濱海型寬頻帶海底地震儀的技術(shù)特點及其數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

劉思青，陳 潔，曹 駿，王先慶，袁松湧

（1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760；2.珠海市泰德企業(yè)有限公司，廣東 珠海 519080；3.中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

0 引言

海底地震觀測是全球地震觀測不可或缺的一部分。把地震觀測技術(shù)引入到海底觀測之中，可以用于研究大陸邊緣、洋中脊和海溝等區(qū)域的殼幔結(jié)構(gòu)及其動力學(xué)演化，也可用于天然地震的地震活動和地震預(yù)報研究，為地震監(jiān)測、防震減災(zāi)和地球科學(xué)的基礎(chǔ)研究提供科學(xué)依據(jù)。與常規(guī)反射地震法不同的是，海底地震儀（OBS）探測直接將儀器沉入海底并與其耦合，消除了海水層和陸地噪音對地震信號的影響，更適宜地震觀測，且可以同時記錄來自于深部的縱橫波信息，極大的豐富了地下地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)信息。海底地震觀測站點和陸地觀測臺站比，前者的站點非常稀疏且分布不均，僅僅依靠陸地上的觀測網(wǎng)不能了解海底地震的發(fā)生和發(fā)展信息，想測定震源機(jī)制參數(shù)甚至開展進(jìn)一步的科學(xué)研究也十分困難。綜上，開展海底地震臺陣觀測方式的研究十分必要。

OBS是一種將地震計通過封裝處理直接放置在海底的地震觀測系統(tǒng)，也是組成海底地震臺陣的基本單元。由于OBS所處的海底觀測環(huán)境具有特殊性，對于該項設(shè)備的技術(shù)要求是：體積小、重量輕、耗電省，水密防腐以及布放回收便捷等特點。OBS分為主動源和被動源兩大類，此外還有用以連接海底觀測網(wǎng)絡(luò)的OBS類型。主動源OBS以船上的大容量氣槍陣列為震源，主要用于二維、三維深部結(jié)構(gòu)探測，科學(xué)家們在我國南海、黃渤海、東海以及太平洋和印度洋等國際海域已進(jìn)行了大量主動源探測工作，收獲了豐富的研究成果[1-5]；被動源OBS是一種以自然界的天然地震為震源的觀測設(shè)備，該種OBS具有觀測時間長，頻帶范圍寬并且可以克服時鐘漂移等技術(shù)特點。由于被動源OBS的研發(fā)和作業(yè)難度比較大，相關(guān)技術(shù)在我國海洋深部探測和科學(xué)研究中的成功案例并不多，所以研究基礎(chǔ)相對薄弱。根據(jù)海底觀測環(huán)境的不同，對于被動源OBS的技術(shù)需求也不同，總體上，可分為深水型寬頻帶海底地震儀（下文簡稱：DOBS）和濱海型寬頻帶海底地震儀（下文簡稱：SOBS）兩類。DOBS主要是帶聲學(xué)釋放器的、可自返海面的海底寬頻帶地震儀，適用于大陸邊緣、海盆、海溝和洋中脊等深水海域；SOBS主要適用于海陸交互帶、濱海和大陸架等水深較淺的海域。

針對不同海域海底地震觀測環(huán)境的特殊性，對海底觀測設(shè)備的適應(yīng)性研究也十分重要。本文在介紹TDO-63B型SOBS工作原理、野外試驗的基礎(chǔ)上，對其數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)分析，為今后在我國濱海和大陸架開展寬頻帶海底地震儀的研究提供經(jīng)驗與借鑒，進(jìn)而促進(jìn)SOBS技術(shù)的普及推廣，更好地服務(wù)我國沿海地區(qū)的地震活動監(jiān)測能力、強(qiáng)地震預(yù)警能力及地震活動的認(rèn)識水平，為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、防災(zāi)減災(zāi)提供基礎(chǔ)科學(xué)服務(wù)。

1 儀器及設(shè)計原理

1.1 總體設(shè)計

TDO-63B型SOBS是根據(jù)我國濱海和大陸架海域開展海底地震觀測量身定做的科學(xué)觀測裝置，可應(yīng)用于南海北部的濱海斷裂帶、黃渤海的郯—廬斷裂帶和北部灣紅河走滑斷裂帶等海域的科學(xué)研究。

根據(jù)地震觀測技術(shù)要求以及在濱海和大陸架開展海底地震觀測的環(huán)境特殊性，SOBS的儀器設(shè)計需要考慮：①設(shè)備運(yùn)行的低功耗；②克服內(nèi)部時鐘漂移；③耐壓防水；④防止海水和海洋生物的腐蝕；⑤與海底的良好耦合；⑥克服海底流體影響和人類的漁業(yè)活動等綜合因素。因此，本著堅固、簡單、低成本和布放回收簡便等原則，由珠海泰德企業(yè)有限公司設(shè)計和制作了TDO-63B型SOBS，并擁有自主知識產(chǎn)權(quán)和相關(guān)專利。TDO-63B型SOBS設(shè)備由水泥保護(hù)罩 （或稱外殼）和儀器艙兩個部分組成，見圖1。

圖1 TDO-63B型SOBS結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of TDO-63B SOBS

1.2 外殼設(shè)計

在圖1中，TDO-63B型SOBS外殼的俯視圖（圖1a）和剖面圖（圖1b）體現(xiàn)了儀器總體設(shè)計的基本原則。具體的措施是：

根據(jù)人類漁業(yè)活動 （如拖網(wǎng)等）對于SOBS工作帶來的潛在威脅，設(shè)計考慮了防護(hù)措施，在外型設(shè)計和重量設(shè)計時增加了特殊防護(hù)外殼，并減少了聲學(xué)通訊應(yīng)答單元來降低設(shè)備的制作成本。

為了克服海流對地震計的影響，將地震計和防護(hù)外殼分離，兩者采用軟連接，加上框架采用梯型 （頂部窄底部寬）結(jié)構(gòu)設(shè)計，可有效地減弱外部流體活動對傳感器的影響，整個設(shè)備有比較大的自重，確保地震計與海底的良好耦合。

為了耐壓防水、防止海水和海洋生物的腐蝕，地震計使用了一種高標(biāo)號不銹鋼材料構(gòu)建的耐壓密封儀器艙封裝，儀器艙外部固定了犧牲陽極的特殊金屬塊，并用特殊防海洋生物 （如海蠣子等）的涂料。

根據(jù)SOBS收放的特殊需求，在外殼上加裝起吊掛鉤裝置，確保儀器的成功回收。

1.3 地震計設(shè)計

TDO-63B型SOBS的儀器艙主要由傳感器單元、信號調(diào)理單元、授時控制單元、采集存儲單元和供電單元組成，見圖1c所示。其中，傳感器單元包括3個互相正交的地震檢波器，可將地動信號轉(zhuǎn)換為可測量的電信號；信號調(diào)理單元主要功能是將傳感器單元采集到的電信號經(jīng)反饋、濾波、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等處理之后記錄到采集存儲單元里；授時控制單元采用泰德公司自主研制的一套低功耗、高精度海底授時系統(tǒng)，可以為SOBS提供0.1ppm/30day的時間服務(wù)精度；采集存儲介質(zhì)為32G大容量存儲卡；供電單元由大容量鋰電池組構(gòu)成。其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 TDO-63B型SOBS主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical specifications of TDO-63B SOBS

2 資料采集

2.1 觀測設(shè)備的野外布放

渤海海域位于渤海灣盆地的中東部，平均水深18 m；黃海是一個淺海大陸架，習(xí)慣上將山東半島成山角與朝鮮白翎島的連線以北的海區(qū)稱為北黃海，北黃海平均水深38 m。試驗海區(qū)位置圖見圖2。設(shè)備投放時，船慢速移動靠近工區(qū)站位附近，利用吊機(jī)吊起，當(dāng)設(shè)備完全進(jìn)入水中后再投放，投放時船保持低速勻速移動，按照站位編號依次投放SOBS，直到所有設(shè)備全部下水，投放作業(yè)完畢 （圖3）。

圖2 已回收的SOBS及大連臺位置圖Fig.2 The location of recovered SOBS and Dalian station

圖3 TDO-63B型SOBS釋放過程Fig.3 Release process of TDO-63B SOBS

2.2 觀測設(shè)備的野外回收

SOBS分為內(nèi)置儀器艙和外圍保護(hù)設(shè)備，打撈時將設(shè)備整體回收至甲板后再進(jìn)行分離，儀器艙相對脆弱，打撈回收時應(yīng)盡量小心。與常規(guī)利用聲通訊釋放技術(shù)的回收方式不同，本次SOBS回收作業(yè)采用了潛水員水下打撈方式，第一航段回收了6臺，位置圖見圖2，具體打撈流程如下：

（1）準(zhǔn)備好重物及浮球，重物與浮球間繩索相連。根據(jù)投放時坐標(biāo)確定好準(zhǔn)確的投放落水點后，垂直投入重物同時陸續(xù)自然釋放繩索。

（2）潛水員沿著浮球的繩索下潛至重物位置，以重物為中心，10 m范圍為半徑搜索SOBS，找到后與甲板人員通訊，若未找到則繼續(xù)以15 m為半徑搜索。

（3）確定SOBS的位置后，潛水員用準(zhǔn)備好的繩索連接船只甲板上的絞車與SOBS；用水上通訊電話通知潛水員離開SOBS足夠遠(yuǎn)距離，保證安全的前提下用絞車緩慢上提SOBS，緩緩上提至水下1 m位置停住。

（4）啟動船只甲板上的吊機(jī)，甲板操作人員負(fù)責(zé)把止蕩繩鉤子掛住設(shè)備防止設(shè)備搖蕩，吊機(jī)與止蕩繩一起協(xié)助把設(shè)備放在甲板上預(yù)備好的木托盤上。

（5）回收后進(jìn)行設(shè)備外觀檢查及數(shù)據(jù)檢查。

2.3 海底觀測過程中遇到的問題

由于海上地震觀測比陸地地震觀測的環(huán)境條件要惡劣得多，在項目實施過程中主要存在以下兩個方面的問題：

（1）近海漁業(yè)和海流活動對OBS造成較大影響。由于渤?！秉S海水深較淺，海底海流對OBS的觀測存在較大干擾，同時該區(qū)域漁業(yè)活動頻繁，普通的球形OBS很容易被海流和漁網(wǎng)帶走，導(dǎo)致設(shè)備與海底耦合較差，偏離實際投放點距離較遠(yuǎn)。本次研究的地震儀采用外部實心混凝土框架包圍儀器艙的結(jié)構(gòu)，有效的減少了外界環(huán)境對寬頻帶地震儀的干擾，在外觀設(shè)計中采用梯型（頂部窄底部寬）結(jié)構(gòu)，可有效地減弱海底洋流對設(shè)備的沖擊；又由于整個設(shè)備自重較大，可確保與海底沉積物之間很好耦合。

（2）OBS在海底記錄時間長達(dá)一年以上，需同時滿足低功耗供電和高質(zhì)量地震數(shù)據(jù)記錄。信號放大過多會增加耗電，信號放大不足會造成有效信號淹沒在噪聲里，這就要求系統(tǒng)功耗與數(shù)據(jù)記錄信號二者之間達(dá)到一個平衡狀態(tài)。TDO-63B型SOBS采用的鋰亞硫酰氯（Li/SOCl2）電池是實際應(yīng)用電池系列中比能量最高的一種電池，比能量可達(dá)500 W·h/kg以上，OBS整機(jī)的靜態(tài)功耗約為0.6W （其中數(shù)據(jù)采集為雙備份設(shè)計），電池組理論總?cè)萘繛?3 000 W·h。但由于海底溫度（海底溫度偏低，降低了電池容量）、放電效率、電池自放電、系統(tǒng)并非所有時間都工作在靜態(tài)狀態(tài)下、以及系統(tǒng)在電池未全部放光電之前可能已處于非正常工作狀態(tài)（電池虧電狀態(tài)無法維持系統(tǒng)正常工作）等因素的影響，保守估計實際容量為理論容量的60%，即7800 W·h。綜上，預(yù)計OBS的持續(xù)工作時間7800 W·h/0.6W=13 000 h，約為542 d，滿足在淺水海域中開展中長期、高質(zhì)量的海底地震觀測。

3 觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析

3.1 SOBS回收后情況簡介

實驗采集的數(shù)據(jù)包括原始數(shù)據(jù)文件和監(jiān)控日志文件兩部分信息，均記錄在內(nèi)置的大容量存儲卡（32G）中。其中，原始數(shù)據(jù)文件為標(biāo)準(zhǔn)SEED格式，存儲過程為實時數(shù)據(jù)存儲；監(jiān)控日志文件為二進(jìn)制格式，包括時鐘漂移、晶振準(zhǔn)確性、晶振壓控電壓輸出、UD零位、EW零位、NS零位、供電電壓、電池電壓、內(nèi)部溫度、內(nèi)核溫度和經(jīng)緯度等信息。

第一航段SOBS的回收率為100%，數(shù)據(jù)完整率為100%。其中BH27臺站表現(xiàn)出明顯的拖動痕跡，在距投標(biāo)點將近14 m的位置被找到，水泥保護(hù)罩上刮痕明顯，掛繩磨損嚴(yán)重，其余5個臺站受外界的影響相對較小。

時間記錄是OBS數(shù)據(jù)最為重要的信息之一，其準(zhǔn)確性決定了后續(xù)數(shù)據(jù)處理的可靠性。時鐘漂移是指SOBS投放前和回收后兩次GPS對鐘之間的時間差，SOBS在海底作業(yè)期間，靠其內(nèi)部的時鐘源，即高精度晶振，來記錄時間信息，之后利用時鐘漂移對其進(jìn)行校正，用以獲得準(zhǔn)確的地震波走時信息。所有回收臺站的信息詳見表2。

表2 SOBS回收基本信息表Table 2 Basic information of the recovered SOBS

3.2 典型震相分析

圖4是TDO-63B型SOBS在海底作業(yè)過程中記錄到的典型震相。圖4（a）為海流日數(shù)據(jù)記錄，通常表現(xiàn)為紡錘形，在一天的開始和結(jié)束階段海流噪聲最??；圖4（b）為隨機(jī)截取的1200 s長度的海流數(shù)據(jù)記錄，表現(xiàn)為不規(guī)律的波動信息，且垂直方向波動（UD）大于水平方向波動（NS、EW）；圖4（c）為漁業(yè)活動過程中漁網(wǎng)（魚鉤）對OBS的拖曳信號，波形特征上表現(xiàn)為急劇的跳躍起伏狀態(tài)，從表2中可看出BH27臺站被拖拉的距離最遠(yuǎn)，達(dá)14 m；圖4（d）是美國阿拉斯加7.2級地震記錄，該地震相對BH21臺站的震中距為56.88°，屬于遠(yuǎn)震（一般震中距大于30°是遠(yuǎn)震），地震記錄非常清晰， 震相豐富（P波、S波、 面波）； 圖 4（e）為SOBS觀測臺站附近的小震記錄，圖4（f）為河北唐山灤縣2.6級地震記錄，該地震相對BH21臺站的震中距為2.1205°，記錄清晰，屬于小震，這也有力的說明了SOBS數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性。綜上，無論近震還是遠(yuǎn)震，大震還是小震，TDO-63B型SOBS所記錄的波形數(shù)據(jù)均完整清晰、震相明確、信噪比高，為地震活動的長期監(jiān)測及地下精細(xì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識創(chuàng)造了有利條件。

圖4 SOBS觀測期間的典型信號（NS和EW代表水平分量，UD代表垂直分量）Fig.4 Typical signals during SOBS observation(NS and EW represent the horizontal components,UD represents the vertical component)

根據(jù)TDO-63B型SOBS記錄的數(shù)據(jù)，對海底噪聲進(jìn)行了初步分析。圖5（a）和5（b）分別是海底平靜時段和較大海流時段的功率譜密度曲線，圖中NLNM和NHNM分別代表低噪聲和高噪聲功率譜密度的全球平均模型，可看出譜線整體形態(tài)與全球模型較為一致，從另一方面反映了海洋噪聲的水平。從垂直向和水平向的表現(xiàn)來看，SOBS垂直向受到海底環(huán)境的影響小于水平向，這體現(xiàn)了SOBS所采用的耦合方式的特點。

選取遼寧省大連地震臺地震數(shù)據(jù)和本研究SOBS 觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比（圖 6）。 圖 6（a）和圖 6（c）是2019年6月17日四川M6.0地震，圖中可看出雖是同一地震，但由于臺站方向和位置的差異，接受到的地震信號也會有一定差異，圖6（b）和圖6（d）是渤海海域附近M3.0左右的地震記錄，SOBS臺站所記錄的P波和S波振幅均較小，大連臺的P波振幅明顯大于S波振幅，這說明同一震源的地震波經(jīng)過不同路徑會對波形產(chǎn)生較大的影響[6-7]。

4 結(jié)語

通過野外實踐和室內(nèi)資料的整理分析，DO-63B型SOBS采用較大自重的混凝土框架，有效的減少了漁業(yè)活動對OBS的反復(fù)拖曳，促進(jìn)了OBS與海底更好的耦合，同時也保護(hù)了內(nèi)部儀器艙不受海流影響，提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量；采用人工下潛的方式回收設(shè)備，減少了系統(tǒng)的成本，適合濱海海洋地震勘探，儀器的整體設(shè)計較為合理，其100%的回收成功率和數(shù)據(jù)完整率也反映了海上作業(yè)技術(shù)方法的安全性與合理性。SOBS在渤海成功記錄到了不同類型的天然地震信號，可清晰識別P波、S波和面波等地震波形，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，SOBS在黃渤海海域的成功試驗，為海底地震觀測提供了新的技術(shù)方法，填補(bǔ)了濱海和大陸架區(qū)域海底地震觀測的空白。

圖5 海底臺基噪聲功率譜 （NS和EW代表水平分量，UD代表垂直分量）Fig.5 Noise power spectrum of the station on ocean bottom（NS and EW represent the horizontal components,UD represents the vertical component）

圖6 SOBS和大連臺信號對比Fig.6 Signal comparison of SOBS and Dalian station

致謝：廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局方法所徐行副所長、珠海泰德企業(yè)有限公司羅新恒總工在文章寫作過程中提供了大量的指導(dǎo)幫助，本研究中陸地固定臺站地震數(shù)據(jù)由大連地震臺提供，在此一并表示感謝。