为了探明南海西北次海盆地壳结构，2006年9—10月，国家海洋局第二海洋研究所与中国科学 院南海海洋研究所合作，平行于南海西北次海盆残余扩张脊方向布设并实施了一条深地震测线OBS2006-2(图 1)，实验中使用了12台海底地震仪(OBS)，均为德国产的Sedis IV型短周期自浮式四分量OBS(李湘云等，2007; 吴振利等，2008)，实验较为成功，仅丢失1台OBS(OBS09)，成功率为92%，获得了沿残余扩张脊方向的第一手资料，OBS2006-2测线下方的速度结构为南海西北部陆缘的拉张与南海的形成演化提供了重要的科学依据(敖威等，2012).

图 1

Fig. 1

图 1 OBS2006-2和OBS973-3测线区域位置及OBS台站分布.测线上红色大圆圈为数据异常台站，灰色圆圈为无数据台站，黑色圆圈为丢失台站，粉色圆圈为正常台站 Fig. 1 Bathymetric map and shaded-relief image of the Northwest and Southwest sub-basins of the South China Sea with 1000 and 3000 m isobaths. Locations of the seismic lines OBS2006-2 and OBS973-3. The red, gray, black and pink circles represent OBSs with abnormal data, with no data, lost stations, and normal stations, respectively

然而，在OBS数据处理过程中，经常会碰到一些由于数据格式或记录时间等原因而导致数据无法正常读取与利用的情况.OBS2006-2测线中OBS03和OBS06台站虽然记录了丰富的气枪信号，但在随后的数据处理中却一直没有读出有效的震相信息，因而在速度结构计算模拟中(敖威等，2012)，部署12个台站中仅利用了9个OBS台站的数据(OBS03和OBS06数据异常，OBS09丢失)(图 1).这在一定程度上为速度结构带来了多解性与不确定性.如图 2显示的是来自Moho面的反射震相(PmP)和来自上地幔顶部的折射震相(Pn)的射线追踪与覆盖情况，由于缺少OBS03、OBS06、OBS09等数据，在模型0~40 km、100~120 km和260~310 km范围内(图 2a)，并无PmP震相覆盖，因而，无法对Moho面形态与界面深度进行有效控制.特别是OBS10台站的Pn震相拟合较差(图 2b)，理论走时与实际走时相差0.5 s，导致整个速度模型Pn震相的Chi-Square值达到3.075，远超出理想状态(Chi-Square趋近于1).同样，对最终速度模型进行检测板测试 时(图 2c)，在缺少射线覆盖的0~40 km、100~120 km和260~310 km范围处，模型的分辨率较低，输出模型对于输入模型的恢复程度不理想(图 2c)；而在射线交叉覆盖较好的地方，如：170~210 km范围内(台站OBS01和OBS02之间)，模型恢复情况十分理想.这说明射线覆盖程度越好，模型的约束能力越强，得到的速度结构就越可靠.

图 2

Fig. 2

图 2 OBS2006-2测线中(a) PmP及Pn震相的射线追踪与覆盖; (b) 实测走时(竖线)与计算走时(圆点)； (c)速度结构 的检测板测试; 测线中灰色站位(OBS06、OBS03和OBS09)为没有利用站位(据敖威等, 2012修改).T表示绝对走时， PmP和Pn分别表示Moho面反射波和上地幔折射波 Fig. 2 (a) P-wave velocity model and travel-time simulation; (b) Observed travel-time curve (vertical bar) and calculated travel-time curve (dotted line) for PmP and Pn seismic phases; (c) Checkerboard test for velocity structure along the profile OBS2006-2; the grey OBS′s locations (OBS06, OBS03 and OBS09) mean that they are not used during the velocity simulation, T represents the absolute travel-time of seismic phases, PmP and Pn represent the wide-angle reflective arrivals and the refractive arrivals from Moho

基于OBS2006-2速度模型中存在的上述问题，非常有必要对OBS03和OBS06这两个台站的异常数据进行深入分析，尽量提取和挖掘有效信息，从而更好地约束OBS2006-2测线的深部地壳结构.OBS数据处理手段技术至关重要，是获取优质可靠的深部地壳结构的基础.而对于异常数据的处理，更能考验一个研究团队的技术实力与钻研精神.特别是对于宝贵的海上数据，由于航次组织和实施的费用巨大，采集工作异常艰辛，如果遇到天气不好，遭遇到 台风与低气压，代价就更为昂贵.在此次实施OBS2006-2 测线时，遭遇了台风“象神”的影响(敖威等，2009)，不仅人员在身体上备受煎熬，而且还丢失了价值高达25万元的仪器(OBS09)(图 1).因此，对于海上数据的高度珍惜及充分利用是海洋地球物理科学家必备的科学素质与责任心.本文详细地介绍了OBS2006-2测线中这两台异常数据处理情况，并成功地将该方法应用到另外一条测线(OBS973-3)的异常台站数据处理中，证明我们的处理程序合理，对将来海底地震仪探测与数据处理具有很好的推动作用.

通用OBS实验数据处理方法及步骤(图 3)已有过很多的论述与应用实例(赵明辉等，2004; 夏少红等，2007; 薛彬等，2008).首先使用程序raw2ukooa 将原始导航数据文件转换为UKOOA标准格式文件，再将Sedis IV型OBS记录到的原始地震数据(IMG格式)利用程序sedis2sac转换为SAC格式 数据，接着使用地震分析软件SAC(Seismic Analysis Code)(William and Joseph，1991)对各个台站的接收信号进行查看，通过滤波、去均值等处理后，可见 信噪比较高的气枪信号；然后，读取UKOOA文件 中的炮点时间，用sac2y程序截裁SAC格式文件中 的有效信号段，使之转换为国际通用的SEGY格式；最后，使用地震处理软件包SU(Seismic Unix)软件(Cohen and Stockwell，1994)进行常规处理，得到综合地震记录剖面结果(图 4).

图 3

Fig. 3

图 3 SEDIS IV型OBS数据处理和格式转换流程 Fig. 3 Flow chart of data processing and format conversion for the SEDIS IV type of OBS

图 4

Fig. 4

图 4 OBS07台站综合地震记录剖面 折合速度为6.0 km·s-1，Tred代表折合走时，T代表震相绝对到时，Offset表示偏移距，NEE表示放炮方向，Pdw表示直达水波， Pg表示地壳折射波，PmP表示Moho面反射波，Pn表示上地幔折射波，Pg′和PmP′表示多次波震相. Fig. 4 Seismic record section of normal OBS07 with the reduce velocity of 6.0 km·s-1 Tred represents reduced time, T represents the absolute travel-time of seismic phases, NEE represents the shooting direction, Pdw represents the direct water wave arrivals, Pg represents the crustal refractive arrivals, PmP and Pn represent the wide-angle reflective arrivals and the refractive arrivals from Moho, Pg′ and PmP′ represent their corresponding multiple seismic phases, respectively.

通常，OBS数据出现异常的情况无非是记录格式或是记录时间出现问题.因此，首先检查异常台站的原始数据格式和内容.

从班报可知所有台站设定采样率为250 Hz，原始数据每分钟为一个block，占180080字节，前80字节是段头数据，记录了段头大小、采样点数、通道数、起始时间，后180000字节是波形数据，共15000个采样点，每个采样点占12个字节，共4通道(垂直、水平X、水平Y、水听器)，每个通道占3字节，即24位的整型数.

然后用自编C语言程序sedisread检查异常台站的段头数据，发现记录的段头大小(80字节)、段内采样点数(15000字节)、通道数(4字节)、采样间隔(4 ms)、起始时间等关键参数都准确无误，数据分段和时间序列也正常，说明原始数据可读，两个异常台站数据的记录格式没有问题.

将原始数据转换成SAC格式，转换过程正常，在SAC软件里检查时间序列连续波形数据，可以看到有规律的放炮信号，但炮点间距不对，信号出现的时间与UKOOA文件中的炮点时间亦对不上(图 5)，初步怀疑时间记录存在问题，导致sac2y格式转换中，按炮点时间裁截的波形数据与放炮信号不同步，因而在SEGY格式数据中无任何震相，包括直达水波震相.

图 5

Fig. 5

图 5 OBS06数据在SAC中前9炮波形图 Time代表时间序列的时间，Amplitude表示数字化振幅，UD表示垂直分量.OBS2006-2测线中OBS06台站记录参考时间为12:48:00.000， 1-6炮炮点间距约为82~83 s，6-7炮炮点间距为130 s，第7炮开始炮点间距约为94~95 s，相对于原设计炮点间距(90 s)偏大. Fig. 5 The waveform graph of the first 9 shots in SAC format of the abnormal OBS06 Time represent the recording time sequence in second. Amplitude stand for digital amplitude in count. UD represents the vertical component. The normal reference time is 12:48:00.000 in OBS06. The shot interval is 82~83 seconds from 1st to 6th shots, the shot interval between 6th and 7th shots is 130 seconds; and the shot interval becomes 94~95 seconds from the 7th on, which is bigger than the designed shot interval (90 seconds).

时间信息存放在80字节的段头数据中，段头包 含有3个TimeDate结构体字段，分别是SampleTime、 SedisTime和GPSTime，每个字段占8字节，记录了秒、分、时、周日(一周的第几天)、月日(一月的第几天)、月份、年份等信息.由于推测两个异常台站的时间记录有问题，因此，改写了原有程序sedisread，对每分钟数据段段头中的这3个字段进行读取和输出，除SampleTime字段每个数据段增加1分钟外，SedisTime和GPSTime两个字段均无变化，说明它们并未记录任何异常信息，不是导致数据异常的原因.

从异常台站自身记录的数据本身找不出问题的原因，转而采用对比相邻正常台站数据进行对比分析.OBS2006-2测线放炮是从OBS08附近开始(图 1)，所以先对比OBS07和OBS06的波形数据.根据导航炮点数据的激发时间，在OBS07台站波形记录中找到最初前20炮的数据段(图 6)，在SAC软件 中显示的放炮特征表现为：前6炮是每80 s炮间距，第6和第7炮之间的间隔较大，约120 s，从第7炮开始，炮间距约90 s.查看班报记录可知，前7炮为测试炮，导航文件等没有进行记录，从第8炮正式开始记录，对应导航炮点数据UKOOA文件的第一行，其波形起跳时间比炮点激发时间慢约26 s，正好是直达水波从炮点位置到OBS07(约40 km)的传播走时，第8炮以后的炮点到时和炮点间距都能与UKOOA文件逐行对应.

图 6

Fig. 6

图 6 SAC中OBS07(正常)与OBS06(异常)的波形数据和放炮信号对比 (a) OBS07台站5600~7515 s波形，共记录20炮； (b) OBS06台站5600~7515 s波形，共记录19炮，说明OBS06炮点间距大于OBS07的炮点间距.相关说明同图 5. Fig. 6 Comparison on waveforms and shooting signal between instrument OBS07 (normal) and OBS06 (abnormal) in SAC format (a) Waveforms of 20 shots during the period of 5600~7515 s in OBS07 (normal) recording data; (b) Waveforms of 19 shots during the period of 5600~7515 s in OBS06 (abnormal) recording data; The same time span but different shooting number, which means that the shot interval in OBS06 are larger than that in OBS07. Other symbols are as in Fig.5.

与OBS07相邻的OBS06台站，因时间记录有问题，在炮点激发时间附近找不到放炮信号，经全局搜索，在预计时间之后约13310 s处找到放炮信号，这表明OBS06台站的信号记录严重延时.将延时误差(13310 s)粗略地去掉，与正常的OBS07台站的波形记录并排显示和对比(图 6)，可以得到以下几点认识： ① 放炮信号有规律出现，绝大部分炮点等间隔，第6-7炮之间的时间间隔都较大，进一步确认两台站记录的是同一段放炮信号； ② OBS06炮点信号的振幅比OBS07小近一半，符合OBS06比OBS07离最初炮点较远的事实； ③ OBS06的间隔比OBS07大，每炮都有一定的延时，逐步累积，虽然第1炮对齐，但后面几炮就慢慢错开，这可能就是转换成SEGY格式后找不到有效震相的真正原因.

找出OBS06异常台站的原因之后，用同样的方法，将OBS03与OBS02进行分析对比，发现OBS03亦具有相同现象，即每炮到时延迟和炮点间距变大；我们推测这可能是由于异常OBS中Sedis IV的记时器太快，使得记录到的放炮信号都有延时现象.如果记时器相对于正常时间较快(即时钟晶振频率较快)，但快的程度一致(时钟晶振频率不变)，相当于异常OBS的记录数据的采样间隔Delta(dt)已不再是我们所设计的4 ms(即采样率250 Hz)，而应该是小于4 ms，这样的异常数据是可以通过特殊数据处理解决的.

基于上述思路，在SAC软件中调整采样间隔dt，使异常OBS和相邻正常OBS的开始放炮信号和结尾放炮信号基本对齐，此时的dt就基本接近实际值.通过不断的对比调试，最后确定OBS06的dt是3.65708 ms，OBS03的dt是3.65770 ms.初步确定两台异常台站数据已经基本正常；若将两个台站SAC格式数据转成SEGY格式数据，希望能够识别出台站所记录的震相.当采用折合速度(Reduce Velocity)1.5 km·s^-1，此时振幅最强的直达水波应该排成一条水平直线，但结果却看到一条倾斜的震相，从振幅判断应该是直达水波，但视速度(即斜率的倒数)明显不对，并且局部有震相不连续的断阶现象(图 7).

图 7

Fig. 7

图 7 OBS06台站未经重采样获取的综合地震记录剖面，折合速度为1.5 km·s-1，相关说明同图 4 Fig. 7 Seismic record section of abnormal OBS06 without the reprocessing of resample with reduce velocity of 1.5 km·s-1; other symbols are as in Fig.4

调整截裁窗口和折合速度(图 7)都没有变化，经过多次试验始终无法看到直达水波呈水平直线的效果，故推测是sac2y程序存在缺陷(bug)，SEGY格式中采样率dt为整数毫秒格式，现在dt为小数毫秒，因此可能与数字类型有关.

利用已有程序sedis2sac按次序读取原始格式数据的每个数据点，解编后按每个分量输出SAC格式数据，在此基础上改编成一个内插重采样程序.基本思路是：给出一个比原采样间隔大的整数毫秒的新采样间隔(如4 ms)，寻找新数据的每个数据点在旧数据中的位置(时间轴)，用旧数据前后两个数据点的值线性内插计算得到新数据点的值，从头到尾按次序寻找、内插和输出所有数据点，就得到新的具有整数毫秒采样间隔的SAC格式数据.实际编程和调试过程中先采用更简单的算法，就是用相邻最近的旧数据点的值用作新数据点的值，虽然波形细节有些改变，但总体放炮信号特征基本保留.在输入、 输出和寻址算法都调试好以后，再在程序中实现用两 点线性内插算法获取新数据.图 8是两种内插算法的示意图，显示了最前面十几个数据点的位置和波形.

图 8

Fig. 8

图 8 内插前后数据点的位置和波形示意图.采样间隔原始3.5 ms、内插后变为4 ms，相关说明同图 5 Fig. 8 Sketch map of data positions and waveforms before and after resample interpolation. The sampling intervals of original (blue) and interpolated (red) data are 3.5 ms and 4 ms, respectively; other symbols are as in Fig.5

内插后的SAC数据用sac2y转换成SEGY格式数据，终于可以看到期待已久的直达水波震相图(图 9).两种内插方法得到的效果相似，说明前面有关数据采样率和转换程序存在缺陷的推测是正确的.OBS03和OBS06两台站的综合地震剖面图(图 9)均显示出直达水波震相Pdw呈水平直线特征，水层的多次反射波随偏移距增大逐渐向直达水波收 敛，Pg震相及其多次反射波则表现为向下倾斜的直线.

图 9

Fig. 9

图 9 OBS03 (a) 和OBS06 (b) 台站线性插值后综合地震记录剖面图，折合速度为1.5 km·s-1，相关说明同图 4 Fig. 9 Seismic record sections of (a) OBS03 and (b) OBS06 along the profile OBS2006-2 with the reduce velocity of 1.5 km·s-1 after linear interpolation; other symbols are as in Fig.4

2011年3—4月，在国家973项目资助下，实施了OBS973-3测线的深地震探测(图 1)，这条测线按20 km间隔共投放了20台OBS，其中包含8台德国 Sedis IV型短周期OBS(编号01-08)，12台其他型号OBS，组合枪阵激发总容量为6000 in³，每120 s激发一次，炮间距约为300 m，航速约5节，最终回收19台OBS(丘学林，2011).在OBS973-3测线处理过程中，德国Sedis IV型OBS03台站亦出现数据异常，无法使用(吕川川等，2011).

为了验证前文中对于OBS异常数据处理方法 的正确性，我们对OBS973-3测线中异常台站OBS03 进行了分析处理，发现该台站与OBS2006-2测线中的OBS03和OBS06存在数据异常的原因类似： ① 均为德国产Sedis IV型短周期OBS； ② SAC软件中均可以看到连续的放炮信号，但炮点间距与最初设计的时间不符； ③ 利用SU软件包经过常规处理之后所得到的综合地震记录剖面中无法识别出任何有效震相，在后续计算模拟中都没有使用这些数据(吕川川等，2011; 敖威等，2012; 呂川川，2013).

同样对该台站采用相邻台站对比的方法，寻找OBS02(或OBS04)(图 1)波形记录可对比的炮点时间段的信号特征.OBS973-3测线是由北向南开始放炮，位于测线末端的气枪信号比较清晰，经过仔细查找，对比导航文件、班报记录和数据波形，发现1754和1755两炮之间有近400 min空白带没有放炮，以此作为波形对比参照点，通过大量的采样率测试之后，最终确定OBS03的采样间隔dt为3.65708 ms，并成功绘制了OBS03的综合地震记录剖面(图 10). OBS03的采样间隔与前面OBS2006-2测线中的OBS06台站最终确定的采样间隔相同，均为 3.65708 ms，我们推测2011年OBS973-3测线的OBS03 台站与2006年OBS2006-2测线中的OBS06台站，应该为同一台记录仪器.

图 10

Fig. 10

图 10 OBS973-3测线中OBS03台站综合地震记录剖面，折合速度为6.0 km·s-1，相关说明同图 4 Fig. 10 Seismic record section of OBS03 along the profile OBS973-3 with the reduce velocity of 6.0 km·s-1; other symbols are as in Fig.4

每台德国产Sedis IV型OBS仪器均有各自的Sedis编号，查找2006年和2011年航次班报记录，发现OBS2006-2测线中OBS06与OBS973-3测线中OBS03两个站位的Sedis编号均为5，确定为同一台记录仪器.利用sedisread_time程序对三台异常OBS数据的TimeDate结构体字段进行输出对比(表 1)，发现字段记录的时间间隔都是接近5年，再次确定上述猜测.

表 1( Table 1)

表 1 OBS2006-2和OBS973-3异常台站信息对比 Table 1 Comparisons on information of abnormal stations along the profiles OBS2006-2 and OBS973-3 OBS台站 OBS2006-2 OBS973-3 OBS03 OBS06 OBS03 Start Sedis Time 2006-10-03 3928-10-04 3933-04-01 Start Sample Time 2006-10-05 2006-10-05 2011-04-06 Sedis编号 8 5 5 采样率(ms) 3.65770 3.65708 3.65708 调整后采样率(ms) 4 4 4

表 1 OBS2006-2和OBS973-3异常台站信息对比 Table 1 Comparisons on information of abnormal stations along the profiles OBS2006-2 and OBS973-3

通过上述异常台站的数据处理，我们可以得到 如下启发： ① 异常数据台站判断.按照通用数据转换流程(图 3)进行数据格式转换，得到综合地震记录剖面，检查是否有震相出现，当无各种震相出现时，则可以基本判定为异常数据. ② 从自身台站数据出发.检查记录过程中的数据格式、转换过程中的参数设置等是否有错误. ③ 相邻台站的对比分析.按照上文提到的方法进行详细的分析对比，找出异常数据原因，异常数据的规律性，然后进行解决与数据再利用. ④ SAC软件在异常数据的波形对比中有着至关重要的作用，应该加以充分利用.此次异常 处理的成功处理，首先为原始数据的解编提供了思路，创新性地提高了解编程序的通用性.

为了识别OBS2006-2测线中OBS03和OBS06两个台站数据中来自地壳深部的震相，我们采用折合速度6.0 km·s^-1裁截和绘制综合地震剖面图，校正后的OBS03、OBS06数据包含有很多深部信息(Fig. 11a，12a)，为了进一步验证震相的准确性，我们利用敖威等(2012)建立的OBS2006-2测线的速度模型，利用Rayinvr软件(Zelt and Smith，1992)，对OBS03和OBS06两个台站进行了简单的射线追踪和走时模拟(图 11，图 12).OBS03站位地壳折射波Pg清晰连续，追踪范围大，最远可追踪至-80 km处，左右两侧均有视速度较大且呈双曲线形态的Moho面反射震相PmP，左侧半支偏移距为-38~-80 km，右半支偏移距为35~78 km，来自地幔的 折射震相Pn只存在左半支，紧随PmP出现于-80 km处，延伸至-93 km(图 11)，这与该地区洋陆过渡(ocean continent transition，OCT)的地质环境相吻合；OBS06站位同样可见清晰连续的Pg、PmP等震相(图 12).两个台站目前只是初步的正演拟合，共拾取893个Pg、578个PmP和43个Pn走时，相信这两个台站信息的增加，将有效地增加模型的可信度与分辨率.

图 11

Fig. 11

图 11 OBS2006-2测线中OBS03台站综合地震记录剖面(垂直分量)，折合速度为6.0 km·s-1； (b) 实测走时(彩色线)和理论走时(黑色线)对比； (c) 纵波速度结构模型和射线追踪，相关说明同图 4 Fig. 11 (a) Seismic record section of OBS03 (vertical component) along the profile OBS2006-2 with the reduce velocity of 6.0 km·s-1; (b) The fit between observed travel-time curves (color vertical bars) and calculated travel-time curves (black lines) of P-wave; (c) P-wave velocity model and ray-tracing simulation; ray paths in different colors are correspond to different seismic phases in (b), respectively; other symbols are as in Fig.4

图 12

Fig. 12

图 12 (a) OBS2006-2测线中OBS06台站综合地震记录剖面(垂直分量)，折合速度为6.0 km·s-1； (b) 实测走时(彩色线)和理论走时(黑色线)对比；(c) 纵波速度结构模型和射线追踪，相关说明同图 4 Fig. 12 (a) Seismic record section of OBS06 (vertical component) along the profile OBS2006-2 with the reduce velocity of 6.0 km·s-1; (b) The fit between observed travel-time curves (color vertical bars) and calculated travel-time curves (black lines) of P-wave; (c) P-wave velocity model and ray-tracing simulation ray paths in different colors are correspond to different seismic phases in (b), respectively; other symbols are as in Fig.4

下一阶段，将在敖威等(2012)研究的基础上，添加这两个台站，利用测线上共12台OBS数据，重新开展正反演模拟，获得精细的纵波速度模型；在得到理想的纵波速度结构之后，开展纵横波的综合研究，求取测线下方的横波速度结构、纵横波速比、泊松比信息以及岩性、物性等介质属性的资料，从而为南海西北次海盆的形成演化机制提供科学依据.