链式海底地震仪节点结构设计与试验

海底地震仪是一种重要的海洋地震观测设备。针对中国近岸浅海洋流噪声大和人类活动频繁的特点,提出链式地震观测方式并对链式海底地震仪节点进行机械结构设计。首先根据内部构件尺寸与布局对地震仪节点整体结构进行设计;然后通过理论计算与有限元仿真方式确定地震仪节点仓体的壳体厚度、端盖厚度和密封尺寸;最后通过压力试验验证所设计的地震仪节点结构的耐压和水密性能符合要求,通过地震观测对比试验验证其接收天然地震的能力。此链式海底地震仪未来将应用于浙江近海的实际地震观测,提供实时连续的地震观测数据。

一种确定海底地震仪位置与等效海水速度的多维扫描法

受海流影响,海底地震仪(OBS及OBN)着底点与投放点的位置存在偏差,水越深偏差越大。OBS及OBN的准确定位对后续地震数据的成像处理至关重要。传统处理方法假设海水速度、海底深度已知,或者采用分部策略依次反演海水速度、海底深度与水平坐标,导致误差较大。为此,提出了一种新的OBS及OBN重定位多维扫描方法。利用共检波点道集中拾取的海水直达波震相到达时,经过在水平坐标(x维度和y维度)、海底深度和海水速度4个维度的扫描,确定OBS及OBN着底位置的同时获得海底深度和等效海水速度。与现有技术相比,该方法具有搜索速度快、精度高、原理简单,而且可以同时获得等效海水速度与海底深度等优点。理论模型实验结果表明,在深水情况下用该方法获得的OBS及OBN水平位置误差在20 m以内,海底深度误差在10 m以内;即使拾取的直达波走时存在稍许误差,等效海水速度仍可以被准确地反演出来;以上参数反演精度受扫描密度制约。实际资料处理结果基于重定位结果的直达波线性动校正后同相轴被有效拉平,说明重定位方法的有效性和实用性。此外,基于敏感核函数分析,给出了另外一种不同于前人的分步扫描策略,反演效率再提升2个数量级,但定位精度下降了1个数量级,进一步印证了多维扫描反演方法的优势。数值实验的反演精度是在接近水深3000 m的超深水情况下获得,在浅水情况下,考虑到数据误差与采集孔径更小,扫描密度更高,一定能获得更高的反演精度。

海底地震仪数据丢失异常及内部时间校正

TS03航次使用国产海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer,OBS)在马里亚纳海沟南段进行了一系列主动源和被动源地震作业,旨在获取跨越海沟的壳幔结构和地震活动性.但在数据处理过程中,我们发现POBS04台站地震剖面的直达水波到时异常,给接下来的计算模拟工作带来困难.为此,本文计算了直达水波理论到时,对比SAC文件中气枪信号到时,以此进行异常数据的检查分析.结果表明,POBS04台站记录过程中发生了部分数据丢失,从而造成其内部时间存在错误,体现在SAC文件中气枪信号到时提前,以及相邻数据文件之间存在数十秒的时间间隔.因此,本文在SAC软件中将整段气枪信号进行延后,使其可以和直达水波理论到时准确对应;之后再进行裁截、分道排列和SEGY格式转换,最终得到了正常的单台地震剖面.这项研究发现了一种新型数据异常,为后续准确的OBS位置校正和地壳结构计算模拟提供了可靠的数据保障,也为国产仪器的改进及其异常数据修复提供了新的参考.

利用水波初至偏振方位反演海底地震仪位置及方位

OBS(Ocean Bottom Seismometer,海底地震仪)在布放到海底之后,其方位指向通常是随机的;由于海流等因素的影响,其实际位置通常也会偏离投放位置,因此需要对其位置及方位进行重定位定向。针对目前的定位和定向方法大多基于走时计算,本文首先讨论了利用海底地震仪的水波初至偏振方位进行海底地震仪水平位置及方位重定位定向的线性反演方法和非线性反演方法,给出了线性反演的近似公式,并分析了近似公式的误差;然后,通过大量理论模型试验对比了两种方法的误差及稳定性;最后,对我国南海某地的5台OBS实测数据进行了反演处理。理论模型试验结果表明,在一些特殊情况下,线性反演存在不收敛的情况,而非线性方法则具有较好的稳定性和较高的精度。非线性反演方法采用差分演化算法,对比了直接优化方位角残差目标函数和双差法,结果表明,对于理论模型和实际数据两种方法得到的结果几乎完全相同,但迭代收敛情况双差法明显好于前者,双差法经600余次迭代达到最优稳定状态,而前者在迭代1000多次之后才达到稳定最优状态。

海底地震仪与拖揽观测系统的联合走时层析海水速度建模

在海洋地震勘探过程中,如果不考虑海水的非均匀性将会在后续层析成像过程中引入伪影,因此准确的海水速度建模是非常有必要的.海底地震仪(OBS)记录数据中的透射波具有较大的射线角度,能够为海水建模提供垂向分辨率;而拖缆观测可以补充OBS分布稀疏造成的横向欠采样,同时可以定位海底深度并更新OBS位置信息.综合利用OBS和拖缆观测系统可以克服各自的局限性,提高海水速度建模的精度.为此,本文提出了一种基于OBS与拖缆观测系统的海水透射波、海底反射波联合走时层析方法,同时反演海水声速分布和海底深度.二维理论模型实验和实际资料处理结果表明,该方法能够准确反演海水声速分布和海底深度,提高震相走时的匹配程度,为后续成像提供准确的非均匀海水模型.

基于MEMS的三分量主动源地震仪设计

为了满足主动源地震勘探技术对勘探仪器高精度、高速率、高灵活度和宽频带的要求,采用STM32F407为控制核心,MEMS芯片VS1002为传感器,辅以△Σ型A/D转换器AD7767和菊花链传输模式,实现了基于MEMS的三分量主动源地震仪设计。该设计能完成12通道,24位采集精度,最小采样间隔0.05 ms的地震信号采集,0 dB放大时的动态范围可达118 dB,输入带宽为0~1 kHz,地震数据可存储到本地SD卡备份同时通过无线传输至PC上位机保存和显示。实验结果表明,地震仪能对标准信号和主动源地震信号进行快速、稳定和准确的采集,满足预期设计目标。

高台YRY钻孔应变仪与BBVS-120地震仪青海玛多M S7.4地震同震对比分析

以高台台秒采样YRY-4钻孔应变仪记录的2021-05-22青海玛多M S7.4地震观测数据及同址观测的BBVS-120地震仪重采样秒数据为研究对象,进行观测曲线变化特征、地震学震相及频谱特征对比分析。结果发现,钻孔应变仪秒采样数据同震记录清晰,满足四分量钻孔应变观测的自检特性。两套仪器均能记录到玛多地震的震相数据,且震相形态相似,到时基本一致。两套仪器的频率谱及时频分布形态相似,频谱成分接近,但频率分布和幅值变化存在差异,这与仪器的观测原理、分量(测向)方位、频带宽度及观测灵敏度等有关。为进一步分析钻孔应变仪的动力学意义,对仪器进行不同时间节点的空间投影,结合震中与台站的相对方位进行分析,发现接近震中指向台站SW-NE向分布的2323、2324分量和垂直于震中指向台站分布的2321、2322分量受力状态相反,可能与P、S波传播规律有关。

基于Android的无线节点式地震仪监控系统设计

针对无线节点式地震勘探仪器工作过程中实时监测能力不足的问题,设计了基于Android平台的监控系统。系统采用WiFi无线通信技术,基于TCP或UDP协议实现Android移动设备与分布式采集节点的通讯,完成对采集节点的采集控制、实时数据传输、状态监测;通过引入第三方图标库实现采集数据的多种可视化显示;采用SQLite数据库加文件系统形式实现采集数据的存储与回放。该系统能够有效提高地震勘探工作数据采集的可靠性,解决无线节点式地震仪器“盲采”式工作数据质量不佳问题。经测试,系统实时性强、可靠性高,能够满足实际地震勘探监控需求。

闲话地震仪

地震仪,是一种监视地震灾害的发生,记录地震相关参数的仪器。我国东汉时代的杰出科学家张衡,在汉顺帝阳嘉元年(132年)发明制成了世界上最早的“地震仪”——候风地动仪。

从霓式地震仪看中国地震学的历史跨越

抗战时期,我国自主研发的霓式地震仪具有划时代意义,这是我国现代第一台机械式地震仪。文章深入探讨了霓式地震仪在特殊历史背景下的创建历程、科学贡献与对现代地球物理观测的影响。文章从霓式地震仪的发展脉络、研制过程、技术特性、工作原理以及对现代地震观测的影响等方面分析其历史地位、科学价值及技术创新的特点。

阵列式光纤地震仪在西藏易贡湖地区的浅层探测实验研究

随着野外观测数据的累积和地震成像技术的发展,对地球内部结构的探测范围越来越大,精度越来越高.利用新的技术手段获得更多的观测数据,不仅填补了研究区观测数据的空白,还有助于提高地下结构的探测精度.利用光纤地震仪耐极端环境和易于布设等优势,本研究使用自主研发的阵列式光纤地震仪在西藏易贡湖地区进行野外试验,首次获得了青藏高原地区主动源和背景噪声的光纤地震数据(包含一条水下测线的数据).利用背景噪声成像手段得到了易贡湖岸近地表S波速度结构,但未获得湖底的速度结构.经分析认为,湖水的流动对架设于湖底的探头造成了干扰.本次试验初步验证了阵列式光纤地震仪在极端野外环境中(尤其是水下)进行数据采集的可行性,为未来在极端环境下的数据采集提供了新思路.

无缆存储式数字地震仪的现状及展望

本文首先按照数字地震仪的数据传输方式对地震仪进行了分类(有线遥测地震仪、无线遥测地震仪、无缆存储式地震仪);回顾了无缆存储式地震仪的发展历程,简单分析了无缆存储式地震仪的优点;并对目前国内外的无缆存储式地震仪进行了简单介绍和比较;最后展望了我国发展无缆存储式地震仪的可能性和应用前景.由于无缆存储式地震仪结构相对简单、技术相对成熟,研制开发相对比较容易,非常有利于我国进行自主研发,也是我国石油和天然气行业摆脱地震勘探仪器全部依靠进口的被动局面,在研发数字地震采集系统方面赶上国际水平的有利时机.

软土层地区地震仪安装效果比对研究

随着ChinArray等大型地震观测项目逐渐推进,一些台站不得不安装在软土层等较高背景噪声区域,研究这些区域中不同类型地震仪在不同安装方法之间的背景噪声水平差异,对于提高观测数据质量、选取观测仪器类型、研制地震仪器等问题具有重要意义.本文在北京通州西集地震台,通过一系列比测实验研究了宽频带地震仪在不同安装深度、安装方式以及保温隔离防护方式下的安装效果差异,结果表明:在0.05~1 Hz的海浪脉动噪声频段附近,所有参与比测地震仪的三个分量背景噪声水平均高度一致,符合远场海浪脉动信号的特点;在低于0.05 Hz的低频段范围,背景噪声主要和地震计附近的温度变化及气流扰动环境相关,增加安装深度和采取保温隔离防护措施效果类似,其中垂直向对保温隔离防护措施更为敏感,比如1~2 m深度安装的地震计在妥善进行保温隔离措施后可获得和283 m井下地震计类似噪声水平,水平向由于存在地倾斜噪声,当大幅度增加安装深度时仍可有效降低噪声水平;在高于1 Hz的高频段范围,背景噪声衰减和地下介质岩性相关,软土层地区地下10 m以内随安装深度增加背景噪声水平衰减非常有限.另外,我们还研究了宽频带、短周期、节点式等不同类型地震仪的安装效果差异,结果表明:在软土层地区的地震观测,需要针对不同观测目的选择合适的地震仪;在密集台阵观测中,不同类型仪器的组合观测是更科学的方式.

基于节点式地震仪的砂岩型铀矿勘探区地震资料处理

近十年来,地震勘探技术(冯西会等,2007;徐国苍等,2013;聂逢君等,2015)在北方砂岩型铀矿勘探中发挥了越来越重要的作用,能有效查明勘探区目标地层结构特征并确定有利成矿砂体分布特征。但是由于地震勘探技术野外施工成本太高,限制了其在铀矿勘探中的大面积推广应用,因此,降低成本、提高效率直是急需解决的问题。

用于实验教学的数字化MEMS地震仪开发

开发了基于全数字化MEMS的实验教学用地震仪,该仪器采用AS3002A芯片作为数字化检波器,直接输出数字信号,无需传统地震仪的前级输入电路和模数转换电路;利用STM32作为主控芯片,通过STM32的串行外设接口(SPI)通信读取MEMS的采集数据,并将数据分包存储到SD卡;采用WIFI或4G无线通信等模块传输到上位机进行实时显示,也可利用该仪器开展脚步声采集等实验。通过室内实验测试了该仪器的各项性能指标,结果表明,该地震仪能长时稳定地实现震动信息的实时采集、传输和存储。该仪器较传统地震仪无需单独的前级输入和模数转换电路,大大降低了成本和体积,且性能满足实验教学要求。

被动源海底地震仪数据预处理技术构建与应用

被动源海底地震仪(OBS)探测是海洋深部结构研究的重要方法之一.受投放区洋流、海底地形崎岖,以及海底温压环境等多种因素影响,OBS数据预处理面临时钟漂移,姿态及水平方位角偏差等问题.本文基于国产OBS硬件结构特点与其观测数据特性,针对仪器姿态校正、时间校正和水平方位角校正三个关键环节构建技术解决方案.通过硬件架构特征构建仪器姿态校正方案;结合仪器记录的石英晶振特点和背景噪声互相关方法提出时间校正技术;基于最小化P波切向分量能量和P波主成分分析两个技术方法进行水平方位角校正.上述预处理技术体系在苏拉威西海域被动源OBS数据预处理中取得了良好的应用效果,综合背景噪声水平与地震信号的时频分析结果,表明该预处理技术能有效提高被动源OBS观测数据质量,为进一步的科学研究奠定坚实基础.

漫话地震仪与地震观测(一)

引言本文从人们对地震现象的认知过程出发,解释了地震记录的科学原理,回顾了地震仪的发展历史,介绍了现代地震仪的主要技术特点,列举了地震仪的应用实例,并对现代地震观测技术进行了讨论和展望。全文将分三部分刊出,本文为第一部分,主要介绍了人类对地震这种自然现象的认识过程,地震观测的基本原理以及早期地震仪的发展历史。

漫话地震仪与地震观测(二)

现代地震仪特点:数字化、低噪声、大动态范围、宽频带在前文里我们主要关注的是地震仪如何拾取地面运动过程,即传感器部分,行业上称为“地震计”,它的主要作用是将地面运动“感觉”出来直接或者换能后输出。为了把地震计的输出记录下来供后续分析研究,还需要一套“数据记录仪”,地震计和数据记录仪一起构成一套完整的地震仪。在20世纪70年代以前,数据记录主要采用纸式、光学照相和磁带记录几种方式。以电磁换能设计为例,地震计输出电流驱动机械笔头、光笔或者磁头将模拟信号输出“画”在纸或者胶卷上。在后续研究中为了读取这些数据,需要以人工方式采用机械尺等工具在记录纸或者胶卷上进行度量,人为数字化后再进行计算,整个过程非常烦琐耗时并且测量精度也受到严重影响。

地层吸收衰减与地震仪器记录性能

要想分辨埋深1500m以下厚度达到或接近1m的地层,要求地震仪器应能记录1000Hz以上的高频信号,瞬时动态范围应达到或接近120dB。无论是早期的集中式数字地震仪还是当代24位遥测地震仪,均还远未达到这一技术要求。从均匀介质出发,选择主频150Hz的Ricker子波,计算了地震波在地层传播过程中的能量衰减和频率吸收情况,并在此基础上分析计算了地震仪器的瞬时动态范围和所能记录的信号最高频率。针对时间t0大于1.5s的地震反射,计算结果表明其瞬时动态范围在60dB左右,所能记录的信号最高频率不超过170Hz。

节点地震仪电路设计中减小对授时模块干扰的方法

地震仪授时的准确程度直接影响地震定位能力。目前地震仪均采用卫星定位导航系统进行卫星授时。地震仪中的授时模块易受射频干扰,进而导致地震仪授时不准。研究认为高频元件、电源模块、线路设计及地线部署是产生射频干扰的主要原因。本文在实验的基础上发现,增设隔离板、替换元件、优化线路设计及调整地线部署可以稳定地降低地震仪系统对授时模块的电磁干扰,所用技术可应用于提升地震仪的授时准确度。