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。

典型水深与海底介质条件下的OBC/OBN多分量地震数据波型特征

海底电缆或海底节点(OBC/OBN)多分量地震是开展海上复杂油气藏勘探的重要手段之一。由于地震波与自由表面及海底界面的互相作用,海底多分量地震记录中波型成分十分复杂。调查其中各类信号与噪声的形成机制及其影响,可为后续数据处理与解释提供关键依据。针对海底多分量地震观测条件下潜在的波场信号,按照不同水深与典型海底沉积物性质构建代表性的弹性参数模型,利用谱元法合成OBC/OBN多分量地震记录,分析各类波型成分的表现特征,揭示水深和海底介质特性对波场运动学及动力学特征的影响。通过与东海浅水区和南海深水区海底地震仪(OBS)采集的实际地震数据的对比分析,确认了水深与海底介质条件对表面多次波与海底界面波的调控机理,为海底多分量地震数据处理方法研究与技术应用提供有益的指导。

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.

海底地震仪浅海广角探测的数据特征与噪声组合压制——以南黄海OBS2016测线为例

2016年6月在南黄海海域实施了海底地震仪(OBS)的二维深地震探测.本文详细分析了在该次地震探测中获得的浅水水域OBS数据的特征,提出了噪声的组合压制方法.研究表明,浅海水域的OBS数据在系统时间、能量及子波等方面存在明显差异,海底多次波干扰严重、有效频段中陷波问题突出,原始台站记录信噪比低、品质差、大炮检距的有效震相难以识别和拾取.本文提出的噪声组合压制处理技术与流程,主要由基于统计子波反褶积的子波整形、基于多项式插值的t-x域线性噪声压制和采用自动搜索的海底多次波压制等三部分组成.净化处理之后,反射/折射震相的波组特征清晰,信噪比得到有效改善与较大提高,可识别震相的范围较常规处理平均扩大60%以上.本文完善了浅水区OBS数据处理的步骤与流程,将为后续地壳结构研究提供可靠的基础数据,可更好的服务于地壳深地震及油气资源的探测.

海底地震仪(OBS)被动源接收函数的意义和方法

大洋中脊和边缘海扩张脊岩石圈结构或更深的地幔间断面由于深度大且存在部分熔融现象,人工源地震方法难以获取来自这种深度的地震信号,洋盆/海盆中又没有地震台,而利用天然地震面波精度比较低。为此,在海底地震仪(OBS)天然地震观测进行分析的基础上,提出了用OBS被动源接收函数研究洋中脊/扩张脊岩石圈深部结构和地幔过渡带(MTZ)的建议,并对OBS被动源接收函数有关问题、方法和技术路线进行了梳理描述。最后简要介绍了拟定的西南印度洋超慢速扩张脊周边开展OBS被动源观测的计划。

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.

海底广角地震剖面反演方法对比——以南海礼乐滩OBS剖面为例

广角地震测线（OBS973-2）位于南海南部陆缘,其地壳深部构造是研究南海共轭扩张及形成演化的直接证据之一.本文采用2D射线追踪技术,结合与之重合的多道地震测线（NH973-2）时深转换结果,对OBS973-2测线重新进行了正、反演研究,得到了礼乐滩及邻近海区的精细地壳结构.与前人结果相比,本文基于正反演速度模型,把测线分为陆壳区（0-200 km）、洋陆过渡区（200-280 km）和洋盆区（280-370 km）.地壳结构在不同区域差异明显,陆壳区沉积层厚度横向差异大,且速度横向不均匀,地壳整体厚度大（约20 km）,有横向速度差;洋陆过渡区速度和厚度横向均匀,地壳减薄（约8 km）;洋壳区地壳厚度减薄至6 km.与以往研究相比,新的认识集中在两个方面,（1）在方法上,综合广角地震和多道地震数据,借助正演和反演方法,能够得到更多更可靠的地壳结构信息.（2）在地壳结构上,结合广角地震与多道地震,得到洋陆过渡区莫霍面向海减薄的形态及其埋深（约12-18 km,海平面为0 km）;进一步验证礼乐滩区域在洋陆过渡区没有明显的高速层,为非火山型陆缘,其共轭扩张点为中沙地块;陆壳区上地壳强烈的拉张作用在速度模型表现出横向速度异常和低速区,在多道地震剖面上表现为大量10-20 km的正断层.

主动源海底地震仪记录数据的时间问题及原因分析

简要概括了国产主动源海底地震仪(OBS)数据处理中常见的时间异常现象,以OBS2020-1测线的实际处理为主并结合了OBS处理中对数据异常校正取得的部分进展为实例,通过检查数据记录格式、计算相邻数据文件间的时间差、对比不同处理方法所得剖面、分析初始时间和采样时间是否异常、使用数据重采样等手段,对OBS时间异常问题进行了分类处理和校正。分析显示,国产OBS在数据记录中普遍存在的时间问题大部分均能解决,通过本文提供的方法可以避免处理不当所导致的OBS地震剖面出现同相轴“断阶”、“倾斜”,甚至“缺失”等现象,确保了有效震相的完整性,有效解决了OBS数据时间异常问题,提高了数据的质量和利用率,为后续开展走时层析成像奠定了良好的基础,并为今后主动源OBS数据处理流程和方法提供了借鉴。

南海北部陆坡崎岖海底区地震成像:OBS旅行时反演

深水陆坡油气资源丰富,是油气勘探的重要领域。由于陆坡水深变化较大、海底地形崎岖、地质构造复杂,地震成像存在诸多难点,其中,速度模型的建立是最大的难题之一。利用OBS(ocean bottom seismometer)数据上丰富的折射初至信息,采用旅行时反演方法建立崎岖海底区速度模型。OBS数据由广州海洋地质调查局在南海北部陆坡珠江口盆地东部海域采集,数据质量良好,存在大量的初至折射波。地震成像结果表明,在深水崎岖海底区,利用OBS的初至旅行时能够获得地震成像所需要的背景速度场。受限于高频近似的假设,初至旅行时反演结果分辨率较低。全波形反演可以提供精度更高的速度结构,初至旅行时反演结构可用作全波形反演的初始模型。

东沙群岛西南海区海底地震测线OBS2015-1揭示的深部地壳结构

为深入理解南海北部多道地震测线D80显示的深反射信息,沿此测线布置OBS(15台)地震测线(OBS2015-1),测线长300km,方向NNW—SSE,从水深800m陆坡延伸至3760m深海平原。文章利用Obstool软件进行预处理(位置校正和时间校正等)、震相识别,利用FAST tomography软件进行速度层析成像。速度结果表明,新生代沉积层速度1.6~3.5km·s-1,厚度约2km;中生界速度3.5~5.5km·s-1,平均厚度约3km。在洋陆过渡带处,沉积基底受新生代岩浆活动影响,有较大起伏。在上陆坡处,上地壳存在向上凸起约5km的高速异常,在多道地震剖面中表现为杂乱反射的背斜构造,上覆晚新生代地层也同步形变,推测可能是新生代晚期岩浆侵入造成。地壳厚度由陆坡的23~20km减薄至洋盆的8km。地壳下部存在7.0~7.6km·s-1的高速层,高速层由陆坡的5km左右逐渐递减至海盆的2km左右,因上陆坡和洋陆过渡带晚新生代岩浆活动活跃,作者认为地壳下部高速层是由海底扩张停止后岩浆侵入形成。

利用海底地震仪探测碳泄漏的研究进展

海底碳封存是解决全球温室效应,提高碳汇的重要手段.然而,海底碳封存会存在碳泄漏的风险,因此有必要对碳储层结构和海底碳泄漏进行监测.其中,一种有效的监测手段是海底地震仪(OBS)多波多分量地震探测.本文介绍了使用OBS探测技术对储层结构和海底地壳内流体的探测实例:主要包括二维、三维台阵OBS试验,使用的方法为走时反演、各向异性分析以及微地震方法.使用OBS进行多波多分量地震探测有范围广、深度大、信噪比高、大偏移距的优点.然而,目前二维和三维OBS探测建立的碳储层和碳泄漏模型分辨率还有待提高,可以通过使用密集台阵的方式来提高观测精度,或布设更优化的台阵来获得最佳分辨率.随着碳中和目标的不断临近,各国碳封存的需求迫在眉睫.因此,尽快发展OBS海底碳泄漏监测技术,保证碳封存方案的实施是尤为必要的.

海底地震仪垂直分量倾斜噪声的去除以磐鲲南海测试数据为例

基于水平分量和垂直分量噪声数据之间的相关性,可以通过水平到垂直分量的传递函数去除垂直分量的倾斜噪声。本文以2019—2020年磐鲲海底地震仪南海测试的数据为例,描述了该方法的原理和过程,并对比了去除倾斜噪声前后的地震波形以及瑞雷波的频散特征。结果表明:倾斜噪声的去除明显提高了海底地震仪的低频段地震波形的信噪比,使得地震面波更有利于海洋岩石圈深部结构成像;此外,尽管磐鲲海底地震仪的调平系统使地震计的倾角(1.0°)远小于其容倾角(2.5°),在底流作用下,海底地震仪还是产生了明显的倾斜噪声。因此,地震仪调平系统的性能对海底地震仪的数据质量有着非常重要的影响。

伍德拉克裂谷地区的海底地震仪方位和地壳结构

伍德拉克裂谷位于巴布亚新几内亚东南部,是发育在澳大利亚板块和西南太平洋板块碰撞带中的年轻大陆裂谷,为研究汇聚构造背景下裂谷起始演化的地壳结构提供了理想场所。伍德拉克裂谷海域地区海水层的存在使得获取高质量地震数据成为难题,而数据主要通过海底地震仪(ocean bottom seismograph,缩写为OBS)获取。OBS的布放一般是自由下落式,其地震计的北向水平分量方位与地理北向通常不一致,这使得利用三分量波形数据获取的反演结果产生了较大误差甚至失效,例如接收函数方法。为确定伍德拉克裂谷地区OBS水平分量的方位偏转角度,本文同时引入纵波和瑞雷面波偏振分析方法进行方位校正,并利用校正后的三分量波形数据开展接收函数研究,进而约束该裂谷海域地区的地壳结构。结果分析表明,OBS方位校正后,其获得的可用接收函数波形数量显著增多,并且利用纵波偏振分析校正后的数据处理获得了更加合理的地壳结构。基于在该裂谷地区获得的地壳构造结果,基里比斯盆地和裂谷扩张轴所在的古迪纳夫盆地呈现对比鲜明的地壳结构特征:古迪纳夫盆地的地壳厚度朝着裂谷扩张轴处减薄,其平均值为(33.3±2.42)km;基里比斯盆地的地壳厚度更薄,平均值为(24.1±5.44)km。此外,研究区域内所有OBS处均观测到了较高的地壳纵横波速比值,这可能是巴布亚超镁铁质岩体富集和古俯冲残片脱水熔融共同作用的结果。

南海中北部OBS2006-3地震剖面中横波的识别与应用

纵横波联合探测可以获得丰富的地下结构信息。纵横波速比和岩石泊松比在预测岩石圈的岩性、物性等介质属性方面有重要的作用。通过对比南海中北部OBS2006-3地震剖面垂直分量和径向分量上的纵横波走时、视速度以及质点运动轨迹,识别出了转换横波震相。本文以OBS8和OBS10台站的数据为例,说明了横波识别的方法,并在拟合好的P波速度模型基础上,利用RayInvr软件对转换横波震相进行了射线追踪,确认了PwSs3、PgSs3、PmS等几组转换震相,计算了这两个站位下的波速比和泊松比。根据OBS2006-3测线下地壳高速层的P波速度(VP=7.20—7.25km·s-1)、S波速度(VS=4.20—4.23km·s-1)、泊松比(0.24)等参数,初步推断下地壳高速层是由上地幔岩浆底侵作用形成。

OBS广角地震探测中二次反射Pg震相特征及在地壳结构成像中的作用

在海底地震仪(OBS,Ocean Bottom Seismometer)广角地震探测中,经常可以见到能量很强、连续性很好的多次波震相,但对于如何确定这些多次波的属性以及怎样充分利用它们来约束地下的结构特征,至今还缺乏详细的研究.本文利用南海北部已获取的OBS探测数据,对与地壳折射Pg震相近乎平行并紧随其后的二次反射Pg震相进行了系统分析研究,发现在实测OBS地震记录剖面上,二次反射Pg震相具有连续、清晰、可追踪偏移距较远(约60km以上)等特点,其地震波形和粒子运动轨迹与初至Pg震相相似,但二次反射Pg震相波形最大振幅值和粒子震动能量明显比初至Pg震相大.通过理论模型模拟以及对实测地震剖面三种不同反射层路径的走时计算,确定了二次反射Pg震相主要来自沉积层的反射.在此基础上,对二次反射Pg震相在地壳结构成像中的作用进行分析,发现加入二次反射Pg震相前后,由于反射震相的增加,沉积层界面的约束程度得到极大的提高;另外,通过对理论模型和实测剖面OBS2010地壳结构进行加入二次反射Pg震相前后的分辨率测试,结果发现加入二次反射Pg震相数据后,由于射线密度的增加,沉积层和上地壳结构的成像分辨率有显著改善.

南沙地块海底地震仪转换横波震相识别最新进展

通过挖掘海底地震仪记录的转换横波信息,可以促进对地壳岩性、均质性的认识。以南海南沙地块OBS973-1剖面上18个台站的数据为实例,阐明了海底地震仪横波震相识别的方法。首先对三分量OBS(Ocean Bottom Seismometer)地震数据进行带通滤波、维纳滤波、极化滤波等去噪处理,然后利用能量扫描法求得极化角进行水平分量坐标旋转,求取最佳径向分量。数据处理结果表明,相对于OBS记录的磁罗盘方位角,能量扫描法求取的极化角更为准确可靠。最后通过OBS973-1地震剖面垂直分量与径向分量上的纵横波走时对比、质点运动轨迹、速度模型试算等手段,进一步确定了转换横波震相的类别。在南沙地块OBS探测中成功地在10个台站中识别出了PgSs、PnSc、Pms等震相,不仅可以为下一步横波速度结构模拟提供坚实的数据基础,而且可以为今后OBS转换横波在其他地区的有效应用与推广提供借鉴。

南海东北部三分量海底地震仪记录中横波的识别和分析

纵横波联合应用可以得到更多的有关各岩石圈层的岩性、物性等深部结构信息,将有效降低地壳结构研究中地质解释的多解性.然而,由于海上探测的特殊性,转换横波的记录较少,再加上转换横波的复杂性,使得横波研究一直是南海深部地壳结构研究中的弱项.南海东北部OBS-2001测线,布设11个三分量海底地震仪(OBS)记录地震数据,经过极化处理、带通滤波等方法处理后,目前在9个OBS径向分量记录中识别出转换横波震相.基于OBS7数据详细阐述了横波识别这一重要基础环节,并运用简单理论模型试算和射线追踪,确定了OBS7记录剖面中来自地壳与Moho面的PwSc,PgSs,PnSc,PmS等几组转换横波震相,该研究结果不仅为横波速度结构及Poisson比物性剖面提供数据保证,而且为今后横波信息的有效利用提供经验与借鉴,对南海岩石圈结构的精细研究具有重要意义.