2016, Vol. 31
2. 海洋地质国家重点实验室, 同济大学海洋与地球科学学院, 上海 200092
2. State Key laboratory of Marine Geology, School of Ocean and Earth Science, Tongji University, Shanghai 200092, China
作为重要的地球物理勘探手段，反射地震学具有悠久的应用历史.它利用表面激发的地震波在向下传播的过程中遇到波阻抗界面而反射回来被检波器接收到的信号，通过特定的处理流程以获得探测区域的构造、物性信息(Sheriff and Geldart，1995).传统的海洋反射地震勘探的目标区域为海底以下，而将来自海水层的反射视为噪声.虽然也有一些科学家曾经试图利用海水层的反射信息进行海洋学研究(Hunt et al.，1967; Gonella and Michon，1988; Phillips and Dean，1991)，但是，一方面这些研究都比较孤立，不成系统；另一方面，它们都是地球物理勘探的副产品，没有将反射地震方法上升为海洋学的研究工具，更没有专门为海洋学研究而设计航次进行联合调查.Holbrook等研究发现地震剖面上的浅层反射反映了海水的温盐细结构，同样具有重要的科学意义(Holbrook et al.，2003)，从而开创了一门新学科——地震海洋学.
传统的物理海洋学观测手段以定点观测为主.虽然这类观测数据在垂向上具有较高的分辨率，但受观测条件的限制，其横向采样间隔往往很大，一般为5~50 km，插值得到的二维剖面的分辨率较低，无法详细地反映海水的横向变化.此外，采集一个站位的数据需要较长的时间，当海水流动性强时只能得到‘改变了’的数据.与其相比，地震海洋学具有高横向分辨率和快速测量的优势(典型的水平采样率为10m的数量级，采样时间间隔远小于常规的物理海洋学观测手段，一般为几秒)，在研究海洋学现象的空间结构，划分水团等方面具有无可比拟的优势，因而被越来越多的物理海洋学家所接受.目前为止，地震海洋学已经在识别诸如海洋锋面(Holbrook et al.，2003; Nandi et al.，2004)、内波(Holbrook and Fer，2005; 宋海斌等，2009)、地中海涡旋(Biescas et al.，2008; Song et al.，2011)、温盐阶梯(Biescas et al.，2010; Fer et al.，2010)、潜流(Buffett et al.，2009)等多种海洋学现象方面取得了良好的应用.
南海面积约为350万km2，是西太平洋较大的边缘海.地形、黑潮和季风的影响之下，南海的海洋学现象丰富，一直都是海洋学研究的热点海域.现在普遍认为南海的大尺度上层环流表现为如下特征：整个南海在冬季为气旋性环流；夏季南海北部仍是气旋性环流，而南部为反气旋性环流(Wang et al.，2003).物理海洋学对南海的研究多集中在东北海域，一方面是因为这里有南海诸多与外海域联通的水道中最深的吕宋海峡；另一方面，太平洋西边界流黑潮从此经过，南海水团可以通过吕宋海峡与太平洋水团和黑潮水团进行物质和能量交换.而对于西南海域的研究，海洋学家们很早就注意到夏季发生在越南东部海域的深层海水上涌现象.过去的研究表明这一现象与西南季风有很大的关系(Kuo et al.，2000; Xie et al.，2003).Wyrtki发现越南以东海域的夏季海表面温度存在大于1℃的低温异常，认为这是深层海水上涌的结果(Wyrtki，1961).Kuo等使用1996~1997年夏季的AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)图像研究了南海西南海域的海水上涌，他们发现上涌的冷水有向东弥散的趋势(Kuo et al.，2000).Ho等研究表明本海域在夏季存在海面高度低异常，指示海水上涌的存在(Ho et al.，2000).Chu等使用1995年5月份的AXBT(Airborne Expendable Bathythermography)测量结果在越南以东海域约12 °N附近发现了温度低于26.5 ℃的冷水团(Chu et al.，1998).此外，一些模式的结果也证实了越南东部海域的夏季深层海水上涌现象的存在(Pohlmann，1987; Shaw and Chao，1994).
南海海盆构造演化的科学意义和潜在的油气资源价值使其一直以来都是地球物理研究的重点海域(宋海斌，2012)，大量的反射地震调查资料为地震海洋学研究提供了数据基础.本文重新处理了采集于南海西南次海盆的历史反射地震数据用于地震海洋学研究.首次定量地从地震剖面上提取出了反射强度、反射体倾角和反射体波动振幅等属性参数.计算结果表明，西南季风诱发的越南东部海域的冷流在水体内部表现为底层冷水团上涌.地震测线所在区域至少存在3个视宽度为~20 km的上升流区；其上涌的视幅度约为50~150 m，且在不同的深度具有各自的特征.地震海洋学数据具有高横向分辨率和全海洋深度成像的优点，可以为南海西南海域夏季上升流的精细化、定量化研究提供必不可少的数据支持.
1 数据与处理本研究使用的反射地震数据由南海大陆边缘动力学973项目委托广州地质调查局利用探宝号调查船于2009年5月30日~6月1日采集于南海西南次海盆，其位置如图 1所示.本次反射地震调查震源系统采用BOLT枪阵，近炮检距为250 m，炮间距为37.5 m.记录采用480道水听器，道间距为12.5 m.记录时间总长度为12 s，采样间隔为2 ms.地震数据处理首先以时间窗0~6 s，空间窗1~240道将地震数据中能够反映海水水体反射波信息的部分截取出来，然后进行常规的处理工作，包括定义观测系统、去除直达波、滤波、速度分析、动校正和叠加处理(Yilmaz，2001).去除直达波我们采用的是匹配相减法.为了压制随机噪声，我们对结果进行了倾角滤波.由于本次调查缺乏同时测量的温度、盐度等海洋学数据，我们使用来自于AVISO的海面高度异常(Sea Level Anomalies)数据辅助解释，如图 2所示.
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图 1 观测海域的海底地形和地震测线的位置 Figure 1 Seafloor topography in the study area and location of the seismic line |
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图 2 南海的海面高度异常图，来自于AVISO.时间为2009年5月27日 Figure 2 Sea Level Anomalies of the South China Sea，from AVISO，acquired on 27 May 2009 |
地震海洋学研究基于地震剖面上的反射同相轴.反射地震学中一般认为反射同相轴表征尖锐的波阻抗(波速乘以密度)界面，其两侧是具有不同性质的弹性介质.但是在海水中不存在波阻抗突变的界面.事实上，海水中的反射同相轴是具有一定厚度的波阻抗梯度较大的过渡带，其两侧是具有不同性质的水团(Ruddick et al.，2009).目前为止，几乎所有的地震海洋学解释工作都直接依赖于地震剖面上反射同相轴的属性参数，例如反射强度、反射体倾角以及反射体的波动振幅等识别海洋学现象、解释相关的海洋学过程等.我们考虑到，一方面这种方法不利于定量的研究；另一方面地震剖面可能携带有肉眼无法识别的信息.因此，尝试将这些属性提取出来，以期得到有意义的认识.提取的方法如下：首先在给定数据窗内拾取反射同相轴并逐条计算其属性参数；然后以它们的长度为权重做加权平均，将结果赋予中心的数据点；最后根据给定步长滑动数据窗以完成整个数据体的计算.整体流程如图 3所示.拾取同相轴采用自动算法(Huang et al.，2012).反射强度为反射同相轴所在位置的地震记录绝对值的平均值.反射体倾角为线性拟合反射同相轴得到的斜率.反射体波动振幅的计算方式为首先将反射同相轴数据减去其线性拟合结果，然后计算其最大值(波峰)和最小值(波谷)之差的一半.图 4给出了一条反射同相轴的计算结果.
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图 3 属性参数提取流程示意图 (a)为地震剖面；(b)为拾取的反射同相轴；(c)为计算的反射体倾角；(d)为计算的波动振幅；(e)为反射强度. Figure 3 Work flow of attribute extraction (a)A seismic profile;(b)Automatically picked reflectors;(c)Slope of reflectors;(d)Amplitude of reflectors;(e)Reflection intensity. |
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图 4 一条反射同相轴的计算结果 (a)反射同相轴；(b)反射体倾角；(c)波动振幅. Figure 4 Calculated attributes of a given reflector (a)The given reflector;(b)Slope of the reflector; (c)Amplitude of the reflector. |
不同的属性参数具有不同的意义：地震反射数据可认为是介质的波阻抗梯度与震源子波卷积的结果，因此反射强度可以间接地反映出声速/密度梯度的信息.由于震源能量未知且数据处理过程很难做到保幅，反射强度的具体值并无太大意义，但可以利用其相对值进行横向对比研究.一般反射强烈的地方波阻抗梯度较大，可能表征水团边界；反射虚弱或空白反射的地方表示已经混合得比较充分.反射体倾角是识别水团边界的重要标志.比如黑潮边界以及北大西洋暖流和拉布拉多寒流交汇形成的海洋锋面处都存在相对较大的反射体倾角.另外，还可以根据反射体倾角的空间分布特征识别海洋学现象.比如涡旋的上边界和下边界具有截然相反的反射体倾角，这可以作为其识别标志之一.反射体波动振幅同样是一个非常重要的属性.假定海洋内波以固定的能量传播，在浮频率较小的地方波动振幅较大，而在浮频率较大的地方波动振幅则较小.因此，在一定情况下反射体波动振幅反映了海水浮频率的大小，可以根据这个属性在垂向上划分水团.此外，利用这个属性还可以识别在振幅上有显著特征的海洋学现象，比如内孤立波(拜阳等，2015)，山后波等.
3 结果与讨论利用前述方法提取了南海西南海域地震数据的属性参数.为了提高计算结果的稳定性与可信度，我们只选取长度超过2 km的同相轴进行计算；用于滑动平均的数据窗长度和高度分别为20 km和150 m；横向和纵向的移动步长分别为500 m和22.5 m.计算结果如图 5所示.
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图 5 (a)地震叠加剖面；(b)海面高度数据；(c)计算的反射体波动振幅；(d)反射体倾角和(e)反射强度.(a)图中黑框A、B在后文有放大显示；(c)中的黑线为反射体波动振幅计算结果平滑后，值3.25，3.5和3.75的等值线；(d)中的黑线与(c)相同 Figure 5 (a)the seismic profile;(b)Sea Level Anomalies corresponding to the seismic line;(c)amplitude of reflectors;(d)slope of reflectors;(e)reflection intensity. Black boxes A and B in(a)are enlarged in later sections; black lines in(c)and(d)are contours of reflector amplitude，with values of 3.25，3.5 and 3.75. |
西南季风在夏季影响南海西南海域，诱发沿越南东岸北向的冷流.这股海流首先自南向北流动，然后在约12°N附近开始向东弥散.这一事件在海表面表现为温度低异常和海面高度低异常；水体内部则表现为以温度低异常为特征的底层冷水上涌(Chu et al.，1998; Ho et al.，2000; Kuo et al.，2000; Wyrtki，1961; Xie et al.，2003).从海面高度异常图(图 2)上可以清晰地看出越南东部海域存在从南向北的海流，它在12°N附近向东弥散，最远影响到114°E附近.其发生的季节、空间位置以及影响区域具有明显的西南季风影响特征.而本研究使用的地震测线恰好就位于海流边界附近(图 1).
属性参数的计算结果中最能体现海水上涌现象的是反射体的波动振幅.注意图 5 c中的等值线，它在总体趋势上与海表面高度异常呈现出非常好的镜像关系，说明这两套数据是一致的；同时又具有更高的水平分辨率，可以刻画水团上涌的细节.等值线的深度在水平距离0~145 km范围内从约600 m近线性上升到约300 m.在约50~75 km，100 km左右和约145 km左右有三个显著的峰值，表征上涌剧烈的区域.值得注意的是，这些上涌现象并不是孤立地发生在浅层，它们在每个深度都有相似的特征，从上到下表现出很好的一致性.反射体倾角图(图 5d)中，在水平距离0~50 km，深度约600m的地方可以看到一个同相轴倾向的过渡带，它随距离增加而逐渐变浅，这也是海水上涌的有力证据.约50~75 km处，对应于图 5c第一个剧烈上涌的海域，图 5d中可以看到反射体倾角负正转换的过渡带，这可能是由于海水上涌带来的水团混合造成的.将图 5 c中的等值线投到图 5 d上可以看出两者在刻画水团边界方面吻合程度很高.反射强度图(图 5e)也表现出类似的海水上涌特征.将约50~75 km和约145 km上涌峰值处的地震剖面(图 5a中黑框A和B)放大显示后如图 6和图 7所示.从中可以看出反射同相轴隐约勾画出两个弧形的水团边界，图中以黑线标出.
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图 6 图 5a中框A的放大显示，黑线勾画出水团边界 Figure 6 The large image of box A in Fig. 5a. The black line roughly outlined the boundary between different water columns |
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图 7 图 5a中框B的放大显示，黑线勾画出水团边界 Figure 7 The large image of box B in Fig. 5a. The black line roughly outlined the boundary between different water columns |
总体上讲，上涌的最大值出现在水平距离约145 km的地方，而在其右侧就是一个非常明显的中尺度涡(黄兴辉等，2013)，如图 5a中黑框C所示.图 5d中，中尺度涡区域的反射体倾角按左上、左下、右上、右下的顺序依次为负正正负，总体形态呈椭圆形；图 5e中中尺度涡区域存在一个明显的反射强度低异常带，说明水团性质比较均匀，具有涡心水的特点.由于其刚好位于上升流的边界位置，认为它的形成跟深层海水上涌有关.虽然地震测线由于天气原因而中断，地震剖面并没有捕捉到涡旋的全貌，但是仍然可以推测出它的中心深度约为450 m，视中心厚度约为300 m，视直径约为55~65 km，具有明显的中尺度涡特征.
反射体波动振幅等值线数据和海面高度数据体现的海洋学现象是一致的.同时，由于地震数据具有更高的横向分辨率，我们的计算结果能够体现出更多的细结构.图 5显示，在底层海水沿地震测线从北向南整体上涌的大背景下，可以识别出三个视宽度为~20 km的上升流区.相对于背景值，这三个上升流区在垂直方向上涌的视幅度约为50~150 m.由于这里只能捕捉到三维水体结构在地震测线上的一个纵向切片，视宽度并不能展示上升流水平尺度的全貌.同时，由于海水上涌是个复杂的过程，在不同的深度表现出不同的特征，很难使单一的物理量来描述；另外，水团上涌的过程中，压力环境的改变也会导致其性质发生变化.因此，上升流在垂直方向上涌的视幅度也未必等价于某个水团上升的真实幅度.即便如此，我们的计算结果仍然可以为认识南海西南海域的上升流的空间尺度提供定量的数据，以备参考和约束.需要说明的是，计算是针对同相轴进行的.而同相轴的形态可能受到地形、水团侵入以及与其他海洋学现象相互作用等因素的影响.本例中，地震测线所在的南海西南次海盆的平均深度超过4 km，海底地形的影响可以忽略；海盆相对封闭，可以排除其水团以及海洋学现象的干扰.因此计算结果是可靠的.将这个方法扩展到其他海域应用的时候一定要小心甄别，排除干扰因素才能得到正确的认识.
4 结 论我们重新处理了采集于南海西南次海盆的反射地震数据进行地震海洋学研究，首次提出了从地震剖面上定量提取反射强度、反射体倾角和反射体波动振幅等属性参数的方法，并将其应用到南海西南海域的反射地震数据.计算结果进一步表明南海西南海域在夏季主要的海洋学现象为西南季风诱发的冷流.它首先在越南东部海域自南向北流动，然后在约12°N附近开始向东弥散.海表面表现为温度低异常和海面高度低异常；水体内部则表现为以温度低异常为特征的底层冷水上涌.地震测线所在区域存在三个明显的上升流区，它们的视宽度为~20 km，上涌的视幅度为50~150 m.计算结果与海面高度数据吻合的很好，同时具有更好的横向分辨率，还可以研究海水上涌在不同深度的特征，表明地震海洋学可望成为研究海水垂向分布横向变化的有力工具.
致谢 我们感谢为地震数据采集而努力的探宝号所有成员；文中使用的海面高度异常数据由AVISO(http://www.aviso.oceannob.com/)提供；地震数据处理中用到了Seismic Unix(CWP / SU; Cohen and Stockwell，2008)工具包，画图中用到了Generic Mapping Tools(GMT; Wessel and Smith，1998)工具包，在此一并表示感谢.| [1] | Bai Y, Song H B, Guan Y X, et al.2015. Nonlinear internal solitary waves in the northeast South China Sea near Dongsha Atoll using seismic oceanography[J]. Chin. Sci. Bull. (in Chinese), 60 : 944–951. DOI:10.1360/N972014-00911 |
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