sedisiv型短周期自浮式海底地震儀數(shù)據(jù)校正的方法

sedisiv型短周期自浮式海底地震儀數(shù)據(jù)校正的方法

0在海上合作及交流中的應(yīng)用海底地震儀（obs）是將探測(cè)器直接放置在海底地震觀測(cè)系統(tǒng)中的一種創(chuàng)造性地震觀測(cè)系統(tǒng)。它不僅可以觀察自然地震，還可以用來測(cè)量人工地震剖面。這是研究邊緣海洋和海洋地殼深部結(jié)構(gòu)的有效手段，也是當(dāng)前海洋地球物理研究的重要工具之一。中國(guó)科學(xué)院曾通過國(guó)際及兩岸合作等方式開展過多次OBS人工剖面探測(cè)調(diào)查和研究工作1原始數(shù)據(jù)分析OBS人工地震剖面勘測(cè)的作業(yè)方式為:沿測(cè)線逐點(diǎn)投放OBS,在完成所有OBS投放后,調(diào)查船將掉頭按一定間距進(jìn)行地震放炮作業(yè),之后再次掉頭并逐點(diǎn)回收OBS。整個(gè)測(cè)線的地震作業(yè)完成后,在硬盤或光盤中共存儲(chǔ)了3組數(shù)據(jù):(1)OBS的原始記錄,包括主體數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行記錄和簡(jiǎn)要說明;(2)導(dǎo)航數(shù)據(jù),包括OBS的投放點(diǎn)、回收點(diǎn)、炮點(diǎn)的經(jīng)緯度和放炮時(shí)間文件;(3)其它數(shù)據(jù),包括甲板地震儀記錄、水深數(shù)據(jù)。在Linux系統(tǒng)下,對(duì)上述地震放炮作業(yè)所獲得的原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,將其轉(zhuǎn)化為可供后續(xù)反演使用的SU地震軟件格式,并繪成可顯示的折合時(shí)間剖面圖。處理過程中,還要對(duì)各種可能的誤差因素進(jìn)行分析,并采用相應(yīng)的方法對(duì)其進(jìn)行校正。2數(shù)據(jù)校正2.1測(cè)線坐標(biāo)數(shù)據(jù)的局部化一條剖面上某一個(gè)OBS記錄的開始和終止時(shí)間都是在船上設(shè)置的,通過估算整個(gè)剖面OBS投放完成后地震調(diào)查船掉頭放炮的時(shí)間,來設(shè)定開始工作時(shí)間,一般會(huì)給出一個(gè)較大的提前量(有足夠大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間);終止時(shí)間也是經(jīng)過事先估算并留有余地。一般來說,用放炮時(shí)間作為截取地震記錄的控制文件,每一炮對(duì)應(yīng)一道,形成共接收點(diǎn)道集。OBS記錄數(shù)據(jù)的兩端許多是無用的數(shù)據(jù),若船上記錄的放炮時(shí)間精確,除去兩端無用數(shù)據(jù),便可在分析和研究中直接使用OBS記錄數(shù)據(jù)。然而,地震調(diào)查船給出的往往是整秒級(jí)的放炮時(shí)間,且隨計(jì)算機(jī)的運(yùn)行往往產(chǎn)生時(shí)鐘漂移誤差,為消除上述情況產(chǎn)生的誤差,本文調(diào)查時(shí)在甲板上專門放置了一臺(tái)陸地型便攜式地震儀(或者可備用OBS),并由GPS定時(shí)系統(tǒng)來記錄放炮時(shí)引起的甲板振動(dòng),其精度為毫秒級(jí)。放炮時(shí)間校正的具體方法是:(2)使用通用的SU地震軟件中的命令,自動(dòng)拾取最大振幅的初至波,并進(jìn)行顯示。用手工方法對(duì)自動(dòng)拾取的結(jié)果進(jìn)行修改,即可得到精確的相對(duì)放炮時(shí)間。(3)用相對(duì)放炮時(shí)間對(duì)地震調(diào)查船記錄的炮時(shí)文件進(jìn)行校正,則精確的放炮時(shí)間為式中:t為精確放炮時(shí)間,ms;t(4)用校正過的放炮時(shí)間再次截取甲板地震儀的記錄,檢查最大振幅同相軸是否為一條水平線,若不是水平線,則需要對(duì)原始炮時(shí)文件和自動(dòng)拾取相對(duì)炮時(shí)文件進(jìn)行檢查,直至其為一條直線為止(圖1b)。測(cè)線坐標(biāo)數(shù)據(jù)局部化處理的具體作法為:在二維平面內(nèi),首先以起始炮點(diǎn)為原點(diǎn),計(jì)算出各炮點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo),然后用最小二乘法對(duì)所有炮點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行線性擬合,選出最佳直線作為剖面的橫向坐標(biāo)軸,最后將所有的炮點(diǎn)位置投影到該坐標(biāo)軸上。經(jīng)過上述處理后的炮點(diǎn)位置,雖然仍存在左右擺動(dòng)的現(xiàn)象,但其擺動(dòng)的幅度已大為降低。本文對(duì)測(cè)線坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行局部化處理后,其偏移距離可從最初的15m降低到8m,同時(shí)消除了炮點(diǎn)位置整體趨勢(shì)性偏移的現(xiàn)象(圖2)。由于OBS在投放下沉或回收上浮過程中會(huì)受到水流等因素的影響,其確切的下沉或上浮坐標(biāo)也只能是在所設(shè)計(jì)測(cè)線的附近,此時(shí),對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)局部化處理的方法是將OBS坐標(biāo)直接投影到由炮點(diǎn)確定的剖面上,并計(jì)算其偏移距。海底面的起伏形態(tài)對(duì)反演具有重要影響,為此在作業(yè)時(shí)需用單道地震和水深儀實(shí)時(shí)進(jìn)行海水深度測(cè)量,以直接得到炮點(diǎn)下方海水的深度。OBS的深度則是利用其兩側(cè)相鄰炮點(diǎn)下方海水的深度,用距離加權(quán)平均得到的。2.3時(shí)間和系統(tǒng)誤差校正OBS位置的平面坐標(biāo)和深度是在打撈或投放OBS時(shí)確定的,雖然之前的處理過程中對(duì)其坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了局部化處理,但仍然存在著一定的誤差,同時(shí)記錄器本身還存在著時(shí)鐘漂移的現(xiàn)象,為此有必要對(duì)這些誤差進(jìn)行精細(xì)校正,以提高反演的精度。一般來說,記錄器的時(shí)間漂移是線性的,所以本文采用的時(shí)間校正方法是:首先從時(shí)鐘漂移文件中讀取起始時(shí)間、終止時(shí)間和漂移量,再計(jì)算出漂移隨時(shí)間的增量,最后利用經(jīng)校正的放炮時(shí)間控制文件,得到OBS每一炮點(diǎn)的時(shí)間漂移。同時(shí),本文還編制了一個(gè)專用程序,利用局部化的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和OBS深度文件,計(jì)算出小偏移距附近的直達(dá)水波的理論走時(shí)曲線,并將其與經(jīng)過處理的SU格式的地震折合時(shí)間剖面曲線繪制在同一張圖上,直觀地對(duì)理論曲線與實(shí)測(cè)直達(dá)水波曲線之間的差異進(jìn)行比較,并用試錯(cuò)法對(duì)其進(jìn)行校正,結(jié)果表明:時(shí)間漂移的校正量約為幾個(gè)到十幾個(gè)毫秒。上述過程中實(shí)際上已進(jìn)行了兩種校正:一是已將漂移時(shí)間加到各道中;二是對(duì)深度誤差進(jìn)行了校正。OBS位置的校正方法與時(shí)間的校正方法是相同的,在程序中也同樣用試錯(cuò)法進(jìn)行校正,結(jié)果表明:這種位置校正的量值在幾米到數(shù)百米之間。經(jīng)過上述程序的校正,小偏移距附近海底面和淺部沉積層的反射震相的形態(tài)得到了較好改善。圖3是2006年南海中、北部測(cè)線1中OBS2號(hào)臺(tái)站的小偏移距附近直達(dá)水波理論走時(shí)曲線與實(shí)測(cè)曲線的對(duì)比情況。從圖3中可以看出,時(shí)間漂移和深度校正可以很好地改進(jìn)曲線的形態(tài),使之更具對(duì)稱性,同時(shí)還減小了走時(shí)誤差(圖3b),隨后進(jìn)一步的位置校正可以減小走時(shí)誤差(圖3c)。3局部化校正技術(shù)利用15臺(tái)SEDISIV型短周期自浮式海底地震儀在南海中、北部地殼深部結(jié)構(gòu)調(diào)查中所獲得的資料,探討了海底地震儀數(shù)據(jù)校正的方法和校正后的效果,結(jié)果表明:使用該地震儀所獲得的原始資料在經(jīng)過放炮時(shí)間、炮點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)局部化、海底地震儀位置誤差以及記錄時(shí)間漂移4方面的校正后,數(shù)據(jù)更趨合理,誤差水平顯著降低。(1)放炮時(shí)間的校正消除了時(shí)鐘漂移和時(shí)間延遲的誤差;(2)在對(duì)測(cè)線坐標(biāo)數(shù)據(jù)的局部化處理時(shí),首先應(yīng)建立所研究測(cè)線的局部水平坐標(biāo)并作線性回歸,而后再結(jié)合測(cè)深數(shù)據(jù)得到OBS三維坐標(biāo)文件,處理后的數(shù)據(jù)消除了炮點(diǎn)位置整體趨勢(shì)性偏移現(xiàn)象的影響;(3)應(yīng)用試錯(cuò)法進(jìn)行OBS位置誤差和記錄時(shí)間的精細(xì)校正時(shí),實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所繪曲線的形態(tài)和位置都與理論曲線十分吻合,時(shí)間漂移的校正量值約為幾個(gè)到十幾個(gè)毫秒,位置校正的量值在幾米到數(shù)百米之間,校正后的數(shù)據(jù)誤差顯著降低。(1)用地震調(diào)查船記錄文件中含漂移的整秒級(jí)的放炮時(shí)間來截取便攜式地震儀的記錄。當(dāng)放炮時(shí)間精確時(shí),炮點(diǎn)相對(duì)于記錄點(diǎn)的空間位置是不變的,那么所截取的甲板振動(dòng)記錄圖中的初至波的同相軸是一條水平線。當(dāng)放炮時(shí)間存在時(shí)間漂移時(shí),該同相軸將變成一條斜線,說明由于時(shí)鐘漂移,在截取各炮在甲板引起振動(dòng)的相對(duì)時(shí)間記錄時(shí),產(chǎn)生了一種線性誤差(圖1a)。2.2測(cè)線坐標(biāo)數(shù)據(jù)的局部化在反