水下節點地震儀在陸地主動源探測中的應用＊

孫點峰 王亞紅 秦滿忠 鄒 銳 萬文琦 王志棟

（甘肅省地震局，甘肅蘭州 730000）

0 引言

利用主動源重復探測技術，在強震多發的研究區域開展地震前后結構變化的實證性研究[1]，有望成為地震科技創新的重要突破點。利用高性能人工震源主動探測地殼介質物性變化已成為探索地震預報新途徑的一個重要發展方向。

利用主動源觀測地下介質波速變化[2]，就是利用主動源激發的重復性，在正確獲取主動源激發的精確時刻后，對主動源觀測臺站記錄的波形進行截取，然后對截取的波形進行濾波、去勢等處理，利用相關方法得到一定時間內的波速變化[3]。因此，正確獲取主動源激發的精確時刻是非常重要的。如何準確記錄主動源激發時刻是亟待解決的問題，為此借鑒海上人工地震（主動源）勘探經驗[4]，在劉家峽主動源試驗場開展了水下節點地震儀觀測系統的布設與觀測。

本文結合劉家峽主動源水下節點地震儀的安裝應用，著重論述了水下節點地震儀在劉家峽主動源實驗場的安裝調試、數據收集和初步分析。

1 劉家峽主動源簡介

劉家峽主動源位于永靖縣峴塬鎮，距永靖縣城15 km。監測區域位于鄂爾多斯、青藏塊體和阿拉善塊體等大陸活動塊體交匯區域（圖1）。在該區域內曾發生過1927 年古浪8.0 級地震、1920 年海原8.5 級地震、1654 年天水南8.0 級地震和1879 年武都南8.0 級地震等多次歷史強震。震源激發點年平均水深為29 m 左右，水面寬約5 km，是開展主動源重復探測實驗的理想場地。激發系統主要包括水上激發平臺、水上工作平臺（圖2）、供電系統、供氣系統和輔助用房等[5]。2020 年10 月成功實現首次實驗激發，至今已連續運行兩年多，開展激發試驗120 余次，有效激發10 000 余槍，積累了大量觀測數據。

圖1 劉家峽主動源位置圖Fig.1 Location of active source in Liujiaxia

圖2 水上激發平臺、水上工作平臺圖Fig.2 Diagram of water excitation platform and water working platform

對距離激發點約600 m 的岸邊架設的陸上參考臺記錄的一次激發數據進行頻譜分析（圖3），結果表明劉家峽主動源激發信號優勢頻率在3～8 Hz，這一結果與前人計算結果一致。以首次激發為參考，其他激發信號與首次激發信號做相關性分析（圖4），可以看出劉家峽氣槍震源一致性較高。

圖4 氣槍震源激發信號相關系數Fig.4 Correlation coefficient of air-gun source excitation signal

2 儀器概況及安裝

2.1 水下節點地震儀概況

水下節點地震儀觀測系統由水下節點地震儀、線纜、數據采集器、GNSS 授時器、路由器、智能電源等組成。

本文所使用的TDO-74 海底節點地震儀是由珠海市泰德企業有限公司自主研發的新一代三分向地震儀[6]。系統采用了高性能、低功耗的RISC 處理器/DSP 器件、高可靠性的實時操作系統（RTOS）、24位ADC 器件。該數據采集在符合中國數字地震觀測網絡（區域測震設備）要求的基礎上，具有以下特點： ① 采用國際上最新推出的24 位ADC 器件，相對于上一代采集器，具有動態范圍更大，諧波總失真（THD）更小等特點，從而為系統的高性能提供了保障； ② 采用高集成度、低功耗設計模式，具有大容量電子硬盤（TF 卡）實現數據存儲、具備USB 存儲高速數據下載接口和USB 實時數據接收接口，通訊、配置、數據讀取靈活方便； ③ 內置18650 鋰電池，容量高達450 Wh，續航能力約40 天，也可通過220VAC市電電源適配器供電和充電、內置完善充電電路，最大充電功率達25 W。圖5 左側為水下地震計，右側為數據采集器及智能電源。

圖5 水下節點地震儀、智能電源與數據采集器Fig.5 Underwater node seismograph，intelligent power supply and data collector

2.2 儀器安裝調試

為了記錄信號清晰準確，水下節點地震儀的安裝位置應在距離激發震源較近的位置，且水下節點地震儀安裝傾角在10°范圍內。通過對激發點周邊靜態水深進行測量（表1），完成儀器投放位置水底坡度計算。通過測量安裝范圍內水深（測量點的分布如圖6），得出浮臺AM一側水底坡度約為4.564°，浮臺至躉船OU連線水底坡度約為2°，均在10°范圍內。

表1 水位測量結果Table 1 Measurement results of water level

圖6 水位測量點位示意圖Fig.6 Schematic diagram of water level measurement points

本文選擇在O點和U點分別進行水下節點地震儀測試。由于激發點水位年變化幅度在18 m 左右，為避免水位升降、激發產生的漂移、水浪等對儀器的影響，充分預留線纜和固定鋼絲繩。測試正常后，再次檢查確保TDO-74C 各接頭和承重扣連接可靠，并鎖緊后開始投放，在投放點水面平臺或船只上，通過電纜（具有承重性能）緩慢把地震儀下放至水底。儀器投放至水底后，通電接收數據，檢查投放是否發生翻側或倒置。如果發生翻側或倒置，需通過提拉線纜調整，直至投放正常后，保證線纜處于較松弛的狀態下固定好線纜。線纜連接之后進行啟動參數設置，啟動設備。

由于O點距離激發點較近，數據可以清晰記錄氣槍震源激發初動時刻，但由于地震儀投放位置在震源正下方，距離氣槍震源較近，記錄出現限幅。U點距離激發點約150 m，數據可以準確記錄到激發初動時刻，且激發波形記錄清晰（圖7）。

圖7 O 點、U 點垂直向數據對比Fig.7 Comparison of vertical data at point O and point U

3 數據分析

3.1 波形記錄分析

選擇2022 年12 月5 日的一次激發記錄（圖8），水下節點地震儀三分向數據清楚記錄到氣槍震源的激發。以水下節點地震儀記錄首次激發為參考，其他激發信號與首次激發信號做相關性分析（圖9），相關系數均在0.99 以上，部分相關系數在0.995 以上，與陸地地震儀計算結果進行對比，一致性更高。

圖8 水下節點地震儀記錄的激發數據Fig.8 Excitation data recorded by underwater node seismograph

圖9 一致性分析Fig.9 Consistent analysis

對比水下節點地震儀與陸上地震儀記錄波形（圖10）發現以下結果：① 水 下節點地震儀記錄的氣槍震源激發時刻早于陸上地震儀記錄的激發時刻；②陸 上地震儀記錄數據平滑程度較水下節點地震儀高；③ 水 下節點地震儀記錄數據振幅較陸上地震儀大。這一結果與兩臺地震儀距離激發點的距離有關。

圖10 水下節點地震儀和岸邊測震儀器記錄數據對比Fig.10 Comparison of data recorded by underwater node seismograph and shoreside seismograph

3.2 數據分析

對水下節點地震儀在平靜時和激發時的數據分別進行背景噪聲分析和頻譜分析。

環境噪聲是影響測震臺站觀測數據質量的主要因素之一。臺基噪聲水平分析已成為評估地震臺站運行質量的重要技術指標。功率譜密度（PSD）是定量評價地震臺站環境噪聲水平的常規參數。國內外科研人員在背景噪聲方面均有研究[7-12]，1993 年，USGS 發布了Peterson 模型[13]，該模型被廣泛應用于地震臺站環境噪聲水平評價。

對水下節點地震儀平靜時記錄的觀測數據進行背景噪聲分析后發現，噪聲低于NHNM 曲線，各分項背景噪聲值小于-120 dB，與岸邊架設儀器背景噪聲進行比較，水下地震儀記錄噪聲略高于岸邊陸地地震儀的噪聲，這可能與水浪、風以及船舶航行等有關（圖11）。

圖11 背景噪聲分析結果Fig.11 Ambient noise analysis results

許多學者[14-15]對氣槍主動源激發信號進行了分析，本文選取2022 年12 月5 日的一次激發垂直向信號進行頻譜分析（圖12），發現水下地震儀記錄到的氣槍震源激發信號優勢頻率范圍為2～8 Hz，這與前人結果基本一致。水下地震儀計算得出的優勢頻率范圍較岸邊地震儀記錄信號的頻譜分析結果略大，這一結果說明氣槍震源從激發到岸邊地震儀記錄存在一定程度的衰減，證明水下地震儀更能夠精確的反映氣槍震源激發的過程。

圖12 水下地震儀激發信號頻譜分析結果圖Fig.12 Spectrum analysis results of excitation signal of underwater node seismograph

4 討論與結論

水下節點地震儀的安裝使用突破了陸地參考臺記錄的局限。通過對比發現： ① 與陸地地震儀計算結果進行對比，水下節點地震儀記錄的激發信號首槍和其他信號相關系數更高，震源一致性更高； ② 對比水下節點地震儀與陸上地震儀記錄波形，發現水下節點地震儀記錄的氣槍震源激發時刻早于陸上地震儀記錄的激發時刻，陸上地震儀記錄數據平滑程度較水下節點地震儀高，水下節點地震儀記錄數據振幅較陸上地震儀大，這一結果與兩臺地震儀距離激發點的距離有關； ③ 對水下節點地震儀平靜時記錄的觀測數據進行背景噪聲分析，噪聲低于NHNM 曲線，各分項背景噪聲值小于-120 dB，與岸邊架設儀器背景噪聲進行比較，水下地震儀記錄噪聲略高于岸邊陸地地震儀噪聲，這可能與水浪、風以及船舶航行等有關； ④ 水下地震儀計算得出的優勢頻率范圍較岸邊地震儀記錄信號的頻譜分析結果略大，這一結果說明氣槍震源從激發到岸邊地震儀記錄存在一定程度的衰減，證明水下地震儀能夠更精確的反映氣槍震源激發的過程。

通過水下節點地震儀的安裝和數據記錄分析，發現水下節點地震儀因為架設位置的特殊性，記錄氣槍震源激發過程更加全面，記錄信號較岸邊參考臺站記錄數據衰減較小，記錄的激發時刻早于岸邊地震儀記錄激發時刻，記錄更加精準。同時，由于架設點O點出現數據超限，在今后工作中仍然要進一步調整儀器位置，使其在記錄完整激發信號的同時更加接近震源。

水下節點地震儀的安裝為今后開展各項研究工作奠定了硬件基礎，也對氣槍主動源地震監測系統建設和數據處理有一定的參考價值。