2. 南方海洋科学与工程广东省实验室, 广州 511458;
3. 中国科学院南海生态环境工程创新研究院, 广州 510301;
4. 中国科学院大学, 北京 100049;
5. 香港中文大学, 地球系统科学课程, 香港 999077
2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory, Guangzhou 511458, China;
3. Innovation Academy of South China Sea Ecology and Environmental Engineering, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China;
4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
5. Department of Earth System Sciences, the Chinese University of Hong Kong, Shatin, Hong Kong 999077, China
俯冲带是全球物质循环再生的重要场所,与相关海沟、岛弧和弧后盆地一起常被称为"俯冲工厂"(Hacker et al., 2003).在这里,天然地震活动频繁,板块物质俯冲到地幔深处,经历强烈的变质、变形和脱水作用,同时伴随的还有弧前地幔楔的蛇纹石化、岛弧岩浆作用和弧后区域的扩张(Hasegawa et al., 2009; Jiang et al., 2015).马里亚纳俯冲带是古老的太平洋板块向菲律宾海板块下方快速俯冲形成的,海沟南北展布呈现弓形,构造活动非常剧烈.水深大于6000 m的海沟区域被称为海斗深渊(Jamieson et al., 2010; Wolff, 1970),在马里亚纳海沟南部挑战者深渊区域,由于耦合较弱、板片撕裂等,最大水深超过10000 m,成为地球上最深的地方(Gvirtzman and Stern, 2004),是研究俯冲带深部构造、海斗深渊形成机制的极好场所.
天然地震观测为揭示俯冲带深部奥秘提供了可靠的数据,前人已经对马里亚纳中、北段进行了大量天然地震观测和研究,得到了地幔蛇纹石化程度、俯冲板片几何形态、板片应力状态、纵横波速度模型等一系列成果(Cai et al., 2018; Emry et al., 2014; Miller et al., 2004; Mishra et al., 2003).但是在马里亚纳海沟南部,岛屿台站数量较少,稀疏的地震台站使地震定位、震级估算误差较大,层析成像、接收函数等方法也难以达到理想的分辨率.为此,投放被动源海底地震仪(POBS)进行近场地震观测是十分有必要的(郑宏等,2020),Zhu等(2019)的研究工作首次提供了马里亚纳海沟南部高分辨率地震目录.
不同于位置固定的陆地台站,被动源海底地震仪(POBS) 在水中下沉和上浮时会受到海流等因素影响,通常仅通过投放点和回收点确定POBS坐底位置是十分不可靠的(Du et al., 2018).以往OBS位置校正经验表明,位于三维地震探测交叉测线下方的OBS,反演得到的位置更为可靠(敖威等, 2010;张莉等, 2013;杨富东等, 2020).因此,为了获取POBS的精确坐底位置,本文设计的两条气枪测线交叉呈"十"字型,POBS位于交叉点正下方,类似于一个浮标形式长基线定位系统(陈瀚等, 2019;江南等, 2004; 王婧琦, 2019).
陈瀚等(2019)使用类似的方法进行位置校正,得到深渊着陆器(搭载POBS)的坐底位置,但是受到裁截误差的影响,SEG-Y剖面上同相轴参差不齐.本文采用线性内插方式修复了裁截误差,并评估其对位置校正影响,同时采用正常时差校正(Normal Moveout Corrections, NMO) 的方法,验证位置校正精度,在海斗深渊及其周边区域内取得了更好的效果.
1 POBS观测及定位实验2017年1—3月TS03航次,"探索一号"科考船在马里亚纳海沟南部挑战者深渊附近海域,进行多项科考实验及海试工作.该航次投放了6台POBS,最大深度10038 m(图 1a),进行了3个月的深渊天然地震观测,同年6月由"实验3号"科考船全部成功回收.
POBS投放后,为了获得其精确的坐底位置,"探索一号"在其上方进行了十字放炮,每个炮点的位置和激发时间由船载导航系统精确记录.如图 1b所示,十字放炮是为了更好地约束POBS在两个水平方向的漂移量,在台站上方2条互相垂直的测线进行气枪作业,由于气枪收放和空压机关启等操作非常麻烦,海上作业是过渡线继续放炮,实际航迹呈"又"字型,位置校正时仅使用了2条主测线的气枪信号.
大容量气枪激发产生的直达水波可以被POBS的4个分量清晰的记录到:SAC文件显示,POBS记录到了强能量的直达水波信号,信号呈尖脉冲状,易于分辨和拾取,放炮间隔是预设的45s(图 2a).另外,在近3个月的坐底期间,POBS台站记录到了大量的天然地震事件,以2017-04-04的一个地震事件为例(ISC,2017),P波和S波震相记录清晰(图 2b),为后续的层析成像、接收函数等研究提供了优质可靠的数据.
"探索1号"科考船进行气枪作业时,船载GPS会记录其每秒钟精确的经纬度信息,GPS天线距离气枪震源的距离大约120 m,按照科考船航向反方向进行炮点校正后,得到气枪的精确位置信息(敖威等, 2010).结合计时器和Hypack导航信息得到ukooa文件,将POBS记录的连续地震信号裁截、分道排列,同时导入POBS的平面位置,得到按照偏移距(Offset)排列的SEG-Y地震剖面.
有了以上基础,拾取直达水波初至震相,便可以得知每一气枪信号到达POBS台站的时间.直达水波震相拾取应当选取质量较好的检波器分量,以及合适的滤波参数,拾取直达水波初至的同相轴.本文选取的是质量较好的水听器(HYD)分量(图 2b),选用零相位滤波,参数为5~20 Hz,该频段范围包含了气枪信号主频(王笋等,2019),滤波对气枪信号到时影响很小(陈瀚等, 2019).
以POBS投放位置为中心,在3 km半径范围内生成一系列蒙特卡洛点,结合高精度多波束水深数据和海水介质中地震波平均速度,计算直达水波从每一个炮点到海底蒙特卡洛点的走时,得到理论震相.采用最小二乘法计算理论震相和实际拾取水波到时的均方根误差(RMS),在海底一系列蒙特卡洛点中,选取拟合最佳(RMS值最小)的一个点,作为可能的POBS的实际坐底位置.为了排除偶然因素带来的误差,再以上一轮反演位置点为中心,以0.8的比例为收缩范围,重复反演过程,直到结果稳定;即N+1次反演得到的RMS最小值大于等于第N次的RMS最小值,则取第N次的反演位置为POBS的实际坐底位置.
本文使用的位置校正程序参考杨富东等(2020),在前人基础上(敖威等, 2010; 张佳政等, 2012; 张莉等, 2013),为提高位置校正精度,将经纬度坐标系转为UTM坐标系,和课题组自编的sac2y程序保持一致(赵明辉等, 2004);同时,在新版程序中实现了在一定水速范围内循环,选取RMS最小者为最佳水速.具体流程如图 3所示.
将得到的SEG-Y文件按照炮号绘成地震剖面,发现直达水波的同相轴并非一条平滑的双曲线,存在小断阶或小平台现象(图 4a).这是因为,相较于以往的主动源OBS(采样率100 Hz、采样间隔10 ms),而POBS的采样率低(50 Hz),采样间隔更大(20 ms).使用sac2y程序将连续记录的地震数据裁截为SEG-Y格式数据时,气枪激发时间并不一定与采样点所对应的时间一致,故需要对时间进行取整,产生了裁截取整误差.例如,假设POBS是在第0 s开始记录,某炮是在第32 ms激发,那么在sac2y程序中,会将激发的时刻取整到第三个采样点(即40 ms),这样,就产生了8 ms的残差,由于POBS的采样率为20 ms,理论上裁截取整会产生至多10 ms的误差,若前后两炮的裁截误差符号相反,直达水波同相轴的断阶现象会更明显.
裁截误差的存在会影响直达水波震相拾取,采用线性插值的方式,相当于将每道震相进行上下平移,平移的幅度和裁截误差相当,采用这种方式校正后的直达水波震相呈一条平滑的双曲线(图 4b).
2.3 位置校正结果位置校正结果如表 1所示,投放点和坐底点坐标绘于图中.可以看到,6个POBS在下沉过程中发生了不同程度的偏移,偏移距离在190~650 m之间(图 5).由于工区范围较大,且POBS是在不同时间投放,海流等因素可能会随着时间和空间变化(Du et al., 2018),故它们的漂移距离和方向各不相同;裁截误差修复使直达水波到时准确,同相轴平滑,与理论同相轴吻合好,RMS值也非常小.
裁截误差的出现使SEG-Y剖面上每一炮的水波到时出现误差,进一步地,造成了直达水波震相的拾取误差.这些误差正负相间,从最终结果看,它的出现对反演位置影响不大,6个站位的位置变化在1~6 m之间.值得注意的是,未修复前RMS值均在6 ms左右,与已有结果类似(陈瀚等, 2019),修复后RMS值显著变小,在2 ms左右(表 2).
为了更好地评估裁截误差修复前后RMS值的变化,以POBS05台站为例,以最终反演点为中心,25 m为半径,计算该范围内一系列点的RMS值,绘出RMS平面图.可以看到,RMS等值线呈现同心椭圆状(图 6).裁截误差修复后,RMS剖面的变化反映了求取的坐底位置更加精确,主要体现在3个方面:(1)相同位置处,RMS值显著减小;(2)反演点附近RMS等值线更为密集;(3)RMS值最小处位置稍有变化.
科考船搭载气枪在水面激发,气枪信号被POBS接收,是一个单点接收,多炮激发的观测系统,时距曲线为一条平滑的双曲线.本文使用SU软件包(Cohen et al., 1995)中的SUNMO模块对地震剖面进行正常时差校正,原理类似于多道地震处理中的交互速度分析模块,可以输入一系列速度和时间值,对不同到时的震相进行正常时差校正(正常时差近似公式:
与折合后观察地震剖面对称性的方式(陈瀚等, 2019)不同,正常时差校正(NMO)后平面位置的不准确表现为同相轴的倾斜:若台站位置沿测线正方向偏离(相对台站真实位置,以其北、东侧为正),水平直线会顺时针倾斜.校正前后如图 7所示,在位置校正前,NMO处理使同相轴呈一条倾斜的直线;选取反演得到台站位置进行NMO后,观测系统正确加载,时距曲线变为水平直线,零偏移距处的空白带,表明台站不在测线正下方,台站到测线有一定的距离.
为了进一步验证台站平面位置的准确性,本文将每一台站沿2条测线移动±10 m,观察正常时差校正(NMO)后同相轴的变化,这里选取2个台站展示:对于万米深度的POBS05台站,处于校正后位置时,直达水波呈一条水平直线,将台站位置沿测线移动10 m后,同相轴出现明显倾斜,并且,沿着测线两个不同方向平移台站,水平直线左右倾斜幅度也是相似的(图 8c、d);POBS04台站由于水深最浅,倾斜更为明显(图 8a、b).其他台站也得到类似结果.
本次实验的POBS04和POBS07台站的南北向地震剖面情况特殊,折射震相出现在3 km内偏移距,本文将其解释为海沟区域陡峭复杂地形的影响:入射角大于临界角时,地震剖面上会出现折射震相,因其速度较快表现为初至震相.与海底界面水平时相比,坡度较大时坡向相反一侧入射角更大,进而导致折射震相在更近偏移距出现.
图 9a、d分别为POBS04、POBS07出现折射震相测线下方的海底地形.POBS04台站位于陡峭的海沟内坡上,是6个台站中所处地形坡度最大的,坡度角达11.5°;POBS07台站位于海沟外坡一个正断层上,台站附近地形陡峭.在POBS04台站,偏移距大于3 km时,折射震相很快与直达水波震相分开,成为初至(图 9e).在POBS07台站,折射震相不及POBS04台站明显,在偏移距小于-3 km的地方,可以看到折射震相到时仅比直达水波震相稍早(图 9b、c).
折射震相下方直达水波震相稍有变化,进行NMO处理后显示,折射震相下方的直达水波到时略晚(图 9c、f).其中POBS07台站更为明显(图 9c),推测是因为POBS07台站地震剖面上,折射、直达水波震相到时较接近,直达水波震相受到折射震相干扰较大.而在POBS04台站,放炮测线下方地形陡峭,直达水波震相和折射震相很快分开,直达水波震相到时受到干扰较小.本文拾取了少量折射震相下方的直达水波震相,最终结果仍然可以反映10 m的位置变化(图 8a),且RMS值无显著增加(表 1).
4 讨论 4.1 裁截误差和折射震相的影响本文在前人位置校正工作基础上,还考虑了裁截误差和折射震相的影响.
与陈瀚等(2019)的工作相比,本文在位置校正前,修复了POBS较低采样率带来的裁截误差问题.该误差的存在使直达水波震相呈现锯齿状,采用线性内插重采样方式使直达水波震相平滑.十字放炮的观测系统类似于一个浮标式长基线系统(陈瀚等, 2019;江南等, 2004; 王婧琦, 2019),裁截误差修复使拾取到的直达水波震相更准确,相当于减小了测时误差.因裁截误差对直达水波对称性影响很小,所以裁截误差修复前后反演得到台站位置变化不大,但走时残差RMS值显著减小,增加了结果的可靠性;另一方面,走时残差RMS等值线更密集,对微小的位置变化更为敏感,定位精度得到提高.
前人研究虽采用类似观测系统进行过台站的位置校正,但仅在海斗深渊最深处(陈瀚等, 2019).本文布设POBS台站的工区范围较大,难免受到海沟区域复杂陡峭地形影响,出现折射震相.折射震相虽然对其下方直达水波震相到时影响不大,但如果是POBS07台站的情况,即二者到时接近,难以分辨,可能会将折射震相错误拾取为直达水波震相,破坏了直达水波的对称性,进而对位置校正结果产生较大影响.POBS07台站地震剖面上,折射震相和直达水波震相到时差在3 km偏移距时约50 ms,在大于4 km偏移距可达100 ms,正常时差的存在使同相轴呈双曲线,这个差异在原始地震剖面上难以察觉(图 9b).由于两种震相同相轴形态的差异,NMO处理后,二者显著分开,有利于正确识别、拾取直达水波震相(图 9c).
4.2 时间校正量和水波速度时间校正量(tpick_adjust)和水波速度(v)是直达水波拟合过程中的两个重要参数,参数的选取会影响震相的拟合,体现在RMS值的变化.虽然二者不会对最终反演位置造成很大影响(二者均不影响直达水波对称性),但是时间校正量(tpick_adjust)可以约束地震剖面时间的准确性,平均水波速度(v)是台站所在海域的重要水声学参数.
直达水波震相是人为拾取的,只能保证人工拾取的同相轴形态基本准确,同相轴可能存在整体到时误差,其来源多种多样,包括台站自身的时钟漂移、标定出错、数据丢失,或人工拾取误差、水波相位选取等.多波束数据是更为确定的信息,即使在万米深度,几组多波束数据与CTD测量结果相差仅20~60 m. 因此,杨富东等(2020)在高精度多波束数据控制下,利用直达水波走时进行位置校正,实现走时残差RMS最小,从而获得了全局最优的校正位置、水波速度(v)和时间校正量(tpick_adjust).时间校正量(tpick_adjust)反映的是,在校正位置、水波速度(v)和多波束水深数据耦合下,理论震相和人为拾取震相之间的微小误差.
本文处理的6个被动源站位中,POBS04的时间标定非常特殊,经过仔细分析和多方验证,发现气枪信号到时整体提前了约35 s,这么大的时间校正量无法用位置校正程序中的tpick_adjust参数来调整,我们采用的方法是在数据裁截处理前,在SAC格式数据里就进行了35 s的初步时间校正.
本文还对比分析了位置校正中获得水波速度(v)与其所在位置水深的关系,结果发现,POBS03、POBS04两个台站水深最浅,水波速度也最小,在1520 m·s-1以下;POBS01、POBS07、POBS08号台站在6000~7000 m左右,反演水速为1520~1530 m·s-1;POBS05号台站水深超过10000 m,反演得到水速最大,为1540 m·s-1,呈现水波速度随水深增大而变大的特征.物理海洋学研究表明,在水深较深区域,水速和水深成正比(张宝华和赵梅, 2013),进一步证实了本文位置校正过程中获得的水波速度(v)及其他参数的准确性.
4.3 NMO验证校正结果前人常用折合后观察直达水波同相轴对称性来检验位置校正结果(陈瀚等, 2019;杨富东等, 2020;张莉等, 2013),但是折合处理通常用于观察折射震相.NMO处理常用于分析直达水波和反射震相,可以同时验证平面位置、水速(v)、时间校正量(tpick_adjust)的合理性:在三个参数均合理情况下,直达水波同相轴以双曲线形式被校正为水平直线(徐云霞等, 2018).若位置信息不合理,水平直线会发生倾斜;水速(v)、时间校正量(tpick_adjust)不合理时,会出现校正过量或校正不足,直达水波同相轴会在剖面两侧同时向上或向下发生弯曲.
在水速、时间校正量合理情况下(此时直达水波同相轴呈直线),NMO可以反映细微的位置变化,对大偏移距的情况尤其明显:敏感度测试显示,进行NMO处理后,10 m的平面位置变动即可在较远偏移距(>3 km)观察到水平直线的倾斜.与前人工作相比,NMO的方法验证了十字放炮法具有更高的定位精度.
5 结论本航次投放回收的POBS记录到良好天然地震数据,十字定位法确定了台站精确坐底位置,为揭示海斗深渊区域的深部构造特征奠定了基础.除此之外,该方法还可推广到主动源、微震探测中,这些情况下台站和震源距离很近,台站的精确位置对于准确圈定油气藏位置、获取精细地壳结构、揭示海底火山的岩浆通道等尤为重要.
这是十字定位法在深渊区域的另一次成功实验,确定了更高的精度,提高了定位可靠性,同时进一步说明,大容量气枪结合海底地震仪进行直达水波走时反演,是确定水下仪器精确位置的可靠方式.本文得到以下几点认识和结论:
(1) 利用台站上方十字测线的气枪数据,完成了被动源海底地震仪(POBS)的精确定位,POBS下沉过程中,偏移方向各不相同,偏移距离190~650 m.
(2) 裁截误差几乎不会影响直达水波对称性,所以对位置校正的结果影响不大,但使直达水波同相轴更平滑,显著降低了拟合的RMS值,提高了定位精度,结果更为可靠.
(3) 海斗深渊坡折区地形陡峭复杂,导致地震剖面上大于3 km偏移距出现折射震相,影响定位精度,采用NMO处理可以帮助准确识别、拾取直达水波震相.
(4) 采用NMO的方法,验证十字放炮进行位置校正的精度可达10 m.相较于折合后观察对称性的方法,NMO还可以推断水速(v)和时间校正量(tpick_adjust)的合理性.
致谢 感谢中科院深渊科考队在航次中的辛苦工作,以及"探索一号"、"实验3号"船长与全体船员的努力和配合.数据采集处理和成文过程中,得到赵明辉、黄海波、贺恩远、王笋、王强、张昌榕等老师以及林江南同学的帮助指导,王元老师全程负责POBS的投放和回收,匿名审稿专家给予了宝贵的意见和建议,在此表示感谢!
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