被动源海底地震仪数据预处理技术构建与应用

被动源海底地震仪(OBS)探测是海洋深部结构研究的重要方法之一.受投放区洋流、海底地形崎岖,以及海底温压环境等多种因素影响,OBS数据预处理面临时钟漂移,姿态及水平方位角偏差等问题.本文基于国产OBS硬件结构特点与其观测数据特性,针对仪器姿态校正、时间校正和水平方位角校正三个关键环节构建技术解决方案.通过硬件架构特征构建仪器姿态校正方案;结合仪器记录的石英晶振特点和背景噪声互相关方法提出时间校正技术;基于最小化P波切向分量能量和P波主成分分析两个技术方法进行水平方位角校正.上述预处理技术体系在苏拉威西海域被动源OBS数据预处理中取得了良好的应用效果,综合背景噪声水平与地震信号的时频分析结果,表明该预处理技术能有效提高被动源OBS观测数据质量,为进一步的科学研究奠定坚实基础.     

基于稀疏反演的OBS数据多次波压制方法

自由表面多次波压制是海底地震仪（Ocean Bottom Seismometer,OBS）数据处理和成像中的难点,OBS数据多次波能量强,周期长,严重影响深层一次反射波的处理和成像.不同于常规拖缆观测系统,OBS数据站点一般相隔较远,仅仅利用检波点稀疏的波场信息难以压制OBS数据中的自由表面多次波.本文采用拖缆数据与OBS数据联合,利用稀疏反演估计（Estimation of Primaries and Multiples by Sparse Inversion,EPSI）方法,研究了OBS数据自由表面多次波压制理论,分析了OBS多次波产生的机理,详细推导了拖缆数据与OBS数据联合预测OBS多次波的EPSI方法基本原理.通过利用拖缆数据的信息,实现了OBS检波点稀疏数据多次波的压制问题.EPSI方法通过稀疏反演直接估计一次反射波,避免了SRME（Surface Related Multiple Elimination）方法中自适应相减对有效信号的损害,保真了一次反射有效信号,理论模拟OBS数据验证了方法的有效性.     

西南印度洋中脊三维地震探测中炮点与海底地震仪的位置校正

在海上实施三维地震探测过程中,人工震源枪阵中心与船上GPS的距离及地震探测作业中的船行方向造成炮点实际位置与预设位置有一定偏差;自由落体投放的OBS由于海流的影响会偏离原定设计位置(投放点),因此,炮点与海底地震仪(OBS)的位置校正是三维地震结构研究中的基本环节.本文利用艏向信息校正了炮点位置;采用蒙特卡洛和最小二乘法方法对海底地震仪的位置进行了校正,并探讨了直达水波曲线特征.结果表明 OBS位置一般偏离设计点1 km左右,其误差范围在20 m以内,校正后的OBS记录剖面展示了真实的记录情况.该研究结果为下一步西南印度洋的三维层析成像研究提供了坚实数据基础,同时为今后南海的三维深部地壳结构探测提供经验与借鉴.     

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.     

海底地震仪的信号传递效果和噪声水平

单球式海底地震仪（以下简称OBS）由于其成本低、操作简便的优点在天然地震研究、人工地震探测中获得了广泛应用.本文首先分析多型进口和国产OBS在台湾海峡西部采集的地震数据,发现同一台OBS上的垂直向速度检波器（Z分量）的信噪比常显著低于压力检波器（H分量）,由于这两种检波器记录的都是海底的垂向振动信号,推测速度检波器的低信噪比更多的与仪器特性有关.然后从信号传递和噪声水平两方面分析影响速度检波器信噪比的因素：为检测速度检波器与OBS壳体的耦合效果,对某型宽频带OBS和陆上地震仪进行了同址同步观测试验,发现OBS的整机灵敏度有较大的差异;为分析速度检波器的水底噪声特征,以H分量记录作为基准,对比分析了同一台仪器不同站位的Z分量噪声水平,发现速度检波器在浅海区受到较大的次生干扰.本文指出OBS的内部耦合和水流次生干扰是至今尚未引起大家重视而又严重影响资料品质和多波探测成效的两个关键问题,这一研究结果对于改进OBS结构设计和制造工艺,以及OBS数据多分量处理方法研究有重要的参考意义.     

新的自浮式海底地震仪

为了研究近海区域的微震,我们设计了一种新的自浮式(或沉浮式)海底地震仪(OBS).该OBS系统有一个外径为57 cm的用高强度铝合金制作的球形容器,内装一台垂直向和一台水平向检波器,在深达6000里的海底可以安全地进行地震观测。被放大的地震信号和时间编码直接记录在四道盒式磁带上,记录时间达一个月,记录和回放系统的频率响应在1-15 Hz的频率内(-3 dB)是平的。锚的释放和检波器的锁紧通过水声指示信号操作。到目前为止,我们的OBS系统已在海上投放了42次,它们都被安全地回收了。地震资料己经为与沿俯冲带和扩展海岭的构造学有关的若干过程提供了地震学的证据(例:Eguchi等,1986)。     

南海巴士海峡三维OBS探测的异常数据恢复

为了探明南海东北部马尼拉俯冲带北段的地壳结构属性,2016年4—6月,"实验2"号科考船执行基金委共享航次,在巴士海峡区域实施三维海底地震仪（OBS）深地震探测实验.实验总共投放48台国产便携式OBS,最终回收41台,放炮测线长2300 km,有效放炮10800次,获得了宝贵的第一手数据资料.但初步处理显示,新研发的25台OBS数据异常,未能识别有效震相,给后续计算模拟带来极大困难.为此,本文对异常数据进行了深入分析,通过数据格式检查、导航放炮时间查对、相邻台站信号对比、外部时间和内部时间分析等手段,发现数据异常的原因是采样间隔发生了变化,由设置的4.0 ms变为实际的4.5 ms,导致内部时间出错,无法正确裁截和对齐震相.新版仪器为节能优化,调低了CPU主频,导致在较高采样率情况下,实际采样间隔比预设要长,这是造成数据异常的主要原因.通过修正采样间隔和数据重采样的方法,我们成功恢复了异常数据,获得了清晰的地震剖面.此项研究不仅挽救了宝贵的地震数据,为下一步地壳结构研究提供数据基础,而且提升了国家基金委共享航次的科学意义,可为今后国产仪器的研发和使用提供重要参考.     

未知OBS水平方位的SKS分裂参数测量

宽频带海底地震仪(OBS)探测是研究海底深部结构最有效的地球物理方法,其中SKS分裂参数测量已被广泛应用于上地幔各向异性的研究.传统的SKS分裂参数测量需要知道确切的OBS水平分量方位,然而OBS的投放过程是自由式的,其两个水平分量在海底的方位是不确定的.本文通过SKS快慢波的运动学特性,发展了一种在未知OBS水平分量方位的情况下直接求取SKS分裂参数的方法,分别用合成地震图和实际观测到的远震资料对该方法进行了数值检验,表明其是一种有效的获得SKS分裂参数的方法,而且相比于传统的先确定OBS水平分量方位,再进行SKS分裂的方法,此方法能够同时获得SKS分裂参数和OBS水平分量方位,应用简便,且减少了累积误差,获得的SKS分裂参数可靠性更高.     

三维OBS探测实验中炮点和OBS位置校正新方法

炮点和海底地震仪(ocean bottom seismometer,OBS)位置校正是三维地震数据处理的基本环节,也是获取高精度三维速度结构的关键所在.本文基于南海洋陆转换带(Continental-Oceanic-Transition zone,COT)IODP367/368钻探区开展的三维OBS深地震探测数据,开展了炮点及OBS位置校正研究,新的校正方法主要体现在三个方面:(1)利用连续三个炮点的平均航向对中间炮点进行位置校正,更真实地反映气枪枪阵与船体之间的软连接状态;(2)根据"滑动窗口"思想将海水声学速度阈值划分成N等份,通过循环测试获得全局最优的OBS位置校正结果,改进了前人方法只能获得局部最优解的问题;(3)针对单条测线穿过的OBS,通过加入其临近测线的直达水波走时,构成视双测线OBS位置校正法,提高了校正精度.49台OBS位置校正结果表明,除3台单测线法校正的OBS在垂直测线方向存在较大不确定性外,其余误差范围均为35m左右.本文改进的OBS位置校正方法,不仅提高了单条测线穿过的OBS位置校正精度,保证后续三维地震结构研究的可靠性,而且为今后类似的OBS位置校正提供了经验和借鉴.     

基于稀疏表达的OBS去噪方法

海底地震仪（OBS）采集数据的去噪处理是开展OBS震相分析及后续处理反演的基础.本文结合曲波（Curvelet）变换及压缩感知提出一种稀疏化表达的OBS去噪方法,并通过与小波变化对比等探讨去噪效果.曲波变换具有抛物尺度及识别线性异常的优点,可以稀疏地表示OBS数据,再结合压缩感知思想对稀疏表达OBS数据进行去噪处理和重构.通过对变换后的系数进行基于L₁范数的冷却阈值迭代滤波,获得最优的变换系数,本文指出基于曲波变换的冷却阈值迭代法能够很好地对OBS数据去噪.对比小波和曲波两种变换在相同迭代次数下对理论模型数据进行去噪处理,表明曲波变换得到的结果信噪比更高.利用本文方法对渤海地区采集的OBS数据进行去噪处理获得了更加清晰连续的震相,噪声压制效果更明显,为震相拾取及后续速度模型反演奠定了良好的基础.     

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) ...     

海底地震仪远震记录接收函数反演——以南海西南次海盆为例

由于海底环境和海底地震仪(OBS)结构的特殊性,用OBS远震记录进行接收函数岩石圈反演研究因为存在一定的困难,所以还很少见.在深入分析问题的基础上,以国产I-4C型宽频带OBS在南海西南次海盆记录的天然地震为实例,我们将傅里叶变换和小波变换相结合以压制海底地震仪记录中的非平稳干扰,获得了信噪比较高、震相清晰的地震记录,进而成功开展了远震记录的岩石圈结构接收函数反演.主要结论是:(1)OBS接收函数的求取是可行的,关键是压制非平稳干扰.(2)西南次海盆的Moho面埋深为海底下10~12km(地壳厚6~8km),沉积物厚度为1~2km,浅部地壳存在低速区,与沉积物和海底扩张停止后的岩浆喷发产生的岩石碎屑和裂隙有关.(3)在扩张脊中央Moho面上方6~12km存在S波低速区,推测扩张中心可能存在下地壳熔融或岩浆房,在17~30km区间S波速度呈负梯度,我们认为扩张中心更深的地方存在热物质的供给.     

Using 4C OBS to reveal the distribution and velocity attributes of gas hydrates at the northern continental slope of South China Sea

To investigate the distribution and velocity attributes of gas hydrates in the northern continental slope of South China Sea, Guangzhou Marine Geological Survey conducted four-component (4C) ocean-bottom seismometer (OBS) surveys. A case study is presented to show the results of acquiring and processing OBS data for detecting gas hydrates. Key processing steps such as repositioning, reorientation, PZ summation, and mirror imaging are discussed. Repositioning and reorientation find the correct location and direction of nodes. PZ summation matches P- and Z-components and sums them to separate upgoing and downgoing waves. Upgoing waves are used in conventional imaging, whereas downgoing waves are used in mirror imaging. Mirror imaging uses the energy of the receiver ghost reflection to improve the illumination of shallow structures, where gas hydrates and the associated bottom-simulating reflections (BSRs) are located. We developed a new method of velocity analysis using mirror imaging. The proposed method is based on velocity scanning and iterative prestack time migration. The final imaging results are promising. When combined with the derived velocity field, we can characterize the BSR and shallow structures; hence, we conclude that using 4C OBS can reveal the distribution and velocity attributes of gas hydrates.     

Sensitive Ion‐Flotation Separation of Ag(I) Traces Using 2‐(2‐Methoxyphenyl)benzimidazole before Flame Atomic Absorption Spectrometric Determination in Water

A sensitive, reliable, and environmentally friendly method for simple separation and preconcentration of Ag(I) traces in aqueous samples is presented prior to their flame atomic absorption spectrometric determinations. At pH 7.0, Ag(I) was separated with 2‐(2‐methoxyphenyl)benzimidazole (MPBI) as a new complexing agent and floated after adding sodium dodecyl sulfate (SDS) as a foaming reagent. The floated layer was then dissolved in proper amount of concentrated nitric acid in methanol and introduced to the flame atomic absorption spectrometer (FAAS). The effects of pH, concentration of MPBI, type and amount of surfactant as the floating agent, type and amount of eluting agent, and influence of foreign ions on the recovery of the analyte ion were investigated. Also, using a nonlinear curve fitting method, the formation constant of 1.62 × 10⁶ was obtained for Ag(I)–MPBI complex. The analytical curve was linear in the range of 1.8 × 10^?7–1.7 × 10^?6 mol/L for determination of Ag(I). The relative standard deviation (RSD; N = 10) corresponding to 0.7 × 10^?6 mol/L of Ag(I), the limit of detection (10 blanks), and the enrichment factor were obtained as 1.7%, 2.9 × 10^?8 mol/L, and 43.0, respectively. The proposed procedure was then applied successfully for determination of silver ions in different water samples.     

Monitoring the effects of disposal of fine sediments from maintenance dredging on suspended particulate matter concentration in the Belgian nearshore area (southern North Sea)

The impact of continuous disposal of fine-grained sediments from maintenance dredging works on the suspended particulate matter concentration in a shallow nearshore turbidity maximum was investigated during dredging experiment (port of Zeebrugge, southern North Sea). Before, during and after the experiment monitoring of SPM concentration using OBS and ADV altimetry was carried out at a location 5 km west of the disposal site. A statistical analysis, based on the concept of populations and sub-sampling, was applied to evaluate the effect. The data revealed that the SPM concentration near the bed was on average more than two times higher during the dredging experiment. The disposed material was mainly transported in the benthic layer and resulted in a long-term increase of SPM concentration and formation of fluid mud layers. The study shows that SPM concentration can be used as an indicator of environmental changes if representative time series are available.     

海底地震仪浅海广角探测的数据特征与噪声组合压制——以南黄海OBS2016测线为例

2016年6月在南黄海海域实施了海底地震仪(OBS)的二维深地震探测.本文详细分析了在该次地震探测中获得的浅水水域OBS数据的特征,提出了噪声的组合压制方法.研究表明,浅海水域的OBS数据在系统时间、能量及子波等方面存在明显差异,海底多次波干扰严重、有效频段中陷波问题突出,原始台站记录信噪比低、品质差、大炮检距的有效震相难以识别和拾取.本文提出的噪声组合压制处理技术与流程,主要由基于统计子波反褶积的子波整形、基于多项式插值的t-x域线性噪声压制和采用自动搜索的海底多次波压制等三部分组成.净化处理之后,反射/折射震相的波组特征清晰,信噪比得到有效改善与较大提高,可识别震相的范围较常规处理平均扩大60%以上.本文完善了浅水区OBS数据处理的步骤与流程,将为后续地壳结构研究提供可靠的基础数据,可更好的服务于地壳深地震及油气资源的探测.     

Modelling the non‐linear hydrological behaviour of a small Mediterranean forested catchment

A progressive perceptual understanding approach was used to identify a model structure able to represent the non‐linear behaviour of the hydrological cycle in a small intermittent Mediterranean stream. The initial lumped model structure consisting of a series of four connected water tanks (LU3) progressed to a model with five tanks (LU4), and finally to a semidistributed model structure (SD4) in which spatial variability of the evapotranspiration according to the vegetation cover and to the local aspect was considered. In the final model structure, which gave the best fit (Nash–Sutcliffe efficiency index = 0·78), an additional tank representing the riparian zone was included (SD4‐R). Results showed that the abrupt changes of the riparian water table during summer and the formation of a perched water table during the transition from dry to wet conditions were the main mechanisms leading to the non‐linear hydrological behaviour. The transpiration process from the saturated zone and the spatial variability of evapotranspiration resulted in key factors successfully representing the annual water balance. The spatial and temporal validations carried out for each of the four model structures considered in this study supported the hypothesis adopted during the calibration process. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.