海洋傾角地震數(shù)據(jù)采集的限制因素

海洋傾角地震數(shù)據(jù)采集的限制因素

海洋人工地震勘探是獲取海底深度結(jié)構(gòu)特征、開(kāi)發(fā)海上石油礦產(chǎn)資源、了解海底火山巖和地震活動(dòng)的重要手段。為有效提高海洋人工地震探測(cè)的成功率、最大限度地降低各種影響因素帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失,有必要對(duì)海洋地震探測(cè)中存在的數(shù)據(jù)問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的分析,并根據(jù)不同問(wèn)題的特點(diǎn)開(kāi)展相應(yīng)的校正方法的分析和研究,使得在今后的海洋地震探測(cè)試驗(yàn)中能夠給予充分的認(rèn)識(shí)和準(zhǔn)備,采用多種數(shù)據(jù)記錄方式并對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行改進(jìn),更加有效地提高地震數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度,提高海洋地震數(shù)據(jù)的采集效率。本文以南海地區(qū)開(kāi)展的海陸地震聯(lián)測(cè)試驗(yàn)及海底地震儀(OBS)探測(cè)試驗(yàn)為例,對(duì)海上人工地震數(shù)據(jù)存在的問(wèn)題進(jìn)行了深入分析研究,并根據(jù)它們的特征提出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)校正方法,同時(shí)分析和探討了這些數(shù)據(jù)校正方法的原理和可信度;最后對(duì)今后如何在海洋地震探測(cè)中消除這些相似問(wèn)題進(jìn)行了討論。1gps時(shí)鐘記錄缺陷廣角地震探測(cè)由于震源和地震記錄系統(tǒng)是分離的,所以要統(tǒng)一使用GPS時(shí)間。但海上船載導(dǎo)航定位軟件HYPACK在GPS時(shí)間記錄上存在一定的缺陷,它采用的是在文件開(kāi)始記錄時(shí)用GPS進(jìn)行授時(shí),然后采用計(jì)算機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)間的記錄,但計(jì)算機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘存在一定的漂移,進(jìn)而導(dǎo)致每個(gè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)記錄文件均存在一定的時(shí)鐘漂移。從南海北部海陸地震聯(lián)測(cè)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知2南海沿海地區(qū)的地震數(shù)據(jù)處理在海陸地震聯(lián)測(cè)及海底地震儀探測(cè)中,固定地震臺(tái)網(wǎng)、陸上流動(dòng)地震臺(tái)或沉入海底的海底地震儀由于記錄器電子設(shè)備本身固有的特點(diǎn)及其受各種環(huán)境的影響,往往記錄時(shí)間發(fā)生一定量的漂移,這就要根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)的記錄情況,采用合理的方法予以校正,將這些環(huán)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(lián)測(cè)試驗(yàn)中出現(xiàn)的部分固定臺(tái)站記錄時(shí)間的漂移問(wèn)題為例,對(duì)海上人工地震試驗(yàn)中的臺(tái)站時(shí)間誤差進(jìn)行相應(yīng)的分析校正,為今后海上試驗(yàn)中類(lèi)似問(wèn)題的避免和解決提供技術(shù)路線(xiàn)。南海北部海陸地震聯(lián)測(cè)試驗(yàn)采用的是海上氣槍放炮,陸上固定地震臺(tái)網(wǎng)及島上流動(dòng)地震臺(tái)進(jìn)行氣槍信號(hào)記錄的方式來(lái)開(kāi)展的。從處理出的單臺(tái)地震記錄剖面圖上發(fā)現(xiàn),部分固定地震臺(tái)站(簡(jiǎn)稱(chēng)為問(wèn)題臺(tái)站)記錄到的震相走時(shí)數(shù)據(jù)存在時(shí)間明顯滯后現(xiàn)象(圖4a)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證臺(tái)站時(shí)間滯后問(wèn)題的存在,我們查找到了此次海陸聯(lián)測(cè)期間在臺(tái)灣近海地區(qū)發(fā)生的Ms4.5級(jí)地震,且問(wèn)題臺(tái)站也記錄到了該天然地震清晰的波形數(shù)據(jù)(圖4b)。基于IASP91模型,計(jì)算獲得了問(wèn)題臺(tái)站記錄初至P波震相的理論到時(shí)(圖4b中的P從波的傳播特性可知,氣槍放炮時(shí)間、初至波的走時(shí)以及臺(tái)站接受到初至震相的到時(shí)3者之間有如下的關(guān)系:其中Ts要想解決臺(tái)站記錄時(shí)間偏差的問(wèn)題,就需要準(zhǔn)確地獲得Δt的值。為此,我們引入了天然地震定位的方法根據(jù)上面的基本原理,從問(wèn)題臺(tái)站和其鄰近的正常臺(tái)站中選取了震相特征變化較小且最為相似的100個(gè)炮點(diǎn)的時(shí)間數(shù)據(jù),首先使用最佳的一維速度模型對(duì)鄰近正常臺(tái)站進(jìn)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(tái)站的時(shí)間偏差值;然后使用相同的一維模型對(duì)問(wèn)題臺(tái)站的Δt值也進(jìn)行了求取,最后將兩次求取的Δt值相減即獲得了問(wèn)題臺(tái)站記錄時(shí)間偏移的校正值。通過(guò)相應(yīng)的時(shí)間校正處理后,獲得了問(wèn)題臺(tái)站校正后的單臺(tái)地震記錄剖面圖(圖4c)。為了評(píng)估校正值的精確程度,在使用最小二乘法求取Δt值的同時(shí),也獲得了每個(gè)炮點(diǎn)計(jì)算出的Δt值與校正所用的Δt值之間殘差的均方根值,約為0.06s左右,說(shuō)明其校正精度在許可范圍內(nèi)。3海底地震儀的定位海底地震儀在海上人工地震數(shù)據(jù)采集過(guò)程中是沉入海底來(lái)對(duì)氣槍信號(hào)進(jìn)行接收的,在投放過(guò)程中由于海流等因素的影響,其在海底的精確位置無(wú)法測(cè)量,且記錄時(shí)間采用的也是海底地震儀的內(nèi)部時(shí)鐘,同樣會(huì)發(fā)生時(shí)鐘漂移。因此在對(duì)海底地震儀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí),首先必須要做的工作之一就是如何校正好其記錄的時(shí)間和所在海底的位置。目前,海底地震儀的時(shí)鐘校正方法主要采用的是線(xiàn)性?xún)?nèi)插的方法,在投放之前先利用GPS授時(shí)校正好海底地震儀的內(nèi)部時(shí)鐘,在回收之后讀取內(nèi)部時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘之間的時(shí)差,使用線(xiàn)性插值的方法計(jì)算獲取每個(gè)炮點(diǎn)的時(shí)鐘校正量。而對(duì)于海底地震儀的位置信息,目前使用最多的是拾取近炮點(diǎn)的直達(dá)水波到時(shí),通過(guò)最小平方反演的方法來(lái)獲取其確切的落點(diǎn)位置。其中已知的信息是:OBS的深度h,每個(gè)炮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的直達(dá)波的走時(shí)t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(guò)海底地震儀使用的是近炮點(diǎn)的直達(dá)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(diǎn)位置與海底地震儀位置的分布特征的影響。通過(guò)不同分布形態(tài)的炮點(diǎn)組合的定位結(jié)果可知,當(dāng)炮點(diǎn)形態(tài)為十字形和井字形時(shí),其定位精度較高根據(jù)以上的校正原理,對(duì)2006年南海北部海底地震儀探測(cè)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正處理,圖5a是處理前的記錄剖面,該剖面中的直達(dá)水波信號(hào)存在明顯的偏差,OBS兩側(cè)的直達(dá)水波信號(hào)不對(duì)稱(chēng)且部分震相也存在扭曲現(xiàn)象;經(jīng)過(guò)校正處理后,發(fā)現(xiàn)先前存在的直達(dá)水波不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)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(shù)據(jù)更趨合理,誤差水平顯著降低,為精確拾取各震相走時(shí)數(shù)據(jù)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。4海上地震數(shù)據(jù)處理受海水覆蓋的影響,海洋人工地震數(shù)據(jù)的采集有其獨(dú)特之處,需要根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集工作中存在的問(wèn)題來(lái)給予及時(shí)的改進(jìn)和提高。從以上所談到的幾個(gè)問(wèn)題可知,只有在出海前做好充分的準(zhǔn)備,采取必要的措施,在處理數(shù)據(jù)時(shí)如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,才能進(jìn)行相應(yīng)的校正和補(bǔ)救。如果在海陸聯(lián)測(cè)試驗(yàn)中船上沒(méi)有攜帶地震儀來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè),那么上述提到的導(dǎo)航記錄時(shí)間的漂移問(wèn)題就很難得到解決。同樣,在第一次開(kāi)始海陸聯(lián)測(cè)并使用固定地震臺(tái)網(wǎng)來(lái)對(duì)海上氣槍信號(hào)進(jìn)行接收時(shí),也很難想到對(duì)固定臺(tái)網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)以及如何檢測(cè)的問(wèn)題。在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題之后,對(duì)即將開(kāi)展的海陸聯(lián)測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行海上工作之前,會(huì)根據(jù)存在的問(wèn)題對(duì)固定臺(tái)網(wǎng)也進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè),具體的辦法就是收集這些固定臺(tái)網(wǎng)記錄到的鄰近地區(qū)(如日本、臺(tái)灣等)大地震的數(shù)據(jù),將其觀測(cè)走時(shí)與理論走時(shí)進(jìn)行對(duì)比,看誤差范圍是否在正常范圍之內(nèi),同時(shí)臺(tái)網(wǎng)內(nèi)部較近的地震臺(tái)站可以互相進(jìn)行驗(yàn)證,看走時(shí)是否較為一致。上述這些數(shù)據(jù)采集前的準(zhǔn)備工作,將會(huì)極大地提高海上地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確度,為深入研究海底結(jié)構(gòu)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在地震數(shù)據(jù)采集工作中,時(shí)間和位置是最為重要的參數(shù),往往問(wèn)題都是由于它們的不準(zhǔn)確性而造成的,因此地震數(shù)據(jù)處理人員要時(shí)刻提高警惕,反復(fù)對(duì)比這兩個(gè)參數(shù)記錄的準(zhǔn)確性。當(dāng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后,要仔細(xì)分析該問(wèn)題的特點(diǎn)及可能造成的原因,利用海上采集過(guò)程中所有儀器記錄到的數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行分析和校正。同時(shí),天然地震的定位問(wèn)題也主要體現(xiàn)在時(shí)間和位置這兩個(gè)參數(shù)上,其定位原理往往通過(guò)相應(yīng)的改進(jìn)之后能夠用于海上廣角地震數(shù)據(jù)的校正中。當(dāng)遇到問(wèn)題時(shí),也可以將該問(wèn)題與天然地震定位問(wèn)題進(jìn)行對(duì)比分析,這樣將會(huì)提高對(duì)問(wèn)題原因的認(rèn)識(shí),以及拓寬解決問(wèn)題的思路,為尋找一條合理、準(zhǔn)確的方法來(lái)校正數(shù)據(jù)中可能存在的各種問(wèn)題提供幫助。要解決上述問(wèn)題,必須使用合理的時(shí)間數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)導(dǎo)航炮點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行精確的校正。幸運(yùn)的是,為了對(duì)氣槍信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測(cè),本次試驗(yàn)在船甲板上也安裝了地震儀,這就為解決上述導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件放炮時(shí)間的漂移問(wèn)題提供了條件。船上地震儀記錄到的氣槍信號(hào)信噪比非常高,受船上輪機(jī)噪音的影響很小,它是用GPS進(jìn)行實(shí)時(shí)授時(shí)的,自身不存在時(shí)鐘漂移,所以拾取到每次氣槍信號(hào)在甲板上引起的脈沖時(shí)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(hào)到時(shí)來(lái)校正導(dǎo)航文件中的炮點(diǎn)時(shí)間的漂移。氣槍拖在船尾,每次的炮點(diǎn)位置和船上地震儀之間的距離恒定不變,只有約60m的距離,信號(hào)通過(guò)水體傳播到地震儀的走時(shí)只有約0.04s左右。根據(jù)船上地震儀記錄到的氣槍信號(hào)與噪音信號(hào)振幅差異較大的特點(diǎn),我們編寫(xiě)了初至到時(shí)的拾取程序,從船載地震儀記錄到的信號(hào)中拾取初至震相,并對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)記錄的炮點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行了校正,然后用新的炮點(diǎn)時(shí)間對(duì)船上地震儀記錄的信號(hào)進(jìn)行了處理(圖3a),發(fā)現(xiàn)原來(lái)存在的臺(tái)階已經(jīng)消除,地震相在0s附近呈一條水平的直線(xiàn),這說(shuō)明從船上地震儀提取的時(shí)間是正確的。之后利用這個(gè)新的炮點(diǎn)時(shí)間對(duì)擔(dān)桿島流動(dòng)地