海底地磁日变观测站的设置

海底地磁日变观测站的设置

1海底日变站磁力仪安装应用海底磁体的日变观测站（以下简称磁体日变站）可以为远离大陆或海岛地区的海磁学提供合适的地磁日变变化修改数据。主要目标是有效提高该测区域的地磁调整平均水平。随着科技的发展,国内相关单位已开始直接在测区或测区附近海底布放地磁日变站,并取得了一定成功经验。在已有研究基础上,2012年4～7月为配合某区域海洋磁测工作,在南沙海域布放了两套海底日变站,选用的是加拿大海洋磁力公司生产的哨兵(Sentinel)磁力仪。此次投放的Sentinel磁力仪采用聚亚安脂材料制成的标准壳体,并非全海域型的钛合金壳体,只能布放在1000m以浅的海域使用。该使用条件的限制使得海底日变站与浅海环境专用潜标观测系统十分类似,同样具有体型小而稳性不足、易受海流影响发生移位或丢失,且存在受渔船拖网破坏的可能性。需对关键部件的适当改进和加固连接,提高整套观测系统的可靠性和安全性。2海底测量深剖面的处理出于安全布放及顺利回收的需要,前期准备工作有以下几点考虑因素:第一,海底日变站投放地点需要严格挑选,尽量投放到海底地形平坦、周围地磁场梯度较小及底流不大的海域。为此可在已有海图资料基础上使用多波束测深系统进行全覆盖水深测量,对预定投放地点周围海底地形地貌及底质情况有着较为清楚的认识。第二,考虑南沙海域高温高盐的特性,浅水环境对金属部件腐蚀性较强,且已有浮标及潜标布放经验表明:200～300m深度处最容易产生大量浮游生物附着,影响仪器的正常工作。第三,海水层对地磁日变有明显的衰减作用,在实际工作中应尽量避免使用深水海底日变数据去作地磁日变改正。400～500m深度布放的仪器与陆地国家I类地磁站相比,两站所测地磁日变曲线的形状、幅值、频率特征等非常相似,且时间延迟不明显。经过以上情况综合分析,最终选定水深分别为550m和450m的两个布放点。3海底日变站缆系的结构设置海底地磁日变站布放时,除了对布放客观条件进行充分考虑外,还应对观测系统自身连接方面进行合理改进和适当加强,进一步增加海底日变站观测周期内的安全性。我们不但选用了耐腐蚀、抗磨性强的两端带有绳环(环内嵌有不锈钢垫片)的迪尼玛(Dyneema)缆绳作为系留缆绳,而且关键部件的连接均采用由厂家原配的由无磁性高质量316不锈钢材料制成的U形扣。另外,对于自身加工和安装使用的部件也采取了相应的加固连接措施。整套海底日变站系统连接见图1。3.1浮球保护壳材质浮球是仪器上浮所需动力的直接来源。此次布放选用的是直径17″(Φ43.2cm)Benthos玻璃浮球及204HR型保护壳。在底流作用下,浮球与缆绳、夹板与钢链、缆绳与U形扣等连接部位均可能持续地发生无方向性摩擦。加强连接可以避免因部件磨损、断裂导致浮球漂走而无法正常回收水下系留的仪器设备。因为厂家提供的204HR保护壳壳体上只有4个直径0.5″(Φ1.27cm)孔位,用于固定螺栓将两片保护壳连接成整体,但是在每台磁力仪布放时,需要将四个浮球串连在一起,形成一个较大浮力的浮体,需要自行加工和安装连接部件。设计了两端带孔眼的不锈钢夹板,其基本原理是,在原固定孔位基础上,借助U形扣及不锈钢链将浮球一一串连起来。为了避免U形扣与夹板之间磨损或电气腐蚀,将U形扣螺杆套上保护胶管。此外,除了上述金属连接部件外,在保护壳壳体上靠近夹板穿孔的空白位置,各开一个直径2cm的孔,使用迪尼玛缆绳将浮球一一串连。为了降低缆绳与新开孔位之间摩擦程度,我们使用圆锉将孔位周边打磨圆滑,套上保护胶管后再将缆绳穿过打结,通过上述两套独立的连接系统,把4个浮球连接为一个牢固的整体,确保仪器回收时有足够的浮力。3.2浮球或超声释放器挂孔的u形扣安装Sentinel磁力仪顶盖和底盖各有一个孔径0.5″(Φ1.27cm)的挂孔,用于连接浮体及拖挂声学释放器、沉块,所不同的是顶盖的白色挂孔可拆卸,而另一个则是固定在底盖上。在水下布放时,两者通过U形扣及缆绳分别与浮球和声学释放器连接。出于对挂孔受力情况的考虑,本次投放时没有采用直接与浮球或声学释放器连接的方式,而是把磁力仪置放在100m缆绳的中间,距离浮球和声学释放器各50m,有效地避免了浮球和声学释放系统磁性对磁力仪探头的影响。两端的挂孔各自连接一个U形扣,然后迪尼玛缆绳在扣上打结,以阻止磁力仪在缆绳上滑动。为了避免长时间海水浸泡下U形扣被腐蚀、锈穿导致磁力仪松脱,在磁力仪与缆绳之间用尼龙绳加固绑紧。绳头部分除死结外再用塑料扎带加固绑紧。需要注意的是,在打结过程中U形扣基本与缆绳呈垂直状态。因为100m缆绳两端分别连接着浮球与声学释放器、沉块,当其上下受力绷紧时,U形扣自身不会因此呈伸直状态而将力传递到顶盖或底盖的挂孔上。3.3系留构件的确定声学释放器上连浮球与磁力仪,下接系留混凝土沉块,对其可靠性要求很高。本次布放采用两台Benthos声学释放器866-A并联装置,底部的系留构件连接一根从系留环中穿过的不锈钢链。回收仪器时,只要其中一台释放器能通过其顶部的声学换能器正常接收释放指令,释放器内的电机将转动并牵引系留构件打开,钢链从系留环中松脱。由于系留环与混凝土沉块相连,这意味着声学释放器和磁力仪将脱离沉块牵引并在浮球带动下上浮。出于安全角度考虑,两台释放器顶部各连接一根长2m、两端带绳环(内嵌不锈钢片)的迪尼玛缆绳,两者与连接浮球和磁力仪的100m迪尼玛缆绳之间使用厂家原配316不锈钢U形扣互相连接。为了避免U形扣在海水中腐蚀、锈穿,在三个绳环之间另外穿连一根起着双重保护作用的尼龙绳,绳头处除打多个死结外还用塑料扎带加固绑紧。3.4吊放装置的设计此次参照海洋潜标系统常用的“标锚法”布放方式,先把浮球、系留绳、磁力仪、声学释放器逐一施放,最后通过船载吊车把混凝土沉块吊起放入水中,当沉块自由下沉到一定水深时将牵动浮球及仪器一起下沉。为了顺利打开船载吊车的释放钩,以便及时松脱沉块,特意借鉴了国家海洋局第二海洋研究所的经验做法,按力学原理设计了以下吊放装置,见图2。按照受力的分解和传递,图中U型环受到三股牵引绳A、B、C的合力为沉块重量的7/8,而释放钩受到牵引绳A的拉力只占沉块重量的1/8,因此相对本次布放中400kg混凝土沉块,作业人员借助拉绳,只需50kg拉力即可打开释放钩,牵引绳A、B、C将先后从绳环1、2、3中松脱,沉块被投放入水。此外,本次工作中还使用该吊放装置布放了两套多参数实时观测浮标,每套浮标的混凝土沉块重量达2吨,最后均顺利完成了释放工作,带动设备顺利下沉。实践表明,该沉块吊放装置的设计科学合理,结构简单可靠,完全能够满足海底日变站布放工作需要。4金属连接件的磨损、磨损以及脆断此次海底日变站从布放入水到完成回收,前后时间长达78天。安全回收后检查发现,两套观测系统均无浮游生物附着现象,关键连接部件未受海水腐蚀,外观基本完好,对系统的加固连接工作收到预期效果,但也存在部分国产金属连接件发生锈蚀、磨损以及脆断现象。主要表现在:两套系统浮球的连接所使用的一些夹板、U形扣、松紧扣等产生较严重锈蚀;一些U形扣中间螺杆磨损明显甚至在回收后拆解时造成脆断。我们认为可以进行以下改进:一是尽量避免使用金属连接件。必要时选用高标号316不锈钢制成的部件,而且经过对比使用,在质量方面国外产品显然比国内产品更令人信服;二是改用合成材料夹具,取代原有的不锈钢夹板。国家海洋局第二海洋研究所专利技术生产的合成材料夹具,具有一定硬度和韧性,不易破损和碎裂。使用这种夹具可以摆脱原来借助夹板和U形扣才能完成的浮球与系留缆绳连接,而且能满足更长时间水下布放工作需要,有效避免金属构件之间电气腐蚀或磨损发生。5设备安全性分析由于复杂的海洋环境具有很大不确定性和不可预见性,对水下工作的自容式海