地球物理學(xué)在海洋中的應(yīng)用(共13頁)

1、OBS勘探(kntn)技術(shù)姓名(xngmng)：何勇 中國(zhn u)海洋大學(xué) 摘要： OBS 作為廣角地震的一種，與海洋調(diào)查中用到的其它地震方法的顯著區(qū)別和優(yōu)勢在于它實(shí)現(xiàn)了地震波的海底接收，這樣就避免地層返回來的地震波能量在海水中的大量吸收和衰減，并可同時(shí)記錄來自海底反射層中的地震縱波、橫波及其轉(zhuǎn)換波信息，且海底噪音相對較少，大大提高了數(shù)據(jù)的信噪比，減少了反演結(jié)果的多解性。OBS探測技術(shù)聯(lián)合三維地震勘探，對天然氣水合物本文主要介紹OBS的工作原理、野外工作方法和數(shù)據(jù)處理流程。關(guān)鍵詞：海底探測儀 多波勘探一 、OBS 簡介海底地震儀（Ocean Bottom Seismometer，OBS）

2、是將檢波器直接放置在海底的一種地震觀測系統(tǒng)，既可用于天然地震的觀測(長周期或?qū)掝l帶)，也可用于人工地震剖面探測(短周期)，是研究邊緣海和大洋深部結(jié)構(gòu)的有效手段。 圖2 海底地震儀結(jié)構(gòu)圖海底地震勘探:先將OBS等儀器投放到確定好的待測海底，利用人工方法在海水表面激發(fā)的波動(dòng)在海水中和海底巖層中傳播的規(guī)律（速度），來確定海底構(gòu)造及巖層的分層狀況特征等，研究地下地質(zhì)問題；主要研究海底地形構(gòu)造、大洋中脊等，并可為尋找油氣及其他礦物資源提供服務(wù)。 OBS 進(jìn)行的研究一般是廣角地震，是大面積大范圍的研究，所以對于尋找油氣及其他礦物不是很方便，但是放置密集點(diǎn)仍舊可以進(jìn)行小范圍，較薄巖層的劃分。OBS主體部分包

3、括由一個(gè)三分量地震儀和一個(gè)深海水聽器組成的傳感器、一臺數(shù)字化記錄器、一個(gè)聲學(xué)應(yīng)答釋放器，外加無線電發(fā)射器、閃光燈、羅經(jīng)和壓力表。輔助設(shè)備包括釋放器的甲板單元和傳感器、GPS定位單元、鎮(zhèn)重錨、電池和旗子。OBS探測的一個(gè)重要技術(shù)特點(diǎn)是地震檢波器具有三分量功能，即一個(gè)垂直分量，兩個(gè)水平分量。檢波器安裝在一個(gè)充滿高粘度硅油的玻璃(b l)圓柱內(nèi)的阻尼萬向平衡支架上，使檢波器在海底面傾斜時(shí)保持其原來的平衡位置，圓柱被固定在玻璃球底部。應(yīng)用(yngyng)縱橫波資料(zlio)進(jìn)行綜合解釋可獲得很多有用信息，進(jìn)行縱橫波聯(lián)合地震勘探最好的辦法是做三分量地震勘探。簡單地說，就是同時(shí)接收縱波和兩個(gè)橫波分量的勘

4、探叫三分量地震勘探，所得到的記錄叫三分量記錄。以往常規(guī)地震勘探是接收垂直地面振動(dòng)的縱波（用P表示），僅得到一個(gè)方向的資料-縱波剖面。而橫波（用S表示）不像縱波那樣簡單，它有兩個(gè)分量，一個(gè)是沿測線方向振動(dòng)向地下傳播的分量，用SV表示；另一個(gè)是垂直測線方向振動(dòng)向地下傳播的分量，用SH表示。頻率范圍是2100Hz。SEDIS IV型短周期自浮式海底地震儀除了上述三分量檢波器外，還配有一個(gè)深海水聽器，其作用一是當(dāng)?shù)卣饳z波器由于海底面過于傾斜或其它原因而失效時(shí)，水聽器可以保證通過水壓變化記錄到地震信號；二是將水聽器信號（只含P波信息）與檢波器信號（三道均含P波和S波信息）進(jìn)行對比，可以比較容易地提取S波

5、信號。OBS 作為廣角地震的一種，較海洋調(diào)查中其它常規(guī)地震方法的顯著特點(diǎn)和優(yōu)勢在于它實(shí)現(xiàn)了海洋地震的海底接收，這樣就避免地層返回來的地震波能量在海水中的大量吸收和衰減，并可同時(shí)記錄來自地殼中的P波和轉(zhuǎn)換S波信息，且海底是較為安靜的環(huán)境，這樣就大大提高了所得數(shù)據(jù)的信噪比，減少了反演結(jié)果的多解性。此外S波數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)使我們可以探討地殼的物質(zhì)組成，這在相對缺少巖石證據(jù)的海區(qū)具有重要的意義。海底地震儀除了上述三分量檢波器外，還配有一個(gè)深海水聽器，水聽器又稱水下傳聲器，是把水下聲信號轉(zhuǎn)換為電信號的換能器，其作用一是當(dāng)?shù)卣饳z波器由于海底面過于傾斜或其它原因而失效時(shí)，水聽器可以保證通過水壓變化記錄到地震信

6、號；二是將水聽器信號（只含P波信息）與檢波器信號（三道均含P波和S波信息）進(jìn)行對比，可以比較容易地提取S波信號。進(jìn)行聲學(xué)釋放時(shí)，作業(yè)船開到OBS原先的投放位置，將計(jì)算機(jī)與甲板單元相連接，通過電纜和水中傳感器發(fā)送釋放信號，OBS應(yīng)答釋放部分收到信號后發(fā)出釋放命令，使燃燒線熔斷，OBS與鎮(zhèn)重錨脫鉤，依靠玻璃球及塑料套的浮力以 0.51m/s 的速度上浮到海面。借助漂浮在海面OBS發(fā)出的無線電信號、閃光燈指示器和熒光旗子來進(jìn)行海上搜尋。當(dāng)遇到特殊情況時(shí)，對放置在海底的OBS采取定時(shí)釋放。在設(shè)定的釋放時(shí)刻，OBS內(nèi)置的備用時(shí)鐘-定時(shí)器會獨(dú)立發(fā)出釋放命令，將燃燒線熔斷，OBS與鎮(zhèn)重錨脫鉤上浮。圖3 海底

7、(hi d)地震儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4 海底地震儀內(nèi)部(nib)構(gòu)造圖5 海底地震儀整體(zhngt)構(gòu)造圖6 投放(tufng)前安裝好的海底地震儀圖7 臺灣產(chǎn)四合(s h)一海底地震儀空氣槍它是將壓縮空氣在短暫的瞬間(shn jin)內(nèi)釋放于水中，形成氣泡造成強(qiáng)烈的地震(dzhn)振動(dòng)。 氣槍工作原理：空氣壓縮后送進(jìn)氣槍的氣室中,并達(dá)到一定的壓力。工作時(shí)用電磁閥打開氣室，其中的壓縮空氣迅速進(jìn)入水中形成氣泡,產(chǎn)生振動(dòng)。主要類型：按氣槍的工作壓力可分為高壓槍和低壓槍；按用途可分為深水工作槍、淺水(qin shu)工作槍、陸地槍等；按槍的結(jié)構(gòu)可分為BOLT槍、G槍、GI槍、套筒槍、RLS-6000高壓槍

8、等。圖8 正在海上作業(yè)中的氣槍源三、OBS應(yīng)用原理圖9 地震波傳播路徑圖10 入射地震波的能量轉(zhuǎn)換OBS 最常用(chn yn)的作業(yè)方式和應(yīng)用之一即是OBS 廣角地震(dzhn)調(diào)查。OBS 廣角折射(zhsh)/反射(Wide Aperture Reflection and Refraction Profiling, 簡稱WARRP)的地震調(diào)查方法，是研究邊緣海和大洋深部結(jié)構(gòu)的最有效手段之一，較多道地震等常規(guī)地震其具十分鮮明的特點(diǎn)。圖13 OBS剖面海上探測示意圖四、OBS工作流程OBS調(diào)查工作大體包括測線設(shè)計(jì)；OBS參數(shù)設(shè)置，部件組裝，密封，投放和回收；后續(xù)的數(shù)據(jù)處理、建模和反演計(jì)算等三

9、大部分。海上作業(yè)前每個(gè)OBS被投放前，必須徹底檢查儀器以確保所有連接是正確的，然后設(shè)置好儀器參數(shù)，主要是工作起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、頻率、采樣間隔、水平分量的方向和記錄通道編號。隨后密封玻璃球并將其放置在甲板上，對儀器每隔半個(gè)小時(shí)進(jìn)行一次氣壓和電壓（燃燒線與負(fù)極之間）檢查。在投放前給每臺OBS裝上鎮(zhèn)重錨，插上小旗子，固定深海水聽器、回收信號發(fā)射天線及燃燒線，并再次對聲學(xué)釋放器進(jìn)行檢查。當(dāng)船接近預(yù)定位置時(shí)（100m），用絞車、撐竿使OBS緩慢下降到水面上并保持空中穩(wěn)定姿態(tài)，在預(yù)定投放點(diǎn)（5m）被松開，投放時(shí)船速最好不要超過1kn，以使OBS垂直自由沉降到海底。在航次探測中，我們遵循如下步驟：首先在預(yù)

10、定的測線投放點(diǎn)依次放下OBS，開出測線外一個(gè)臺站的距離，沿測線返回，在測線外一個(gè)臺站距離處以固定的間隔 (200m ) 激發(fā)氣槍開始放炮（槍陣總?cè)萘?4.55725L）。最后，沿測線回收OBS，這樣就得到一條完整的人工地震剖面。4.2 數(shù)據(jù)采集 每個(gè)OBS被投放前，必須徹底檢查儀器以確保所有連接是正確的，然后設(shè)置好儀器參數(shù)，主要是工作起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、頻率、采樣間隔、水平分量的方向和記錄通道編號。隨后密封玻璃球并將其放置在甲板上，對儀器每隔半個(gè)小時(shí)進(jìn)行一次氣壓和電壓檢查。在投放前給每臺OBS裝上鎮(zhèn)重錨，插上小旗子，固定深海水聽器、回收信號發(fā)射天線及燃燒線，再次對聲學(xué)釋放器進(jìn)行檢查。當(dāng)船接近預(yù)

11、定位置時(shí)，用絞車、撐竿使OBS緩慢下降到水面上并保持空中穩(wěn)定姿態(tài)，在預(yù)定投放點(diǎn)被松開，投放時(shí)船速最好不要超過1kn，以使OBS垂直自由沉降到海底。 在航次探測中遵循如下步驟：首先在預(yù)定的測線投放點(diǎn)依次放下OBS，開出測線外一個(gè)臺站的距離，在測線外一個(gè)臺站距離處以固定的間隔 激發(fā)氣槍開始放炮。最后，沿測線回收OBS，這樣(zhyng)就得到一條完整的人工地震剖面。數(shù)據(jù)處理對每個(gè)回收上來的OBS，要立刻用GPS重新校準(zhǔn)它的內(nèi)部時(shí)鐘，并且(bngqi)顯示和記錄儀器存儲器里的故障記錄，以便觀察是否存在問題。數(shù)據(jù)拷貝后，一般還要顯示儀器存儲器里的內(nèi)容，再次觀察數(shù)據(jù)是否存在問題，以確保正確記錄了所要求的

12、數(shù)據(jù)。如果發(fā)現(xiàn)問題，在重新投放設(shè)備前必須糾正過來。重新放置OBS前需徹底檢查、組裝儀器，并更換電池組和設(shè)置參數(shù)。SEDIS IV型海底地震儀原始數(shù)據(jù)為IMG格式，要綜合運(yùn)用導(dǎo)航數(shù)據(jù)、甲板上便攜式地震儀記錄的炮時(shí)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行截載處理。首先是進(jìn)行放炮時(shí)間處理，主要步驟為：（1）從導(dǎo)航文件中獲取粗糙的地震放炮時(shí)間；（2）將甲板記錄的炮時(shí)文件變成SU格式，并檢查導(dǎo)航炮時(shí)記錄的誤差，從甲板炮時(shí)記錄中拾取更精確的放炮時(shí)間；（3）顯示所拾取的炮時(shí)時(shí)間，并改正拾取不正確的測道，從而再次修改放炮時(shí)間。其次是進(jìn)行偏移距處理，方法是：從導(dǎo)航數(shù)據(jù)中獲取炮點(diǎn)的坐標(biāo)（x, y），從回收時(shí)導(dǎo)航數(shù)據(jù)中獲取OBS的水平(sh

13、upng)坐標(biāo)（x, y），從而計(jì)算偏移距。最后用得到的炮時(shí)數(shù)據(jù)和偏移距數(shù)據(jù)處理原始數(shù)據(jù)以獲取各OBS記錄的SEGY格式和SU格式文件，并對SU格式文件進(jìn)行處理得到所對應(yīng)的PS圖像文件。從單道地震測深數(shù)據(jù)中獲取OBS站位臨近兩點(diǎn)的水深資料并取平均值得OBS站位水深，通過公式看記錄時(shí)間是否準(zhǔn)確，若不準(zhǔn)確，就需要在處理過程中對OBS站位水深進(jìn)行進(jìn)一步校正。南海中北部測線2中OBS8臺站的站位水深3.31255km，計(jì)算理論記錄時(shí)間約為2.208s，與圖2記錄時(shí)間相對應(yīng)，圖2顯示了南海中北部測線2中OBS8臺站的垂直分量地震記錄剖面，可見信號最強(qiáng)的是分布于海底地震儀(0km)附近的直達(dá)水波，海底地震

14、儀兩側(cè)的地震相基本呈對稱分布，清晰記錄到5120km遠(yuǎn)的折射波和廣角反射波。資料解釋 圖15 南海(nn hi)中北部測線2中OBS8臺站(ti zhn)的地震記錄剖面圖（垂直分量）圖16 數(shù)據(jù)處理結(jié)果(ji gu)圖區(qū)分(qfn)不同震相的主要根據(jù)(gnj)：（1）震相的視速度是否在同一范圍內(nèi)；（2）震相在單臺站共接收點(diǎn)剖面上出現(xiàn)的時(shí)間和偏移距是否在同一范圍內(nèi)；（3）相同路徑的震相的走時(shí)是否相等%即根據(jù)互換時(shí)間識別不同剖面上的同種震相。操作體會運(yùn)用海底地震儀進(jìn)行海洋深部地殼結(jié)構(gòu)調(diào)查具有高風(fēng)險(xiǎn)性，如果一臺海底地震儀不能成功回收，不僅損失大量財(cái)力物力，更會損失一批國家急需的寶貴數(shù)據(jù)。根據(jù)多次投放

15、實(shí)踐及數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)，我們有以下體會：（1）在電池組組裝前后和OBS組裝過程中，要多次檢測電池組所提供電壓是否符合規(guī)定要求。（2）玻璃球密封的好壞直接影響OBS能否順利被回收，從OBS組裝設(shè)置完成到投放前一段時(shí)間內(nèi)，一般每半個(gè)小時(shí)要檢查一次OBS內(nèi)的氣壓（已被抽成負(fù)壓），查看密封的玻璃球是否漏氣，測量燃燒線與負(fù)極之間電壓是否漏電。若發(fā)現(xiàn)漏氣或者漏電，都要檢查原因并重新密封，再進(jìn)行跟蹤檢查。（3）出海前要搜集資料，仔細(xì)了解每個(gè)OBS投放點(diǎn)的海底地形特點(diǎn)，盡量避免在海底地形復(fù)雜地點(diǎn)投放OBS。我們的做法是出海前收集測線附近的多波束資料、沉積資料，根據(jù)沿測線的水深變化程度、沉積物狀況，估算是否投放OB

16、S。（4）由于導(dǎo)航所記錄的炮時(shí)不準(zhǔn)確，精度較低，誤差很大，而甲板記錄炮時(shí)精度很高，在整個(gè)炮時(shí)校正中起關(guān)鍵作用。因此，如果可能的話，在放炮時(shí)最好在甲板上放一個(gè)(y )地震儀同時(shí)記錄炮時(shí)。我們在甲板上應(yīng)用了兩種型號的地震儀：一種是陸地用的便攜式地震儀（采樣率為100Hz的EDAS-3M型16位數(shù)據(jù)采集器和將信號放大4倍的891-2型工作(gngzu)擺），一種是我們富裕的SEDIS IV型海底地震儀。（5）電池組能提供(tgng)電源是有限的（2030d），而海況隨時(shí)可能發(fā)生變化，為了數(shù)據(jù)的完整及儀器的安全回收，每次以一次做完一條測線為原則，要根據(jù)海況及完成一條測線所需的時(shí)間合理進(jìn)行作業(yè)順序調(diào)整。

17、五、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及今后努力方向5.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀美、英、日、德、俄等發(fā)達(dá)國家已在海底地震儀的研制和應(yīng)用方面開展了幾十年的工作。作為海洋油氣和海洋地質(zhì)研究的有效手段，特別是由于其潛在的軍事用途，OBS 一直是國外發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。也正是由于這樣的原因，我國在OBS 引進(jìn)問題上一再受到國外的限制。國外對我國的OBS 技術(shù)限制從一個(gè)側(cè)面反映出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)高性能寬帶海底地震儀的重要意義。 20 世紀(jì)80 年代開始，OBS 調(diào)查開始應(yīng)用于我國海域，最早是中科院海洋研究所在東海開展的OBS 折射地震調(diào)查，之后則主要集中在南海北部邊緣，在南海北部邊緣主要開展了6 次OBS 調(diào)查。這些OBS 調(diào)查航次

18、的開展，為有效的獲取了地殼深部的信息作出了重要貢獻(xiàn)，使南海北部邊緣成為我國邊緣海深部研究最多的區(qū)域。 近年來，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所已經(jīng)自主研發(fā)出我國第一代海底地震儀，并海試成功。但總體來說，我國在這方面的工作才剛起步，OBS觀測系統(tǒng)仍處于研制和試驗(yàn)階段，與發(fā)達(dá)國家相比還有不少差距。國家海洋局第二海洋研究所2006年8月從德國漢堡GeoPro GmbH公司引進(jìn)了15臺SEDIS IV型短周期自浮式海底地震儀，并立即用于南海中北部地殼結(jié)構(gòu)調(diào)查，取得了很好的結(jié)果。1990年前后國際上廣泛開展了洋中脊深地震調(diào)查。主要是使用海底地震儀，往往是天然地震和人工地震同時(shí)進(jìn)行，很多時(shí)候還配合多道地震調(diào)

19、查。目前國際上OBS的設(shè)計(jì)工作水深一般為6700 m，完全可以滿足(mnz)洋中脊的調(diào)查。通過 Vp與 Vs的比值,可以確定巖性；通過不同方向的觀測或通過S波分裂，確定介質(zhì)(jizh)的各向異性，這對于確定裂隙排列、巖漿遷移是十分重要的。同時(shí)P波和S波的時(shí)滯比能提供熔體房的形態(tài)特征等信息。我國對洋中脊的研究近年才開始。且主要局限在西南印度洋海區(qū)淺表的地質(zhì)和化學(xué)取樣、攝像、地形和重磁等方面，在洋中脊構(gòu)造的調(diào)查和動(dòng)力學(xué)研究方面幾乎是空白。在大洋協(xié)會的支持下，2009年底采用海底地震儀十字布局對西南印度洋洋中脊上發(fā)現(xiàn)熱液噴口(pn ku)的A區(qū)開展構(gòu)造方面的調(diào)查。用大容量氣槍作為人工震源，取得洋中脊

20、及附近的2D和3D速度影像。天然地震觀測工作擬在今后的航次中進(jìn)行。由于OBS 自身的優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍的海洋調(diào)查中發(fā)揮了越來越大的作用，包括在洋中脊，俯沖帶，火山型大陸邊緣和非火山型大陸邊緣，OBS的應(yīng)用都極大的推進(jìn)了相關(guān)科學(xué)問題的研究進(jìn)展。隨著國家對藍(lán)色國土的日益重視，海底調(diào)查和研究工作對維護(hù)國家權(quán)益、推動(dòng)資源開發(fā)和地球科學(xué)研究顯得愈發(fā)重要。海底地震儀作為一種先進(jìn)而有效的探測儀器，對海底深部地殼結(jié)構(gòu)探測和地球動(dòng)力學(xué)研究、礦產(chǎn)資源的勘探具有重要意義。從總體上看，我國海洋科學(xué)還落后于發(fā)達(dá)國家1015年。學(xué)習(xí)和借鑒國外OBS的技術(shù)特色和優(yōu)勢，也將有助于提高我國自主研發(fā)OBS的水平。 5、結(jié)語隨著國家

21、對藍(lán)色國土的日益重視，海底調(diào)查和研究工作對維護(hù)國家權(quán)益、推動(dòng)資源開發(fā)和地球科學(xué)研究顯得愈發(fā)重要。海底地震儀作為一種先進(jìn)而有效的探測儀器，對海底深部地殼結(jié)構(gòu)探測和地球動(dòng)力學(xué)研究、礦產(chǎn)資源的勘探具有重要意義。學(xué)習(xí)和借鑒國外OBS的技術(shù)特色和優(yōu)勢，也將有助于提高我國自主研發(fā)OBS的水平。參考文獻(xiàn)：Ranjan Dash.寬區(qū)域(qy)的OBS多次波數(shù)據(jù)成像.海洋(hiyng)地質(zhì)，2010，2（3）：70-78.牛雄偉(xingwi).洋中脊構(gòu)造及地震調(diào)查現(xiàn)狀，華南地震，2009，11（5）：72-84.薛發(fā)玉.大洋中脊研究進(jìn)展.海洋科學(xué)，2006,30（3）：66-72.金翔龍.大洋海底礦產(chǎn)資源研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢.東海海洋，2003,21（1）：1-4.阮愛國.國產(chǎn)I-4C型OBS在西南印度洋洋中脊的試驗(yàn)，地球物理學(xué)報(bào)，2010.4,53（4）：1015-1023.阮愛國.中國海洋深地震探測與研究進(jìn)展，華南地震，2009,29（2）：10-18.16 Allen T. Che