2. 中国科学院南海生态环境工程创新研究院, 广州 510301;
3. 湖北省地震局, 地震预警湖北省重点实验室, 武汉 430071;
4. 中国科学院大学, 地球与行星科学学院, 北京 100049
2. Innovation Academy of South China Sea Ecology and Environmental Engineering, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China;
3. Hubei Key Laboratory of Earthquake Early Warning, Hubei Earthquake Agency, Wuhan 430071, China;
4. College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
南海作为西太平洋最大的边缘海之一,是我国走向深海研究的重要突破口(汪品先,2009),而南海西北次海盆东部发育的洋陆转换带(Continent-Ocean Transition zone,COT),记录着南海如何从陆地演变成洋盆的重要构造信息,并且发育着深水-超深水含油气盆地,是研究南海科学问题和资源问题的重要区域之一.前人研究发现,南海北部COT的岩石圈结构有着典型的三维空间变化特征,相邻平行剖面的地质构造变化剧烈(Ding et al., 2011;Cameselle et al., 2015).国际大洋发现计划(IODP)367/368航次的钻探结果显示,该区基底具有同裂谷或前裂谷的砾岩,没有发现蛇蚊石化的上地幔出露,从裂谷阶段到海底扩张阶段是一个快速的演变过程(Larsen et al., 2018).为了精细解读COT张裂-破裂机制,2018年在南海COT区域第一次开展了三维OBS(Ocean Bottom Seismometer)深地震探测实验,旨在揭示南海由伸展、张裂、破裂到海底扩张的三维变化特征;其中OBS的准确海底位置是正确拾取震相的重要保障,也是最终获取高精度三维速度结构的关键所在.
在海上开展OBS地震探测实验时,OBS按设计点投放,以自由落体形式沉入海底,由于受惯性和海流等因素的影响会偏离投放点,因此,OBS位置校正是地震资料处理的首要环节.前人在求取OBS真实落点方面做了许多尝试,从最初的借助声学收发系统进行OBS定位(Creager and Dorman, 1982),逐渐演变为目前较为流行的基于直达水波走时数据的OBS位置校正方法(Nakamura et al., 1987;王彦林等,2007;薛彬等,2008).前人利用西南印度洋中脊、南海中央次海盆、南海东北部马尼拉俯冲前缘和马里亚纳海沟的主动源OBS数据,对OBS位置校正方法进行了不断地改进和完善.研究发现,对于交叉测线控制的OBS,其位置校正结果具有较高的精度,而单条测线控制的OBS则在垂直测线方向具有较大的不确定性(敖威等,2010;张莉等,2013;Du et al., 2018;陈瀚等,2019).
本文针对2018年南海COT三维地震探测实验中大量OBS站位只有单条测线穿过的特殊情况(图 1),为了提高OBS位置校正结果的精度,提出了一种新的位置校正方案,即借助临近视测线(定义其为与OBS垂直距离大于5 km的测线)的直达水波走时信息,采用视双测线的校正手段替代先前精度较低的单测线校正方法,达到接近于精度较高的交叉测线校正的效果.首先以交叉测线上的OBS28为例,对新的位置校正方案进行测试,验证新方案的可行性后,将其应用于所有单测线穿过的OBS.在航时有限、多数OBS只有单条放炮测线的情况下,该视双测线OBS位置校正方法,不仅提高了OBS位置校正精度,同时为今后类似的三维OBS地震探测实验的位置校正提供了经验和借鉴.
2018年5—7月,国家基金委南海北部地球物理共享航次搭载中国科学院南海海洋研究所的“实验2”号科考船,在南海北部COT区域(114.5°E—117.5°E,17°N—20°N)成功开展三维OBS深地震探测实验(图 1).此次实验使用的是中国科学院地质与地球物理研究所研制的便携式OBS(郝天珧和游庆瑜,2011),采样率分别为100 Hz和250 Hz,共投放52台,最终成功回收49台,回收率达到94.23%;震源为中国科学院南海海洋研究所的4支大容量Bolt枪组成的枪阵,总容量达6000 in3(98.32 L).此次实验放炮测线共计11条,有效激发炮点数量为8751次,放炮间隔为90 s;放炮期间船速约为5节,炮间距约200 m.在成功回收的49台OBS中,交叉测线通过的OBS为19台(图 1),而仅有一条测线穿过的OBS达到30台,占回收总数一半以上.
室内地震数据预处理主要包括导航数据的整理和OBS记录数据的格式转换.首先,通过RAW2UKOOA程序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,形成此次实验的炮点导航文件;其次,利用RAW2SAC程序对OBS的原始数据进行解编并转化为SAC格式,对故障数据进行修复(张佳政等,2018);然后使用地震分析软件SAC(Seismic Analysis Code,William and Joseph, 1991)进行查看,通过均衡和滤波等处理,在确认可见信噪比较高的气枪信号后,结合炮点导航文件,利用SAC2Y程序截取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,并利用地震处理软件SU(Seismic Unix, Stockwell and Cohen, 2002)进行可视化处理,得到综合地震记录剖面(赵明辉等,2004).
炮点位置校正和直达水波走时拾取是OBS位置校正前的关键步骤,这里先对二者进行简单介绍.
1.1 炮点位置校正如图 2a所示,气枪枪阵与差分全球定位系统(DGPS)接收点的距离是炮点位置校正的首要原因,“实验2”号船DGPS到船尾距离为17 m,连接船尾与枪阵的拖缆长35 m,真实的炮点位置应位于DGPS记录位置的后方;其次,气枪枪阵与船体之间为拖缆为软连接,船只受海流、海风等因素发生摇摆,尤其是在拐弯的时候,枪阵位置并非落在前后两炮DGPS记录位置连线的向后延伸直线上(图 2b虚线).因此,本研究对原有的炮点航向校正方法(敖威等,2010)进行改进,利用连续三炮的平均航向来校正炮点位置,从而更真实地反映气枪枪阵与船体之间的软连接状态.
具体炮点校正流程如下:以图 2b的炮点x位置校正为例,首先分别求取其与x-1和x+1的连线航向,并将其平均值作为气枪枪阵在船体后方的航向;然后依据气枪枪阵到DGPS的间距,将DGPS记录的炮点位置校正到真实的气枪枪阵中心.
1.2 直达水波走时拾取本文利用Upicker软件(Wilcock, 2011)进行OBS直达水波走时拾取.通常情况下,近偏移距的直达水波(Pw)表现为初至震相,容易识别和拾取;但当OBS位置与放炮测线不重合时,直达水波有时会晚于其它震相,成为后至震相,此时其信噪比较低,不易识别和拾取.因此,对Upicker软件进行了改进,增加了交叉点走时和理论直达水波走时显示功能(图 3),用于辅助直达水波的识别和拾取.
这里以OBS28为例,简单介绍其主测线L2、H3和视测线H2的直达水波走时拾取.主测线L2和H3近偏移距的直达水波为初至震相,信噪比高,极易识别和拾取;远偏移距时则埋藏于地壳折射波震相(Pg)以下,可依据初至震相外延和理论直达水波(假设OBS投放点即为其落点时计算所得)进行识别和拾取(图 3d和3e).对于视测线H2,其直达水波完全埋藏于Pg震相之下,信噪比较差,此时可根据与其相交的主测线L2上识别的直达水波以及该测线的理论直达水波,快速准确地识别和拾取其直达水波走时(图 3f).
2 视双测线OBS位置校正 2.1 校正原理及程序优化本文采用的OBS位置校正方法是在前人所用方法(敖威等,2010;张莉等,2013;Du et al., 2018)的基础之上,经过改进形成的.相同之处:均是结合OBS记录的直达水波走时信息,采用最小二乘法和蒙脱卡洛法经过多次正反演迭代后,取直达水波走时残差均方根(Root Mean Square, RMS)最小值对应的随机点作为OBS的最佳落点,并同时求得最佳的海水声学速度和时间校正量.不同之处在于:(1)原有方法在反演海水声速时,将其初始阈值(郑红波等,2009)设为一个固定范围(通常根据物理海洋学所测得海水声学速度值设置为1480~1520 m·s-1),此时程序在手动(敖威等,2010;张莉等,2013)或自动(Du et al., 2018)调整时间校正量时,就有可能造成反演声速值刚落入该阈值范围便停止反演,从而导致所获得的OBS落点位置、声速和时间校正量为局部最优的结果.为解决这一问题,我们参照地震数据处理中常用的“滑动窗口”思想,将海水声学速度初始阈值依据给定的步长划分为N等份,然后经过循环测试直至N个速度阈值均参与反演,最终选取其中RMS最小值所对应的结果作为最优结果,从而获得全局最优的OBS落点位置、声速和时间校正量(图 4,图 5d).(2)原有方法主要应用于交叉测线或单条测线穿过的OBS,本次研究对单条测线通过的OBS位置校正加入视测线的直达水波走时,构成视双测线OBS位置校正,从而提高单测线穿过的OBS的位置精度.
以交叉测线穿过的OBS28台站为例,通过对比分析单测线、交叉测线和视双测线的OBS位置校正结果,探讨了视双测线OBS位置校正方法的可行性与精度.在本次对比试验中,单测线方法以L2测线为例,交叉测线方法以L2、H2测线为例,视双测线方法以L2、H3测线为例(图 5a).结果表明:使用三种方法校正的OBS28台站直达水波走时RMS均呈现以0 ms为中心的正态分布特征,视双测线校正RMS分布情况与交叉测线更加一致(图 5b);视双测线和单测线最终校正结果RMS值均与交叉测线相近(表 1),但视双测线校正所得的OBS位置更接近于交叉测线的校正结果,且误差椭圆长轴相较于单测线法有大幅缩小,在校正精度上也有明显的提高(图 5c);全局搜索中三种校正方法的RMS值均经历先变小后变大趋势,其中视双测线法与交叉测线法的变化趋势更接近,均表现为以最小值为中心的对称形态,反演声速结果均为1500.5 m·s-1,单测线法的变化趋势则表现为以最小值为中心的非对称形态,反演声速为1501.5 m·s-1,与前两者存在一定差异(图 5d).此外,对比校正前后OBS28台站主测线剖面的综合地震记录剖面发现,相对于位置校正前不对称的直达水波震相,经视双测线法校正后,直达水波震相呈现完全对称的“M”型(图 6),进一步表明该方法在位置校正中的准确性(敖威等,2010).因此,对于本次三维地震探测实验中仅有单测线穿过的OBS,采用视双测线位置校正方法显著地提高了校正精度.
本文对此次三维地震探测实验的49台OBS进行了位置校正(表 2,图 7).除18台OBS应用交叉测线校正方法外,在分析其余30台单条测线穿过的OBS的地震数据时发现,其中28台OBS在临近测线上能够识别清晰可靠的直达水波震相,满足视双测线校正,另外3台OBS(OBS01、OBS02和OBS19)由于临近测线的距离过远,直达水波震相难以识别,故采用单测线法校正.
从校正结果可知:(1)所有OBS台站的RMS均呈现以0 ms为中心的正态分布特征,且RMS值均为4 ms左右,与设定误差扰动值相当,说明反演结果可靠,不存在系统误差.(2)视双测线和交叉测线的误差椭圆轴长约为35 m,而且长短轴比值接近1,说明OBS位置校正结果在各个方向的不确定性相当;单测线校正结果的误差椭圆长短轴比值约为20,表明其垂直测线方向的不确定性较大,这些结果与敖威等(2010)所取得认识一致.(3)反演所得研究区内水体最小声速为1494.0 m·s-1,最大声速为1503.1 m·s-1,平均声速约1499.3 m·s-1;与该区域表层(0 km)及深层(2.5 km)环流对比可见(Lan et al., 2013, 2015),局部水体结构在三维空间中变化较大,既有垂向分层特征,也存在横向的剧烈变化.(4)视双测线校正的大部分OBS台站在不同测线上二次时钟校正量(tadjust)基本一致,但也有部分台站存在几十毫秒的差距,可能与视测线上的直达水波信噪比低,且沿主测线方向产生震相叠加,最终造成走时拾取整体超前或滞后有关.(5)各OBS台站漂移距离(投放点与校正位置的距离)在75~541.7 m之间,平均值为217.8 m,整体偏移量远小于西南印度洋中脊三维OBS探测实验结果,与南海中央次海盆、巴士海峡等地三维OBS探测实验结果较为接近.
3.2 新位置校正方法的优势与前人研究中的OBS位置校正方法相比,本文提出的视双测线OBS位置方法具有两方面的优势.(1)可以自动反演并获得全局最优解.在基于直达水波走时的OBS位置校正过程中,最初的方法是通过手动调整时间校正量来保证反演的海水声学速度落入其经验范围内(敖威等,2010;张莉等,2013),耗时长、人为因素大,多次运行获得的位置校正结果可能有所差异.因此,Du等(2018)对程序进行了改进,使其可以自动调整时间校正量,减少了人为因素并节省了时间.然而,两者均未对海水声速经验区间进行全局搜索和分析,只是简单地将反演声速首次落入经验区间时的反演结果作为最优结果,从而造成两者得到的均为局部最优值.本次研究采用“滑动窗口”思想设计的全局校正方法,使得经验区间内所有取值均参与了反演,最后取所有窗口中RMS最小值所对应的结果作为全局最优值,从而解决了此前只能获得局部最优的问题.(2)提高了OBS位置校正结果的可靠性.以OBS28台站测试结果(表 1)为例,可以清楚地发现,虽然单测线法和视双测线法得到的RMS值均与交叉测线相差不大,但是视双测线法和交叉测线法的OBS定位结果更为接近,单测线法的OBS定位结果在垂直测线方向与前两者存在较大误差,而且其校正结果不确定度相比前两者存在显著差距(表 1).因此,该方法对于单测线OBS位置的校正精度有明显的改进,有利于提高后续三维速度结构模拟的精度.
3.3 L5测线震相初步识别此处以NW-SE向横跨陆壳及洋壳的主测线L5为例,选取该测线上位于交叉测线位置的4台OBS(05,09,16和18),在OBS位置校正工作完成后,重新生成其SEGY格式数据,然后以8 km·s-1的折合速度生成各台站沿L5测线垂直分量的综合地震记录剖面(图 8),并对其震相进行了初步识别.由图 8可见,各台站所记录质量较好,信噪比高,震相清晰,震相延伸距离可达40~80 km,可识别出较为清晰的Pg、PmP和Pn震相(分别来自地壳的折射波、莫霍面的反射波和地幔的折射波);Pg震相起伏受多波束水深地形影响,OBS05台站中在Offset为-20 km处,对应着OBS05台站NW方向的地形隆起(图 8a,图 7),在OBS09台站中也有显示(图 8b).Pg、PmP与Pn三个震相的交叉点位置,可以初步地指示地壳厚度,区分陆壳与洋壳.由4个台站的综合地震记录剖面来看,OBS05和OBS09两个台站(图 8a和8b),交叉点位于Offset为40~50 km处,其下方的地壳厚度较厚,属于减薄的陆壳范围;而OBS16和OBS18两个台站(图 8c和8d),三个震相的交叉点位于Offset为25~30 km处,其下方的地壳厚度较薄,属于正常的洋壳范围;因此,可初步推断南海北部洋陆转换带可能位于OBS09台站附近(18.4°N)(图 7),具体位置需要通过下一步深部速度结构的模拟结果进行确定.
南海IODP367/368航次钻探区三维OBS深地震探测实验共投放52台OBS,最终成功回收49台,是一次非常成功的实验.本文在前人研究基础上,改进与应用新的方法,完成了此次实验炮点和OBS位置校正,获得以下几点认识和结论:
(1) 本研究利用连续三个炮点的平均航向将DGPS记录的炮点位置校正到了枪阵中心,从而更加真实地反映气枪枪阵与船体之间的软连接状态;根据“滑动窗口”思路改进了OBS位置校正程序,将原来的海水声学速度阈值划分为足够小间距的N等份,然后通过循环测试来获取全局最优的位置校正结果.
(2) 创新性地提出了视双测线OBS位置校正方法.位置校正结果表明,走时残差均方根(RMS)控制在5.8 ms以内,海水中声学速度反演结果稳定于1500 m·s-1;交叉测线法、视双测线法和单测线法的OBS位置校正误差椭圆长轴区间分别为19.6~91.5 m、24.4~35.7 m、441.5~489.4 m;采用视双测线新方法校正的28台OBS位置精度相较于先前的单测线法提升了一个数量级.
(3) 沿L5测线综合地震记录剖面数据质量好,信噪比高,震相清晰,记录了多组P波震相(Pg、PmP、Pn),震相延伸距离可达40~80 km,为下一步三维速度结构模拟奠定了坚实的数据基础.
致谢 感谢数据处理以及成图中使用的GMT绘图软件(Wessel and Smith, 1998).本研究的数据采集得到国家自然科学基金委员会共享航次计划(航次编号NORC2018-08)的资助,该航次由中国科学院南海海洋研究所“实验2”号科考船实施,在此一并致谢.
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