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第 32 屆海洋工程研討會論文集 國立臺灣海洋大學 2010 年 11 月 Proceeding of the 32nd
Ocean Engineering Conference in Taiwan National Taiwan Ocean
University, November 2010
新一代沈浮式海底地震儀之研發 林慶仁
1 陳柏棋
2 王兆璋
3 張旭光
4 張家溥
2 田蓉禮
5
郭本垣6
1 中央研究院地球科學研究所研究助技師 2 國家實驗研究院國家海洋科技研究中心研究助理
3 國立中山大學海下科技暨應用海洋物理研究所副教授 4 中央研究院地球科學研究所研究助理
5 國家實驗研究院國家海洋科技研究中心災防組組長 6 中央研究院地球科學研究所研究員
摘要 國內自 1991 年起陸續由國外引進多款不同性能的海底地震儀（OBS），但是幾年來的 OBS
使用經驗，讓我們覺得總有一些不夠完美的地方，例如延長短週期 OBS 的部署時間、延伸短週
期 OBS 感震器的響應頻寬、彈性增加儀器的某些功能以滿足研究需求…等，科學家幾乎是不可
能自行修改儀器來達到科學需求，如果想把改良的意見轉達給原廠請他們更改設計，那麼大多
只能等待下一代的產品問世再重新購買，對於目前所使用的儀器只能將就的用，使用上非常缺
乏彈性，因此，由國內自行研發製作儀器的確有其必要性。目前由中央研究院和國家實驗研究
院、國立中山大學合作研發的庭園鳥海底地震儀（Yardbird OBS）已經完成初步的實驗階段，
本文詳述 Yardbird OBS 的設計目標、元件規格，並把實際部署在海床下所收集到的資料進行分
析以探討研發成果及未來的發展方向。
關鍵詞：海底地震儀、園鳥海底地震儀
Development the new type of ocean bottom seismometer Ching-ren
Lin* Po-chi Chen Chau-chang Wang Hsu-kuang Chang Jia-pu Jang
Jung-li Tian Ban-Yuan Kuo * Assistant Research Scientist,
Institute of Earth Sciences, Academia Sinica
ABSTRACT Since 1991 there have been various types of ocean
bottom seismometers (OBS) deployed in the
waters around Taiwan with different scientific goals. A few
years of experiences taught us that many aspects of the instruments
can be improved without too much effort. These include extension of
deployment time, extension of the recording bandwidth of a short
period OBS, and more flexibly to accommodate scientific demands
without instrumental overhaul. Scientists will not burden
themselves by these tasks, and sending back the instrument to
original manufactory for modifications is usually impractical
budget-wise, in timeline, and for mission goals. It is thus
necessary to develop a sustainable OBS program in Taiwan. Academia
Sinica has been collaborating with Taiwan Ocean Research Institute
(TORI) and National Sun Yat-sen University (NSYSU) to build a new
short-period OBS, Yardbird, which has passed a series of tests and
is on service in the Okinawa trough. This paper describes the
design goal of Yardbird, component specification, analyzed field
data and discusses the future directions of instrument
development.
Keywords: Ocean bottom seismometer; Yardbird OBS
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一、前言 國內自 1991 年起陸續由國外引進多款不同性
能的海底地震儀（OBS），雖然 OBS 在設計之初，
功能要求似乎已經完備，但是幾年來的 OBS 使用經
驗，讓我們覺得總有一些不夠完美的地方，例如延
長短週期 OBS 的部署時間、延伸短週期 OBS 感震
器的響應頻寬由 4.5Hz 至 0.05Hz 以下以獲得表面波
資料、增加儀器回收機率、在 OBS 上加裝強地動感
震器以收集近震強地動資料、加入水下攝影機以瞭
解 OBS 的水下位態…等。如果這些地方能夠有改善
空間或有彈性的增加某些功能，在使用上應該會更
為方便。但是另一方面來說，在某些地方，工程師
和科學家之間總會有一些不同觀點，理論上工程師
所設計的儀器是要滿足科學家的需求，但是科學家
最初所提出的儀器構想卻不見得能被工程師們一一
實現，特別是由國外進口的儀器設備，大部分原廠
都不會提供完整的儀器設計圖，科學家想要自行修
改儀器幾乎是不可能的事情，如果想把改良的意見
轉達給原廠請他們更改設計，那麼只能等待下一代
的產品問世再重新購買，對於目前所使用的儀器設
備只能將就的用，使用上根本缺乏彈性，因此，由
國內自行研發製作儀器的確有其必要性。目前由中
央研究院和國家實驗研究院、國立中山大學合作研
發的庭園鳥海底地震儀（Yardbird OBS）已經完成初
步的實驗階段，本文將詳述 Yardbird OBS 的設計、
元件規格與研發成果。
二、Yardbird OBS 的設計要求 被動震源沉浮式OBS的主要瓶頸在於電源部
分，由於地震的發生是不可預期，因此，有足夠的
電力才能延長OBS部署的期限，收集到想要的地震
資料，而降低OBS本身電力的消耗或採用高效能電
池是目前解決此一瓶頸的有效方法。而為減少感震
器因為海床水流的擾動而帶來不必要的雜訊，最好
把感震器獨立於OBS本體之外至並且和OBS本體相
隔一段距離，並將感震器安置在具有平衡環
（Gimbals）的水密箱內，使之具有自動調整水平傾
角的功能，水密箱底座具有三個角錐以增加感震器
的抓地力，以增進偵測震波信號的品質，儀器的頻
寬至少要能捕獲區域地震的震波，以分析板塊構
造。綜合以上的理由，本儀器的設計目標總結如下:
1. 初期容許佈署深度約2000米，將來延伸至5000
米以上。
2. 速度式感震器感測頻寬20Sec～40Hz，安裝在具
有煞車裝置的Gimbals上，使感震器能自動調整
水平傾角在1度以內。
3. 24位元數位化器（A/D），有效解析度20位元以
上。
4. 信號採樣率（Sampling rate）至少100sps。
5. 能在水下連續記錄最少90天，記錄三軸向地震速
度歷時，並具有擴充記錄波道功能。
6. 儀器內部時鐘之時間誤差一年在3秒以內，可用
GPS時鐘加以校正並記錄時間誤差。
7. 能以聲波（acoustic）方式測定儀器在水下的正
確位置並做為儀器回收控制。
8. 耗電量0.5瓦以下，以降低儀器的部署電力成本。
9. 具有閃光燈、無線電浮標、鮮豔旗幟以及反光標
誌等裝置，以方便在海面回收儀器。
10. 整組OBS沉降及脫離錨碇之後浮至水面的速度
至少每秒0.7公尺以上，以減少OBS部署、回收的
時間及偏移距離。
11. 方便的人機操作介面，並具有資料格式轉換功
能，可把記錄資料轉換為ASCII及SEED格式以方
便後續資料處理。
為達到以上的設計要求，新設計的 OBS 必須具
備下列元件：
1. 具備平衡環的長週期（Wide-band）速度式感震
器。
2. 具備精準時鐘之 24 位元資料記錄器。
3. 作為水下定位及儀器回收控制之音波控制及釋
放機構。
4. 利於海面儀器回收搜尋之無線電浮標及閃光浮
標。 5. 適當的 OBS 機構設計。
圖 1 為新一代沉浮式 OBS(Yardbird OBS)之功
能方塊圖，為達到省電功能及降低製作成本，本研
究自行研發感震器、平衡環、資料記錄器、錨碇釋
放（Release）機構及儀器載台，研發設計詳述於以
下各節。
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圖 1 Yardbird OBS 功能方塊圖，右邊虛線部分
表示將來可在擴充之設備
三、Yardbird OBS 的元件規格 沉浮式OBS的回收方式是在海面上發送特定形
式的聲波指令，藉由馬達解鎖或電燒方式使OBS底部
的錨碇脫離，藉由浮球的浮力，把OBS帶回水面。當
OBS回到距離海面10公尺以內時，由於OBS所承受的
壓力減小，促使無線電浮標開始發送無線電信號以
及閃光浮標在夜間發出閃光，回收工作船上架設的
無線電掃頻器（Radio Scaner）可以偵測到方圓4~8
英哩以內的無線電信號，一旦OBS回到水面便很容易
被偵測到。
無線電浮標採用Cobham Tracking & Locating Ltd.
公司出品的RF-700A1無線電發報浮標
[http://www.seimac.com/]，內含4個2號鹼性電池可供
應6天運作，獨立式電源及壓力式開關設計，出水後
啟動，入水後關閉，在海底地震儀內部電池失效時
仍可發射無線電信號，VHF搜尋頻率154～
160MHz，可在4~8英哩範圍內搜尋，耐壓深度7300
米。閃光浮標採用ST-400A Venon Flasher 閃光浮燈
標[http://www.seimac.com/]，內含4組鹼性電池可供應
8天運作，架設在海底地震儀上，作為夜間搜尋使
用，其具備獨立式電源及壓力式開關設計，在海底
地震儀內部電池失效時仍可發出閃光信號，耐壓深
度7300米。 為達到 20Sec～40Hz 感震頻寬以及節能
省電的要求，本研究利用 4.5Hz SM-6
Geophone
[http://www.iongeo.com/Land_Imaging/Geoph
ones/]作為拾震裝置，利用射極隨藕（Emitter
Couple）及迴授（Feedback）電路和感震器本
身的電磁阻尼特性，達到力平衡的伺服效
果，再利用非線性放大器來加強長週期信號
的放大倍率來增加低頻（長週期）的感測能
力，把 Geophone 原本在 4.5Hz 頻帶以下逐漸
衰減的感測輸出信號提升到一定水平，而成
為長週期（Wide band）速度式感震器。此種
設計的優點是用低成本的 Geophone 來取代高
價位的寬頻地震儀，而電路設計採用低耗能
運算放大器 (Operational Amplifer)，來達到節
能的效果，此種型式感震器的缺點是儀器的
頻率響應曲線並非線性，在資料處理時需把
儀器效應加以修正。 記錄器採用 ADS1222 數化晶片把感震器
輸出之類比（ analog）信號轉化為數值（digital）
資料，再透過 MSP430 微處理器將數值資料儲
存到高速 SD 卡內，信號採樣率（ sampling
rate）設置為 120sps 下的消耗電力約為 3.3V
15mA，MSP430 為主要的控制單元，具有兩
個非同步通信埠（UART）分別作為與外界個
人電腦溝通和 GPS 時鐘對時用，48 個 I/O 接
腳可用來將 ADS1222 輸出的數值資料儲存到
高速 SD 卡內。高速 SD 卡最大容量為 32
GByte，使用 2.7~3.6V 電源，經過資料壓縮後
32 GByte 的容量約可連續記錄 3 波道 120sps之地震資料超過 360 天，資料記錄器之功能
方塊圖如圖 2。
圖 2 資料記錄器之功能方塊圖
為達到一年在 3 秒以內時間誤差的要
求，本研究採用美國 Seascan 公司出品的
SISMTB Ver4.1 時基電路板，該電路可以產
生 125Hz 的震盪頻率輸出，在電路板安裝前
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先模擬海床下的溫度環境測試輸出時基的誤
差值，再把誤差值寫入電路板的記憶體中達
成補償效果，使震盪時基維持每年 3 秒以下
誤差的高精準度。在 OBS 下水前先用外部
GPS 時鐘精確對時，使記錄器內的時鐘與 GPS時鐘同步，當 OBS 回收時，再用 GPS 來與記
錄器作對時校驗並記錄時間誤差，如此便可
對 OBS 所記錄之資料做精確的時間修正。欲
使 OBS 浮出水面就必須釋放（Release）配置
在 OBS 底部的錨碇，藉著 OBS 本身的浮力浮
出水面。OBS 採用的 Release 機構有兩種型
式，一種是利用馬達旋轉帶動解鎖裝置來使
錨碇脫離，另一種是採用電燒線的方式，來
鬆開錨碇鉤具。為控制 Release 機構，採用美
國 ORE 公司出品之#D980709 音鼓 (Transducer)及#B980175 控制電路板 (ASSY
PCB)
[http://www.edgetech.com/ore-offshore]作為
OBS Release 控制以及水下測距定位之用。二
進位 FSK 編碼形式，具備 Release 1, Release 2,
Disable Transponder, Enable Transponder 指令
功能，最大工作深度 6000 米，工作溫度 -10OC～+40OC，聲波頻率 7.5k ~ 15kHz，設定間隔
0.5kHz，靈敏度為 80 dB re 1 uPa.，利用甲板
EdgeTech 8011M 聲納傳送控制器發送
Release 指令，使 ASSY PCB 輸出直流電壓來
熔斷連接在 OBS 本體和錨碇鉤具上的電燒
線，令 OBS 往上浮起。ASSY PCB 並具有水
下測距（Ring）功能，透過 8011M 來開啟
（Enable）測距功能，此時傳送測距指令，
ASSY PCB 收到後會立即回送聲音信號，計算
發送和接收 Ring 的時間差便可推算 OBS 與船
位之距離，在配合船上 GPS 定位可逆推 OBS在海床上的精確位置，完成測距定位後再透
過 8011M 來關閉此功能。
OBS 的資料記錄裝置、#B980175 Release 控制
電路板、電池…等元件封裝在 17 吋德國 Nautilus
Marine Service GmbH 公司製造VITROVEX抗高壓
玻璃球內[http://www.nautilus-gmbh.de/]，玻璃球重
量 17kg ，外徑 432mm (17 吋)，內徑 404mm，耐壓
超過 600Bar，在水中可提供約 25 公斤的淨浮力，
透過穿過玻璃球的水下電纜連接到感震器、音鼓以
及釋放機構電燒線。玻璃球具備真空閥，經由真空
Pump 抽氣使玻璃球內呈真空狀態，利用真空吸力
和黏貼在兩半玻璃球間的自溶性膠帶並配合兩條交
叉捆在玻璃球表面的不銹鋼束帶封裝玻璃球。玻璃
浮球安置在6mm厚的PE塑膠保護殼並固定在由PE板上和不銹鋼組成的機構上。整組 Yardbird OBS 的
重量計算如表 1，一年部署期的水下總重約-15.5 公
斤，錨碇的重量選定為 51 公斤，呈日字型安置在主
結構側板下方，由錨碇釋放機構勾住，錨碇釋放機
構由不銹鋼製成，以電燒線卡住釋放彈簧，當電燒
線溶斷時彈簧鬆開， OBS 藉由本體的浮力與錨碇
分離而浮出水面。OBS 組裝完成之外觀如圖 3。
表1 Yardbird OBS配重計算
品名 數量 空氣中總重(g) 水中總重(g)
主結構側板 2 9910.9 -499.7 主結構吊架 1 8820.19 7721.4 音鼓固定板 1 244.36
-12.3 音鼓支撐架 4 75.64 -6.8 音鼓 1 2524 1500 感震器掛架 1 618.26 541 回收掛架 1
988.03 864.5 感震器釋放機構 1 183.48 160.6 感震器 1 17227.96 4869 錨碇釋放機構 1
828.72 725.2 結構支桿 4 1570.44 -142.1 Becan 扣件 4 117.12 102.5 U 型螺絲 4
464.52 406.6 Becan 2 2000 1800 浮球 2 36000 -50000 電池與電路板 1 14000
14000 M10 螺絲組 49 2450 2450 總計(g) 98023.62 -15520.5
圖 3 Yardbird OBS 組裝完成之外觀
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四、儀器研發的初步成果 2010 年 3 月 4 日 00:18(UTC) 高雄甲仙發生規
模 6.4 地震，而後又有多起餘震發生，為測試
Yardbird OBS 的儀器性能，研發團隊緊急雇用漁船
在 3 月 5 日把一架 Yardbird OBS 部署在高雄外海
（北緯 22.49° , 東經 120.16°,深度 300 公尺），經過
7 天的時間順利回收，收集到數筆餘震資料。圖 4為其中一筆發生在 2010/3/8 09:26芮氏規模 4.9地震
的相關地理位置，原始地震圖如圖 5，震源位置北
緯 23.40°東經 120.55°震源深度 15.3 公里，測站距離
172 公里，展開此圖可看出 P 波到時和波形品質非
常好（圖 6），顯示感震器有達到自動調整水平的
功能。 為測試 OBS 的長期偵測地震功能，研發團隊於
2010/05/31~2010/06/01 利用海研二號研究船在沖繩
海槽西側部署 5 部 Yardbird OBS，於 2010/8/31 先
回收其中一部，此 OBS 也記錄到非常好的地動資
料。圖 7 為其中一筆發生在 2010/7/23 22:51 規模
7.6，震源位置北緯 6.47°東經 123.532°震源深度 583.8公里地震的相關地理位置，原始地震圖如圖 8，展
開圖如圖 9，此筆地震雖然距離 OBS 測站有 2 千多
公里之遙，但由於地震規模高達 7.6，Yardbird OBS的資料品質仍相當好，顯示 Yardbird OBS
有記錄遠
震訊號的能力。這些 OBS 記錄的資料未來可用於計
算板塊構造並推估地殼的形成年齡[如 Kuo et al.,
2009]、計算海床背景雜訊[如 Webb, 1988, 2002;
Collins et al., 2001; Lin et al., 2010]、準確推估台灣鄰
近海域之地層速度構造[Chou et al., 2006]並增加地
震定位之準確性…等研究。
圖 4 OBS 部署地點與發生 2010/3/8 09:26 芮氏規模4.9 地震的相關地理位置圖
0 50 100 150 200 250 300 350 400-4
-2
0
2
4x 10
-3 2010.066.0925.hhz
Time (sec)
Vel
ocity
(m
/s)
Max peak = 0.00158m/s
SNR = 1.8802 P wave at 76.3sec
0 50 100 150 200 250 300 350 400-4
-2
0
2
4x 10
-3 2010.066.0925.hh1
Time (sec)
Vel
ocity
(m
/s)
Max peak = 0.00306m/s
SNR = 0.18246 P wave at 76.3sec
0 50 100 150 200 250 300 350 400-4
-2
0
2
4x 10
-3 2010.066.0925.hh2
Time (sec)
Vel
ocity
(m
/s)
Max peak = 0.00395m/s
SNR = 3.291 P wave at 76.3sec
圖 5 發生在 2010/3/8 09:26 芮氏規模 4.9 的原始地震記錄圖
70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120-4
-2
0
2
4x 10
-3 2010.066.0925.hhz
Time (sec)
Vel
ocity
(m
/s)
70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120-4
-2
0
2
4x 10
-3 2010.066.0925.hh1
Time (sec)
Vel
ocity
(m
/s)
70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120-4
-2
0
2
4x 10
-3 2010.066.0925.hh2
Time (sec)
Vel
ocity
(m
/s)
圖 6 圖 5 之展開圖
圖 7 OBS 部署地點與發生在 2010/7/23 22:51 規模
7.6 地震的相關地理位置圖
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0 100 200 300 400 500 600 700 800-0.04
-0.02
0
0.02
0.042010.204.hhz
Time (sec)
Vel
ocity
(m
/s)
Max peak = 0.016m/s
SNR = 1.4646 P wave at 57.7833sec
0 100 200 300 400 500 600 700 800-0.04
-0.02
0
0.02
0.042010.204.hh1
Time (sec)
Vel
ocity
(m
/s)
Max peak = 0.0267m/s
SNR = 1.8782 P wave at 57.7833sec
0 100 200 300 400 500 600 700 800-0.04
-0.02
0
0.02
0.042010.204.hh2
Time (sec)
Vel
ocity
(m
/s)
Max peak = 0.0395m/s
SNR = 0.30593 P wave at 57.7833sec
圖 8 發生在 2010/7/23 22:51 規模 7.6 的原始\地震記錄圖
50 100 150 200 250 300 350-0.04
-0.02
0
0.02
0.042010.204.hhz
Time (sec)
Vel
ocity
(m
/s)
50 100 150 200 250 300 350-0.04
-0.02
0
0.02
0.042010.204.hh1
Time (sec)
Vel
ocity
(m
/s)
50 100 150 200 250 300 350-0.04
-0.02
0
0.02
0.042010.204.hh2
Time (sec)
Vel
ocity
(m
/s)
圖 9 圖 8 之 P 波展開圖
五、結論 研發水下儀器，需有不同領域專長的人員相互
合作，才能使研發的產品達到預期的功能。本儀器
結合中央研究院地球所、國家實驗研究院台灣海洋
科技研究中心及國立中山大學海下科技研究所的幾
位專家共同合作研發。而要達到商用儀器的階段，
更需要漸進式的來完成，就像是水下部署實驗，一
定是先從十幾公尺的淺水試驗開始，而後逐漸往深
海去進行部署，避免一下子為達到高規格目標而承
擔過多的風險。本研究研發的 Yardbird OBS，也是
先從水下 2 千公尺的部署目標開始，預計最終達到
6 千公尺的部署目標。感震的研發雖然還沒達到真
正長週期的地步，但經過儀器修正之後仍然可以得
到想要的長週期波形記錄，此外亦可採用商用的寬
頻感震器（如 Nanometrics 公司的 Trillium 寬頻感
震器[http://www.nanometrics.ca/]）來取代。儀器記
錄波道方面，初期也只規劃記錄三分量中週期速度
地震歷時，將來逐漸擴充記錄波道，預計加入三分
量強震加速度計（Accelerometer）、水中聽音器
（Hydrophone）、流速計、甚至其他海洋科學儀器
都可能加入。在感震器的頻寬方面，目前低頻響應
只能延長到 4 秒，將來還要延長到 30 秒甚至更低
頻，這都是自行研發儀器的優點，也是我們研發團
隊共同的努力目標。
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105-142.
6. http://www.edgetech.com/ore-offshore
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商網址)
7. http://www.iongeo.com/Land_Imaging/Geophon
es/ (4.5Hz, SM-6 Geophone 製造廠商網址)
8. http://www.nanometrics.ca/ (Trillium寬頻感震器
製造廠商網址)
9. http://www.nautilus-gmbh.de/ (VITROVEX抗高
壓玻璃球製造廠商網址)
10. http://www.seimac.com/ (RF-700A1 電浮標 及
ST-400A閃光浮燈標製造廠商網址)
http://www.edgetech.com/ore-offshore�http://www.iongeo.com/Land_Imaging/Geophones/�http://www.iongeo.com/Land_Imaging/Geophones/�http://www.nanometrics.ca/�http://www.nautilus-gmbh.de/�http://www.seimac.com/�
