南海是我国走向深海研究的重要突破口(汪品先，2009)，具有南北张裂型、东侧俯冲型和西侧剪切型三种典型大陆边缘，马尼拉海沟俯冲带作为其现今惟一的俯冲汇聚边界，是构成完整的南海威尔逊循环的端点，更是解决南海的形成与构造演化等科学问题的关键.地球物理探测是揭示马尼拉海沟俯冲带内部结构及其动力学机制的重要手段，前期二维反射地震与海底地震仪(OBS)探测结果显示，马尼拉海沟俯冲带的动力学过程依赖于时间与空间变化(McIntosh et al., 2013; Eakin et al., 2014).因而，在南海巴士海峡区域开展的三维OBS深地震探测，将有望解决马尼拉海沟俯冲带(20°N)在三维空间上深部速度结构、俯冲方向与俯冲形态如何变化等问题，为全面认识南海俯冲过程提供重要科学依据.

2016年4—6月期间，“实验2”号执行基金委南海北部地球物理共享航次调查任务，在巴士海峡区域(范围为118°E—121.5°E、17°N—22°N)完成大规模的三维海底地震仪(OBS)深地震探测实验(图 1).此次实验以走航调查为主，站位调查为辅，为保证航次的顺利开展，实验设计的所有测线和站位均位于我国南海九段线以内.实验总共投放了48台国产便携式OBS，站位间距约为15 km，最终成功回收41台，丢失7台，回收率85%，放炮时间长达13天，完成16条地震测线，累计里程2300 km，放炮间隔约90 s，放炮数量高达10800炮.实验获得了南海巴士海峡的第一手三维主动源OBS深地震探测资料.

图 1

Fig. 1

图 1 南海巴士海峡三维OBS探测实验区域位置及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，黄色圆圈为正常台站. Ly2测线上的L08用于异常数据检查举例、B87是正常数据用于对比分析，6个蓝色圆圈为用于时间检测的数据文件所对应的炮点位置. Fig. 1 Bathymetric map and OBS distribution of the three-dimensional OBS survey in the Bashi Channel area of the South align="center"hina Sea The large red, small gray, black and yellow circles represent OBSs with abnormal data, without data, lost stations, and normal stations, respectively. Station L08 on the profile Ly2 is the typical one with abnormal data, and station B87 is used for comparison analysis as normal data. Six blue circles indicate the shot locations which are used for checking OBS external and internal data file time.

此次实验所用国产便携式OBS是在原有宽频带4通道和7通道OBS(阮爱国等，2010；郝天珧和游庆瑜，2011)基础上发展起来的，采用较小的13吋(1 in=2.54 cm)玻璃舱球，装载3分量短周期检波器和单分量水听器，具有轻便快捷的特点，适用于批量作业和较高频气枪信号的记录.国产便携式OBS自身也一直在改进发展中，老版(A、B型)OBS于2013年首次投入试验使用，获得了较好的数据记录(郭晓然等，2016；Ruan et al., 2016)，随后几年都有较多的成功应用(刘思青等，2017；吕作勇等，2017)，新版(L、S型)OBS则是今年刚完成改进的新型号，其CPU和存储介质进行了升级更新，整体功耗进行了节能优化，理论上性能更加优越，但实际应用有待这个航次的海试与验证.

然而，初步数据处理发现，成功回收的25台国产OBS数据异常，在常规处理得到的综合地震剖面中无法识别有效震相.如何有效恢复数据是本次实验面临的最大问题，也是开展后续计算模拟工作的重要突破口.本文对异常OBS数据进行了深入分析，对可能造成数据异常的关键点进行逐个排查，最终发现数据异常的主要原因为实际采样间隔发生变化，从而导致内部时间出错，无法正确裁截和对齐震相；通过采样间隔校正和数据重采样的方法，成功恢复了新研发的25台OBS的异常数据.本研究不仅挽救了海上宝贵的数据，完成国家基金委重大项目的海上数据的采集，而且提升了整个航次的科学意义，对今后国产仪器的研发和使用具有重要的参考价值.

OBS数据常规处理方法及步骤已有很多的论述与应用实例(赵明辉等，2004；夏少红等，2007；薛彬等，2008；张佳政等，2012)，其主要区别在于导航数据和OBS数据的存储格式不同.国产OBS实验数据处理及流程大致可划分为两部分：一是原始导航数据的处理，二是OBS原始数据的处理和呈现(图 2a).

图 2

Fig. 2

图 2 国产OBS正常数据处理及格式转换流程(a)和异常数据恢复流程(b) Fig. 2 Flow chart of data processing and format conversion for domestic OBS (a) Normal data and (b) Abnormal data

此次实验记录导航数据的系统由美国Coastal公司开发的导航及测量软件HYPACK和自主研发的高精度计时器组成，HYPACK用于控制气枪放炮并记录其位置信息，而高精度计时器则用于记录放炮时间.实验完成后，通过程序RAW2UKOOA提取原始导航数据中记录的炮号、精确的格林尼治标准时间(GMT时间)和经纬度坐标等信息，并依据UKOOA标准格式写入到炮点信息文件中，为下一步OBS数据进行截裁处理做好准备.

国产便携式OBS记录的原始数据需要利用程序RAW2SAC进行解编并转化为SAC格式，接着使用地震分析软件SAC(Seismic Analysis Code)(William and Joseph, 1991)进行查看，通过均衡和滤波等处理后，可见信噪比较高的气枪信号；然后，结合UKOOA导航文件，利用程序SAC2Y截取SAC格式数据中的有效信号段，使之转换成国际通用的SEGY格式；最后，利用地震处理软件SU(Seismic Unix)(Stockwell and Cohen, 2002)进行可视化处理，得到综合地震记录剖面(图 3).

图 3

Fig. 3

图 3 B87台站沿Ly2测线的综合地震记录剖面 折合速度为6.0 km·s-1, Tred代表折合走时, T代表绝对到时, Offset表示偏移距, Pdw表示直达水波, Ps表示沉积层折射波, Pg表示地壳折射波, PmP表示Moho面反射波, Pg′、PmP′表示多次波震相. B87位置见图 1. Fig. 3 Seismic record section along profile Ly2 of normal station B87 The reduced relocity is 6.0 km·s-1. Tred represents reduced time, T represents the absolute travel-time of seismic phases, Pdw represents the direct water wave arrivals, Ps represents the refractive arrivals from sediment, Pg represents the crustal refractive arrivals, PmP represents the wide-angle reflective arrivals from Moho, Pg′ and PmP′ represent their corresponding multiple seismic phases, respectively. The location of station B87 is shown in Fig. 1.

成功回收的25台新版(L、S型)OBS在数据处理过程中遇到较大问题，虽然在其SAC格式中能看到气枪信号，但在转换成SEGY格式后却无法看到任何有效震相，也就无法进行下一步的震相识别和计算模拟工作.如何从这25个OBS台站的异常数据中尽可能提取和挖掘有效信息，从而尽最大可能地挽救三维OBS探测实验和共享航次的损失，是我们面临的巨大挑战.

OBS数据出现异常通常与记录格式或记录时间出错有关，故需对其进行逐个排查，找到异常的根源所在才能有效地开展校正工作.这里以Ly2测线上相邻的两个台站L08(异常)和B87(正常)为例(图 1)，介绍OBS异常数据的分析和校正.

每台国产便携式OBS的内存盘都存储一个必不可少的配置文件config.lst，用于记录OBS的识别号(ID)和设置采样率等信息.单个数据文件存储10485760个采样点，每个采样点数据占12字节，记录垂直、水平1、水平2和水听器共4个分量数据，故单个数据文件大小为122880 kB.单个数据文件的十六进制文件名指示起始记录时间，小数点前8位数字代表的是年、月、日、时、分和秒，后3位数字代表的是毫秒.对比实验班报，知道异常OBS的config.lst的采样率为250 Hz，与实验设置值一致，单个数据文件的采样点均为10485760个、文件大小为122880 kB (终止记录时的数据文件除外)，且所有的数据文件都产生于实验期间，初步说明异常台站数据的记录格式没有问题.

将原始数据转换成SAC格式时未出现异常，在SAC软件中检查时间序列连续的波形数据，可以看到有规律的放炮信号.但信号出现的时间与UKOOA文件中的炮点时间对不上，L08的第一炮信号记录超前了约726 s，炮与炮之间的间隔也不是实际的90 s，而是变为约80 s.将超前误差(726 s)粗略后推，并与正常的相邻台站B87的波形记录并排显示和对比(图 4)，可以进一步发现，L08的炮点信号间隔比B87小，每炮都有一定的超前，逐渐累计，虽然第1炮对齐，但后面几炮就慢慢错开.据此怀疑时间记录出错，导致SAC2Y格式转换时，按炮点时间截裁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.

图 4

Fig. 4

图 4 SAC中L08(异常)与B87(正常)的波形数据和放炮信号对比 (a) L08台站0~2000 s波形, 共记录22炮，采样间隔dt=4.0; (b) B87台站0~2000 s波形, 共记录19炮.对比说明L08炮点时间间隔小于B87. Fig. 4 Comparison of waveforms and shooting signals between L08 (abnormal) and B87 (normal) in SAC format (a) Waveforms of 22 shots during the period of 0~2000 s in station L08 (abnormal) with dt=4.0 ms; (b) Waveforms of 19 shots during the period of 0~2000 s in station B87 (normal). Comparison indicates that the shot time interval in L08 is smaller than in B87.

国产OBS原始数据采用固定文件长度、固定采样点数的格式，原始数据文件中只记录4通道24位整型数的波形数据，没有任何地方记录时间信息，也没有设置文件头或道头来储存其他信息，是没头没尾的纯数据文件.原始数据的时间信息是通过两种方式来记录和计算的，一是十六进制的数据文件名记录了这个文件第1个数据点的时间，我们称为数据文件的外部时间T_外，另一个是按采样点数n和采样间隔dt计算得到的每个数据点的时间，我们称之为数据文件的内部时间T_内，它们的计算关系是：T_内=T_外+dt×n(图 5).因此，上述检查发现的时间记录出错，根源在于外部时间或内部时间有问题，确定哪个时间出错是开展针对性数据恢复工作的关键.

图 5

Fig. 5

图 5 国产OBS数据记录原理 Fig. 5 Schematic diagram of domestic OBS recording seismic data

为了验证外部时间和内部时间是否出错，这里统计了L08台站刚换文件名就记录到气枪信号的6个数据文件，并截取每个文件从开始记录到出现7炮气枪信号的SAC数据(图 6).根据OBS与炮点相对位置，计算直达水波理论到时，通过比对理论到时与观测到时之间的吻合度，以及吻合度随T_内的变化特征，来判断外部时间和内部时间是否出错.结果表明，6个数据文件均表现为首炮吻合很好，随着T_内变大，其余炮观测到时逐渐超前.据此推断：(1)L08台站所有数据文件的起始时间T_外正确，即外部时间正常；(2)T_内出错是导致其余炮超前的根本原因；(3)相邻数据文件的起始时间，可以用来计算数据的实际采样间隔.

图 6

Fig. 6

图 6 国产OBS的外部时间和内部时间检查方案 (a)—(f)分别为L08台站记录的数据文件41525C82.567、41532E1C.45A、41555254.242、4156A3EE.136、4157758C.029和4158C725的垂直分量，灰色虚线箭头为放炮时间，灰色实线为直达水波理论到时. Fig. 6 Scheme of checking the external and internal clock time of domestic OBS (a)—(f) represent the vertical component of data file 41525C82.567, 41532E1C.45A, 41555254.242, 4156A3EE.136, 4157758C.029 and 4158C725.AD6 recorded by station L08, respectively. The grey dashed arrows and grey bold lines represent the shooting time and calculated direct water wave arrival time, respectively.

基于上述分析思路，设法找到OBS记录的实际采样间隔，是在SAC软件中将异常数据调整过来的关键.由于异常OBS的外部时间正常(数据文件的起始时间准确)，且已知每个数据文件的存储量为10485760个采样点，那么实际采样间隔等于相邻数据文件的起始时间差除以采样点数.通过计算，发现L08台站记录的所有数据文件的实际采样间隔均等于4.5 ms(采样率约为222.222 Hz)，大于设置采样间隔4.0 ms.因此，利用实际采样间隔(4.5 ms)调整L08的SAC格式数据，并在SAC软件中确认气枪信号到时和放炮间隔正常后，转换成SEGY格式数据，将有望识别出台站所记录的震相.然而，折合速度为1.5 km·s^-1的地震剖面中，振幅最强的直达水波震相Pdw理应排成一条水平直线，结果却是一条倾斜的震相，从振幅强度可判断是直达水波，但其视速度明显不对(图 7).

图 7

Fig. 7

图 7 L08台站未经重采样时获取的沿Ly2测线的综合地震记录剖面 折合速度为1.5 km·s-1，采样间隔dt=4.5 ms，其余相关说明同图 3. Fig. 7 Seismic record section of abnormal station L08 without the processing of resample The reduced velocity is 1.5 km·s-1. Sample interval is 4.5 ms. Other symbols are same as in Fig. 3.

我们在处理OBS2006-2测线和OBS973-3测线的异常德国Sedis型OBS数据时，也遇到过类似问题，经分析发现其出现异常的原因是SAC2Y程序中采样间隔要求为整数毫秒格式，但实际采样间隔却为小数毫秒，因此，需要利用重采样程序RESAMPLE将异常数据按整数毫秒的采样间隔进行重采样(王强等，2016).本文利用该程序对采样间隔为4.5 ms的异常数据进行内插重采样，得到新的具有整数毫秒采样间隔(4.0 ms)的SAC格式数据，并利用SAC2Y程序转换成SEGY格式数据和出图后，终于看到了期待已久的综合地震记录剖面，折合速度1.5 km·s^-1时(图 8a)表现为Pdw震相呈水平直线特征，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上倾斜的直线，折合速度6.0 km·s^-1时(图 8b)可看到清晰的大致水平的Pg震相及倾斜的PmP震相.

图 8

Fig. 8

图 8 L08台站重采样后获取的沿Ly2测线的综合地震记录剖面 (a)折合速度为1.5 km·s-1；(b)折合速度为6.0 km·s-1.重采样间隔dt=4.0 ms，其余相关说明同图 3. Fig. 8 Seismic record section of abnormal station L08 after processing of resample (a) The reduced velocity is 1.5 km·s-1; (b) The reduced velocity is 6.0 km·s-1. Resample interval is 4.0 ms. Other symbols are same as in Fig. 3.

我们对实验中的其他24台异常OBS进行了分析处理，发现其数据异常与L08类似：①均为新版的国产OBS，单个数据文件均包含10485760个采样点(大小为122880 kB)；②实验中设置的采样率均为250 Hz，回收后检查config.lst文件也均正常无误；③ SAC软件中均可以看到连续的放炮信号，但放炮间隔与实际不一致，利用SU软件包进行常规处理后得到的综合地震记录剖面无法识别任何有效震相.利用L08异常数据的解决方法进行校正，结果表明，该方法适用于所有异常的新版OBS台站，经过校正后均能成功绘制其综合地震记录剖面(图 9)，并显示出清晰的Pg、PmP等深部地震相.

图 9

Fig. 9

图 9 代表性异常OBS台站(L11和L06)的数据恢复情况 (a) L11台站沿Ly2测线的综合地震记录剖面; (b) L06台站沿Lx1测线的综合地震记录剖面.折合速度为6.0 km·s-1, 重采样间隔dt=4.0 ms, 其余相关说明同图 3. Fig. 9 Representative OBS stations (L11 and L06) for retrieval of abnormal data (a) Seismic record section along profile Ly2 of abnormal station L11;(b) Seismic record section along profile Lx1 of abnormal station L06, with reduced velocity of 6.0 km·s-1. Resample interval is 4.0 ms. Other explanations are same as in Fig. 3.

上述异常数据处理表明，当确认数据格式、转换过程参数设置等正确无误后，所得到的综合地震记录剖面却无任何有效震相时，可判定其为OBS异常数据；进一步对其SAC格式数据进行检查，若发现有规律的气枪信号，但与实际放炮间隔不一致时，则可以判定数据异常原因为OBS时间出错.此类异常数据可利用本文的校正方法进行恢复，校正流程大致分为两步，一是采样间隔调整，即设法找出异常数据的实际采样间隔；二是异常数据重采样，即将非整数采样间隔的异常数据进行重采样，使其采样间隔变为整数(图 2b).

本文异常OBS采样间隔从设置的4.0 ms变成实际的4.5 ms，造成这种变化的原因是新版仪器为节能优化，调低了CPU主频，无法及时处理采样率较高的数据流，导致记录数据时实际采样间隔变长.为了验证此异常原因，我们将新版OBS的采样间隔设置为10.0 ms，并在实验室和2016年南海北部地球物理共享航次第二航段进行了多次实验，结果表明，记录数据的实际采样间隔与设置采样间隔相同，采集地震数据正常，因此，建议今后设置此类OBS的采样间隔为10.0 ms(100 Hz).

OBS数据出现时间异常现象并不罕见.由于高压低温的工作条件和OBS内部时钟稳定性的影响，OBS通常会存在几十至几百毫秒的时钟漂移，这种时间误差一般通过线性内插方法进行校正(王彦林等, 2007; 薛彬等, 2008).部分OBS的时间偏差远大于传统意义的时钟漂移，呈现数据整体前移或滞后，如果这种时间变化稳定，那么可以根据特征性的天然地震或人工地震进行整体校正(夏少红等, 2011; 刘晨光等, 2014).此外，进口OBS中也出现过时间异常(王强等, 2016)，但实际采样率比设置采样率变大，具体原因可能是时钟晶振频率变快.

本航次大规模地使用新版国产OBS，虽然其数据出现异常且部分仪器丢失，但是异常数据恢复后，不仅使国家基金委重大项目的海上作业任务更为圆满，可以顺利开展后续的二维和三维结构模拟工作，而且提升了整个航次的科学意义，可为国产OBS异常数据的恢复提供经验借鉴，以及今后国产仪器的研发和使用提供重要参考.

(1) 南海巴士海峡三维OBS探测实验的顺利开展，为马尼拉海沟俯冲带首个三维人工震源的深部地震结构提供数据基础，具有重大的科学意义.此次实验大规模地使用新版国产OBS，但新版仪器采集的地震数据异常，无法直接使用，由于异常OBS数量较多，问题极为严重.

(2) 本研究针对异常OBS开展分析和恢复工作，发现异常数据文件的外部时间正确，但内部时间出错，其原因是数据的采样间隔发生了变化，从设置的4.0 ms变成了实际的4.5 ms.

(3) 后续实验将采样间隔设置为10.0 ms，结果新版OBS采集地震数据正常，据此印证其内部时间出错的原因为CPU主频降低所导致的较高采样率时实际采样间隔变长，因此，建议今后此类OBS的采样间隔设置为10.0 ms(即采样率100 Hz).

(4) 本研究最终通过修正采样间隔和数据重采样的方法，成功恢复了25台新版OBS的异常数据，正确获取深部地震相的有效信息，从而挽救了数据、挽救了航次和项目，使损失降到最低，并对今后国产仪器的研发和使用提供重要参考.

感谢国家基金委共享航次计划(NORC2016-08)，感谢“实验2”全体船员及科考队员共同努力完成此次实验海上作业，感谢黄海波、徐锡强和刘康在数据处理和问题排查过程中给予的支持与帮助，感谢国家基金项目(91428204，41606064，41674092，91428205)和中国科学院先导专项B(XDB06030202)联合资助.