海洋廣角地震數(shù)據(jù)校正方法探討

夏少紅，敖威，趙明輝，丘學(xué)林，徐輝龍

（中國科學(xué)院南海海洋研究所 中國科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點實驗室，廣東 廣州 510301）

海洋廣角地震數(shù)據(jù)校正方法探討

夏少紅，敖威，趙明輝，丘學(xué)林，徐輝龍

（中國科學(xué)院南海海洋研究所 中國科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點實驗室，廣東 廣州 510301）

海洋廣角地震數(shù)據(jù)的采集具有高投入、高風(fēng)險及高難度等特點，這使得從海洋上采集到的地震數(shù)據(jù)顯得異常寶貴，但往往由于各種客觀條件（如氣候條件、定時定位條件、儀器條件及人為因素等）的限制，導(dǎo)致采集到的地震數(shù)據(jù)存在一些缺陷。以南海地區(qū)開展的海陸地震聯(lián)測及海底地震儀（OBS）探測的試驗數(shù)據(jù)為例，對導(dǎo)航數(shù)據(jù)時間誤差、部分陸地固定臺站的時間誤差、海底地震儀定位偏差等問題進(jìn)行了分析，并提出了具體的數(shù)據(jù)校正方法，同時對這些校正方法的原理也進(jìn)行了相應(yīng)的分析和探討。從校正后的結(jié)果看，原本存在明顯問題的數(shù)據(jù)得到了有效解決，為更深入地解決海洋人工地震數(shù)據(jù)存在的各種問題提供了技術(shù)路線。

海洋廣角地震數(shù)據(jù)；校正；海底地震儀；海陸地震數(shù)據(jù)

海洋人工地震探測是獲取海底深部結(jié)構(gòu)特征、開發(fā)利用海洋石油礦產(chǎn)資源以及認(rèn)識海底火山和地震活動等的重要手段[1-7]。但由于海洋惡劣氣候條件的影響、儀器設(shè)備抗高壓及耐腐蝕的挑戰(zhàn)以及暈船等人為因素的限制，使得海洋人工地震數(shù)據(jù)的采集具有高風(fēng)險、高難度及高投入等特點，也導(dǎo)致海上采集到的地震數(shù)據(jù)往往存在較多的問題[8-10]。

為有效提高海洋人工地震探測的成功率、最大限度地降低各種影響因素帶來的經(jīng)濟(jì)損失，有必要對海洋地震探測中存在的數(shù)據(jù)問題進(jìn)行相應(yīng)的分析，并根據(jù)不同問題的特點開展相應(yīng)的校正方法的分析和研究，使得在今后的海洋地震探測試驗中能夠給予充分的認(rèn)識和準(zhǔn)備，采用多種數(shù)據(jù)記錄方式并對儀器設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，更加有效地提高地震數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，提高海洋地震數(shù)據(jù)的采集效率。本文以南海地區(qū)開展的海陸地震聯(lián)測試驗及海底地震儀（OBS）探測試驗為例，對海上人工地震數(shù)據(jù)存在的問題進(jìn)行了深入分析研究，并根據(jù)它們的特征提出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)校正方法，同時分析和探討了這些數(shù)據(jù)校正方法的原理和可信度；最后對今后如何在海洋地震探測中消除這些相似問題進(jìn)行了討論。

1 炮點時間的校正

廣角地震探測由于震源和地震記錄系統(tǒng)是分離的，所以要統(tǒng)一使用GPS時間。但海上船載導(dǎo)航定位軟件HYPACK在GPS時間記錄上存在一定的缺陷，它采用的是在文件開始記錄時用GPS進(jìn)行授時，然后采用計算機(jī)內(nèi)部時鐘進(jìn)行時間的記錄，但計算機(jī)內(nèi)部時鐘存在一定的漂移，進(jìn)而導(dǎo)致每個導(dǎo)航數(shù)據(jù)記錄文件均存在一定的時鐘漂移。從南海北部海陸地震聯(lián)測試驗的數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知[11]，各臺站的單臺地震記錄剖面在導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件分隔的地方均存在臺階跳躍現(xiàn)象（圖1），無法獲得連續(xù)準(zhǔn)確的震相走時數(shù)據(jù)。從圖1中船載地震儀和擔(dān)桿島流動地震儀的記錄剖面上可以看到，臺階跳躍在兩地震儀上非常一致，且從船上地震儀記錄到的信息可知，部分炮點的放炮時間甚至滯后于地震儀接收到該炮信號的到達(dá)時間，這說明了臺階現(xiàn)象是由于導(dǎo)航炮點數(shù)據(jù)存在問題而造成的。

圖 1 地震剖面的臺階現(xiàn)象(a) 擔(dān)桿島流動臺記錄剖面；(b) 船上地震儀記錄剖面Fig. 1 Step phenomenon on seismic sections(a) for portable seismic station on Dangan Island; (b) for portable seismic station in the ship

圖 2 船上地震儀記錄到的清晰的氣槍信號Fig. 2 Airgun signals from portable station in the ship

要解決上述問題，必須使用合理的時間數(shù)據(jù)來對導(dǎo)航炮點時間進(jìn)行精確的校正。幸運(yùn)的是，為了對氣槍信號進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測，本次試驗在船甲板上也安裝了地震儀，這就為解決上述導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件放炮時間的漂移問題提供了條件。船上地震儀記錄到的氣槍信號信噪比非常高，受船上輪機(jī)噪音的影響很小，它是用GPS進(jìn)行實時授時的，自身不存在時鐘漂移，所以拾取到每次氣槍信號在甲板上引起的脈沖時間是精確的（圖2），因此可以使用船載地震儀記錄到的每次氣槍放炮的信號到時來校正導(dǎo)航文件中的炮點時間的漂移。氣槍拖在船尾，每次的炮點位置和船上地震儀之間的距離恒定不變，只有約60 m的距離，信號通過水體傳播到地震儀的走時只有約0.04 s左右。根據(jù)船上地震儀記錄到的氣槍信號與噪音信號振幅差異較大的特點，我們編寫了初至到時的拾取程序，從船載地震儀記錄到的信號中拾取初至震相，并對導(dǎo)航數(shù)據(jù)記錄的炮點時間進(jìn)行了校正，然后用新的炮點時間對船上地震儀記錄的信號進(jìn)行了處理（圖 3a），發(fā)現(xiàn)原來存在的臺階已經(jīng)消除，地震相在0 s附近呈一條水平的直線，這說明從船上地震儀提取的時間是正確的。之后利用這個新的炮點時間對擔(dān)桿島流動地震臺記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新處理，獲得了該流動臺的單臺地震記錄剖面圖（圖 3b），發(fā)現(xiàn)之前的臺階現(xiàn)象不再存在，各地震相連續(xù)且效果很好，說明所用的校正方法正確可行。該校正方法從地震波的傳播距離及信號的信噪比方面可以推算出校正誤差大概在0.05 s左右，其誤差范圍對于大尺度地殼結(jié)構(gòu)的研究可以忽略不計，為重新利用這次試驗采集到的海陸聯(lián)測數(shù)據(jù)提供了重要保障。

圖 3 導(dǎo)航數(shù)據(jù)校正后的臺站記錄剖面圖(a) 船上地震儀剖面圖；(b) 擔(dān)桿島流動臺記錄剖面圖Fig. 3 Seismic sections after corrections(a) for portable station in the ship; (b) for portable station in Dangan Island

2 臺站記錄時間漂移的校正

在海陸地震聯(lián)測及海底地震儀探測中，固定地震臺網(wǎng)、陸上流動地震臺或沉入海底的海底地震儀由于記錄器電子設(shè)備本身固有的特點及其受各種環(huán)境的影響，往往記錄時間發(fā)生一定量的漂移，這就要根據(jù)實際數(shù)據(jù)的記錄情況，采用合理的方法予以校正，將這些環(huán)境因素造成的影響降低到最低限度。本文以南海北部海陸地震聯(lián)測試驗中出現(xiàn)的部分固定臺站記錄時間的漂移問題為例，對海上人工地震試驗中的臺站時間誤差進(jìn)行相應(yīng)的分析校正，為今后海上試驗中類似問題的避免和解決提供技術(shù)路線。

圖 4 臺站記錄時間問題及校正結(jié)果圖(a) 未校正前的剖面圖；(b) 天然地震信號圖；(c) 時間校正后的臺站記錄剖面圖Fig. 4 Time problem and correction of permanent stations(a) Seismic section before correction; (b) Time problem obtained from earthquake waveform; (c) Seismic section after correction

南海北部海陸地震聯(lián)測試驗采用的是海上氣槍放炮，陸上固定地震臺網(wǎng)及島上流動地震臺進(jìn)行氣槍信號記錄的方式來開展的。從處理出的單臺地震記錄剖面圖上發(fā)現(xiàn)，部分固定地震臺站（簡稱為問題臺站）記錄到的震相走時數(shù)據(jù)存在時間明顯滯后現(xiàn)象（圖 4a）。為了進(jìn)一步驗證臺站時間滯后問題的存在，我們查找到了此次海陸聯(lián)測期間在臺灣近海地區(qū)發(fā)生的Ms 4.5級地震，且問題臺站也記錄到了該天然地震清晰的波形數(shù)據(jù)（圖 4b）。基于IASP91模型，計算獲得了問題臺站記錄初至P波震相的理論到時（圖4b中的Pcal），同時我們在該天然地震的波形文件上也能準(zhǔn)確地拾取到初至P波的到時位置（圖4b中的Pobs），通過對比該初至震相的觀測到時與理論到時，發(fā)現(xiàn)兩者之間相差約20 s左右，排除天然地震定位誤差以及速度模型引起的誤差之后，發(fā)現(xiàn)20 s的時差主要還是臺站記錄時間存在問題而造成的，進(jìn)一步證實了問題臺站記錄時間滯后現(xiàn)象的存在。而從震相的連續(xù)性以及與鄰近正常臺站之間震相的對比來看，問題臺站的時間偏差是固定的，并不隨炮點的變化而發(fā)生改變，這極大地增加了我們校正該時間偏差問題的可能性。

從波的傳播特性可知，氣槍放炮時間、初至波的走時以及臺站接受到初至震相的到時3者之間有如下的關(guān)系：

其中Tsi為臺站記錄到的第i炮的信號時間，Tei為第i炮的放炮時間，ti為第i炮初至震相的走時。針對問題臺站的時差偏移，假設(shè)其固定漂移時間為Δt，那么對于問題臺站就有如下的關(guān)系：

要想解決臺站記錄時間偏差的問題，就需要準(zhǔn)確地獲得Δt的值。為此，我們引入了天然地震定位的方法[12]，將臺站視為天然地震震源點，而炮點視為接受臺陣，采用合理的速度模型，使用最小二乘法擬合的方式來獲得Δt的值。與天然地震定位不同的是，問題臺站的位置是非常精確的，只需要盡可能準(zhǔn)確地定位好時間問題。同時為了消除速度模型對走時的影響，我們選擇了問題臺站附近的正常臺站來給予進(jìn)一步的校正，使得求取的 Δt值更為精確。其基本理論依據(jù)就是問題臺站與附近的正常臺站記錄到的相同炮號的射線路徑基本相似，穿越的地下結(jié)構(gòu)也極為接近，這樣它們受速度模型的影響程度也應(yīng)該比較接近。我們知道正常地震臺站的Δt值本應(yīng)該為 0，如果通過上述地震定位的原理，使用相同的速度模型也可以獲得正常臺站的Δt值，這個求取的Δt值如果不為0，那么就是由于速度模型而造成的。這樣如果用問題臺站求取的Δt值減去正常臺站的Δt值，就基本消除了因速度模型而引起的誤差，使得問題臺站的Δt值更為精確。

根據(jù)上面的基本原理，從問題臺站和其鄰近的正常臺站中選取了震相特征變化較小且最為相似的100個炮點的時間數(shù)據(jù)，首先使用最佳的一維速度模型對鄰近正常臺站進(jìn)行了Δt值的求取，獲得了因速度模型誤差而引起的該正常臺站的時間偏差值；然后使用相同的一維模型對問題臺站的Δt值也進(jìn)行了求取，最后將兩次求取的Δt值相減即獲得了問題臺站記錄時間偏移的校正值。通過相應(yīng)的時間校正處理后，獲得了問題臺站校正后的單臺地震記錄剖面圖（圖 4c）。為了評估校正值的精確程度，在使用最小二乘法求取Δt值的同時，也獲得了每個炮點計算出的Δt值與校正所用的Δt值之間殘差的均方根值，約為0.06 s左右，說明其校正精度在許可范圍內(nèi)。

3 海底地震儀時間和位置偏差校正

海底地震儀在海上人工地震數(shù)據(jù)采集過程中是沉入海底來對氣槍信號進(jìn)行接收的，在投放過程中由于海流等因素的影響，其在海底的精確位置無法測量，且記錄時間采用的也是海底地震儀的內(nèi)部時鐘，同樣會發(fā)生時鐘漂移。因此在對海底地震儀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，首先必須要做的工作之一就是如何校正好其記錄的時間和所在海底的位置。目前，海底地震儀的時鐘校正方法主要采用的是線性內(nèi)插的方法，在投放之前先利用GPS授時校正好海底地震儀的內(nèi)部時鐘，在回收之后讀取內(nèi)部時鐘與GPS時鐘之間的時差，使用線性插值的方法計算獲取每個炮點的時鐘校正量。

而對于海底地震儀的位置信息，目前使用最多的是拾取近炮點的直達(dá)水波到時，通過最小平方反演的方法來獲取其確切的落點位置。其中已知的信息是：OBS的深度h，每個炮點對應(yīng)的直達(dá)波的走時ti，每個炮點的位置（xi, yi, hi），以及地震波在水中的速度v。這些已知信息與海底地震儀位置（x, y）之間可以構(gòu)成一個我們熟悉的矩陣方程 G?m =d[10]，該矩陣方程是個超定方程，采用最小二乘法可以求取獲得海底地震儀的位置坐標(biāo)（x, y）。

以上海底地震儀的定位方法與天然地震的定位在原理上是完全相同的，只不過海底地震儀使用的是近炮點的直達(dá)水波，水的速度變化較小，精確度更高；而天然地震采用的是初至震相，速度模型不確定性更大一些。因此，從天然地震定位的誤差影響因素可知，海底地震儀的定位精度也受到水體速度變化的影響，以及所使用的近炮點位置與海底地震儀位置的分布特征的影響。通過不同分布形態(tài)的炮點組合的定位結(jié)果可知，當(dāng)炮點形態(tài)為十字形和井字形時，其定位精度較高[10]，這與天然地震必須發(fā)生在臺網(wǎng)內(nèi)部時定位精度才更精確是很相似的。同時，為了盡可能地降低海水速度和儀器記錄誤差等因素的影響，在進(jìn)行定位時必須選擇離海底地震儀較近的炮點坐標(biāo)來進(jìn)行反演計算，以達(dá)到提高反演坐標(biāo)精度的目的。

根據(jù)以上的校正原理，對 2006年南海北部海底地震儀探測試驗獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正處理，圖5 a是處理前的記錄剖面，該剖面中的直達(dá)水波信號存在明顯的偏差，OBS兩側(cè)的直達(dá)水波信號不對稱且部分震相也存在扭曲現(xiàn)象；經(jīng)過校正處理后，發(fā)現(xiàn)先前存在的直達(dá)水波不對稱現(xiàn)象得到了很好的改善，各地震相也變的更為連貫一致（圖 5b），使得數(shù)據(jù)更趨合理，誤差水平顯著降低，為精確拾取各震相走時數(shù)據(jù)打下了堅實基礎(chǔ)。

圖 5 海底地震儀（OBS）記錄剖面(a) 未校正前的記錄剖面圖；(b) 校正后的剖面圖Fig. 5 Seismic sections of OBS(a) before correction; (b) after correction

4 討論及結(jié)論

受海水覆蓋的影響，海洋人工地震數(shù)據(jù)的采集有其獨(dú)特之處，需要根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集工作中存在的問題來給予及時的改進(jìn)和提高。從以上所談到的幾個問題可知，只有在出海前做好充分的準(zhǔn)備，采取必要的措施，在處理數(shù)據(jù)時如果發(fā)現(xiàn)問題，才能進(jìn)行相應(yīng)的校正和補(bǔ)救。如果在海陸聯(lián)測試驗中船上沒有攜帶地震儀來對信號進(jìn)行監(jiān)測，那么上述提到的導(dǎo)航記錄時間的漂移問題就很難得到解決。同樣，在第一次開始海陸聯(lián)測并使用固定地震臺網(wǎng)來對海上氣槍信號進(jìn)行接收時，也很難想到對固定臺網(wǎng)進(jìn)行檢測以及如何檢測的問題。在發(fā)現(xiàn)問題之后，對即將開展的海陸聯(lián)測試驗進(jìn)行海上工作之前，會根據(jù)存在的問題對固定臺網(wǎng)也進(jìn)行相應(yīng)的檢測，具體的辦法就是收集這些固定臺網(wǎng)記錄到的鄰近地區(qū)（如日本、臺灣等）大地震的數(shù)據(jù)，將其觀測走時與理論走時進(jìn)行對比，看誤差范圍是否在正常范圍之內(nèi)，同時臺網(wǎng)內(nèi)部較近的地震臺站可以互相進(jìn)行驗證，看走時是否較為一致。上述這些數(shù)據(jù)采集前的準(zhǔn)備工作，將會極大地提高海上地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確度，為深入研究海底結(jié)構(gòu)打下堅實的基礎(chǔ)。

在地震數(shù)據(jù)采集工作中，時間和位置是最為重要的參數(shù)，往往問題都是由于它們的不準(zhǔn)確性而造成的，因此地震數(shù)據(jù)處理人員要時刻提高警惕，反復(fù)對比這兩個參數(shù)記錄的準(zhǔn)確性。當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題后，要仔細(xì)分析該問題的特點及可能造成的原因，利用海上采集過程中所有儀器記錄到的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行分析和校正。同時，天然地震的定位問題也主要體現(xiàn)在時間和位置這兩個參數(shù)上，其定位原理往往通過相應(yīng)的改進(jìn)之后能夠用于海上廣角地震數(shù)據(jù)的校正中。當(dāng)遇到問題時，也可以將該問題與天然地震定位問題進(jìn)行對比分析，這樣將會提高對問題原因的認(rèn)識，以及拓寬解決問題的思路，為尋找一條合理、準(zhǔn)確的方法來校正數(shù)據(jù)中可能存在的各種問題提供幫助。

致謝：感謝廣東省地震局及香港天文臺給予的數(shù)據(jù)支撐；數(shù)據(jù)的采集工作是由南海海洋研究所實驗二號船完成的，對其全體船員表示衷心感謝。

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Corrections and analysis of wide angle seismic data from the sea

XIA Shao-hong, AO Wei, ZHAO Ming-hui, QIU Xue-lin, XU Hui-long

（CAS Key Laboratory of Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China）

The wide angle seismic data from the sea are very valuable because of the difficulties, costliness and risks in obtaining them. But these data could include some problems which result from weather, bad instrument, jamming, and so on. This paper analyzed and corrected the locations and time of OBSs, seismic stations and navigation data, based on our recently obtained onshore-offshore seismic data and OBS data in the northern South China Sea. We put forward different corrected methods according to different problems, and illuminated their principles. Results after corrections show that the problems existing in original data were well solved, and data after corrections could be used to study the crustal structures. This study can enlighten us to better solve diverse problems potentially existing in the wide angle seismic data from the sea.

wide seismic data from the sea; correction; OBS; onshore-offshore seismic data

P315.2

A

1001-6932(2011)05-0487-05

2010-05-11；

2011-03-24

國家自然科學(xué)基金（U0933006, 41006028）；中國科學(xué)院南海海洋研究所青年人才領(lǐng)域前沿項目（SQ200911）；中國科學(xué)院優(yōu)博論文、院長獎獲得者科研啟動資金（1731005933）。

夏少紅（1981－），男，博士，主要從事海洋地球物理及大陸邊緣結(jié)構(gòu)方面的研究工作。電子郵箱：shxia@scsio.ac.cn。