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.

     

国产海底地震仪的时间记录与原始数据精细校正

海底地震仪（OBS）的时间记录对数据处理是至关重要的.实践发现,部分国产便携式OBS的数据记录存在较大的内部时间误差,并且实测地震剖面异常的同相轴"断阶"、"倾斜"现象时有发生.我们通过自激自收试验,对这些异常现象进行了验证,确认其来源于OBS数据文件内部时间漂移,以及数据处理程序存在的缺陷.统计表明,A、B型OBS内部时间漂移量在250 Hz的预设采样率下为0~40 ms,L、S型OBS在100 Hz下为0~90 ms.这个量级的时间漂移,会对OBS数据处理、计算模拟产生影响.进一步,我们采用计算实际采样间隔、调整采样间隔、数据重采样的方法,对这种误差进行校正,并且改进了相关的OBS数据处理程序.本文的研究加深了对OBS数据时间记录误差的认识,得到了OBS数据文件内部时间漂移的分布规律,使得中等及较大程度的内部时间漂移的精细校正得到重视,进而完善了OBS数据处理步骤和流程,对OBS数据的有效利用进行了重要补充,为国产OBS的广泛使用、仪器研发提供了重要参考.     

西沙地块海底地震仪转换横波的数据处理与震相识别

主动源海底地震仪（OBS）转换横波震相的分析和模拟,能够从泊松比的角度更准确地约束地下结构和物质组成,有助于地壳精细结构和构造属性的研究.本文对南海北部陆缘西沙地块的OBS2013-3测线进行了转换横波数据处理和分析,通过能量扫描法求取极化角,并对OBS水平分量数据进行旋转,获取了径向分量数据.结合本测线的地质情况,求解佐布里兹（Zoeppritz）方程,得到了不同转换模式的能量分配关系,定量地指示了沉积基底和海底面为主导的P-S转换界面,Moho面为次一级转换界面.在OBS2013-3测线的各个台站径向分量地震剖面上识别出了一系列PPS和PSS型转换震相,最大偏移距达到130km,并进行了初步的正演模拟试算和验证.结合本测线实际情况,对OBS转换横波研究的基础问题进行了探讨.这些工作为后续的二维横波速度结构和泊松比结构模拟、物质组成和地壳属性分析打下了坚实的基础,为研究方法的进一步完善提供思路.

     

中沙海域的广角与多道地震探测

由于浅滩和暗礁广布,中沙海域（环礁区）长期以来处在南海地震探测的空白区域.为了揭示该区域的地壳结构及地层-构造特征,进而全面刻画南海陆缘新生代伸展过程,我们首次在中沙及其邻近海域完成了1条广角地震测线OBS2017-2和4条多道地震测线的数据采集.对得到的海底地震仪（OBS）数据进行了格式转换、位置校正等初步处理,识别了来自地壳深部的震相并对中沙环礁地壳结构进行了正演模拟;对穿过中沙环礁的多道地震剖面进行了地层-构造解释,共划分出6套地层.OBS2017-2测线处理结果显示,其数据质量良好,深部震相清晰,且位于环礁内的台站震相延伸较长,可达100 km以上.中沙环礁地壳性质为轻微减薄的坚硬大陆块体,厚度约为25 km左右.多道地震剖面显示,环礁之上沉积层厚度较薄,除环礁西南部存在一条基底断裂——"排洪-美溪断裂"外,基本不存在其他构造-岩浆活动.而在环礁坡脚周缘,有广泛的岩浆侵入和喷出体的存在.中沙环礁上较薄的上地壳厚度和沉积特征指示了该区域可能在古新世时期经历的强烈暴露剥蚀作用.中沙海域最新开展的广角和多道地震探测填补了南海地质地球物理研究的空白,为解读该区的构造-沉积演化提供了数据基础.     

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.

     

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

伍德拉克裂谷位于巴布亚新几内亚东南部,是发育在澳大利亚板块和西南太平洋板块碰撞带中的年轻大陆裂谷,为研究汇聚构造背景下裂谷起始演化的地壳结构提供了理想场所。伍德拉克裂谷海域地区海水层的存在使得获取高质量地震数据成为难题,而数据主要通过海底地震仪（ocean bottom seismograph,缩写为OBS）获取。OBS的布放一般是自由下落式,其地震计的北向水平分量方位与地理北向通常不一致,这使得利用三分量波形数据获取的反演结果产生了较大误差甚至失效,例如接收函数方法。为确定伍德拉克裂谷地区OBS水平分量的方位偏转角度,本文同时引入纵波和瑞雷面波偏振分析方法进行方位校正,并利用校正后的三分量波形数据开展接收函数研究,进而约束该裂谷海域地区的地壳结构。结果分析表明,OBS方位校正后,其获得的可用接收函数波形数量显著增多,并且利用纵波偏振分析校正后的数据处理获得了更加合理的地壳结构。基于在该裂谷地区获得的地壳构造结果,基里比斯盆地和裂谷扩张轴所在的古迪纳夫盆地呈现对比鲜明的地壳结构特征：古迪纳夫盆地的地壳厚度朝着裂谷扩张轴处减薄,其平均值为（33.3±2.42） km;基里比斯盆地的地壳厚度更薄,平均值为（24.1±5.44） km。此外,研究区域内所有OBS处均观测到了较高的地壳纵横波速比值,这可能是巴布亚超镁铁质岩体富集和古俯冲残片脱水熔融共同作用的结果。     

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10~12 km(地壳厚6~8 km),沉积物厚度为1~2 km,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6~12 km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17~30 km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.     

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.     

海底广角地震剖面反演方法对比——以南海礼乐滩OBS剖面为例

广角地震测线（OBS973-2）位于南海南部陆缘,其地壳深部构造是研究南海共轭扩张及形成演化的直接证据之一.本文采用2D射线追踪技术,结合与之重合的多道地震测线（NH973-2）时深转换结果,对OBS973-2测线重新进行了正、反演研究,得到了礼乐滩及邻近海区的精细地壳结构.与前人结果相比,本文基于正反演速度模型,把测线分为陆壳区（0~200 km）、洋陆过渡区（200~280 km）和洋盆区（280~370 km）.地壳结构在不同区域差异明显,陆壳区沉积层厚度横向差异大,且速度横向不均匀,地壳整体厚度大（约20 km）,有横向速度差;洋陆过渡区速度和厚度横向均匀,地壳减薄（约8 km）;洋壳区地壳厚度减薄至6 km.与以往研究相比,新的认识集中在两个方面,（1）在方法上,综合广角地震和多道地震数据,借助正演和反演方法,能够得到更多更可靠的地壳结构信息.（2）在地壳结构上,结合广角地震与多道地震,得到洋陆过渡区莫霍面向海减薄的形态及其埋深（约12~18 km,海平面为0 km）;进一步验证礼乐滩区域在洋陆过渡区没有明显的高速层,为非火山型陆缘,其共轭扩张点为中沙地块;陆壳区上地壳强烈的拉张作用在速度模型表现出横向速度异常和低速区,在多道地震剖面上表现为大量10~20 km的正断层.     

2012年苏门答腊北部海域8.6级地震对中国地震活动的影响

2012年4月11日在苏门答腊北部海域发生了MW8.6和MW8.2强烈地震(图1).该地震位于印度板块和澳大利亚板块之间俯冲带的走滑断裂上,两次地震震中分别位于俯冲带东南方向100 km和200 km.由于地震震中远离陆地,因此未造成较大破坏.     

线缆式海底地震观测技术——以浯屿岛海底地震观测台为例

地球科学研究的新型观测平台——线缆式海底地震观测台（网）,是一种基于海底光电复合缆的光电传输技术,将传统的陆地地震观测台站向海区延伸、弥补海区地震观测台站的不足,实现实时、长期连续观测地球内部过程的新技术,目前已成为海洋科学的创新性研究平台,相关的技术方法也有了突飞猛进的进步.2018年,我国研发建设的"福建近海海底地震观测台",在前人探索研究的基础上,突破了线缆式海底地震观测台（网）关键技术,实现数据实时传输功能,具备进入地震行业网的能力.经过超过三个月的试运行检验,证实了系统的稳定性和可靠性.本文详细介绍了福建浯屿岛海底地震台（网）研发的关键技术与建设流程、关键技术环节相关规范和检测结果.地震采集数据结果表明,浯屿岛海底地震观测台实现了数据实时流服务,并可接入中国地震局JOPENS系统,数据实时传输正常,并自动存储实时波形数据;试运行期间以实际99%以上的高运行率,达到了国家测震台网管理规定的优秀标准.研发结果可为我国今后的海底地震观测台（网）建设提供重要参考指标与经验借鉴.     

浅层结构不确定性对广角地震走时正演模拟结果的影响——以西沙地块OBS2011-1测线为例

海洋地球物理勘探中常使用多道地震数据建立浅部地层模型,结合海底地震仪广角地震数据进行射线追踪和走时反演求取地层速度特征.受采集环境和成本限制,部分海底地震仪测线缺少同步采集的多道地震数据,建立的初始模型其浅层结构有较大不确定性,可能会对正演模拟结果造成严重影响.本研究针对海底地震仪广角地震走时模拟中浅部结构的不确定性因素,使用RayInvr软件构建了理论模型和走时数据体,分析讨论了初始模型沉积层厚度与速度变化对正演模拟结果的影响.之后进行实测数据处理,在MCS2019-3测线数据的约束下建立初始模型,对OBS2011-1测线震相重新进行了走时拟合,将得到的模型结果与先前结果进行对比,得到以下结论：沉积层厚度及速度不确定性对走时模拟结果的浅部结构影响较大,深部结构影响较小;使用错误的速度与基底深度组合来拟合沉积层反射震相PsP,会使台站下方的地壳和地幔折射震相Pg和Pn,以及莫霍面反射震相PmP都出现走时小起伏,走时提前对应沉积层速度与厚度偏大,走时延后对应沉积层速度与厚度偏小;PsP震相缺失时,不同的速度-深度组合都可以很好地拟合震相,但会增加结果的不确定性.

     

基于背景噪声经验格林函数的地震准确定位精度分析——以2008年甘肃武都地震为例

准确的震源位置能够为抗震减灾工作和地球内部结构研究提供关键信息.在震中附近观测台网密集且方位角覆盖良好的情况下,通过拟合多个台站P波、S波的观测到时,能够得到准确的震源位置.而在台网稀疏的地区,由于缺少可靠的三维速度结构模型,往往造成较大的地震定位误差.近年来发展了基于背景噪声经验格林函数（EGFs）对地震波形进行校正的重定位方法,能够有效地压制路径上复杂速度结构体的影响,提高了地震定位精度,为稀疏台网情形下地震准确定位研究提供了一个新思路.本文选取由InSAR观测到准确位置的2008年甘肃武都M_S5.5地震作为测试案例,对稀疏台网下基于背景噪声格林函数地震准确震中测定方法进行了定量评估.利用震中附近多个流动台分别作为参考台,提取其与固定台站之间的背景噪声格林函数（EGFs）,然后使用噪声Rayleigh面波格林函数对地震波形进行校正,重定位武都地震震中,并与真实震中位置进行对比.结果表明：使用距离震中30 km以内的参考台,利用10~30 s频段的面波走时信息,噪声叠加时长为一个月,定位精度在5 km以内;当噪声叠加时间一年以上,重定位精度优于1 km.本文进一步针对缺少近台以及台网更加稀疏的情况进行了测试,发现使用10个左右固定台进行重定位,基于较高质量的噪声EGFs频散数据,定位结果精度可达3 km,从而给出了该方法的高精度定位所需的固定台网及参考台站的观测指标体系.

     

基于流固耦合统一计算框架的三维大规模海域场地地震反应分析?以东京湾为例

海域场地地震响应分析是确定海洋工程结构抗震设计地震动输入的重要环节。然而,针对海水、饱和土、基岩之间的流固耦合分析,目前一般通过对3种介质方程进行离散,然后整体求解或分区耦合求解的方式进行,过程复杂而低效。因此,大规模海域场地地震反应分析仍是一个挑战性问题。本文基于流固耦合统一计算框架求解海域近场波动问题,采用透射边界模拟无限域,通过将海水和基岩视为孔隙率分别等于1和0的广义饱和多孔介质,使得海水、饱和土、基岩之间的相互耦合可在统一计算框架中实现,避免不同介质求解器之间的数据交换。采用集中质量显式有限元并行计算,不同进程之间采用MPI进行数据交换,提高计算效率;采用逐元技术,按单元类别存储单元刚度,大大节省了内存,便于大规模计算。通过自编程,输入界面高程数据和材料参数,实现建模-自由场-三维地震动模拟全流程自动化。以东京湾为例,使用该方法和程序在超级计算机上模拟SV波垂直入射时的地震响应,证实了该方法用于三维大规模海域地震波场模拟的高效性和可行性。