西沙地块地壳结构及其构造属性

西沙地块作为在南海形成演化过程中形成的微陆块,记录了南海演化历史的重要信息,其地壳结构、物质组成及构造属性是探讨南海形成演化的关键.基于采集到的OBS2013-3测线海底地震仪数据,用射线追踪和正演走时拟合方法,获得了西沙地块的二维纵波速度模型.模型显示沉积层速度为2.2~3.2 km·s-1,厚度为0.8~3.0 km,局部基底面起伏较大,上地壳顶部速度为5.0~5.5 km·s-1,下地壳底部速度为6.9 km·s-1,上地幔顶部速度为8.0 km·s-1.西沙地块的地壳厚度平均为23 km,上地壳厚度约为9 km,下地壳厚度约为14 km,莫霍面埋深为23~27 km.从穿过西沙地块的纵、横两条大剖面推算,块体大小约为9.2×105 km3,与华南陆缘相比,表现为整体减薄的陆壳特征.西沙地块与南沙地块垂直于西南次海盆扩张脊分布,根据二者地壳结构的特征对比,二者互为共轭关系.     

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.     

反射横波的震相分析

本文从实际的观测资料及理论计算给出了Si_1、Si_2的走时曲线。Si_1是地表面和莫霍界面上各反射一次的横波;Si_2为地表面反射一次和莫霍界面反射二次的横波。文中分析了它们在地震图上出现的特点以及它们对实际分图工作的影响.     

国产海底地震仪研制现状及其在海底结构探测中的应用

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。     

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.     

南黄海OBS数据转换横波分析及其地质意义

多分量地震勘探在减小地球物理反演问题多解性的同时提供了更丰富的地下信息,可以从量化的意义上真正实现岩性勘探.由于地壳结构的复杂性及转换横波的特殊性,南黄海地壳结构研究中基本未涉及横波.本文使用南黄海OBS数据,在不同剖面上对比分析纵横波走时、视速度以及质点运动轨迹,基于纵波理论模型对转换横波震相进行射线追踪和走时试算,识别并拟合了来自不同地层的转换横波震相.研究表明,北部坳陷中主要发生了PPS转换,转换界面为陆相沉积层底界面.千里岩隆起区除了发生转换界面为陆相沉积底界面的PPS转换还有转换界面为海底的PSS转换.断层活动引起岩石破碎,高波速比特征的断层边界为胶莱盆地在海上部分的边界圈定再添证据.千里岩地区高速地层成分含有花岗岩,其纵横波速比为1.67~1.68;推测北部坳陷中的海相沉积北-南地层不同,依次为碳酸盐岩及砂岩两类地层.

     

复杂地质结构OBS地震剖面震相识别方法

震相识别对获取深部速度结构至关重要.横穿加瓜海脊的T1测线东段,地形高差达3 km,沉积厚度相差约2 km,沉积基底变化复杂,对海底地震仪（OBS）地震剖面的震相识别增加了难度.本文以该测线东段OBS数据为例,采用地形校正、基底校正、多次波识别、正演模拟、走时投影等多种手段,开展了复杂构造的OBS震相识别研究,获得了测线下方深部速度结构模型.结果表明,采用的方法对复杂地质结构下OBS震相识别是行之有效的,相比传统的方法提供了更多且准确的震相走时信息,获得的速度模型更加可靠.     

海底地震仪对海上地震定位精度的提升作用——以南澳外海域M_L2.8级地震为例

由于海底地震台站的缺乏,如何提高海域地震定位的精度是目前地震学家面临的问题之一。南海北部陆缘作为板内地震的活跃带,其微震活动在华南沿海和近海海域频发,海上由于未布设相应的地震台网,因此对近海海域地震尤其是微震的定位精度极低。利用2012年南海东北部海陆地震联测期间两台海底地震仪(Ocean Bottom Seismographs,OBS)所记录到的南澳外海域发生的ML2.8级地震为例,对比分析OBS数据加入前后对地震定位结果的影响。这是首次在南海北部陆缘利用OBS联合陆上地震台网对天然地震进行定位的对比研究,结果说明了近海海域OBS的布设将会对我国沿海地震定位精度的提升、地震活动性的特征以及海域断裂构造的研究具有极其重要的意义。     

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.     

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.     

南海中北部陆缘横波速度结构及其构造意义

纵横波联合勘探可以得到更多关于岩石圈层岩性、物性等介质属性方面的信息,有效提高地壳物质组成的约束性.在纵波速度结构模型的基础上,通过射线追踪和走时拟合对OBS2006-3地震剖面径向分量的转换震相进行了横波速度结构模拟.结果表明:沉积层1、沉积层2的横波速度分别为0.7~0.9 km/s和1.6~1.7 km/s,波速比由2.64~3.16变化到2.41左右,较高的波速比表明沉积层固结程度不高;中生代沉积层横波速度由浅部的2.6 km/s增大到3.0 km/s,波速比为1.74~1.80;地壳中波速比为1.74~1.82,表明该剖面地壳为陆壳性质;下地壳高速层的横波速度为4.0~4.2 km/s,纵横波速比为1.73~1.78,揭示高速层的物质组成为铁镁质的基性岩,推断其与海底扩张停止之后的岩浆底侵作用有关.     

噪声HVSR法在OBS探测中的应用——以珠江口外海OBS台阵为例

噪声谱比法(horizontal-to-vertical spectral ratio, HVSR)通常用于确定沉积层的厚度, 而应用于海底地震仪(OBS)以获取海底沉积厚度的研究较少.本文将HVSR法应用于珠江口外海域OBS台阵中, 验证了该方法用于OBS探测中的可靠性.通过对珠江口外海27台OBS收集的三分量地震噪声记录进行处理, 得到了所有台站的HVSR曲线.有23台OBS的HVSR曲线可获取与沉积层厚度相关的峰值频率, 通过经验公式可以计算得到沉积层厚度.结果显示, 珠江口外海域沉积层(新生代地层)厚度范围为100~3500 m, 研究区东南部沉积层远厚于西北部, 且沉积厚度受到NEE向滨海断裂带控制.本文获得的结果与以往依靠反射地震剖面和钻井等获得的沉积层厚度结果基本一致.进一步分析发现研究区新生代地层具有多层结构, 大部分HVSR曲线在5~12 Hz存在振幅最大的波峰, 认为是与第四系厚度相关的峰值频率, 继而确定第四系厚度为20~50 m.本研究拓展了HVSR法的应用领域, 为获取海底沉积层厚度提供了一种新的可靠方法.

     

基于背景噪声互相关技术的雅浦俯冲带海底地震仪时间校正

由于电磁波无法在水中传播,导致海底地震仪(OBS)与全球定位系统(GPS)无法进行实时对钟,因此会产生一定的时钟漂移.而受船时、海况等影响,被动源OBS在回收后往往电量亏损,致使设备回收时并没有完成对钟,无法直接利用对钟前后的时钟漂移量进行线性校正.本文选取中国科学院海洋研究所2016—2017年间在雅浦俯冲带进行的长周期被动源OBS实验所获得的数据,利用背景噪声互相关方法对OBS进行了时间校正.结果发现,各OBS在经过一年左右时间的布放后,时钟漂移量在1～3 s之间,且基本呈线性趋势,将该结果平均分配到每天从而完成线性校正.另外,探讨了时钟的非线性漂移、误差源、参考台站的选取等因素对时钟准确度的影响,为OBS的数据处理进行了有益的探索.     

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.     

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.