海洋廣角地震數據校正方法探討

夏少紅，敖威，趙明輝，丘學林，徐輝龍

（中國科學院南海海洋研究所 中國科學院邊緣海地質重點實驗室，廣東 廣州 510301）

海洋廣角地震數據校正方法探討

夏少紅，敖威，趙明輝，丘學林，徐輝龍

（中國科學院南海海洋研究所 中國科學院邊緣海地質重點實驗室，廣東 廣州 510301）

海洋廣角地震數據的采集具有高投入、高風險及高難度等特點，這使得從海洋上采集到的地震數據顯得異常寶貴，但往往由于各種客觀條件（如氣候條件、定時定位條件、儀器條件及人為因素等）的限制，導致采集到的地震數據存在一些缺陷。以南海地區開展的海陸地震聯測及海底地震儀（OBS）探測的試驗數據為例，對導航數據時間誤差、部分陸地固定臺站的時間誤差、海底地震儀定位偏差等問題進行了分析，并提出了具體的數據校正方法，同時對這些校正方法的原理也進行了相應的分析和探討。從校正后的結果看，原本存在明顯問題的數據得到了有效解決，為更深入地解決海洋人工地震數據存在的各種問題提供了技術路線。

海洋廣角地震數據；校正；海底地震儀；海陸地震數據

海洋人工地震探測是獲取海底深部結構特征、開發利用海洋石油礦產資源以及認識海底火山和地震活動等的重要手段[1-7]。但由于海洋惡劣氣候條件的影響、儀器設備抗高壓及耐腐蝕的挑戰以及暈船等人為因素的限制，使得海洋人工地震數據的采集具有高風險、高難度及高投入等特點，也導致海上采集到的地震數據往往存在較多的問題[8-10]。

為有效提高海洋人工地震探測的成功率、最大限度地降低各種影響因素帶來的經濟損失，有必要對海洋地震探測中存在的數據問題進行相應的分析，并根據不同問題的特點開展相應的校正方法的分析和研究，使得在今后的海洋地震探測試驗中能夠給予充分的認識和準備，采用多種數據記錄方式并對儀器設備進行改進，更加有效地提高地震數據的準確度，提高海洋地震數據的采集效率。本文以南海地區開展的海陸地震聯測試驗及海底地震儀（OBS）探測試驗為例，對海上人工地震數據存在的問題進行了深入分析研究，并根據它們的特征提出了相應的數據校正方法，同時分析和探討了這些數據校正方法的原理和可信度；最后對今后如何在海洋地震探測中消除這些相似問題進行了討論。

1 炮點時間的校正

廣角地震探測由于震源和地震記錄系統是分離的，所以要統一使用GPS時間。但海上船載導航定位軟件HYPACK在GPS時間記錄上存在一定的缺陷，它采用的是在文件開始記錄時用GPS進行授時，然后采用計算機內部時鐘進行時間的記錄，但計算機內部時鐘存在一定的漂移，進而導致每個導航數據記錄文件均存在一定的時鐘漂移。從南海北部海陸地震聯測試驗的數據處理結果可知[11]，各臺站的單臺地震記錄剖面在導航數據文件分隔的地方均存在臺階跳躍現象（圖1），無法獲得連續準確的震相走時數據。從圖1中船載地震儀和擔桿島流動地震儀的記錄剖面上可以看到，臺階跳躍在兩地震儀上非常一致，且從船上地震儀記錄到的信息可知，部分炮點的放炮時間甚至滯后于地震儀接收到該炮信號的到達時間，這說明了臺階現象是由于導航炮點數據存在問題而造成的。

圖 1 地震剖面的臺階現象(a) 擔桿島流動臺記錄剖面；(b) 船上地震儀記錄剖面Fig. 1 Step phenomenon on seismic sections(a) for portable seismic station on Dangan Island; (b) for portable seismic station in the ship

圖 2 船上地震儀記錄到的清晰的氣槍信號Fig. 2 Airgun signals from portable station in the ship

要解決上述問題，必須使用合理的時間數據來對導航炮點時間進行精確的校正。幸運的是，為了對氣槍信號進行相應的監測，本次試驗在船甲板上也安裝了地震儀，這就為解決上述導航數據文件放炮時間的漂移問題提供了條件。船上地震儀記錄到的氣槍信號信噪比非常高，受船上輪機噪音的影響很小，它是用GPS進行實時授時的，自身不存在時鐘漂移，所以拾取到每次氣槍信號在甲板上引起的脈沖時間是精確的（圖2），因此可以使用船載地震儀記錄到的每次氣槍放炮的信號到時來校正導航文件中的炮點時間的漂移。氣槍拖在船尾，每次的炮點位置和船上地震儀之間的距離恒定不變，只有約60 m的距離，信號通過水體傳播到地震儀的走時只有約0.04 s左右。根據船上地震儀記錄到的氣槍信號與噪音信號振幅差異較大的特點，我們編寫了初至到時的拾取程序，從船載地震儀記錄到的信號中拾取初至震相，并對導航數據記錄的炮點時間進行了校正，然后用新的炮點時間對船上地震儀記錄的信號進行了處理（圖 3a），發現原來存在的臺階已經消除，地震相在0 s附近呈一條水平的直線，這說明從船上地震儀提取的時間是正確的。之后利用這個新的炮點時間對擔桿島流動地震臺記錄的數據進行了重新處理，獲得了該流動臺的單臺地震記錄剖面圖（圖 3b），發現之前的臺階現象不再存在，各地震相連續且效果很好，說明所用的校正方法正確可行。該校正方法從地震波的傳播距離及信號的信噪比方面可以推算出校正誤差大概在0.05 s左右，其誤差范圍對于大尺度地殼結構的研究可以忽略不計，為重新利用這次試驗采集到的海陸聯測數據提供了重要保障。

圖 3 導航數據校正后的臺站記錄剖面圖(a) 船上地震儀剖面圖；(b) 擔桿島流動臺記錄剖面圖Fig. 3 Seismic sections after corrections(a) for portable station in the ship; (b) for portable station in Dangan Island

2 臺站記錄時間漂移的校正

在海陸地震聯測及海底地震儀探測中，固定地震臺網、陸上流動地震臺或沉入海底的海底地震儀由于記錄器電子設備本身固有的特點及其受各種環境的影響，往往記錄時間發生一定量的漂移，這就要根據實際數據的記錄情況，采用合理的方法予以校正，將這些環境因素造成的影響降低到最低限度。本文以南海北部海陸地震聯測試驗中出現的部分固定臺站記錄時間的漂移問題為例，對海上人工地震試驗中的臺站時間誤差進行相應的分析校正，為今后海上試驗中類似問題的避免和解決提供技術路線。

圖 4 臺站記錄時間問題及校正結果圖(a) 未校正前的剖面圖；(b) 天然地震信號圖；(c) 時間校正后的臺站記錄剖面圖Fig. 4 Time problem and correction of permanent stations(a) Seismic section before correction; (b) Time problem obtained from earthquake waveform; (c) Seismic section after correction

南海北部海陸地震聯測試驗采用的是海上氣槍放炮，陸上固定地震臺網及島上流動地震臺進行氣槍信號記錄的方式來開展的。從處理出的單臺地震記錄剖面圖上發現，部分固定地震臺站（簡稱為問題臺站）記錄到的震相走時數據存在時間明顯滯后現象（圖 4a）。為了進一步驗證臺站時間滯后問題的存在，我們查找到了此次海陸聯測期間在臺灣近海地區發生的Ms 4.5級地震，且問題臺站也記錄到了該天然地震清晰的波形數據（圖 4b）。基于IASP91模型，計算獲得了問題臺站記錄初至P波震相的理論到時（圖4b中的Pcal），同時我們在該天然地震的波形文件上也能準確地拾取到初至P波的到時位置（圖4b中的Pobs），通過對比該初至震相的觀測到時與理論到時，發現兩者之間相差約20 s左右，排除天然地震定位誤差以及速度模型引起的誤差之后，發現20 s的時差主要還是臺站記錄時間存在問題而造成的，進一步證實了問題臺站記錄時間滯后現象的存在。而從震相的連續性以及與鄰近正常臺站之間震相的對比來看，問題臺站的時間偏差是固定的，并不隨炮點的變化而發生改變，這極大地增加了我們校正該時間偏差問題的可能性。

從波的傳播特性可知，氣槍放炮時間、初至波的走時以及臺站接受到初至震相的到時3者之間有如下的關系：

其中Tsi為臺站記錄到的第i炮的信號時間，Tei為第i炮的放炮時間，ti為第i炮初至震相的走時。針對問題臺站的時差偏移，假設其固定漂移時間為Δt，那么對于問題臺站就有如下的關系：

要想解決臺站記錄時間偏差的問題，就需要準確地獲得Δt的值。為此，我們引入了天然地震定位的方法[12]，將臺站視為天然地震震源點，而炮點視為接受臺陣，采用合理的速度模型，使用最小二乘法擬合的方式來獲得Δt的值。與天然地震定位不同的是，問題臺站的位置是非常精確的，只需要盡可能準確地定位好時間問題。同時為了消除速度模型對走時的影響，我們選擇了問題臺站附近的正常臺站來給予進一步的校正，使得求取的 Δt值更為精確。其基本理論依據就是問題臺站與附近的正常臺站記錄到的相同炮號的射線路徑基本相似，穿越的地下結構也極為接近，這樣它們受速度模型的影響程度也應該比較接近。我們知道正常地震臺站的Δt值本應該為 0，如果通過上述地震定位的原理，使用相同的速度模型也可以獲得正常臺站的Δt值，這個求取的Δt值如果不為0，那么就是由于速度模型而造成的。這樣如果用問題臺站求取的Δt值減去正常臺站的Δt值，就基本消除了因速度模型而引起的誤差，使得問題臺站的Δt值更為精確。

根據上面的基本原理，從問題臺站和其鄰近的正常臺站中選取了震相特征變化較小且最為相似的100個炮點的時間數據，首先使用最佳的一維速度模型對鄰近正常臺站進行了Δt值的求取，獲得了因速度模型誤差而引起的該正常臺站的時間偏差值；然后使用相同的一維模型對問題臺站的Δt值也進行了求取，最后將兩次求取的Δt值相減即獲得了問題臺站記錄時間偏移的校正值。通過相應的時間校正處理后，獲得了問題臺站校正后的單臺地震記錄剖面圖（圖 4c）。為了評估校正值的精確程度，在使用最小二乘法求取Δt值的同時，也獲得了每個炮點計算出的Δt值與校正所用的Δt值之間殘差的均方根值，約為0.06 s左右，說明其校正精度在許可范圍內。

3 海底地震儀時間和位置偏差校正

海底地震儀在海上人工地震數據采集過程中是沉入海底來對氣槍信號進行接收的，在投放過程中由于海流等因素的影響，其在海底的精確位置無法測量，且記錄時間采用的也是海底地震儀的內部時鐘，同樣會發生時鐘漂移。因此在對海底地震儀數據進行處理時，首先必須要做的工作之一就是如何校正好其記錄的時間和所在海底的位置。目前，海底地震儀的時鐘校正方法主要采用的是線性內插的方法，在投放之前先利用GPS授時校正好海底地震儀的內部時鐘，在回收之后讀取內部時鐘與GPS時鐘之間的時差，使用線性插值的方法計算獲取每個炮點的時鐘校正量。

而對于海底地震儀的位置信息，目前使用最多的是拾取近炮點的直達水波到時，通過最小平方反演的方法來獲取其確切的落點位置。其中已知的信息是：OBS的深度h，每個炮點對應的直達波的走時ti，每個炮點的位置（xi, yi, hi），以及地震波在水中的速度v。這些已知信息與海底地震儀位置（x, y）之間可以構成一個我們熟悉的矩陣方程 G?m =d[10]，該矩陣方程是個超定方程，采用最小二乘法可以求取獲得海底地震儀的位置坐標（x, y）。

以上海底地震儀的定位方法與天然地震的定位在原理上是完全相同的，只不過海底地震儀使用的是近炮點的直達水波，水的速度變化較小，精確度更高；而天然地震采用的是初至震相，速度模型不確定性更大一些。因此，從天然地震定位的誤差影響因素可知，海底地震儀的定位精度也受到水體速度變化的影響，以及所使用的近炮點位置與海底地震儀位置的分布特征的影響。通過不同分布形態的炮點組合的定位結果可知，當炮點形態為十字形和井字形時，其定位精度較高[10]，這與天然地震必須發生在臺網內部時定位精度才更精確是很相似的。同時，為了盡可能地降低海水速度和儀器記錄誤差等因素的影響，在進行定位時必須選擇離海底地震儀較近的炮點坐標來進行反演計算，以達到提高反演坐標精度的目的。

根據以上的校正原理，對 2006年南海北部海底地震儀探測試驗獲得的數據進行了校正處理，圖5 a是處理前的記錄剖面，該剖面中的直達水波信號存在明顯的偏差，OBS兩側的直達水波信號不對稱且部分震相也存在扭曲現象；經過校正處理后，發現先前存在的直達水波不對稱現象得到了很好的改善，各地震相也變的更為連貫一致（圖 5b），使得數據更趨合理，誤差水平顯著降低，為精確拾取各震相走時數據打下了堅實基礎。

圖 5 海底地震儀（OBS）記錄剖面(a) 未校正前的記錄剖面圖；(b) 校正后的剖面圖Fig. 5 Seismic sections of OBS(a) before correction; (b) after correction

4 討論及結論

受海水覆蓋的影響，海洋人工地震數據的采集有其獨特之處，需要根據現有的數據采集工作中存在的問題來給予及時的改進和提高。從以上所談到的幾個問題可知，只有在出海前做好充分的準備，采取必要的措施，在處理數據時如果發現問題，才能進行相應的校正和補救。如果在海陸聯測試驗中船上沒有攜帶地震儀來對信號進行監測，那么上述提到的導航記錄時間的漂移問題就很難得到解決。同樣，在第一次開始海陸聯測并使用固定地震臺網來對海上氣槍信號進行接收時，也很難想到對固定臺網進行檢測以及如何檢測的問題。在發現問題之后，對即將開展的海陸聯測試驗進行海上工作之前，會根據存在的問題對固定臺網也進行相應的檢測，具體的辦法就是收集這些固定臺網記錄到的鄰近地區（如日本、臺灣等）大地震的數據，將其觀測走時與理論走時進行對比，看誤差范圍是否在正常范圍之內，同時臺網內部較近的地震臺站可以互相進行驗證，看走時是否較為一致。上述這些數據采集前的準備工作，將會極大地提高海上地震數據的質量和準確度，為深入研究海底結構打下堅實的基礎。

在地震數據采集工作中，時間和位置是最為重要的參數，往往問題都是由于它們的不準確性而造成的，因此地震數據處理人員要時刻提高警惕，反復對比這兩個參數記錄的準確性。當發現問題后，要仔細分析該問題的特點及可能造成的原因，利用海上采集過程中所有儀器記錄到的數據，對其進行分析和校正。同時，天然地震的定位問題也主要體現在時間和位置這兩個參數上，其定位原理往往通過相應的改進之后能夠用于海上廣角地震數據的校正中。當遇到問題時，也可以將該問題與天然地震定位問題進行對比分析，這樣將會提高對問題原因的認識，以及拓寬解決問題的思路，為尋找一條合理、準確的方法來校正數據中可能存在的各種問題提供幫助。

致謝：感謝廣東省地震局及香港天文臺給予的數據支撐；數據的采集工作是由南海海洋研究所實驗二號船完成的，對其全體船員表示衷心感謝。

[1] Nissen S S, Hayes D E, Buhl P, et al. Deep-penetrating seismic sounding across the northern margin of the South China Sea [J].Journal of Geophysical Research, 1995, 100 (B11): 22407-22433.

[2] Qiu X, Ye S, Wu S, et al. Crustal structure across the Xisha Trough,northwestern South China Sea [J]. Tectonophysics, 2001, 341:179-193.

[3] Yan P, Zhou D, Liu Z. A crustal structure profile across the northern continental margin of the South China Sea [J]. Tectonophysics,2001, 338: 1-21.

[4] Gailler A, Klingelhoefer F, Olivet J, et al. Crustal structure of a young margin pair: New results across the Liguro-Provencal Basin from wide-angle seismic tomography [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2009, 286: 333-345.

[5] 夏少紅, 丘學林, 趙明輝, 等. 香港地區海陸地震聯測及深部地殼結構研究 [J]. 地球物理學進展, 2008, 23(5): 1389-1397.

[6] 趙明輝, 丘學林, 葉春明, 等. 南海東北部海陸深地震聯測與濱海斷裂帶兩側地殼結構分析 [J]. 地球物理學報, 2004, 47(5):845-852.

[7] Xia S, Zhao M, Qiu X, et al. Crustal structure in an onshore-offshore transitional zone near Hong Kong, northern South China Sea [J].Journal of Asian Earth Sciences, 2010, 37: 460-472.

[8] 薛彬, 阮愛國, 李湘云, 等. SEDIS IV型短周期自浮式海底地震儀數據校正方法 [J]. 海洋學研究, 2008, 26(2): 98-102.

[9] 王彥林，閻貧，鄭紅波，等. OBS記錄的時間和定位誤差校正 [J].熱帶海洋學報, 2007, 26(5): 40-46.

[10] 夏常亮. OBS地震數據關鍵處理環節研究 [D]. 北京: 中國地質大學（北京）, 2009.

[11] 夏少紅, 丘學林, 趙明輝, 等. 香港與珠三角地區海陸聯合地震探測的數據處理 [J]. 熱帶海洋學報, 2007, 26(1): 35-38.

[12] Engdahl E R, Lee W. Relocation of local earthquakes by seismic ray tracing [J]. Journal of Geophysical Research, 1976, 81: 4400-4406.

Corrections and analysis of wide angle seismic data from the sea

XIA Shao-hong, AO Wei, ZHAO Ming-hui, QIU Xue-lin, XU Hui-long

（CAS Key Laboratory of Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China）

The wide angle seismic data from the sea are very valuable because of the difficulties, costliness and risks in obtaining them. But these data could include some problems which result from weather, bad instrument, jamming, and so on. This paper analyzed and corrected the locations and time of OBSs, seismic stations and navigation data, based on our recently obtained onshore-offshore seismic data and OBS data in the northern South China Sea. We put forward different corrected methods according to different problems, and illuminated their principles. Results after corrections show that the problems existing in original data were well solved, and data after corrections could be used to study the crustal structures. This study can enlighten us to better solve diverse problems potentially existing in the wide angle seismic data from the sea.

wide seismic data from the sea; correction; OBS; onshore-offshore seismic data

P315.2

A

1001-6932(2011)05-0487-05

2010-05-11；

2011-03-24

國家自然科學基金（U0933006, 41006028）；中國科學院南海海洋研究所青年人才領域前沿項目（SQ200911）；中國科學院優博論文、院長獎獲得者科研啟動資金（1731005933）。

夏少紅（1981－），男，博士，主要從事海洋地球物理及大陸邊緣結構方面的研究工作。電子郵箱：shxia@scsio.ac.cn。