OBS海洋環(huán)境信號(hào)分析與應(yīng)用

童思友, 廖 儀, 2, 陳 亮, 吳志強(qiáng)(. 中國(guó)海洋大學(xué) 海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 26600; 2. 中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司, 廣東 湛江 524057; . 青島海洋地質(zhì)研究所, 山東 青島 26607)

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OBS海洋環(huán)境信號(hào)分析與應(yīng)用

童思友1, 廖 儀1, 2, 陳 亮1, 吳志強(qiáng)3
(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100; 2. 中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司, 廣東 湛江 524057; 3. 青島海洋地質(zhì)研究所, 山東 青島 266071)

為研究海洋環(huán)境信號(hào)在OBS(Ocean Bottom Seismograph)原始數(shù)據(jù)中的規(guī)律及應(yīng)用, 根據(jù)OBS原始數(shù)據(jù)的波形及頻譜特征, 將研究區(qū)劃分為5個(gè)時(shí)間段, 依次為舊涌浪階段、風(fēng)浪漸強(qiáng)階段、風(fēng)浪全盛階段、風(fēng)浪消退階段和新涌浪階段。結(jié)合海洋天氣預(yù)報(bào), 認(rèn)為上述現(xiàn)象是由偏南風(fēng)風(fēng)浪對(duì)海流的影響造成的。參考野外地震數(shù)據(jù)采集記錄班報(bào), 得到各階段的時(shí)長(zhǎng)和距離, 計(jì)算風(fēng)浪漸強(qiáng)、全盛和消退階段OBS附近海流的平均速度。結(jié)果表明: OBS原始資料中淺海海洋環(huán)境噪音增強(qiáng)的主要因素是風(fēng)浪,且風(fēng)浪引起的噪音信號(hào)的波形變化特征是漸進(jìn)式的; OBS可用于接收某種特殊階段(如臺(tái)風(fēng)、海嘯等)的噪音信號(hào), 并根據(jù)噪音信號(hào)的波形特征、頻譜變化規(guī)律和持續(xù)時(shí)間估算該階段的海流速度變化。

海洋環(huán)境信號(hào); OBS(Ocean Bottom Seismograph); 海浪實(shí)測(cè)

[Foundation: National Natural Science Key Foundation of China, No.41230318, No. 41240005, No.90814011; “863”P(pán)rogram of China, No.2009AA093401]

OBS放置于海底, 從其內(nèi)部時(shí)鐘喚醒開(kāi)始便不斷地記錄周?chē)盘?hào), 最終得到一份包含多種信息的原始數(shù)據(jù)。這份原始數(shù)據(jù)中除常規(guī)的地震波信號(hào)外,還記錄了豐富的海洋環(huán)境信息。本文在前人的研究基礎(chǔ)上[1-3], 對(duì)南黃海海洋環(huán)境信號(hào)在OBS原始數(shù)據(jù)中的波形和頻譜特征進(jìn)行研究, 并根據(jù)這些特征計(jì)算風(fēng)浪不同階段的速度變化, 希望這些研究能給該領(lǐng)域的學(xué)者們提供有益幫助, 以便對(duì)有關(guān)問(wèn)題展開(kāi)更加深入的探索。

1 海洋環(huán)境信號(hào)分析

海洋環(huán)境信號(hào)按其發(fā)聲機(jī)制大體分為五類(lèi), 即海洋動(dòng)力信號(hào)、冰下信號(hào)、生物信號(hào)、地震信號(hào)和工業(yè)信號(hào)。南黃海位于中緯度地區(qū), 其海洋環(huán)境信號(hào)的主要類(lèi)型是海洋動(dòng)力信號(hào), 海洋動(dòng)力信號(hào)包括所有因海水介質(zhì)本身運(yùn)動(dòng)與風(fēng)等氣象因素, 以及地質(zhì)條件作用產(chǎn)生的信號(hào)[4]。本文主要對(duì)其中的風(fēng)浪(由當(dāng)?shù)仫L(fēng)引起且直到觀測(cè)時(shí)仍處于風(fēng)力作用下的海面波浪)和涌浪(風(fēng)浪離開(kāi)風(fēng)的作用區(qū)域后, 在風(fēng)力甚小或無(wú)風(fēng)水域依靠慣性維持的波浪統(tǒng)稱(chēng)涌浪)[5]信息進(jìn)行分析研究。

資料表明, 風(fēng)浪和涌浪產(chǎn)生信號(hào)的模式不同:涌浪周期長(zhǎng)、波長(zhǎng)大、能量大, 一旦與島嶼或海岸碰撞, 就會(huì)產(chǎn)生能量很大且頻率豐富的聲波, 聲波以波群的形式可經(jīng)由水體和海底傳播至OBS; 風(fēng)浪則主要由波浪間的碰撞、破碎而產(chǎn)生大量頻率較高且豐富的聲波, 聲波經(jīng)由水體傳播到OBS。這兩類(lèi)信號(hào)分別疊加在原有環(huán)境信號(hào)中, 使得OBS記錄數(shù)據(jù)中的振幅發(fā)生變化[2]。

1.1 OBS海底耦合性分析

在進(jìn)行原始資料研究前, 必須了解OBS與海底的耦合情況, 因?yàn)轳詈闲缘暮脡呐c原始資料質(zhì)量的優(yōu)劣息息相關(guān)。通過(guò)研究OBS垂直(Z)分量近偏移距(<2 km)的振幅譜可以分析OBS臺(tái)站與海底的耦合情況, 確定OBS是否能恰當(dāng)?shù)胤从澈５椎恼駝?dòng)情況[6]。如圖1所示, OBS臺(tái)站垂直(Z)分量原始資料的主要能量集中在零偏移距附近, 說(shuō)明OBS與海底的耦合性良好, 對(duì)傳播到其附近的信號(hào)能有效接收。

1.2 南黃海海況氣候條件

南黃海海區(qū)6級(jí)以上的大風(fēng)四季都有出現(xiàn), 以春季次數(shù)多, 冬季強(qiáng)度大為特點(diǎn)。海浪一般以涌浪為主。從9月到翌年4月, 南黃海多為北風(fēng), 以北浪為主, 平均風(fēng)速為8~9 m/s。每年6~8月, 南黃海盛行南到東南風(fēng), 平均風(fēng)速5~6 m/s, 以南浪為主。風(fēng)浪秋冬兩季最大, 浪高常有2~6 m[7]。

圖1 OBS垂直(Z)分量近偏移距能量譜Fig. 1 Vertical component spectrum of small offset

本文采用的OBS數(shù)據(jù)來(lái)源于南黃海海域, 采集時(shí)間為2013年8月, 所選OBS臺(tái)站為C16(圖2), 其海水深度約為36 m。根據(jù)野外地震數(shù)據(jù)采集記錄班報(bào), 本文研究區(qū)域(如圖3所示)數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為: 2013年8月11日07: 42: 51~14: 13: 08。查看當(dāng)天的海洋天氣預(yù)報(bào): 2013年8月10日08時(shí)~8月11日08 時(shí), 黃海北部海域有4~5級(jí)偏南風(fēng), 黃海中部和南部海域有4~6級(jí)西南風(fēng); 8月11日08時(shí)~8月12日08 時(shí), 黃海大部海域有4~6級(jí)偏南風(fēng)。據(jù)此推測(cè), 本文研究的海洋環(huán)境信號(hào)能量的加強(qiáng)是由局部風(fēng)對(duì)南黃海淺海海流的影響造成的。

1.3 波形特征對(duì)比

本文的研究區(qū)域位于OBS數(shù)據(jù)遠(yuǎn)偏移距段(圖3藍(lán)框所示), 經(jīng)放大如圖4所示, 圖件選擇變密度顯示。圖4中的藍(lán)框由左往右代表了五個(gè)不同的時(shí)間階段, 按當(dāng)時(shí)的海況依次劃分為舊涌浪階段、風(fēng)浪漸強(qiáng)階段、風(fēng)浪全盛階段、風(fēng)浪消退階段和新涌浪階段。從上述五個(gè)時(shí)間階段中各抽取一道組成標(biāo)志地震道集(圖5): 1914道代表舊涌浪階段, 2161道代表風(fēng)浪漸強(qiáng)階段, 2202道代表風(fēng)浪全盛階段, 2322道代表風(fēng)浪消退階段, 2572道代表新涌浪階段。

對(duì)應(yīng)于上述五個(gè)時(shí)間階段, 波形的變化特征各有不同, 即從舊涌浪階段低頻能量的平滑波形到風(fēng)浪階段高頻能量逐漸增強(qiáng)形成的粗糙波形, 再到風(fēng)浪過(guò)去后高頻能量逐漸衰減后形成的平滑規(guī)則波形。隨著風(fēng)區(qū)的移動(dòng), OBS記錄的海洋環(huán)境信號(hào)的波形經(jīng)歷了“平滑→逐漸粗糙→粗糙→逐漸平滑→平滑”這樣一個(gè)變化過(guò)程。這種漸進(jìn)過(guò)程說(shuō)明其誘因同樣具有漸進(jìn)式的特點(diǎn)。

圖2 南黃海OBS測(cè)線(xiàn)分布情況Fig. 2 Orientation and length of OBS measurement line in South Yellow Sea

1.4 頻譜特征對(duì)比

為了詳細(xì)研究上述五個(gè)時(shí)間階段的頻譜特征,本文分析了各個(gè)階段標(biāo)志道的頻譜變化規(guī)律, 抽取的標(biāo)志道道數(shù)為5(標(biāo)志道道數(shù)的確定需根據(jù)原始資料的實(shí)際情況而定, 盡量體現(xiàn)研究區(qū)域的特征變化情況)。通過(guò)之前的分析可知, 新、舊涌浪階段OBS接收的背景信號(hào)波形具有排列相對(duì)整齊、波峰線(xiàn)較長(zhǎng)、波長(zhǎng)較為平滑、比較接近正弦波的特點(diǎn), 而風(fēng)浪漸強(qiáng)、全盛和消退階段, 由于從風(fēng)中獲取能量, 高頻成分不斷增強(qiáng), 使得OBS記錄的波形變得粗糙, 出現(xiàn)許多尖脈沖。

據(jù)此對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行劃分(圖6), 五個(gè)時(shí)間階段從左往右依次為: 舊涌浪階段(1911~1915道)、風(fēng)浪漸強(qiáng)階段(2158~2162道)、風(fēng)浪全盛階段(2199~2203 道)、風(fēng)浪消退階段(2318~2322道)、新涌浪階段(2568~2572道)。

圖7為舊涌浪階段、風(fēng)浪全盛階段以及新涌浪階段的海洋環(huán)境信號(hào)頻譜對(duì)比圖。

圖3 壓力(P)分量原始資料海浪區(qū)剖面Fig. 3 Raw data of the pressure component in the wave area section

圖4 海浪研究區(qū)域放大顯示圖Fig. 4 Enlarged figure from the wave research area

圖5 海浪研究區(qū)域中5個(gè)階段的各個(gè)標(biāo)志地震道集Fig. 5 Five stages of seismic readings obtained in the wave research area

對(duì)比研究發(fā)現(xiàn), 新、舊涌浪階段海洋環(huán)境信號(hào)的頻譜基本處于同一數(shù)量級(jí), 曲線(xiàn)走勢(shì)大致吻合, 能量級(jí)別均值–36 dB以下, 而風(fēng)浪明顯增強(qiáng)了30 Hz以上的頻譜能量, 即便在0~30 Hz的范圍, 風(fēng)浪全盛階段的能量也略高于新、舊涌浪階段, 但三者在此頻帶內(nèi)的頻譜曲線(xiàn)走勢(shì)基本一致。三個(gè)階段中0~3 Hz的范圍內(nèi)均存在較高的頻譜能量, 且隨著頻率的增加而快速衰減, 其低頻能量主要來(lái)源于海底水流和天然微震[8], 同時(shí)涌浪及遠(yuǎn)處航船的低頻能量都可能對(duì)其產(chǎn)生影響。

圖6 海浪研究區(qū)五個(gè)階段的標(biāo)志道集波形對(duì)比Fig. 6 Five-stage waveform comparisons of 5 readings obtained in the wave research area

1.5 OBS海浪流速估算

事實(shí)上OBS并不能直接測(cè)量海流速度, 但它獨(dú)特的數(shù)據(jù)采集方式(放置于海底)有利于接收某種特殊階段(如臺(tái)風(fēng)、海嘯等)產(chǎn)生的噪音信號(hào), 可根據(jù)噪音信號(hào)的能量強(qiáng)弱及持續(xù)時(shí)間估算該階段的海流速度變化情況。

在本文中, 為了避免勘探地震波信號(hào)的影響, 將OBS原始資料共接收點(diǎn)道集海浪研究范圍定于遠(yuǎn)偏移距段: 1880~2577道(炮號(hào)); 放炮方式: 定距放炮(125 m); 炮時(shí): 45~50 s; 研究距離: 77.652 km; 研究時(shí)長(zhǎng): 7小時(shí)58分10秒。

對(duì)比五個(gè)時(shí)間階段的波形特征, 對(duì)每個(gè)階段進(jìn)行區(qū)塊劃分(圖4), 依次如下: 舊涌浪階段(1880~ 1989道); 風(fēng)浪漸強(qiáng)階段(1990~2174道); 風(fēng)浪全盛階段(2175~2230道); 風(fēng)浪消退階段(2231~2502道); 新涌浪階段(2503~2577道)。

舊涌浪階段與風(fēng)浪漸強(qiáng)階段、風(fēng)浪漸強(qiáng)階段與風(fēng)浪全盛階段、風(fēng)浪全盛階段與風(fēng)浪消退階段這三組的分界線(xiàn)比較明顯, 但風(fēng)浪消退階段與新涌浪階段之間的分界卻比較模糊。因?yàn)楫?dāng)風(fēng)區(qū)離開(kāi)后, 風(fēng)浪還需要一段時(shí)間的能量衰減才能逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛坷?這個(gè)過(guò)程是漸變的, 最終確定該組分界線(xiàn)的原因是2502道左側(cè)波組的波形明顯比右側(cè)波組波形粗糙。此處并未對(duì)分界線(xiàn)所在的地震道進(jìn)行頻譜分析, 因?yàn)榉纸缇€(xiàn)始終處于過(guò)渡區(qū), 其相鄰道間的能量差別并不大。通過(guò)上述的區(qū)塊劃分, 參考當(dāng)時(shí)的野外地震數(shù)據(jù)采集記錄班報(bào), 由公式V=S/T估算風(fēng)區(qū)來(lái)臨前后海流流速V情況如下, 其中, S表示該階段的持續(xù)距離, T表示該階段的持續(xù)時(shí)間。

風(fēng)浪漸強(qiáng)階段: 1990~2174道(07: 42: 51~10: 05: 46), 持續(xù)距離: 23 km, 持續(xù)時(shí)間: 2小時(shí)22分55秒, OBS記錄的該階段的海流平均速度為2.68 m/s。

風(fēng)浪全盛階段: 2175~2230道(10: 06: 31~10: 47: 43), 持續(xù)距離: 6.875 km, 持續(xù)時(shí)間: 41分12秒, OBS記錄的該階段的海流平均速度約為2.78 m/s。

風(fēng)浪消退階段: 2231~2502(10: 48: 28~14: 13: 08), 持續(xù)距離: 33.875 km, 持續(xù)時(shí)間: 3小時(shí)34分40 秒, OBS記錄的該階段的海流平均速度約為2.63 m/s。

此處主要就風(fēng)浪引起的海流速度變化情況進(jìn)行了定量計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看, 風(fēng)浪全盛階段海流的平均速度比風(fēng)浪漸強(qiáng)和風(fēng)浪消退階段高了0.1 m/s左右, 而風(fēng)浪漸強(qiáng)和風(fēng)浪消退階段海流的平均速度大致持平。這其中不可避免地存在著一定的人為誤差,在進(jìn)行相關(guān)計(jì)算時(shí)需引起注意。

2 結(jié)論與建議

本文結(jié)合南黃海OBS共接收點(diǎn)道集遠(yuǎn)偏移距段的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋環(huán)境信號(hào)研究, 研究發(fā)現(xiàn)OBS所記錄的海洋環(huán)境信號(hào)隨風(fēng)區(qū)的移動(dòng)而變化。根據(jù)波形和頻譜變化規(guī)律, 將這種信號(hào)變化情況按時(shí)間先后順序劃分為五個(gè)階段, 即舊涌浪階段、風(fēng)浪漸強(qiáng)階段、風(fēng)浪全盛階段、風(fēng)浪消退階段和新涌浪階段,并最終得到如下結(jié)論和建議:

1) 波形特征分析說(shuō)明信號(hào)的變化是漸進(jìn)式的,即“平滑→逐漸粗糙→粗糙→逐漸平滑→平滑”的過(guò)程, 這種漸進(jìn)過(guò)程說(shuō)明其誘因也同樣具有漸進(jìn)式的特點(diǎn)(如風(fēng)區(qū)來(lái)臨前后)。

圖7 新、舊涌浪階段與風(fēng)浪全盛階段海洋環(huán)境信號(hào)頻譜對(duì)比Fig. 7 Frequency spectrum comparison between swell and wind wave stages

2) OBS原始資料淺海海洋環(huán)境信號(hào)中能量增強(qiáng)的主要因素是風(fēng)浪。在本文的數(shù)據(jù)中風(fēng)浪的影響是全頻帶的, 并主要加強(qiáng)30 Hz以上的頻譜能量。

3) OBS可用于接收某種特殊階段(如本文的淺海風(fēng)浪)的噪音信號(hào), 并根據(jù)噪音信號(hào)的波形特征、頻譜變化規(guī)律和持續(xù)時(shí)間估算該階段的海流速度變化。

4) 本文的研究區(qū)域位于淺海, 除風(fēng)浪產(chǎn)生的噪音信號(hào)外, 隨著風(fēng)力的增強(qiáng), 表層流的運(yùn)動(dòng)可能會(huì)對(duì)底層流產(chǎn)生影響, 同時(shí)考慮儀器的自噪聲, 風(fēng)浪階段OBS最終記錄的其實(shí)是種混合信號(hào), 其中各類(lèi)因素的影響大小難以定量表征, 建議對(duì)OBS在深海區(qū)采集的相關(guān)原始數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的研究分析。

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(本文編輯: 李曉燕)

Analysis and application of ocean ambient signal based on ocean bottom seismograph

TONG Si-you1, LIAO Yi1, 2, CHEN Liang1, WU Zhi-qiang3
(1. Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. CNOOC Ltd. Zhanjiang, Zhanjiang 524057, China; 3. Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China)

Jan., 30, 2015

ocean ambient noise; ocean bottom seismograph (OBS); ocean current monitor

To investigate the regularity and application of ocean ambient signals from the ocean bottom seismograph (OBS), we divided the signal analysis into five stages: old swell, wind wave coming, wind wave, wind wave leaving, and new swell stages, and then examined their waveform and spectrum characteristics. With respect to marine forecasting, the above phenomena are thought to be due to the effects of southeast wind waves on the seabed current. We calculated the different stages of duration time and length extension, using data from the field seismic acquisition report, to then calculate the average velocity of ocean currents around an OBS on the seafloor. The research results show that the main factor enhancing ocean ambient noise is the wind wave and that the characteristics of waveform develop gradually. An OBS can monitor the unique stages of ocean currents by seabed observation, making it possible to estimate the current velocity based on the waveform, spectrum characteristics, and duration of that unique stage.

P731; P732.2; P733.22; P738

A

1000-3096(2016)02-0145-06

10.11759/hykx20150130001

2015-01-30;

2015-04-07

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41230318, 41240005, 90814011);國(guó)家863項(xiàng)目(2009AA093401)

童思友(1969-), 男, 重慶人, 教授, 博士, 主要從事海洋地球物理方法研究, Email: tsy@ouc.edu.cn