海底地震仪实测信号特性分析.pdf

热带海洋学报 JOURNAL OF TROPICAL OCEANOGRAPHY 2012 年 第 31 卷 第 3 期:9096 doi:10.3969/j.issn.1009-5470.2012.03.012 收稿日期:2011-08-15;修订日期:2011-11-15。孙淑杰编辑 基金项目:国家自然基金重点项目(91028006);国家自然科学基金项目(41106053);国家重点基础研究发展计划项目(2007CB411701);国家海洋局第二海洋研究所基本科研业务费专项(JT1101)；国家自然科学基金项目（41176046）作者简介:刘宏扬(1987),男,河南省商丘市人,在读硕士研究生。E-mail:lhy48 通信作者:牛雄伟(1986),男,浙江大学博士研究生。E-mail:nnxxww123*参加西南次海盆海底地震仪海上作业还有中国科学院南海海洋研究所丘学林、朱俊江、黄海波、卫小冬等及台湾海洋大学的科考队员。所用调查船为海洋石油局第一海洋地质调查大队“奋斗 7”号、“勘 407”号及中国科学院南海海洋研究所的“实验 2”号。陆地台站天然地震数据由浙江省地震局钟羽云研究员提供。两位审稿人提出了宝贵意见。特此致谢！海洋地球物理学 海底地震仪实测信号特性分析*刘宏扬1,牛雄伟2,阮爱国1,2,吴振利1,李家彪1,2,潘少军1 1.国家海洋局第二海洋研究所,国家海洋局海底科学重点实验室,浙江 杭州 310012;2.浙江大学地球科学系,浙江 杭州 310027 摘要:置于海底数百米至数千米的海底地震仪(OBS)的实测信号相比陆地地震仪具有不同的特性;由于水的作用或记录信号源频率的不同,短周期 OBS 和宽频带 OBS 记录的信号又有明显的差异。文章对南海西南次海盆地震探测期间记录的人工气枪震源和天然地震实测信号进行了时频分析,结果如下。1)气枪作业后在海底激发两种噪声:一是水的波动不断叠加形成的长波,周期50s左右,以水平分量为主;二是高频噪声,主要是OBS底座细微晃动引起的。2)宽频 OBS 对于水下移动目标激发海底波动具有很好的探测能力,特别是水平分量可以获得大振幅且周期特征清晰的记录,并能够指示方向。3)宽频 OBS 能记录到清晰的天然地震信号,为研究调查区岩石圈结构增添了更多的信息,短周期 OBS 对远震直达 P 波有很好的记录。国产宽频 I-4C 型 OBS 碰巧记录了日本 M9.0 级大震。关键词:海底地震仪;实测信号;短周期;宽频带 中图分类号:P716.83；P315 文献标识码:A 文章编号:1009-5470(2012)03-0090-07 Analysis of seismic signals of ocean bottom seismometer LIU Hong-yang1,NIU Xiong-wei2,RUAN Ai-guo1,2,WU Zhen-li1,LI Jia-biao1,2,PAN Shao-jun1 1.Second Institute of Oceanography,State Oceanic Administration/Key Laboratory of Submarine Geosciences,State Oceanic Administration,Hangzhou 310012,China;2.Department of Earth Sciences,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China Abstract:Seismic signals of ocean bottom seismometer(OBS)on the seafloor hundreds or thousands meters deep are different from those of land seismometer.The records of short-period OBS are also obviously different from those of broad-band OBS due to effects of sea water or signal frequency.This study carried out time-frequency analysis and compared the seismic signals excited by air gun as well as earthquake signals of OBS during a seismic survey in the southwest sub-basin of the South China Sea.The results are as follows.1)Air-gun shooting generated two kinds of noises:one is long-wave noise due to the superposition of water fluctuation,with a period of 50s mainly in the horizontal component;the other is high-frequency noise,mainly due to fin vibration of OBS pedestal itself.2)Broad-band OBS is able to detect the fluctuation caused by moving object under water,especially in the horizontal component whose amplitude is large and whose frequency feature is clear,from which the direction of the signal source can be distinguished.3)During this survey broad-band OBS recorded many high-quality earthquakes that will benefit our study on the lithosphere structure of the survey area,while short-period OBS had also obtained direct P-wave arrivals clearly.The I-4C type OBS happened to record the catastrophe 刘宏扬等:海底地震仪实测信号特性分析 91 earthquake of M9.0 occurred near Japan in March 2011.Key words:ocean bottom seismometer;OBS signals;short period;broad band 海底地震仪(ocean bottom seismometer,OBS)是一种高效的海底构造探测工具,直接布设在海底,水深可达 6000m,既可以用于人工地震探测,也可以用于天然地震观测,被广泛应用于洋中脊、俯冲带和大陆边缘地壳/洋壳结构的调查和研究1-2。近年来,我们利用 OBS 开展了多次海底构造调查,包括南海北、南陆缘和海盆、已停止活动的扩张脊、西南印度洋中脊等;既有二维(2D)测线探测,又有三维(3D)台阵探测;所用 OBS 既有短周期的,又有宽频带的,积累了大量的实测数据;记录的信号既有人工气枪的,又有天然地震的,同时还记录了台风和气枪激发的海底波动信号3-11。通常把经由海底传播的、除有效地震波信号之外的各种其他波动称为海底环境噪声8。近年来的研究表明,底流在深海中是广泛存在的12,其波动也会增加海底地震仪记录的噪声,因此 OBS 实测信号也就包含了各种噪声和有效地震波信号,因而置于海底数百米至数千米的 OBS 实测信号相比陆地地震仪具有不同的特性;由于水的作用或记录信号源频率的不同,短周期OBS 和宽频带 OBS 记录的信号又有明显的差异。国内对海底地震仪的应用和研究起步较晚1,11,而对其实测信号进行分析研究的文章更是凤毛麟角8。对短周期 OBS 和宽频带 OBS 记录的信号进行研究,不仅有利于对实测信号的处理,也可以为扩大 OBS的应用范围,如长期的海底观测台站,或对水下活动目标进行监测,提供有益经验和参数。本文拟对南海西南次海盆地震探测期间人工气枪震源和天然地震的 OBS 记录特性进行分析,特别展示了海底地震仪记录的 2011 年 3 月 11 日日本仙台东部海域M9.0 地震。1 OBS 试验概况及设备性能 本文的数据来自 2010 年 12 月至 2011 年 3 月在南海西南次海盆实施的海底地震仪 3D 探测,是国家海洋局第二海洋研究所、中国科学院南海海洋研究所和台湾海洋大学应用地球物理研究所合作采集的。围绕已停止活动的扩张轴(长龙海山链),布设了一个矩形的 OBS 作业区,布设 5 条 NW 向测线(每条长 110km),8 条 NE 向测线(每条长60km)。按 10km 的间距布设 40 台 OBS(两端间距15km)(图 1)。人工震源由 4 支 1500 立方英寸的 BOLT 气枪组成。其震源总容量达到 6000 立方英寸,采用双排列组合,沉放深度 8m1m,相当于 0.5 级地震,信号主频 310Hz13-14。炮间距 200m,放炮时间间隔约77s,航速 45 节。短周期 OBS 记录起始时间 2010年 12 月 10 日,结束时间 2011 年 1 月 8 日;宽频带OBS 记录起始时间 2010 年 12 月 10 日,结束时间2011 年 3 月 23 日。实际气枪作业时间 2010 年 12月 1315 日。共使用了 3 种型号的 OBS:一是德国产 SEDIS IV/V 型短周期 OBS 15 台,基频 4.5Hz,带宽 2100Hz,最大水深达 6700m;二是 17 台法国产MicrOBS15;三是 8 台国产 I-4C 型宽频带 OBS,带宽为 0.016750Hz,水深达 6000m,工作时间可达100d。国产 I-4C 型宽频带 OBS 其前放电路在信号输入端加配一阶无源 LC 低通抗混叠滤波器,采用极低噪音精密双运算放大器构成仪器放大电路,且有很高的抗干扰能力,A/D采用4阶-增量调制器,动态范围大于 120dB,数据容量 16G,整体功耗小于0.3W,内部时钟精度优于 5108s 4,16-19.所有 OBS均为三分量,同时外接一个水听器。本文选取一台国产 I-4C 宽频带 OBS(第 6 站位)与一台德国 SEDIS IV 型短周期 OBS(第 10 站位)进行对比研究,两台仪器均记到了人工放炮信号和天然地震信号。图 1 西南次海盆 3D 探测示意图 OBS6 和 OBS10 为本文进行信号分析的两个站位,人工震源选取其中的 2 号测线 Fig.1 The 3D OBS survey in the southwest sub-basin of the South China Sea.OBS6 and OBS10 are the stations whose data are studied.Shooting line 2 is the source line 92 热 带 海 洋 学 报 Vol.31,No.3/May,2012 2 OBS 记录信号特性 2.1 气枪作业激发的信号 在 2 号放炮测线气枪作业时宽频带 OBS6 和短周期 OBS10 的一段记录如图 2a、b。图中的 4 道记录从上到下分别为水平分量 X、水平分量 Y、垂直分量 Z 及水听器分量 H。OBS6 的 Y 分量与正北方向夹角为 6830(图 1)。可以看出,宽频带 OBS 除了记录地震信号外,还记录了被激发的海底的水下波动。这种水下波动按频率特性可以分为两种类型:一种是 50s 左右的长波,一种为频率较高的短波。长波可能是气枪连续作业激发的波动不断叠加的结果,以水平分量为主,且具方向性。图 2a 显示长波的 Y 分量大于 X 分量,因为 Y 分量指向信号源。短波主要是 OBS 底座细微晃动引起的,因此在水听器分量上特别明显。而垂直分量上这两种信号都很弱。推而广之,如果有水下移动目标激发海底波动,宽频 OBS 具有很好的探测能力,特别是水平分量可以获得大振幅且周期特征清晰的记录,并能够指示方向。图 2b 显示,短周期 OBS 只对地震信号有良好的记录,对气枪激发的海底水的波动难以识别。但从另一个角度看,本次试验所采用的短周期 OBS在海底的姿态稳定性比宽频 OBS 要好,因为短周期OBS 的水听器记录中几乎没有高频波动。其实这一点也可以从两种类型 OBS 的外在构造上得到验证。本次试验的宽频 OBS 高度近 1m,底座离地 40cm 左右,而短周期 OBS 的底座直接与海底面接触。也就是说国产宽频 OBS 的底座设计还有待改进。对数据进行的频谱分析表明,气枪信号的主频为 310Hz(图 3)。对宽频带 OBS 信号进行低通滤波(拐角频率 0.4Hz),滤掉地震信号,得到的水波信号及其频谱分别如图 4 和图 5 所示。从记录上可以看出,水波动的长波信号周期约 50s。从频谱上可以看出主频为 0.020.4Hz,明显与气枪信号不同,分别为水波(50s)和 OBS 本身晃动的高频信号(2.5s)。图 2 气枪作业信号 a.宽频带 OBS6 记录的气枪作业信号,起始时间为 2010-12-13T17:16:11.034(GMT);b.短周期 OBS10 记录的气枪作业信号,起始时间为 2010-12-13T17:15:51.195(GMT)。气枪作业测线为 2 号测线(如图 1 所示),时间长度为 1042s Fig.2 Records of shooting signals.a)Signals of broad-band OBS6,start time:2010-12-13T17:16:11.034(GMT);b)Signals of short-period OBS10,start time:2010-12-13T17:15:51.195(GMT).The air-gun shooting line is line No.2 shown in Fig.1.The time duration is 1042s 2.2 噪声特征及影响 这里我们对气枪作业过程前后的宽频 OBS 噪声记录做一对比。图 6a 为全部测线气枪作业末尾炮到完全结束后的宽频带 OBS 连续时间信号,图 6b为相应的频率谱。可以看出,放炮作业前(图 6a-1),噪声信号有一定的周期性,且以长波为主,周期小于 50s;气枪放炮作业及刚结束时(图 6a-2),噪声信号周期性明显,且以长波为主,周期约为 50s,与放炮时间间隔接近;放炮作业结束 24h(图 6a-3),噪声信号周期性仍较明显,且周期变长,接近 50s;放炮 刘宏扬等:海底地震仪实测信号特性分析 93 图 3 气枪信号的频谱特征 a.宽频带 OBS6 记录的气枪作业信号频率谱;b.短周期 OBS10 记录的气枪作业信号频率谱。f 为频率 Fig.3 Frequency spectrum of shooting signals.a)Signal frequency of broad-band OBS6;b)signal frequency of short-period OBS10.f is the frequency 图 4 低通滤波(拐角频率 0.4Hz)后的宽频带 OBS6 气枪作业记录 气枪作业测线为 2 号测线(如图 1 所示),时间长度为 1042s,起始时间为 2010-12-13T17:16:11.034(GMT)Fig.4 Shooting signals of broad-band OBS6 after low-pass filtering.The air-gun shooting line is line No.2 shown in Fig.1.The time duration is1042s,with the start time of 2010-12-13T17:16:11.034(GMT)图 5 低通滤波(拐角频率为 0.4Hz)后宽频带 OBS6 垂直分量在气枪作业时记录的频率谱 气枪作业测线为 2 号测线(如图 1 所示);f 为频率 Fig.5 Shooting frequency spectrum of broad-band OBS6s vertical component,after low-pass filtering(corner frequency is 0.4Hz).The air-gun shooting line is line No.2 shown in Fig.1.f is frequency 作业结束后 96h(图 6a-4),这时天气开始变坏,噪声信号的长周期信号发生了很大的改变,周期变长,高频信号增强并叠加在长周期之上,其主要频率为0.8Hz 左右;放炮作业结束后 144h(图 6a-5),海况仍然较差,噪声的长周期噪声的周期进一步变长,振幅变小,其上叠加的高频信号占主导。上述过程说明,气枪信号的持续作用可达数十个小时;恶劣天气可以引起 OBS 的高频噪声并迭加到低频的底流,这种现象在作业前海况较差的时间段也有记录。相应的频谱分析如图 6b 所示,据此做频谱分析可以有针对性地把噪音滤掉。气枪震源被誉为绿色环保的人工震源,与炸药震源相比,具有能量强且可控、重复性好、探测精度高等优点13-14。然而,在本研究中发现,气枪产生的低频信号会持续震荡数十个小时。1998 年胡安德夫卡板块附近进行了一次大规模的广角折射/反射地震探测,并进行了气枪噪声对海洋哺乳动物影响的监测20,发现虽然气枪以低频为主,但同样会产生高频信号(kHz 级),对海洋哺乳动物造成影响,这种影响与声音强度和距离有关。本文的信号分析结果与上述试验相似,说明气枪作业对周围生态系统的影响是一个值得进一步研究的课题。2.3 天然地震记录 由于天气影响,海上作业遭遇了持续的恶劣天气,使原定的作业时间大大延长。但也得到了额外收获,记录到了大量的天然地震信息,特别是宽频OBS 海底工作时间近 3 个月。图 7a、b 分别为宽频OBS6 和短周期 OBS10 记录到的一次远震。该地震发震时间为 2010 年 12 月 21 日 17:19:40.66(GMT),震级 M7.4,震源位置 2654N、14342E,震源深度14km。相 对 于 上 述 两 个 站 位 的 震 中 距 分 别 为30249.2和 301948 秒。可以看出宽频 OBS 对远震有很好的记录,各种震相都比较清晰。短周期OBS 从理论上讲只用于人工地震探测,但对于远震的记录也是有用的,可以很好地确定直达 P 波到时,当然对后续的波长较长的震相无法识别。2011 年 3 月 11 日 05:46:20.67(GMT),日本仙台东部海域发生了 M9.0 大地震,初步测定的震源为3818N、1422248E,震源深度 32km(美国 USGS测定)21。该地震能量巨大,引发的海啸造成了巨大的破坏和损失,是全球瞩目的灾难性事件,全球无数的陆地地震台站都记录到该次地震。我们在南海西南次海盆 OBS 3D 探测期间幸运地记录到了该地震,OBS 位于 4000m 多的海底,因此是极为稀有而 94 热 带 海 洋 学 报 Vol.31,No.3/May,2012 图 6 宽频带 OBS6 垂直分量记录的气枪作业噪声特征 a.噪 声 随 时 间 的 变 化。开 始 时 间(GMT):a-1.2010-12-11T16:59:58.778;a-2.2010-12-14T19:33:54.387;a-3.2010-12-16T06:18:14.966;a-4.2010-12-19T06:18:33.350;a-5.2010-12-21T06:18:10.112。b.相应的噪声频谱随时间的变化,f 为频率 Fig.6 Characteristic of noises when air-gun shooting recorded by broad-band OBS 6s vertical component.a)Noises signal variation with time.b)Frequency spectrum of noises variation with time.f is frequency 图 7 OBS 的天然地震记录 a.宽频 OBS6 记录,起始时间:2010-12-21T17:18:22.171(GMT);b.短周期 OBS10 记录,起始时间:2010-12-21T17:23:58.064(GMT)。震相说 明22-23:P 表示射线底部到达最上层地幔以下的纵波以及来自最上层地幔以下震源的上行纵波;PP 表示离开震源向下并在自由表面处反射的 P波;PcP 表示 P 在核幔边界(CMB)的反射波;S 表示射线底部到达最上层地幔以下的剪切波,以及来自最上层地幔以下震源的上行剪切波;ScP表示 S 在核幔边界反射转换为 P 的波;PcS 表示 P 在核幔边界反射转换为 S 的波 Fig.7 One earthquake recorded by the OBS.a)Signals of broad-band OBS,start time:2010-12-21T17:18:22.171(GMT).b)Signals of short-period OBS,start time:2010-12-21T17:23:58.064(GMT).Introduction of seismic phases22-23:P denotes a longitudinal wave,bottoming below the uppermost mantle,also an upgoing longitudinal wave from a source below the uppermost mantle;PP denotes free surface reflection of P wave leaving a source downwards;PcP denotes P reflection from the core-mantle boundary(CMB);S denotes shear wave,bottoming below the uppermost mantle;also an upgoing shear wave from a source below the uppermost mantle;ScP denotes S to P converted reflection from the CMB;and PcS denotes P to S converted reflection from the CMB 刘宏扬等:海底地震仪实测信号特性分析 95 珍贵地震记录。图 8a、b 分别显示了宽频 OBS6 和陆地地震台(温州)的 M9.0 大震的记录和频谱。该地震相对 OBS6 的震中距为 34562.4,地震记录非常清晰,震相丰富,相对 X、Y、Z 三个分量而言,水听器分量记录稍差,成分更复杂些。能量主要集中在0.02Hz 和 0.05Hz 两个频段,另外在 1Hz 处也有明显的信号。温州陆地地震台相对该地震震中距为152924,地震记录也十分清晰;但由于震中距相对较近,地震仪带宽窄,数据采样率也较低,使得记录的震相较少,特别是高频成分较少。上述比较说明,国产宽频带海底地震仪对于远震特别是日本M9.0 级大震的记录是十分完美的。图 8 2011 年 3 月 11 日日本仙台东部海域发生的 M9.0 地震记录 a.宽 频 带 OBS 记 录 及 其 频 谱,起 始 时 间:2011-03-11T05:50:10.370(GMT);b.温 州 陆 地 地 震 台 记 录 及 其 频 谱(f 为 频 率),起 始 时 间:2011-03-11T05:48:20.000(GMT)。BHE、BHN、BHZ 分别表示东向、北向、和底薪方向分量;震相说明22-23:ScS 表示 S 在核幔边界的反射波;其他同图 7 Fig.8 Records of the catastrophe earthquake of M9.0 occurred near Japan on March 11,2011.a)Signals and frequency spectrum of broad-band OBS,start time:2011-03-11T05:50:10.370(GMT).b)Signals and frequency spectrum of a seismometer in Wenzhou,China(f is frequency),start time:2011-03-11T05:48:20.000(GMT).Introduction of seismic phases22-23:ScS denotes S reflection from the CMB;others are the same as in Fig.7 3 结论与展望 气枪作业后在海底激发 2 种噪声:一是水的波动不断叠加形成的长波,周期 50s 左右,以水平分量为主;二是高频噪声,主要是 OBS 底座细微晃动引起的。气枪作业对周围生态系统的影响是一个值得96 热 带 海 洋 学 报 Vol.31,No.3/May,2012 进一步研究的课题,其产生的高频和低频噪声会对海洋生物产生一定的影响。宽频 OBS 对于水下移动目标激发海底波动具有很好的探测能力,特别是水平分量可以获得大振幅且周期特征清晰的记录,并能够指示方向。国产宽频I-4C型OBS的底座太高且悬空,整体结构重心偏高,在气枪作业时会产生持续的晃动,应加以改进。宽频 OBS 能记录到清晰的天然地震信号,为研究调查区岩石圈结构增添了更多的信息,短周期OBS 对远震直达 P 波有很好的记录。国产宽频 I-4C型 OBS 完美地记录了日本 M9.0 级大震。参考文献 1 阮爱国,李家彪,冯占英,等.海底地震仪及其国内外发展现状J.东海海洋,2004,22(2):19-27.2 牛雄伟,阮爱国,李家彪,等.洋中脊构造及地震调查现状J.华南地震,2009,29(4):72-84.3 李湘云,吴振利,薛彬,等.SEDIS IV 型短周期自浮式海底地震仪及应用体会J.热带海洋学报,2007,26(5):35-39.4 阮爱国,李家彪,陈永顺,等.国产 I-4C 型 OBS 在西南印度洋中脊的试验 J.地球物理学报,2010,53(4):1015-1018.5 阮爱国,牛雄伟,吴振利,等.潮汕坳陷中生代沉积的折射波 2D 速度结构和密度 J.高校地质学报,2009,15(4):522-528.6 吴振利,阮爱国,李家彪,等.南海南部海底地震仪试验及初步结果J.海洋学研究,2010,28(1):55-60.7 吴振利,李家彪,阮爱国,等.南海西北次海盆地壳结构:海底广角地震试验结果J.中国科学:D 辑,2011,41(10):1463-1476.8 敖威,赵明辉,阮爱国,丘学林.利用海底地震仪数据分析台风对海底环境噪音的影响 J.热带海洋学报,2009,28(6):61-67.9 敖威,赵明辉,丘学林,等.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J.地球物理学报,2010,53(12):2982-2991.10 卫小冬,赵明辉,阮爱国,等.南海中北部 OBS2006-3 地震剖面中横波的识别与应用J.热带海洋学报,2010,29(5):72-80.11 阮爱国,丘学林,李家彪,等.中国海洋深地震探测与研究进展J.华南地震,2009,29(2):10-18.12 王泽中.海洋学研究的新知 深海底流沉积J.大自然探索,1997,16(3):86-89.13 QIU XL,CHEN Y,ZHU RX,et a1.The 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