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.     

国产海底地震仪研制现状及其在海底结构探测中的应用

简要概括了国产主动源海底地震仪（OBS）数据处理中常见的时间异常现象,以OBS2020-1测线的实际处理为主并结合了OBS处理中对数据异常校正取得的部分进展为实例,通过检查数据记录格式、计算相邻数据文件间的时间差、对比不同处理方法所得剖面、分析初始时间和采样时间是否异常、使用数据重采样等手段,对OBS时间异常问题进行了分类处理和校正。分析显示,国产OBS在数据记录中普遍存在的时间问题大部分均能解决,通过本文提供的方法可以避免处理不当所导致的OBS地震剖面出现同相轴“断阶”、“倾斜”,甚至“缺失”等现象,确保了有效震相的完整性,有效解决了OBS数据时间异常问题,提高了数据的质量和利用率,为后续开展走时层析成像奠定了良好的基础,并为今后主动源OBS数据处理流程和方法提供了借鉴。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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.

     

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。     

基于OBS数据的南黄海沉积地层速度结构特征

南黄海盆地是在前古生代变质基底及中-古生代海相沉积基底之上发育起来的中-新生代陆相叠合盆地.本文基于南黄海深部地学探测的主动源地震数据（OBS2013测线）,通过多尺度层析成像方法利用初至波走时反演得到测线下方沉积层的纵波速度结构,结合多道地震、重、磁等资料,综合分析南黄海盆地北部沉积地层的特征.结果表明,OBS2013测线下方的地层纵、横向上有多个速度分界面,纵向上以印支面为界,下部挤压与上部伸展地层速度分别呈现高、低速特征;横向上表现为众多断裂,断裂控制了盆地发育,个别断裂发生走滑.断裂将速度剖面划分为四个纵波低速区和五个高速区,6 km深度以内纵波速度的低值区（< 4.5 km·s^-1）是中-新生代沉积地层;而高值区（>5 km·s^-1）归属于不同的形成机制：北部高速区对应千里岩隆起区的变质岩,中部高速区是被挤压的海相沉积地层,南部高速区属于中部隆起,为埋藏较浅、但厚度较大的中、古生代海相地层,部分位置可能含有火成岩.北部坳陷的中、南部区域,在陆相中-新生代沉积盆地之下的海相地层中发育砂岩,该区域（埋深不超过6 km）的砂岩沉积分布于约2 km厚度的地层中.

     

海底地震观测的非接触连接器设计及试验

为了将有缆式海底地震仪连接到海底观测网,以便向地震仪提供电能并传输数据,提出一种非接触式水下连接器设计,并对该设计进行功能验证。非接触式连接器利用电磁耦合原理,采用特殊电磁线圈传输电能和信号,通过控制电能和信号传输的频谱分布来避免二者传输时的相互干扰。实验给出连接器的电磁线圈设计以及硬件电路设计,并通过实验测试来验证设计的正确性及可靠性。     

南海西南次海盆与南沙地块的OBS探测和地壳结构

跨越南海西南次海盆南部陆缘和南沙地块中部的OBS973-1测线是南海南部首次采集的海底地震仪(OBS)广角反射与折射深地震测线,本文通过震相分析和走时正演拟合,获得了沿测线的二维纵波速度结构模型.模拟结果显示表层沉积物速度2.5~4.5 km/s,厚度1000~3000 m,局部基底面起伏较大.结晶基底的速度从顶部的4.5~5.5 km/s增加到地壳底部的6.8~6.9 km/s,中地壳有一个小的速度不连续面(0.1~0.2 km/s),而地壳底部的莫霍面有较大的速度反差(1.2 km/s),上地幔顶部的速度为8.0~8.1 km/s.莫霍面埋深和地壳厚度在测线的北段和南段有很大的不同,在测线北段的海盆区,莫霍面埋深约11 km,结晶地壳的厚度仅为5~6 km,表现为典型洋壳的特征,而在测线南段的陆块区,莫霍面埋深最大达24 km,地壳厚度可达20 km,表现为减薄陆壳的特征,从海盆区到陆块区莫霍面埋深和地壳厚度迅速增加.陆块区上下地壳的厚度和变化趋势相似,下地壳没有看到高速层(HVL),可能说明地壳内部是以纯剪拉张的均匀减薄为主,地壳下部的岩浆底侵不发育.对比OBS973-2和OBS973-3测线的结构模型,可以推测南沙地块的中部和东部具有相似的构造性质,西南次海盆两侧是一对非火山型的不对称共轭陆缘.     

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.     

基于相邻虚拟道叠加的超虚折射干涉法及其在广角OBS折射波增强中的应用

广角地震的远偏移距折射初至含有地下深层的信息,提高远偏移距折射波信噪比能够有效提高初至拾取精度,对于深部结构的层析速度建模十分有利.超虚折射干涉法基于干涉原理对远道折射波进行增强,它在炮点和检波点都非常密集的情况下效果较好.然而,在应用于台站间距较大且环境噪声较强的广角海底地震仪（OBS）观测时,该方法对折射波的增强能力不足,而且容易产生虚假波形,造成增强后的折射波信噪比仍然较低.针对这种情况,本文提出基于相邻虚拟道叠加的超虚折射干涉法,通过叠加相邻虚拟道来提高远道与近道互相关的准确度,以达到稳定增强远道折射波信噪比的目的.理论实验和实际资料测试均显示,基于相邻虚拟道叠加的超虚折射干涉法在台站间距较大和信噪比较低的情况下能够准确构建虚拟道,且增强后的波形同相轴连续程度和信噪比均较高,有利于拾取高精度的折射初至到时.本文方法也可用于增强陆上炮间距较大的广角地震数据折射波.

     

OBS广角地震探测中二次反射Pg震相特征及在地壳结构成像中的作用

在海底地震仪（OBS,Ocean Bottom Seismometer）广角地震探测中,经常可以见到能量很强、连续性很好的多次波震相,但对于如何确定这些多次波的属性以及怎样充分利用它们来约束地下的结构特征,至今还缺乏详细的研究.本文利用南海北部已获取的OBS探测数据,对与地壳折射Pg震相近乎平行并紧随其后的二次反射Pg震相进行了系统分析研究,发现在实测OBS地震记录剖面上,二次反射Pg震相具有连续、清晰、可追踪偏移距较远（约60 km以上）等特点,其地震波形和粒子运动轨迹与初至Pg震相相似,但二次反射Pg震相波形最大振幅值和粒子震动能量明显比初至Pg震相大.通过理论模型模拟以及对实测地震剖面三种不同反射层路径的走时计算,确定了二次反射Pg震相主要来自沉积层的反射.在此基础上,对二次反射Pg震相在地壳结构成像中的作用进行分析,发现加入二次反射Pg震相前后,由于反射震相的增加,沉积层界面的约束程度得到极大的提高;另外,通过对理论模型和实测剖面OBS2010地壳结构进行加入二次反射Pg震相前后的分辨率测试,结果发现加入二次反射Pg震相数据后,由于射线密度的增加,沉积层和上地壳结构的成像分辨率有显著改善.     

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.

     

Microseismicity around rupture area of the 1944 Tonankai earthquake from ocean bottom seismograph observations

Along the Nankai trough, southwestern Japan, the Philippine Sea plate (PSP) is subducting beneath the Eurasian plate, and large interplate earthquakes have occurred repeatedly with a recurrence interval of about 100-200 years. The most recent large thrust event in the eastern Nankai trough off Kii Peninsula was the 1944 Tonankai earthquake. In this region, current seismicity is very low and hypocenters are not determined accurately by the land seismic network. We conducted microseismicity observations around the rupture area of the 1944 Tonankai earthquake using ocean bottom seismographs (OBSs). Hypocenters were determined using a 2-D seismic velocity structure model based on an airgun-OBS seismic survey. Results obtained show that the seismicity was relatively active near the trough axis. These earthquakes may relate to deformation of the subducting Philippine Sea plate. On the other hand, microseismicity in the rupture area of the 1944 Tonankai earthquake was very low. This low-level seismic activity in the co-seismic rupture area of the 1944 Tonankai earthquake likely relates to a single large asperity off Kii Peninsula.