件对于理解Axial Seamount海底火山的岩浆供应、储存和运输机制，以及准确预测未来喷发具有潜在的重要意义，这些喷发已被证明是可预测的。

非对称信号不能用东部向外倾斜的环形断层上的差异运动来解释，可能与岩浆向东部次级岩浆室的运动一致。需要进一步建模来证实这一点。

以上研究来自：

OS51B-1490: Observing and Interpreting Seafloor Tilt at Axial Seamount

Erik K Fredrickson¹, William S D Wilcock¹, Christian Baillard¹, Michael Harrington¹, Geoff Cram¹, James Tilley¹, William W Chadwick, and Scott L Nooner³

(1) University of Washington, Seattle, WA; (2) Oregon State University, Eugene, OR; (3) University of North Carolina, Wilmington, NC

2006年推出的LILY 500系列自调平钻孔测斜仪，目前已用于各种构造、火山和海底研究。

数字式LILY测斜仪采用高精度电解液式倾角传感器，提供一系列固件控制的数据采集以及数据存储功能，特别适用于地球物理应用。通过使用高精度的电解液式倾角传感器，LILY 500系列可提供5 nradians（纳弧度）的分辨率；动态范围为±330 radians（微弧度）。

该装置还具有±10度的调平范围，便于在井下安装。输出为RS-232或RS-422（RS-485 全双工），包括时间戳和指南针方位。可以使用填充/停止或循环存储模式将数据保存到外部文件或LILY的板载闪存（*多75000个样本）中。装置可完全潜水至 3000 psi（磅/平方英寸）。在大于5000 psi（磅/平方英寸）的应用场合也可以为用户提供钛合金外壳封装的版本。LILY是30多年倾斜传感器经验和知识的结晶，代表了精密传感器工程的巅峰。