海底地震数据采集早期使用的海底水听器(Ocean Bottom Hydrophone)仅能记录单分量纵波，信息量较少，难以解决各向异性、低速层屏蔽等问题，因此迅速被装备了三分量速度检波器、能够同时获得纵波与横波资料的海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer)所取代.20世纪90年代中后期以来，随着现代信息和传感器技术的快速发展和计算机成本的不断降低，海底地震仪技术进入了发展高潮，在天然地震观测、油气地震勘探、深部结构调查等领域得到了广泛应用(丘学林等，2003；Rodriguez et al., 2006; Laske et al., 2009; Chabert et al., 2011; Mànuel et al., 2012).目前国内外流行单球式海底地震仪(以下简称OBS)，具有成本较低、体积小重量轻、操作和维护简便等优点，装备数量最多且应用最为广泛(阮爱国等，2004).典型的如法国Sercel公司研制的MicrOBS，德国GeoPro公司研制的Sedis系列，以及中国科学院地质与地球物理研究所研制的IGGOBS系列(阮爱国等，2010；郝天珧等，2011).这些OBS大体沿用了Prothero(1979, 1984)的基本设计：传感器、记录器、电池和释放机构等皆置于一个球形耐压舱内，另有树脂外壳起保护作用，投放时用一个镇重锚配重以下沉至海底，完成地震观测后抛弃镇重锚上浮至海面回收.

原始数据的品质决定了地震探测成果的可信度和分辨率，而仪器对地表运动的记录常存在不同程度的失真，因此须认真测试分析仪器对地震数据的影响.近年来对于OBS采集技术的研究多关注回收成功率和时间服务(阮爱国等，2010；王强等，2016)，对OBS数据品质的研究较少，且多限于对某次试验数据的分析(刘晨光等，2014)或某个子系统的测试(郝小柱等，2015).究其原因，很大程度上是由于海底难以直接抵达，限制了同址对比测试.但是，如果不对OBS数据的信噪比及其影响因素进行定量分析，一方面无法对现有地震观测数据质量给出科学评价，进而影响一些利用纵横波振幅比、波形信息的科研工作进展，而且无法对采集方法进行改进；另一方面，对OBS观测数据进行深入的整理分析，明确问题的准确原因是促进OBS技术进一步发展和完善的必由之路.因此本文对国内科研单位较常使用的数型进口、国产OBS的数据进行了分析，以速度/压力检波器记录的信噪比差异为切入点，为此设计试验从信号传递和噪声水平两方面探寻其原因，以期改进OBS采集方法、评估OBS数据的多波处理方法适用性，并重新审视OBS的设计要点和制造工艺.

信噪比是地震数据质量评价中最为重要的基础参数，一般定义为信号与噪声的振幅比或能量比(李庆忠，1993)，然而，实际应用中常发现OBS的数据信噪比显著低于陆上地震仪，导致对弱信号的检测能力存在明显不足.接收端对地震数据信噪比的影响主要包括表层吸收衰减、检波器与地表的耦合、环境噪声、仪器自噪声等，其中不同站位的表层吸收衰减和环境噪声存在较大差异，分析仪器测震能力时通常用同址同步观测的方法来排除这两项，但目前在海底进行此类试验还较为困难.

注意到OBS的速度检波器垂直分量(以下简称Z分量)和压力检波器(以下简称H分量)都是记录海底的垂向振动，对于同一台OBS的H分量和Z分量，表层吸收衰减、环境噪声和数据采集器自噪声是相同的.一个有趣的现象是，对台湾海峡西部OBS数据的统计分析表明(王笋等，2018)，同一站位的OBS的Z分量的信噪比常远低于H分量，这一现象出现在多种型号的进口、国产OBS上.例如图 1为一台某型国产短周期OBS(以下简称OBS-1)的气枪源地震记录H、Z分量的分频扫描对比，可见H分量在4~8 Hz和8~16 Hz频段都有着较高的信噪比，Pg、PmP震相清晰连续，PmP震相可追踪至150 km；而Z分量在4~8 Hz频段信噪比较低，Pg震相仅能追踪至约-20 km处，在8~16 Hz频段仅能识别直达水波.由以上同源同址同数采对比分析可以确认：与同一台OBS的H分量相比，Z分量信噪比较低，特别是在8 Hz以上的高频段.

图 1

Fig. 1

图 1 OBS-1压力检波器的4~8 Hz分频记录(a)和8~16 Hz分频记录(b)；垂向速度检波器的4~8 Hz分频记录(c)和8~16 Hz分频记录(d) Fig. 1 The frequency-divided record section of OBS-1: (a) 4~8 Hz of H-component; (b) 8~16 Hz of H-component; (c) 4~8 Hz of Z-component; (d) 8~16 Hz of Z-component

为确定Z分量信噪比较低的原因是通道中地震信号较弱还是噪声较强，我们对震源能量较大且谱线较平坦的人工爆破地震记录进行分析：图 2为一台某型进口短周期OBS(以下简称OBS-2)记录的H、Z分量的波形、振幅谱对比，可见H、Z分量在初至前的背景噪声幅值均较低，H分量的高频成分略多，Z分量的低频成分略多；H分量信噪比显著高于Z分量，而在频谱图上H分量在2~30 Hz频段起伏不大，但Z分量整体向高频端显著下沉.而对比厂家提供的检波器传递函数，这两个分量在2~50 Hz频段的幅频响应都是平坦的.

图 2

Fig. 2

图 2 H分量记录(黑色)和Z分量记录(红色)的波形对比(a)、振幅谱对比(b) Fig. 2 Comparison of H-component (black) and Z-component (red) in measure of waveform (a) and amplitude spectrum (b)

记录中地震信号弱且高频分量受到明显抑制通常是近地表吸收衰减严重或检波器耦合效果不佳的反映(孙传友，1993).由于Z分量和H分量都是记录地表的垂直振动，所不同的是H分量的传导介质是海水而Z分量的传导介质是仪器底座，同一台OBS的记录中H分量信噪比较高、谱线较为平坦，因此可断定台址近地表吸收衰减较小，Z分量信噪比低于H分量的主要原因是速度检波器与海底之间的耦合效果较差.

检波器与地表的耦合作用可近似为一个滤波器，通过压制或放大不同频段内的地震信号，对地震数据的品质产生重要影响(陈高翔和田钢，2016).耦合问题在OBS问世之初即得到了广泛关注和重视，前人对OBS与海底之间的耦合效果已有一些研究(Sutton et al., 1981; Sutton and Duennebier, 1987; Trehu and Solomon, 1981; Zelikovitz and Prothero, 1981; Eguchi et al., 1986)，制定了OBS设计的准则，例如OBS应有较大刚度、接触面应宽大且紧耦合、OBS应接近等浮状态等(崔培等，2010).但由于海底岩性和地貌是复杂多变的，目前OBS仅有少量使用无人潜水器或潜水员投放，大多数仍为自由落体布放(Mànuel et al., 2012)，无法选择坐底处海底的岩性和地形，因此OBS与海底之间的耦合效果难以控制，关于OBS耦合效果的定量分析研究还较少.

我们注意到，OBS的速度检波器与海床之间隔着常平架(硅油)、耐压壳、树脂外壳、镇重锚，但以往研究多将OBS视为一个刚体，仅考虑OBS壳体与海底间的耦合效果，很少涉及检波器与壳体之间的耦合效果.为分析OBS的信号传递效果，我们对某型宽频带OBS进行了为期7天的同址同步测试.选择同批次，相同前放增益设置的三台OBS(以下简称OBS-3、OBS-4、OBS-5)，直接置于某地震台洞室的测震墩上(树脂外壳直接与台基接触)，作为对照的是Guralp公司生产的CMG-40TDE型宽频带陆用地震仪，这两种仪器的检波器参数见表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 OBS-3和CMG-40TDE仪器参数(仅显示垂直分量) Table 1 Parameters of OBS-3 and CMG-40TDE (show vertical component only) 参数\仪器 OBS-3 CMG-40TDE 检波器类型 三分量速度型 三分量速度型 频带宽度 60 s~50 Hz 40 s~100 Hz 动态范围 120 dB 120 dB 灵敏度 2000 V/m/s 2000 V/m/s 采样间隔 8 ms 10 ms

表 1 OBS-3和CMG-40TDE仪器参数(仅显示垂直分量) Table 1 Parameters of OBS-3 and CMG-40TDE (show vertical component only)

截取测试期间发生的一次天然地震事件，对比OBS-3、OBS-4和OBS-5的Z分量记录(图 3a)可发现虽然波形非常相似，但振幅比约为1:2:0.64，互差超过3倍，说明这3台仪器的垂直向速度检波器安装阻尼有较大的差异；而对比这3台OBS的径向分量波形(图 3b)可发现虽然记录波形较为相似，但振幅比却是约1:0.12:0.81，径向分量振幅比与垂直分量振幅比截然不同，由于这3台OBS是同方向放置，这说明同一台仪器安装的速度检波器垂直分量和水平分量的安装阻尼也有较大的差异.

图 3

Fig. 3

图 3 OBS-3(黑色)、OBS-4(红色)、OBS-5(绿色)记录的天然地震波形垂直分量(a)、径向分量(b)对比 Fig. 3 Comparison of the earthquake waveforms recorded by OBS-3 (black), OBS-4 (red) and OBS-5 (green): (a) the vertical component; (b) the radical component

以CMG-40TDE为基准，分析该型OBS的幅频响应：图 4a为OBS-3与CMG-40TDE的Z分量噪声振幅谱对比，可见OBS-3的振幅与CMG-40TDE相比低约4 dB，谱线形状大体接近，主要不同在于0.1~0.6 Hz频段OBS-3的振幅较低；图 4b为天然地震振幅谱对比，可见OBS-3与CMG-40TDE的振幅大致相当，1~10 Hz频段这两种仪器的谱线接近重合，但0.1~0.9 Hz频段OBS-3较高，而10~20 Hz频段OBS-3低于CMG-40TDE.由于两种仪器的标称检波器传递函数在0.01~50 Hz频段都较为平坦，这极有可能是因为OBS-3的耦合效果较差，同时前放增益略大于CMG-40TDE，故其对低幅度背景噪声的响应较低，对天然地震信号的响应幅度较高；较差的耦合效果使其幅频响应有明显的斜坡特征，即低频端响应大，高频端响应较小.图 4c为Z分量的天然地震记录波形对比，可见两种仪器记录的波形几乎完全一致，说明该型OBS在壳体与台基耦合较好的情况下，记录的天然地震波形信息是可靠的.

图 4

Fig. 4

图 4 OBS-3(红色)与CMG-40TDE(黑色)记录噪声振幅谱(a)、天然地震振幅谱(b)、天然地震波形(c) Fig. 4 Comparison of OBS-3 (red) and CMG-40TDE (black): (a) the amplitude spectrum of the background noise; (b) the amplitude spectrum of an earthquake event; (c) the waveform of an earthquake event

噪声水平是地震仪器的重要指标，决定了地震仪能够检测到地面运动的最小振动量(许卫卫等，2017)，因此是采集质量的重要评价标准之一.OBS记录的噪声按来源可分为自噪声和环境噪声两类：OBS的速度检波器和数据采集器大多与陆上地震仪类似，因此OBS自噪声水平与同类陆上地震仪接近；而环境噪声水平OBS与陆上地震仪由于台基和工作环境不同显然存在较大差异.对于OBS布放在海底时的噪声，以往研究指出较相邻陆上台站高出1~2个数量级(Lindholm and Marrow, 1990；刘晨光等，2014)，但对于这一现象的原因，Webb(1998)推断为水体中传播的波动，Crawford和Webb(2000)采用低频水听器记录的水体中波动来匹配减去这类噪声中的低频部分.而对于噪声中高频部分的来源和压制方法，分析研究仍较少.考虑到前述OBS不同台的检波器耦合效果有较大差异，因此在定量分析OBS在海底工作时H分量和Z分量的噪声水平时，选择OBS-1在台湾海峡的5个站位(点A~E水深30~70 m，图 1中记录在E处采集)和南海海盆的2个站位(水深分别为3890 m和4272 m)安静时段的噪声数据，对其振幅谱进行比较.

图 5b为H分量的对数振幅谱，可见2个深水站位的谱线大体呈向高频端抬升的直线，振幅在3 Hz点约34 dB，在30 Hz点约52 dB；5个浅水站位的谱线大体呈向高频端下沉的直线，其中A、B、C的谱线近乎重合，在3 Hz点较D、E高约27 dB，在30 Hz点较D、E高约4 dB；而E处H分量噪声远低于A、B、C处，在30 Hz点低约20 dB.图 5c为Z分量的对数振幅谱，深海区的2个站位噪声振幅低于H分量，谱线形状与H分量较为相似(图 5d，图 5e)；但浅海区的5个站位噪声谱线幅值约在63~107 dB之间，远远高于深海区的2个站位，且不同浅海站位的幅值有较大的差异，站位A、B、C虽然H分量谱线接近重合，但Z分量互差近10 dB；谱线形状则有较大幅度、无明显规律的抖动，不同站位间比较、同站位与H分量比较皆不相关.特别是站位E处H分量噪声在6~30 Hz频段低于F、G处，在30 Hz点处低约8 dB，但Z分量噪声水平比F、G处高约40 dB，说明OBS在浅水使用时Z分量的噪声水平较高，且噪声中包含一种与仪器相关的、较为复杂的次生干扰，这种干扰对地震数据信噪比的影响非常严重(对比图 1).

图 5

Fig. 5

图 5 (a) OBS站位分布图；(b) H分量对数振幅谱对比；(c) Z分量对数振幅谱对比；(d)站位F的H分量(黑)和Z分量(红)振幅谱对比；(e)站位G的H分量(黑)和Z分量(红)振幅谱对比 Fig. 5 (a) Location of site A—G; (b) the amplitude spectrum of the H-component noise recorded in A—G; (c) the amplitude spectrum of the Z-component noise recorded in A—G; (d) comparison of H-component (black) and Z-component (red) in measure of amplitude spectrum in site F; (e) comparison of H-component (black) and Z-component (red) in measure of amplitude spectrum in site G

运用多分量采集技术获得完整的矢量波场是高精度成像，岩性、各向异性、孔隙流体性质识别的关键(Menke et al., 2005; Exley et al., 2010；胡昊等，2016；牛雄伟等，2016；赵维娜等，2017)，因此须对速度检波器的数据质量给予特别的重视，但通过上述测试分析发现OBS速度检波器数据的信噪比较低，这是因为相对于勘探地震的电缆式多分量采集技术，主要用于深部结构探测的OBS多分量采集技术在检波器耦合效果和水流噪声方面都存在特殊的问题.

通过3台OBS的同址同步观测试验，发现地震记录振幅互差较大，且幅频响应有明显的斜坡特征，证明其内部信号传递效果不甚理想.若假定检波器的制造公差未超限，此种现象应是OBS内部耦合效果较差的反映，其原因可能是常平架设计或装配问题，或是耐压舱壳与树脂外壳间的贴合不够紧密.因此在研究OBS的可控布放技术以克服崎岖海底、表层衰减等问题，提高OBS与海底耦合效果的同时，不可忽视OBS内部耦合效果的问题，应提高速度检波器与OBS外壳间连接的刚度，减小阻尼.

较差的耦合效果首先会使地震信号的振幅特别是高频成分受到较大衰减，并放大高频噪声，进而严重影响地震探测的分辨率(于富文等，2016).而对于多波地震资料处理，原始数据的保幅与保矢量特征是非常关键的指标，矢量保真度差的资料不能准确恢复地震波矢量波场，质点偏振、振动轨迹分析等都可能产生错误结果(黄中玉等，2005).由于某些早期型号OBS的整机灵敏度即使同一批次也有较大差异，甚至同台仪器不同分量检波器的安装阻尼也可能存在较大差异，因此须对每台OBS各分量的整机传递函数进行测试，以确保提取出可靠的相对振幅信息.特别是目前求取OBS水平方位角的方法都存在一定局限(司少坤等，2017)，在应用接收函数、纵横波谱比等方法时，须仔细检查各分量的振幅恢复效果.

同一台OBS在不同站位的噪声对比分析表明，Z分量的噪声水平在深海低于H分量，但在浅海远大于H分量.压力检波器可以全向记录声压场，包括海底传导至水层中的地脉动噪声，以及水体中传播的波动.台湾海峡站位H分量的噪声强度随频率降低而增大，在3 Hz点上较深海高约17 dB；而据Chen等(2011)的研究，台湾海峡的第二类地脉动噪声(2~6 s周期)强度较深海大一个数量级，说明H分量噪声增幅与地脉动噪声增幅一致.但台湾海峡Z分量的噪声强度较深海大两个数量级，即Z分量噪声远高于H分量(在高频端大1~2个数量级)，说明Z分量中含有能量远大于地脉动噪声的某种高频干扰.这种高频干扰很可能是由于水体中的波动(低频振动)作用在OBS壳体上产生较大的转动力矩(Duennebier and Sutton, 1995)，OBS在此激励下产生大幅度的不规则高频次生谐振，对内置速度检波器影响较大，而对与耐压舱柔性连接的压力检波器的干扰较小.因此在浅海Z分量噪声远大于H分量，且谱线形状与以地脉动噪声为主的H分量完全不同.

理论上所有置于海床的地震采集设备都会受到水体噪声的影响，但油气勘探使用的海底电缆(Ocean Bottom Cable)、海底节点(Ocean Bottom Node)由于外形紧凑、与海底贴合较好，对速度检波器数据质量的影响较小；而单球式OBS由于将检波器、数据采集器、存储设备、电池等主要元件都置于一个耐压舱内，加之耐压舱整体密度须小于水，故壳体相对较为高大，且质心较高，与海底贴合不紧密，对水体噪声有显著的放大作用，严重影响速度检波器数据的品质.此问题不仅影响OBS在浅海区使用的效果，深海某些区域存在的重力流等底流也可能严重影响速度检波器数据质量.Duennebier和Sutton(1995)认为完全消除这种水流冲击引起的次生干扰只能采取埋置OBS的方法，但成本较高.因此较为可行的方法是设计上降低质心并优化水动力外形，例如Guralp公司最新研制的Aquarius型OBS，整体外形采用了扁平的圆柱体设计以降低水流冲击干扰(说明书见http://www.guralp.com/documents/DAS-AQU-0001.pdf).

针对OBS上的垂直向速度检波器的信噪比常显著低于压力检波器的现象，本文通过陆上同址同步观测试验和水中噪声对比分析证明其部分根源在于现有的单球式OBS设计和制造上的缺陷：

(1) 某些早期型号OBS的速度检波器可能存在较为严重的内部耦合问题，由于各台之间、同台各分量之间的整机灵敏度一致性较差，并可能存在随时间的变化，因此每次投放前须进行标定以提取出可靠的相对振幅信息，多波处理时应谨慎分析各分量的振幅恢复效果；

(2) 单球式OBS由于壳体较为高大、质心较高、与海底贴合较差等因素，壳体对水体波动有显著的放大作用，受到海底水流冲击时速度检波器会受到大幅度的不规则高频次生振动干扰.

由于多分量速度检波器记录的矢量波场信息能克服常规单分量纵波地震探测的诸多局限，是反演地下岩石物理性质的必要条件，因此提高速度检波器的效能是改进OBS海底探测技术的重要方向.我们建议从改善耦合效果和抑制次生干扰两方面来提高OBS采集的质量：为改善耦合效果，应增强速度检波器与OBS外壳间连接的刚度，尽量减小阻尼，OBS出厂前在大型振动台上测量整机传递函数是必要的；为抑制水流冲击引发的次生干扰，应降低OBS质心并优化水动力外形，或在耐压舱外设置护罩隔离水波，检波器外置也有助于改善耦合效果和减少水流噪声干扰，可在水池中进行水动力试验测试其效果.