水聽器對海域地震觀測能力的分析

賈正大 林彬華 張國平

（1、中國地震局工程力學研究所,黑龍江 哈爾濱150080 2、中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室,黑龍江 哈爾濱150080 3、福建省地震局,福建 福州350003 4、中國地震局廈門海洋地震研究所,福建 廈門361000）

我國領海面積廣闊,海洋資源豐富,天然氣水合物資源、海洋油田資源、海底砂礦等都有待于進一步開發、開采。開發海洋資源的第一步就是要對海洋資源進行勘探,勘探的主要手段為地震勘探（周洋,2018）。在地震研究中,海洋地震觀測主要依賴于沿海的陸地臺站,隨著海底地震儀的研發,海洋地震觀測臺站的建立也變為現實。美國、加拿大、歐洲等國都建立了集各領域研究為一體的海洋觀測臺,我國從“十一五”至今建立了不少海洋觀測網實驗系統,也取得了不少成果。但是,鮮有有效數據可以利用。

海洋觀測臺的建設離不開海底地震儀的發展,海底地震儀主要是由三分量地震傳感器和水聽器起到采集信號的作用。受海底環境的影響,海浪對噪聲的放大作用,海底地震儀記錄到的背景噪聲會比岸邊儀器記錄到的背景噪聲大（S.C.Webb,2006）。水聽器在檢測信號時,也存在各種儀器上限。文章就是利用水聽器記錄到的地震信號,通過波形圖,分析水聽器觀測地震的能力與震中距的關系以及相同震中距的情況下不同震級的關系。同時,將地震分為天然地震與人工地震對比分析。

1 數據預處理

1.1 數據信息

文章的數據主要分為兩部分。第一部分是人工震源,主要由三組測線和29 臺海洋地震儀（水聽器）組成,見圖1。水聽器編號為No.101 到No.129,其中No.104、No.109、No.112、No.113、No.119、No.123 未能成功回收,故只有23 臺儀器數據可供使用。

圖1 氣槍震源測線以及OBS 分布

第二部分是天然地震,漳州浯嶼島海洋地震觀測臺站于2018 年9 月-2019 年6 月記錄到的臺灣海峽、臺灣島以及周邊海域的地震信號。浯嶼島臺站一共五臺儀器,位于廈門市南部6海里的浯嶼島船廠碼頭,水聽器前置放大器頻率：0-5000Hz,水聽器靈敏度：-165dB re：1V/u Pa。根據福建省地震局的地震目錄,結合臺灣省地震目錄,2018 年9 月-2019 年6 月,臺灣海峽、臺灣島以及周邊海域共記錄到2.0 級以上地震504 個,震級覆蓋2.0-6.3 級,震中距范圍：30km-500km。

1.2 數據處理

由于記錄到的數據,會產生偏移、基線漂移,需要對采集到的數據進行去均值基線矯正和最小二乘法去趨勢。此外,水聽器記錄到的信號,除去地震信號,還有大量的噪聲。為了提高信噪比,需要進行濾波處理,文章選用帶通濾波,濾波范圍：1.0-15Hz。

圖2 1 號測線,信號與震中距關系

圖3 2 號測線,信號與震中距關系

圖4 3 號測線,信號與震中距關系

2 分析與對比

2.1 人工震源分析

根據水聽器記錄到的人工地震信號（氣槍信號）,畫出信號與震中距的關系,見圖2、圖3、圖4。由于不同儀器的工作性能不同,文章只展示可以觀測到信號的儀器。波形圖從氣槍激發時間開始,截取后面一段為地震信號。

觀察圖片發現,水聽器觀測的地震信號,隨著距離的增大,信號走時也在變長。當距離增大到一定程度,就無法記錄到信號。但是,在距離相對較近的時候,水聽器能記錄到清晰的天然地震信號。同時,通過對23 臺儀器對比,發現對于同一測線,并不是所有水聽器都能記錄到信號。

2.2 天然震源分析

根據水聽器記錄到的人工地震信號（氣槍信號）,畫出信號與震中距的關系,見圖5。由于不同儀器的工作性能不同,文章只展示可以觀測到信號的儀器。波形圖從地震發生時間開始,截取后面一段為地震信號。由于五個OBS（水聽器分量）表現出相同的特征,故此,文章只展示其中一臺儀器的圖。

水聽器記錄天然地震信號質量很差,在震中距小于100km的部分,震例較少,震級在2.0-2.9 范圍內,無法觀察到任何地震信號。震中距在109-120km 范圍內,有152 個地震,震級包含2.0-4.9 以及一個6.2 級地震。6.2 級地震被淹沒在其他無法看到地震的信號中,另見圖5（c）,可以觀察到明顯的地震信號。震中距更遠的地震與圖5（b）得出的結果一樣。

3 結論

文章通過對三組測線下的23 臺OBS（水聽器分量）觀測到的氣槍信號以及固定海底觀測站的五臺OBS（水聽器分量）觀測到的地震信號分析,得到以下結論：

圖5 OBS 5,信號與震中距關系

水聽器對氣槍信號觀測有較好的性能,但受距離的影響,距離越遠,記錄到的信號越差,當距離超出45km 基本無法觀測到信號。對于天然地震的觀測,水聽器表現出非常差的觀測能力,震級較小的地震以及震中距較大的地震,基本都無法觀測到,但是在震級較大以及震中距相對較小時,還是可以觀測到地震信號。水聽器在觀測天然地震上還有很大的進步空間,如何提高信噪比是能否記錄到清晰地震信號的關鍵,至于氣槍信號的觀測也可以在觀測距離上面進一步提高。