海斗深淵區十字放炮與POBS精確位置校正

李子正， 丘學林*， 張佳政， 張浩宇， 陳瀚

1 中國科學院南海海洋研究所， 邊緣海與大洋地質重點實驗室， 廣州 510301 2 南方海洋科學與工程廣東省實驗室， 廣州 511458 3 中國科學院南海生態環境工程創新研究院， 廣州 510301 4 中國科學院大學， 北京 100049 5 香港中文大學， 地球系統科學課程， 香港 999077

0 引言

俯沖帶是全球物質循環再生的重要場所，與相關海溝、島弧和弧后盆地一起常被稱為“俯沖工廠”(Hacker et al., 2003).在這里，天然地震活動頻繁，板塊物質俯沖到地幔深處，經歷強烈的變質、變形和脫水作用，同時伴隨的還有弧前地幔楔的蛇紋石化、島弧巖漿作用和弧后區域的擴張 (Hasegawa et al., 2009; Jiang et al., 2015).馬里亞納俯沖帶是古老的太平洋板塊向菲律賓海板塊下方快速俯沖形成的，海溝南北展布呈現弓形，構造活動非常劇烈.水深大于6000 m的海溝區域被稱為海斗深淵(Jamieson et al., 2010; Wolff, 1970)，在馬里亞納海溝南部挑戰者深淵區域，由于耦合較弱、板片撕裂等，最大水深超過10000 m，成為地球上最深的地方(Gvirtzman and Stern, 2004)，是研究俯沖帶深部構造、海斗深淵形成機制的極好場所.

天然地震觀測為揭示俯沖帶深部奧秘提供了可靠的數據，前人已經對馬里亞納中、北段進行了大量天然地震觀測和研究，得到了地幔蛇紋石化程度、俯沖板片幾何形態、板片應力狀態、縱橫波速度模型等一系列成果(Cai et al., 2018; Emry et al., 2014; Miller et al., 2004; Mishra et al., 2003).但是在馬里亞納海溝南部，島嶼臺站數量較少，稀疏的地震臺站使地震定位、震級估算誤差較大，層析成像、接收函數等方法也難以達到理想的分辨率.為此，投放被動源海底地震儀(POBS)進行近場地震觀測是十分有必要的(鄭宏等，2020)，Zhu等(2019)的研究工作首次提供了馬里亞納海溝南部高分辨率地震目錄.

不同于位置固定的陸地臺站，被動源海底地震儀(POBS) 在水中下沉和上浮時會受到海流等因素影響，通常僅通過投放點和回收點確定POBS坐底位置是十分不可靠的(Du et al., 2018).以往OBS位置校正經驗表明，位于三維地震探測交叉測線下方的OBS，反演得到的位置更為可靠(敖威等, 2010；張莉等, 2013；楊富東等, 2020).因此，為了獲取POBS的精確坐底位置，本文設計的兩條氣槍測線交叉呈“十”字型，POBS位于交叉點正下方，類似于一個浮標形式長基線定位系統(陳瀚等, 2019；江南等, 2004; 王婧琦, 2019).

陳瀚等(2019)使用類似的方法進行位置校正，得到深淵著陸器(搭載POBS)的坐底位置，但是受到裁截誤差的影響，SEG-Y剖面上同相軸參差不齊.本文采用線性內插方式修復了裁截誤差，并評估其對位置校正影響，同時采用正常時差校正(Normal Moveout Corrections, NMO)的方法，驗證位置校正精度，在海斗深淵及其周邊區域內取得了更好的效果.

1 POBS觀測及定位實驗

2017年1—3月TS03航次，“探索一號”科考船在馬里亞納海溝南部挑戰者深淵附近海域，進行多項科考實驗及海試工作.該航次投放了6臺POBS，最大深度10038 m(圖1a)，進行了3個月的深淵天然地震觀測，同年6月由“實驗3號”科考船全部成功回收.

POBS投放后，為了獲得其精確的坐底位置，“探索一號”在其上方進行了十字放炮，每個炮點的位置和激發時間由船載導航系統精確記錄.如圖1b所示，十字放炮是為了更好地約束POBS在兩個水平方向的漂移量，在臺站上方2條互相垂直的測線進行氣槍作業，由于氣槍收放和空壓機關啟等操作非常麻煩，海上作業是過渡線繼續放炮，實際航跡呈“又”字型，位置校正時僅使用了2條主測線的氣槍信號.

圖1 挑戰者深淵區域的POBS布設平面圖(a)和觀測系統立體示意圖(b) 圖(a)中黃色大圓為POBS臺站投放位置，紅色小圓為校正后位置，橙色線為科考船氣槍作業軌跡； 圖(b)中青色點代表首輪搜索的蒙特卡洛點，綠色點代表最后一輪搜索的蒙特卡洛點.Fig.1 POBSs deployed in Challanger Deep (a) and 3D view of observation geometry(b) Yellow big dots in (a) represent locations of POBS, red small dots are relocated locations, and oriange lines indicate the airgun shooting tracks. Cyan dots in (b) reprent the first round of Monte Carlo search and green dots reprent the final round of Monte Carlo search.

大容量氣槍激發產生的直達水波可以被POBS的4個分量清晰的記錄到：SAC文件顯示，POBS記錄到了強能量的直達水波信號，信號呈尖脈沖狀，易于分辨和拾取，放炮間隔是預設的45s(圖2a).另外，在近3個月的坐底期間，POBS臺站記錄到了大量的天然地震事件，以2017-04-04的一個地震事件為例(ISC，2017)，P波和S波震相記錄清晰(圖2b)，為后續的層析成像、接收函數等研究提供了優質可靠的數據.

圖2 POBS01臺站記錄的氣槍信號(a)和天然地震事件(b) 發震時間2017-04-04 10∶43∶14.03；震中：12.2924°N，144.1713°E；震源深度35 km，震級Mb=5.0，震中距273 km.Fig.2 Airgun signal (a) and earthquake (b) recorded by station POBS01 Event time: 2017-04-04 10∶43∶14.03; Epicenter: 12.2924°N, 144.1713°E; Focal depth: 35 km, Mb: 5.0, Epicental distance: 273 km.

2 POBS位置校正

2.1 位置校正原理和流程

“探索1號”科考船進行氣槍作業時，船載GPS會記錄其每秒鐘精確的經緯度信息，GPS天線距離氣槍震源的距離大約120 m，按照科考船航向反方向進行炮點校正后，得到氣槍的精確位置信息(敖威等, 2010).結合計時器和Hypack導航信息得到ukooa文件，將POBS記錄的連續地震信號裁截、分道排列，同時導入POBS的平面位置，得到按照偏移距(Offset)排列的SEG-Y地震剖面.

有了以上基礎，拾取直達水波初至震相，便可以得知每一氣槍信號到達POBS臺站的時間.直達水波震相拾取應當選取質量較好的檢波器分量，以及合適的濾波參數，拾取直達水波初至的同相軸.本文選取的是質量較好的水聽器(HYD)分量(圖2b)，選用零相位濾波，參數為5～20 Hz，該頻段范圍包含了氣槍信號主頻(王筍等，2019)，濾波對氣槍信號到時影響很小(陳瀚等, 2019).

以POBS投放位置為中心，在3 km半徑范圍內生成一系列蒙特卡洛點，結合高精度多波束水深數據和海水介質中地震波平均速度，計算直達水波從每一個炮點到海底蒙特卡洛點的走時，得到理論震相.采用最小二乘法計算理論震相和實際拾取水波到時的均方根誤差(RMS)，在海底一系列蒙特卡洛點中，選取擬合最佳(RMS值最小)的一個點，作為可能的POBS的實際坐底位置.為了排除偶然因素帶來的誤差，再以上一輪反演位置點為中心，以0.8的比例為收縮范圍，重復反演過程，直到結果穩定；即N+1次反演得到的RMS最小值大于等于第N次的RMS最小值，則取第N次的反演位置為POBS的實際坐底位置.

本文使用的位置校正程序參考楊富東等(2020)，在前人基礎上(敖威等, 2010; 張佳政等, 2012; 張莉等, 2013)，為提高位置校正精度，將經緯度坐標系轉為UTM坐標系，和課題組自編的sac2y程序保持一致 (趙明輝等, 2004)；同時，在新版程序中實現了在一定水速范圍內循環，選取RMS最小者為最佳水速.具體流程如圖3所示.

圖3 位置校正流程圖Fig.3 Flowchart of relocation

2.2 裁截誤差及修復

將得到的SEG-Y文件按照炮號繪成地震剖面，發現直達水波的同相軸并非一條平滑的雙曲線，存在小斷階或小平臺現象(圖4a).這是因為，相較于以往的主動源OBS(采樣率100 Hz、采樣間隔10 ms)，而POBS的采樣率低(50 Hz)，采樣間隔更大(20 ms).使用sac2y程序將連續記錄的地震數據裁截為SEG-Y格式數據時，氣槍激發時間并不一定與采樣點所對應的時間一致，故需要對時間進行取整，產生了裁截取整誤差.例如，假設POBS是在第0 s開始記錄，某炮是在第32 ms激發，那么在sac2y程序中，會將激發的時刻取整到第三個采樣點(即40 ms)，這樣，就產生了8 ms的殘差，由于POBS的采樣率為20 ms，理論上裁截取整會產生至多10 ms的誤差，若前后兩炮的裁截誤差符號相反，直達水波同相軸的斷階現象會更明顯.

裁截誤差的存在會影響直達水波震相拾取，采用線性插值的方式，相當于將每道震相進行上下平移，平移的幅度和裁截誤差相當，采用這種方式校正后的直達水波震相呈一條平滑的雙曲線(圖4b).

圖4 SEG-Y裁截誤差修復效果圖(以POBS05臺站NNE-SSW測線為例) (a) 圖為裁截誤差修復前； (b) 圖為修復后.Fig.4 Fixing effect of cutting error of SEG-Y file(taking NNE-SSW shot line for example) (a) Beforecutting error of SEG-Y file is fised； (b) After Cutting error of SEG-Y file is fixed.

2.3 位置校正結果

位置校正結果如表1所示，投放點和坐底點坐標繪于圖中.可以看到，6個POBS在下沉過程中發生了不同程度的偏移，偏移距離在190～650 m之間(圖5).由于工區范圍較大，且POBS是在不同時間投放，海流等因素可能會隨著時間和空間變化(Du et al., 2018)，故它們的漂移距離和方向各不相同；裁截誤差修復使直達水波到時準確，同相軸平滑，與理論同相軸吻合好，RMS值也非常小.

圖5 POBS投放、回收以及位置校正結果Fig.5 Deployment, recovery and relocation results of POBSs

表1 POBS位置校正結果及參數表Table 1 Relocation results of POBSs and parameters

3 位置校正精度分析

3.1 裁截誤差的影響

裁截誤差的出現使SEG-Y剖面上每一炮的水波到時出現誤差，進一步地，造成了直達水波震相的拾取誤差.這些誤差正負相間，從最終結果看，它的出現對反演位置影響不大，6個站位的位置變化在1～6 m之間.值得注意的是，未修復前RMS值均在6 ms左右，與已有結果類似(陳瀚等, 2019)，修復后RMS值顯著變小，在2 ms左右(表2).

表2 未修復裁截誤差與修復后RMS、位置對比Table 2 Comparison of RMS and location before and after fixing cutting error of SEG-Y file

為了更好地評估裁截誤差修復前后RMS值的變化，以POBS05臺站為例，以最終反演點為中心，25 m為半徑，計算該范圍內一系列點的RMS值，繪出RMS平面圖.可以看到，RMS等值線呈現同心橢圓狀(圖6).裁截誤差修復后，RMS剖面的變化反映了求取的坐底位置更加精確，主要體現在3個方面：(1)相同位置處，RMS值顯著減小；(2)反演點附近RMS等值線更為密集；(3)RMS值最小處位置稍有變化.

圖6 POBS05臺站RMS平面分布對比圖 (a) 裁截誤差修復前; (b) 修復后.本圖采用UTM坐標系，投影帶為54；紅色三角形標出POBS05位置.Fig.6 Comparison between RMS distribution of POBS05 (a) Before cutting error of SEG-Y file is fixed； (b) After cutting error of SEG-Y file is fixed. UTM coordinate system is adopted with projection zone 54. The red triangle marks the location of POBS05.

3.2 正常時差校正震相對比和敏感度測試

與折合后觀察地震剖面對稱性的方式(陳瀚等, 2019)不同，正常時差校正(NMO)后平面位置的不準確表現為同相軸的傾斜：若臺站位置沿測線正方向偏離(相對臺站真實位置，以其北、東側為正)，水平直線會順時針傾斜.校正前后如圖7所示，在位置校正前，NMO處理使同相軸呈一條傾斜的直線；選取反演得到臺站位置進行NMO后，觀測系統正確加載，時距曲線變為水平直線，零偏移距處的空白帶，表明臺站不在測線正下方，臺站到測線有一定的距離.

圖7 POBS08臺站正常時差校正結果對比圖 (a) 圖為位置校正前； (b) 圖為位置校正后.Fig.7 Comparison of NMO results of POBS08 (a) Before relocation； (b) After relocation.

為了進一步驗證臺站平面位置的準確性，本文將每一臺站沿2條測線移動±10 m，觀察正常時差校正(NMO)后同相軸的變化，這里選取2個臺站展示：對于萬米深度的POBS05臺站，處于校正后位置時，直達水波呈一條水平直線，將臺站位置沿測線移動10 m后，同相軸出現明顯傾斜，并且，沿著測線兩個不同方向平移臺站，水平直線左右傾斜幅度也是相似的(圖8c、d)；POBS04臺站由于水深最淺，傾斜更為明顯(圖8a、b).其他臺站也得到類似結果.

3.3 陡峭地形導致的折射震相

本次實驗的POBS04和POBS07臺站的南北向地震剖面情況特殊，折射震相出現在3 km內偏移距，本文將其解釋為海溝區域陡峭復雜地形的影響：入射角大于臨界角時，地震剖面上會出現折射震相，因其速度較快表現為初至震相.與海底界面水平時相比，坡度較大時坡向相反一側入射角更大，進而導致折射震相在更近偏移距出現.

圖9a、d分別為POBS04、POBS07出現折射震相測線下方的海底地形.POBS04臺站位于陡峭的海溝內坡上，是6個臺站中所處地形坡度最大的，坡度角達11.5°；POBS07臺站位于海溝外坡一個正斷層上，臺站附近地形陡峭.在POBS04臺站，偏移距大于3 km時，折射震相很快與直達水波震相分開，成為初至(圖9e).在POBS07臺站，折射震相不及POBS04臺站明顯，在偏移距小于-3 km的地方，可以看到折射震相到時僅比直達水波震相稍早(圖9b、c).

折射震相下方直達水波震相稍有變化，進行NMO處理后顯示，折射震相下方的直達水波到時略晚(圖9c、f).其中POBS07臺站更為明顯(圖9c)，推測是因為POBS07臺站地震剖面上，折射、直達水波震相到時較接近，直達水波震相受到折射震相干擾較大.而在POBS04臺站，放炮測線下方地形陡峭，直達水波震相和折射震相很快分開，直達水波震相到時受到干擾較小.本文拾取了少量折射震相下方的直達水波震相，最終結果仍然可以反映10 m的位置變化(圖8a)，且RMS值無顯著增加(表1).

圖8 位置校正精度測試圖 將POBS位置沿測線兩個方向變化10 m，導致NMO后同相軸的傾斜：(a)、(b)、(c)、(d)圖分別對應POBS04、 POBS05臺站的兩條測線，頂部數字表示臺站移動距離(相對于校正后位置)，黑色為水平直線.Fig.8 Accuracy tests of relocation results The location of POBSis changed by 10 m in two directions along the survey line, causing the event to tilt after NMO. (a), (b), (c) and (d) correspond to two lines of POBS04 and POBS05, respectively. The top number indicates station′s move distance relative to relocated position. Black line is horizontal straight line.

圖9 海底地形和折射震相分析 (a)、(d) POBS07、POBS04臺站附近地形圖和射線路徑；(b)、(e) POBS07、POBS04臺站記錄的地震剖面圖；(c)、(f) NMO處理后的地震剖面圖.(b)、(e)、(c)、(f)中，紅色點標出直達水波震相，綠色點標出折射震相；(c)、(f)中藍色箭頭標出受到折射震相影響 的直達水波震相.Fig.9 Analysis of refraction phase and seafloor topography (a) and (d) Topography near POBS04 and POBS07 with ray paths； (b) and (e) Seismic profiles recorded by POBS04 and POBS07； (c) and (f) Seismic profiles after NMO processing. In (b), (e), (c) and (f), direct water waves are marked with red dots, and refraction phases are marked with green dots. In (c) and (f), direct water waves affected by refraction phases are marked with blue arrows.

4 討論

4.1 裁截誤差和折射震相的影響

本文在前人位置校正工作基礎上，還考慮了裁截誤差和折射震相的影響.

與陳瀚等(2019)的工作相比，本文在位置校正前，修復了POBS較低采樣率帶來的裁截誤差問題.該誤差的存在使直達水波震相呈現鋸齒狀，采用線性內插重采樣方式使直達水波震相平滑.十字放炮的觀測系統類似于一個浮標式長基線系統(陳瀚等, 2019；江南等, 2004; 王婧琦, 2019)，裁截誤差修復使拾取到的直達水波震相更準確，相當于減小了測時誤差.因裁截誤差對直達水波對稱性影響很小，所以裁截誤差修復前后反演得到臺站位置變化不大，但走時殘差RMS值顯著減小，增加了結果的可靠性；另一方面，走時殘差RMS等值線更密集，對微小的位置變化更為敏感，定位精度得到提高.

前人研究雖采用類似觀測系統進行過臺站的位置校正，但僅在海斗深淵最深處(陳瀚等, 2019).本文布設POBS臺站的工區范圍較大，難免受到海溝區域復雜陡峭地形影響，出現折射震相.折射震相雖然對其下方直達水波震相到時影響不大，但如果是POBS07臺站的情況，即二者到時接近，難以分辨，可能會將折射震相錯誤拾取為直達水波震相，破壞了直達水波的對稱性，進而對位置校正結果產生較大影響.POBS07臺站地震剖面上，折射震相和直達水波震相到時差在3 km偏移距時約50 ms，在大于4 km偏移距可達100 ms，正常時差的存在使同相軸呈雙曲線，這個差異在原始地震剖面上難以察覺(圖9b).由于兩種震相同相軸形態的差異，NMO處理后，二者顯著分開，有利于正確識別、拾取直達水波震相(圖9c).

4.2 時間校正量和水波速度

時間校正量(tpick_adjust)和水波速度(v)是直達水波擬合過程中的兩個重要參數，參數的選取會影響震相的擬合，體現在RMS值的變化.雖然二者不會對最終反演位置造成很大影響(二者均不影響直達水波對稱性)，但是時間校正量(tpick_adjust)可以約束地震剖面時間的準確性，平均水波速度(v)是臺站所在海域的重要水聲學參數.

直達水波震相是人為拾取的，只能保證人工拾取的同相軸形態基本準確，同相軸可能存在整體到時誤差，其來源多種多樣，包括臺站自身的時鐘漂移、標定出錯、數據丟失，或人工拾取誤差、水波相位選取等.多波束數據是更為確定的信息，即使在萬米深度，幾組多波束數據與CTD測量結果相差僅20～60 m.因此，楊富東等(2020)在高精度多波束數據控制下，利用直達水波走時進行位置校正，實現走時殘差RMS最小，從而獲得了全局最優的校正位置、水波速度(v)和時間校正量(tpick_adjust).時間校正量(tpick_adjust)反映的是，在校正位置、水波速度(v)和多波束水深數據耦合下，理論震相和人為拾取震相之間的微小誤差.

本文處理的6個被動源站位中，POBS04的時間標定非常特殊，經過仔細分析和多方驗證，發現氣槍信號到時整體提前了約35 s，這么大的時間校正量無法用位置校正程序中的tpick_adjust參數來調整，我們采用的方法是在數據裁截處理前，在SAC格式數據里就進行了35 s的初步時間校正.

本文還對比分析了位置校正中獲得水波速度(v)與其所在位置水深的關系，結果發現，POBS03、POBS04兩個臺站水深最淺，水波速度也最小，在1520 m·s-1以下；POBS01、POBS07、POBS08號臺站在6000～7000 m左右，反演水速為1520～1530 m·s-1；POBS05號臺站水深超過10000 m，反演得到水速最大，為1540 m·s-1，呈現水波速度隨水深增大而變大的特征.物理海洋學研究表明，在水深較深區域，水速和水深成正比(張寶華和趙梅, 2013)，進一步證實了本文位置校正過程中獲得的水波速度(v)及其他參數的準確性.

4.3 NMO驗證校正結果

前人常用折合后觀察直達水波同相軸對稱性來檢驗位置校正結果(陳瀚等, 2019；楊富東等, 2020；張莉等, 2013)，但是折合處理通常用于觀察折射震相.NMO處理常用于分析直達水波和反射震相，可以同時驗證平面位置、水速(v)、時間校正量(tpick_adjust)的合理性：在三個參數均合理情況下，直達水波同相軸以雙曲線形式被校正為水平直線(徐云霞等, 2018).若位置信息不合理，水平直線會發生傾斜；水速(v)、時間校正量(tpick_adjust)不合理時，會出現校正過量或校正不足，直達水波同相軸會在剖面兩側同時向上或向下發生彎曲.

在水速、時間校正量合理情況下(此時直達水波同相軸呈直線)，NMO可以反映細微的位置變化，對大偏移距的情況尤其明顯：敏感度測試顯示，進行NMO處理后，10 m的平面位置變動即可在較遠偏移距(>3 km)觀察到水平直線的傾斜.與前人工作相比，NMO的方法驗證了十字放炮法具有更高的定位精度.

5 結論

本航次投放回收的POBS記錄到良好天然地震數據，十字定位法確定了臺站精確坐底位置，為揭示海斗深淵區域的深部構造特征奠定了基礎.除此之外，該方法還可推廣到主動源、微震探測中，這些情況下臺站和震源距離很近，臺站的精確位置對于準確圈定油氣藏位置、獲取精細地殼結構、揭示海底火山的巖漿通道等尤為重要.

這是十字定位法在深淵區域的另一次成功實驗，確定了更高的精度，提高了定位可靠性，同時進一步說明，大容量氣槍結合海底地震儀進行直達水波走時反演，是確定水下儀器精確位置的可靠方式.本文得到以下幾點認識和結論：

(1)利用臺站上方十字測線的氣槍數據，完成了被動源海底地震儀(POBS)的精確定位，POBS下沉過程中，偏移方向各不相同，偏移距離190～650 m.

(2)裁截誤差幾乎不會影響直達水波對稱性，所以對位置校正的結果影響不大，但使直達水波同相軸更平滑，顯著降低了擬合的RMS值，提高了定位精度，結果更為可靠.

(3)海斗深淵坡折區地形陡峭復雜，導致地震剖面上大于3 km偏移距出現折射震相，影響定位精度，采用NMO處理可以幫助準確識別、拾取直達水波震相.

(4)采用NMO的方法，驗證十字放炮進行位置校正的精度可達10 m.相較于折合后觀察對稱性的方法，NMO還可以推斷水速(v)和時間校正量(tpick_adjust)的合理性.

致謝感謝中科院深淵科考隊在航次中的辛苦工作，以及“探索一號”、“實驗3號”船長與全體船員的努力和配合.數據采集處理和成文過程中，得到趙明輝、黃海波、賀恩遠、王筍、王強、張昌榕等老師以及林江南同學的幫助指導，王元老師全程負責POBS的投放和回收，匿名審稿專家給予了寶貴的意見和建議，在此表示感謝！