obs技術在南海的應用

obs技術在南海的應用

0陸相中脊設計范疇海底地震儀（obs）直接接觸海底面。與多道地震的接收相比有很大優(yōu)勢。首先，可以觀察到交叉波，通常使用四分量地震檢測器。其次，它用于研究和獲取深度地殼結構信息。第三，頻率范圍obs也可以進行海床的自然地震觀測（浮秋宇等，2003a，2003b；陳剛等，2004）。obs廣泛應用于石油工程調查（陳剛等，2009）、洋中脊柱結構（牛偉等，2009；陳剛等，2010；朱亞洲等，2012年；周志勇等，2009；陸學林等，2011年；趙明輝等，2011；吳振麗等，2011年；魏曉東等，2011年；黃海波等，2011年；陳剛等，2012年；陸川川等，2011）等。例如，在南海、黃海、西南部印度洋和南北極的地震波觀測和勘探中，有許多實際的研究和研究工作，例如進口設備和中國、歐洲和美國、印度、南北極的研究。在這些研究中，不僅有進口設備，還有中國、福建省的、江西省的、江西省的、廣東省的、，以及福建省的、江西省的和浙江省的。因此，在海洋操作、數據處理和研究方法上有許多復雜的問題。為了規(guī)范作業(yè)，提高回收率和數據處理效率，確保結果的可靠性和精度，有必要總結相關技術，為未來的更好地開展工作提供參考。本文以實際工作為例（西南印度洋中脊人工起源2d段），系統(tǒng)地總結了obs地震觀測的海上操作方法、數據處理技術和流程、建模正反演和模型評價方法。1obs投放和開放系統(tǒng)正常設置OBS的海上作業(yè)主要分5步:(1)測線設計和震源設計;(2)OBS參數設置;(3)OBS投放;(4)炸測作業(yè)和(5)OBS回收.OBS記錄一般要求同時獲得海底反射、沉積層折射、地殼折射、莫霍面反射和上地幔折射等地震信號,因而要求炸測時間間隔較大,以防止前炮的后續(xù)震相被后炮的淺層震相所覆蓋.實踐中常采用炮間距150~300m,航速4~5kn,相應的放炮時間間隔為80~120s.OBS站位間距盡可能小些,一般不超過30km.為了得到深部信息,要求槍陣容量大于5000立方英寸,工作壓力120kg/cmOBS投放前要進行充電、參數設置、密封和上浮系統(tǒng)測試.實踐中設數據采樣頻率為100~500Hz,其它參數包括開始記錄時間、終止記錄時間和自動上浮時間.自動上浮設置是在正常的聲學釋放系統(tǒng)由于各種原因失效時,采用的補救手段.另外,需要配置羅經用于確定OBS水平分量在海底的方位,配置閃光燈和旗子,以便在夜間和陽光強烈的條件下尋找在海面上漂浮的OBS.OBS投放是根據事先設定的點位,利用GPS定位來進行,要求提前降低船速,投放時船速不得高于2kn,使OBS以較小的水平速度平穩(wěn)入水.同時要及時記錄實際投放點的坐標(由于船在運動,投放點與設計點之間總是有偏差),其重要性在于實際投放點對后面的回收意義重大,而且常作為數據處理的初始坐標.OBS回收作業(yè),正常情況下船開到投放點上風向1km處,關閉船舶的螺旋槳和主機(防止螺旋槳攪住釋放器探頭和噪聲對聲學釋放的干擾),把聲學釋放器探頭放入水中(保證深過船底),發(fā)送聲學釋放命令.可以靈活設計回收路線,盡可能使每個站位有2次以上的回收機會.發(fā)現(xiàn)目標和打撈上船時要分別記錄坐標,這有利于判斷海流方向為后續(xù)工作中的目標搜索提供參考.2其它常用數據格式OBS數據處理主要包括炮點位置和時間校正、OBS位置校正、OBS數據格式轉換、OBS時鐘漂移校正、增益恢復、濾波及預測反褶積(李湘云等,2007;王彥林等,2007;Oshidaetal.,2008;薛彬等,2008;夏常亮,2009;敖威等,2010;夏少紅等,2011),為了更準確的識別震相,有時還需要進行水深靜校正(Xianetal.,1999).常用數據格式采用SEGY及SU格式文件,因為可處理這類格式的商用軟件較多,方便使用.下面具體闡述(以西南印度洋中脊50°E附近OBS地震試驗(LiandChen,2010;Zhaoetal.,2013)的某測線為例).2.1船炮點和炮點位置校正用GPS對放炮時間進行控制,使用精確到毫秒的精密計時器,與震源直接相聯(lián),如果有困難,可以將多余的OBS或陸地地震儀(帶GPS接收器)安置在船上,記錄放炮產生的甲板振動脈沖.由于各種原因,航跡(炮點位置)相對設計測線總會產生一定的偏差(一般為幾米到十幾米),直接影響震相走時的拾取.校正方法是將船上GPS所記錄的位置校正到實際的槍陣震源中心位置(熬威等,2010):2.2位置校正前的地震記錄自由落體投放的OBS下落速度較小(約1m/s),受海流的影響,其在海底的實際落點位置會偏離設計點,這種偏離現(xiàn)象對OBS記錄剖面后中偏移距較小的震相(如直達水波)的拾取有非常大的影響(如圖1a為未做任何校正的地震記錄),當水深較大時偏移可能更大.因此對OBS的位置進行校正是必要的(如圖1c,位置校正前的地震記錄;圖1d,位置校正后的地震記錄).3D地震試驗與2D地震試驗采用不同的校正方法.2.2.1實驗1:青少年暴力型當有交叉放炮測線經過OBS上方時,通?？梢缘玫捷^準確的OBS位置(夏常亮,2009;敖威等;2010;夏少紅等,2011).方法是用讀取所有站位OBS數據垂直分量中與該站位位置最近的5炮(或更多)的初至波走時,精確到毫秒,并進行時間漂移和濾波延遲校正(后述),然后減去校正后的放炮時間,差值即為直達水波的單程走時.迭代方法方程為2.2.2obs位置的確定與3D不同,對于2D試驗,首先用最小二乘法將所有炮點歸一到同一直線上形成剖面.OBS初始平面坐標由投放點的坐標確定,深度由水深測量確定.然后將其投影到上述炮點測線,得到局部化坐標以及偏離實際點的誤差(薛彬等,2008).在此基礎上計算小偏移距附近的直達水波的理論走時曲線并與實測記錄相擬合,對OBS位置進行人工微調.2.3obs時間漂移校正OBS投放前其記錄器參數設置使用GPS授時,回收后立即再次用GPS對時,確定總的時鐘漂移量(薛彬等,2008).一般認為時間漂移是線性的,因而可以由工作起始時間、終止時間和總漂移量,計算出OBS每個記錄道(對應一個炮點)的時間漂移.實際工作表明時間漂移的校正量約為幾個到十幾個毫秒.然后對地震記錄剖面進行校正,這個過程中可再次對OBS位置進行微調.經過上述OBS位置和時間的校正,小偏移距附近海底面反射震相的形態(tài)得到了較好改善(圖2d).2.4增益恢復、濾波及預測反褶積對所有站位的OBS地震記錄,可使用軟件包SeismicUnix(SU)(CohenandStockwell,1995)進行必要的處理.如最小相位帶通濾波(圖1b),增益恢復處理(圖1c)等.濾波要根據氣槍主頻進行(趙明輝等,2008),可以使用F-K濾波消除緊隨直達波的干擾波,噪聲干擾嚴重時可采用一致性濾波(MilkereitandSpencer,1989),還可采用預測反褶積壓制多次波(圖1e)便于識別沉積層和上下地殼分界面的反射震相.2.5深水靜校正處理OBS地震記錄是以共接收點記錄的折合時間剖面的形式來表達,常用的折合速度為6.0km/s或8.0km/s,前者用于突出地殼內折射波Pg,后者用于突出上地幔頂層內折射波Pn.但當地形變化較大時,對震相識別造成一定影響.為此,可以采用水深靜校正處理,從每道記錄的時間軸上減去水層內垂直走時.圖1f給出了水深靜校正之后的地震記錄,該OBS位于地形隆起處,海底面起伏高差達2000m,可以看出校正后Pg的視速度接近真實,利于震相識別.通常水深靜校正用于震相識別,震相拾取仍使用先前的地震記錄.3初始模型與速度參考研究區(qū)歷史地震剖面、水深數據等資料,用網格法建立初始模型,用試錯法正演手動修改各層的速度和分界面變化等模型參數.固定界面,以全局走時誤差為目標函數,采用阻尼最小二乘法,由淺到深,逐層反演速度,得到最優(yōu)化速度模型.最終模型可分為最佳網格參數和最簡潔結構模型、最少參數或結構優(yōu)先模型、最佳網格參數和結構優(yōu)先模型以及最少參數或最簡潔結構模型(ZeltandSmith,1992;ZeltandForsyth,1994;Zelt,1999)等4種.舉例如下.測線初始模型分為4層(圖2a),分別為海水層(層內速度為1.5km/s),2km厚的上地殼(洋殼層2,頂面速度2.4km/s,底面速度6.4km/s),4km厚的下地殼(洋殼層3,頂面速度6.4km/s,底面速度7.0km/s)和上地幔(頂面速度7.8km/s,底面速度8.2km/s).上述分層和速度參考了多波束水深數據、標準洋殼模型(Kennett,1982;Whiteetal.,1992)和SWIR66°E及57°E處的P波速度模型(MinshullandWhite,1996;Mulleretal.,1997,1999,2000;Minshulletal.,2006).網格劃分方法是,各層網格節(jié)點水平間距為5km.垂直方向上,除海水層外,設定層內速度為線性變化,由頂面與底面的速度差和厚度,自動確定網格劃分.層內不設速度間斷面.采用走時模擬和反演方法來構建速度模型,使用軟件為RayInvr(ZeltandSmith,1992).在初始模型基礎上,通過上述反演方法得到最終速度模型(圖2b).4模型評價由于模型參數存在非唯一性和不確定性,模型評價主要分為兩種:模型間接評價和模型直接評價(Zelt,1999).4.1速度模型的計算模型間接評價主要評價模型的分辨率和模型參數的不確定性,是最簡單的模型評價方法,用統(tǒng)計圖表來表達.(1)用表格給出模型統(tǒng)計分析結果(表1),包括震相拾取數、模型可以約束的震相數及其百分比、每種震相的RMS(rootmeansquare)走時擬合誤差和chi-square、所有走時的RMS與chi-square(ZeltandSmith,1992).(2)畫出每一條射線和每一震相的計算走時圖,同時將其與拾取的震相對比(圖3).(3)畫出最終速度模型圖的同時計算并給出射線密度分布圖(圖4).(4)用擾動方法進行模型分辨率測試(圖5).這個方法比射線密度圖更好,因為同一角度或同一方向的射線密度大并不能代表較高的分辨率,不同方向和偏移距的較少的射線也能有較高的分辨率.另外常用的技術還有檢測板分析(Xiaetal.,2010)等.4.2算法2:射線追蹤擬合,多參數不確定性測試,通用模型評價直接模型評價主要是通過改變模型參數來檢驗模型的唯一性(Zelt,1999),其操作較為復雜和耗時.主要有三種方法:(1)單一參數不確定性測試:手動修改某一參數,然后進行射線追蹤擬合,使用F-test來檢驗模型是否相同,如果模型不同,當前改變量則為該模型參數的不確定性.(2)多參數不確定性測試:手動修改多個參數,然后進行射線追蹤擬合,原理同單參數不確定性測試,本文使用測線的多參數不確定性測試見表2.(3)通用模型評價:在合理的范圍內系統(tǒng)的改變任一模型參數,再做反演,判斷對模型的影響.如改變震相的不確定性,速度和深度節(jié)點,目標函數或線性系統(tǒng)的射線出射偏移距參數,或模型網格節(jié)點或層數等,可以判斷模型的唯一性和檢驗初始模型對最終模型的影響.5深水靜校正處理本文根據多年實際經驗,以西南印度洋中脊一條實測OBS廣角地震剖面為例,系統(tǒng)地介紹和總結了OBS數據采集處理建模反演和模型評價的流程和方法,為以后更好地開展相關工作提供參考.主要結論如下:(1)海上作業(yè)前要精心設計測線和工作程序,重點是震源參數和記錄參數.OBS回收成功率是關鍵問題,工作要到位細致,特別要在投放前進行必要的測試.(2)OBS數據處理主要包括炮點的時間和位置校正、OBS的位置校正、OBS數據格式轉換、OBS時鐘漂移校正、增益恢復、濾波及預測反褶積處理,如果地形起伏大,還需進行水深靜校正.(3)震相識別是建模和反演的又一關鍵.除了從折合速度剖面上直接人工識別外,要結合正演模擬反過來驗證與拾取.(4)參考研究區(qū)歷史資料,特別是地震和水深資料建立初始模型,用網格化方法對初始模型參數化,用射線追蹤正演和試錯法確定速度模型和地殼結構的基本輪廓,然后固定界面,對速度分布逐層進行自動反演.如是3D資料,最好先進行2D建模,然后再進行3D層析成像自動反演.(5)用多種手段進行模型評價是非常必要的,得到模型的不確定性和分辨率,保證可靠性和唯一性.牛雄偉,阮愛國,吳振利,等.2014.海底地震儀實用技術探討.地球物理學進展,29(3):1418-1425,doi:10.6038/pg20140358.NIUXiong-wei,RUANAi-guo,WUZhen-li,etal.2014.ProgressonpracticalskillsofOceanBott