宽频带海底地震仪的研制

为填补我国海洋地震监测和海洋地震研究的空白,获得对海洋地震多发区域的监测能力,特此进行宽频带海底地震仪的研制.本文详细介绍了宽频带海底地震仪的设计目标、基本工作原理、组成结构及性能技术指标和研制过程.此外,还介绍了宽频带海底地震仪在中国南海东北部海域应用实例的实验结果,展示了宽频带海底地震仪在3000m海底所记录到的数据资料.     

HS1海底数字地震仪

HS1海底数字地震仪是为探测海洋地壳深部构造而研制的,由主机数字化测震系统及附属的投放和回收装置组成。经微机测试,主要性能指标为:输入端噪声电压0.1μV·rms;动态范围119dB;A/D和,D/A12位;通频带0.2—25Hz;线性优于1％;谐波失真<％;串音<-119dB;时间服务准确到0.01s;等待功耗1.1W;记录功耗3.3W。能同时输出模拟和数字信号,便于送微机预处理。本文着重介绍该机的组成和工作原理,并给出了海上实验获得的地震剖面图。     

HS1海底数字地震仪

HS1海底数字地震仪是为探测海洋地壳深部构造而研制的,由主机数字化测震系统及附属的投放和回收装置组成。经微机测试,主要性能指标为:输入端噪声电压0.1μV·rms;动态范围119dB;A/D和,D/A12位;通频带0.2-25Hz;线性优于1％;谐波失真<％;串音<-119dB;时间服务准确到0.01s;等待功耗1.1W;记录功耗3.3W。能同时输出模拟和数字信号,便于送微机预处理。本文着重介绍该机的组成和工作原理,并给出了海上实验获得的地震剖面图。     

数字地震仪的发展历史及展望

地震仪经历了光点，模拟和数字的变化，数字地震仪本身由16位发展到24位，其附属设备（电缆，检波器）也是到了不同程度的发展。近年来，I／O等公司利用MEMS技术研制了新型地震检波器，这一新的发展对于地震采集尤其是多分量采集带来重要影响。     

国产海底地震仪研制现状及其在海底结构探测中的应用

海底地震仪(Ocean Bottom Seismographs,OBS)及由其组成的海底流动地震观测台阵是近年来发展起来的高新技术,在油气探测、科学研究、防灾减灾等方面有广泛的用途,是地球物理仪器与探测技术发展中的一个新增长点.本文介绍了由中国科学院地质与地球物理研究所研制成功的宽频带、7通道海底地震仪((I-7C)OBS)的性能、指标以及关键技术的实现.同时,介绍了(I-7C)OBS近年来在渤海、南海以及西南印度洋的5次海上试验与应用的结果.5次应用试验中均有国外同类型的一起参加,(I-7C)OBS在性能指标、回收率和数据质量等方面都有较好的表现.2010年以来,国产OBS在我国各海区经过上百台次的海上作业(超过半数工作水深在2000 m以上),仅丢失一台.仪器回收率超过98%,数据完整率超过95%.一些航次的首席科学家认为我国国产OBS已经达到国际先进水平.     

由海底地震仪观测揭示的大区域地震活动激活现象

鉴于高频地震波在海洋地区传播非常有效，因而海底地震仪使我们得以观测到大陆边缘或岛弧广阔地域的地震活动性，由此我们观测到了地跨数百公里广阔区域内时间持续几十分钟至几天的地震活动激活现象，观测到的最显著事件有关岛和马里亚纳的塞班岛附近，其在非常广阔区域上的激活现象几乎同时开始于１９７６年１月２４日，并持续了数天，大多数地震很小，最大的地震为４．４级（ＩＳＣ），然而这次活动的地区覆盖了几乎数百公里宽度，     

海底地震仪实用技术探讨

海底地震仪(OBS)广角地震探测技术已广泛应用于研究边缘海和大洋深部构造,与多道地震相比,其优势主要在于OBS通常使用4个分量,可以记录转换剪切波(S波);另外,在作业时还可以同时记录到天然地震.但对于不同科学目标(如洋陆过渡带或拆离断层)和不同工区(2D剖面或3D工区),其野外数据采集、室内数据处理、模型正反演及其误差分析都有差异且较为复杂,规范这个过程十分重要.本文根据多年的实际经验,结合2010年西南印度洋中脊开展的OBS地震试验的某测线数据采集、处理和模型正反演过程,详细介绍了OBS地震调查的海上作业(仪器投放,炸测和仪器回收)、数据处理(炮点和OBS位置校正,钟漂校正和滤波技术)、建模反演(RayInvr正演模型和阻尼最小二乘法反演)和模型分析评价(误差统计,模型分辨率和不确定性测试)的方法和流程,并总结了提高OBS回收率、数据处理、震相识别、2D与3D工区模型参数化、确定模型分辨率及其不确定性的实用技巧.     

基于eCos的海底地震仪嵌入式软件系统

针对海底地震仪在文件存储,数据通信等方面的观测要求,在海底地震仪的研制中引入了eCos（Embedded Configurable Operating System）系统,开发了基于该系统的具有数据采集、文件存储、仪器状态控制、网络数据通信、无线通信等功能的海底地震仪控制软件.本文在对海底地震仪的系统结构和工作模式作简要说明的基础上,重点介绍了eCos系统构建过程,海底地震仪控制软件的结构,指出该软件系统可有效地提高海底地震仪观测系统运行的稳定性和可靠性.     

南海海底地震仪异常数据的分析和处理

海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer, OBS)数据处理至关重要,是获取深部地壳结构的基础与前提.2006年实施OBS2006-2测线时,有2台OBS(OBS03,OBS06)数据出现异常,无法使用.由于海上航次花费巨大,采集到的数据弥足珍贵.本文采用数据格式检查、邻近台站对比分析、重采样等方法,成功地对这2台OBS数据进行了解编处理,得到了这两个台站的综合地震记录剖面;利用上述方法对2011年实施的OBS973-3测线中的异常台站OBS03进行了分析处理,同样得到了OBS03台站的综合地震剖面;通过查看两次海上实验班报发现,OBS2006-2测线之OBS06与OBS973-3测线之OBS03内部Sedis编号相同,为同一台记录仪器,再一次验证上述处理方法正确可行;然后对OBS2006-2测线2个台站进行震相识别与走时拾取后,利用前人纵波速度模型开展了射线追踪与走时模拟.此次对异常OBS数据的重新处理工作,不仅为OBS探测提供了宝贵的数据处理经验,而且将提高OBS2006-2测线地壳结构的可靠性和约束性,具有重要的研究意义.     

海底地震仪数据处理方法及其在海洋油气资源探测中的发展趋势

海底地震仪(Ocean Bottom Seismograph,OBS)技术是近年发展起来的主要用于海洋地震监测、海底结构调查和海洋油气资源勘探的地球物理技术,其发展前景与OBS仪器本身的发展及OBS数据处理技术的进展息息相关.目前,OBS数据处理主要采用广角地震测深数据处理方法,辅以天然地震层析成像技术,并最终反演深部速度结构.本文简要概括了OBS的发展历程;并以2010年和2011年渤海海陆联测中两条OBS测线的实际数据处理以及部分学者在OBS数据处理中所取得的进展为实例详细介绍了OBS数据处理流程中的频谱分析及其应用,环境噪音分析,增益、带通滤波和反褶积等常规处理,时间校正,震相拾取及反演处理;对OBS在海洋油气资源探测中的应用情况和发展趋势进行了讨论.通过频谱分析发现气枪信号优势频带范围为3～15Hz,OBS垂直分量近偏移距频谱能客观反映OBS与海底的耦合情况;通过噪音分析发现OBS记录的噪音强度与水深和偏移距成反比,并与海底沉积环境密切相关.OBS数据处理方法与平台建设任重道远,也是OBS技术更早进入油气资源探测领域的关键环节之一,应进行深入研究.     

海底地震仪自噪声分析

海底地震仪是海上观测天然地震的主要手段,仪器所记录到的噪声分为环境噪声和仪器噪声。本文利用2018年9月3日—2019年7月1日期间浯屿岛海底地震观测台所采集到的数据,对海洋环境下的强震型海底地震采集站和宽频带海底地震采集站进行仪器自噪声分析,利用两道互相关模型,采用加窗平均周期图法计算功率谱,通过1/3倍频程积分作平滑处理,得到仪器自噪声功率谱密度图。对比分析相同型号仪器的自噪声功率谱,发现相同仪器的自噪声变化趋势一致,但自噪声大小有差异,且这种差异对于不同仪器、相同仪器的不同分量也存在不同。     

用陆地台和海底地震仪联合台阵监测台湾东部的地震

用陆地台和海底地震仪监测了1985年6月12日在台湾东部近海发生的3次中强地震的余震。由海－陆联合台阵定位的余震震源，勾画出破裂面走向为北东，向东南陡倾。该结果与3次主震的断层面解完全一致。综合这些结果表明，破裂机制为右旋走滑型的。所研究的地震序列发生于活动的消减带背后，可用菲律宾板块与欧亚板块之间沿台湾正东的海沟强烈斜向会聚引起的弧前“碎裂板块”(Slive Plate)运动予以解释。     

基于实时数据传输的宽频海底地震仪

介绍了由中国科学院地质与地球物理研究所自主研发的基于实时数据传输的宽频海底地震仪.其在继承了原有沉浮式OBS体积小、重量轻、宽频带等优点的基础上,具有接口灵活、时钟精准、监测数据可靠实传、系统健壮可自恢复、在线升级的特点.仪器可作为各种海底观测台网的子节点并可单独使用,为实现对海底地震监测、海啸预警等长期观测提供有力支持,从而达到对其进行长期评估和实时预警的目的.     

分体式宽频带海底地震仪的研制、测试和数据质量分析

基于水平分量和垂直分量噪声数据之间的相关性,可以通过水平到垂直分量的传递函数去除垂直分量的倾斜噪声。本文以2019—2020年磐鲲海底地震仪南海测试的数据为例,描述了该方法的原理和过程,并对比了去除倾斜噪声前后的地震波形以及瑞雷波的频散特征。结果表明：倾斜噪声的去除明显提高了海底地震仪的低频段地震波形的信噪比,使得地震面波更有利于海洋岩石圈深部结构成像;此外,尽管磐鲲海底地震仪的调平系统使地震计的倾角（1.0°）远小于其容倾角（2.5°）,在底流作用下,海底地震仪还是产生了明显的倾斜噪声。因此,地震仪调平系统的性能对海底地震仪的数据质量有着非常重要的影响。     

流动地震仪检测钻头振动信号的现场试验

钻井过程中钻头对井底的冲击振动为钻头前方地层的探测提供了震源,可用来消除钻井过程中的地质不确定性和降低钻井风险.本研究在分析井下钻头振动信号特点的基础上,根据现代地震观测技术的新发展,将多道勘探地震仪和流动数字地震仪的性能进行了对比分析,将天然地震的观测设备和分析方法应用到随钻地震检测中,提出了一套新的随钻地震检测方案,利用高灵敏度流动数字地震仪连续检测钻井过程中的钻头振动信号,初步现场试验表明该技术方案可行,获得的信号信噪比高,易于钻井工程师掌握,为随钻地震技术提供了新的技术路线.     

分体式宽频带海底地震仪的研制、测试和数据质量分析

宽频带海底地震仪（OBS）是进行海洋岩石圈结构成像等地震学基础研究的核心仪器设备.本文介绍了南方科技大学自行研制的分体式宽频带OBS（命名为磐鲲）的设计特点及其在南海深海区的测试状况;并对于设备性能和数据质量进行了细致分析.除了分体式结构以外,磐鲲还具有独特的抗底流设计、地震计自动分离装置、宽频带地震计（100 Hz~120 s）、以及低功耗和长工作时间等特点.与2012年在南海进行的地震观测实验中的OBS设备相比,磐鲲在回收率、水平方位确定、调平装置以及时钟精度等OBS设备的基本性能方面都有了明显的提高;更为重要的是,得益于独特的抗底流结构,磐鲲记录的地震波形质量有了较大改善,尤其是水平分量,达到了与附近陆地台站相近的数据质量,而低频成分（>10 s）的噪声水平低于国际同类OBS.这些分析说明磐鲲记录的数据可以实现绝大多数地震学研究目标,包括应用于接收函数和各向异性等需要使用三分量地震数据的常用方法.此外,其数据的宽频带特征,尤其是较高质量的低频信号（如长周期面波的频散特征和低频体波的有限频效应）,将更有利于研究海洋岩石圈和上地幔的深部结构和过程.

     

南海西南次海盆北缘海底地震仪测线深部地壳结构研究

基于2009年和2011年采集的海底地震仪数据,辅以多道地震数据,对南海西南次海盆北缘的地壳结构进行了探索.利用二维射线追踪的反演方法建立测线上的模型.利用声学基底面的反射波,下地壳顶界面的反射波和莫霍面的反射波走时的反演勾绘了地层中的不连续界面,利用自声学基底面下的折射波和来自上地幔的首波来反演整条测线的P波速度结构...     

宽频带海底地震仪的地震重定位对马尼拉俯冲板片形态的约束

将宽频带OBS用于海底天然地震长期观测,在国内尚处于实验阶段.2015年在马尼拉俯冲带北段开展了为期6个月的宽频带海底天然地震观测试验.根据回收的1台海底地震仪（OBS04）与国际地震台网的718台陆地地震台站,共记录到7562个P波走时和5002个S波走时数据,利用Hyposat地震定位方法,对马尼拉俯冲带北部（119°E—123°E,19°N—22°N）在2015年8月至2016年2月期间的264个地震进行了重定位.地震重定位的结果及定位误差分析表明,在海域布设的OBS04台站让地震观测的空间分布更为合理,提高了地震定位精度;重定位后的震中分布更为集中,与地质构造吻合良好;浅部的地震活动较为活跃,分布密集,与浅部断层发育有关;重定位后的4条震源深度投影剖面,从不同角度较好地约束了俯冲板片上边界的板片形态,板片倾角在浅部0~30 km区间约为10°~22°,随着深度的增加,俯冲板片逐渐变陡,在深度120~180 km处倾角约为41°~58°.该项研究为马尼拉俯冲带北段的板片形态提供了重要约束,而且为今后长期天然地震观测提供了重要而宝贵的经验与借鉴.