南海obs數(shù)據(jù)的編處理與地震剖面分析

南海obs數(shù)據(jù)的編處理與地震剖面分析

1速度結構變化為了探索南海西北次海盆的地殼結構，于2006年9月至10月合作了中華人民共和國外交部第二海洋研究所和中國科學院南海海洋研究所，并在其行為上推廣了obs2006-2（圖1）深層地震勘探線。12個海床地震儀（obs）用于實驗，使用德國制造的短周期sedisiv自浮式obs（李湘云等，2007；吳振麗等，2008）。實驗相對成功，只丟失了1個obs（obs9）。成功率為92%。首先，記錄了剩余擴張邊緣的第一個數(shù)據(jù)。obs2006-2研究線以下的速度結構為南海西北部地緣拉張和南海形成發(fā)展提供了重要的科學基礎（敖偉等，2012）。然而,在OBS數(shù)據(jù)處理過程中,經(jīng)常會碰到一些由于數(shù)據(jù)格式或記錄時間等原因而導致數(shù)據(jù)無法正常讀取與利用的情況.OBS2006-2測線中OBS03和OBS06臺站雖然記錄了豐富的氣槍信號,但在隨后的數(shù)據(jù)處理中卻一直沒有讀出有效的震相信息,因而在速度結構計算模擬中(敖威等,2012),部署12個臺站中僅利用了9個OBS臺站的數(shù)據(jù)(OBS03和OBS06數(shù)據(jù)異常,OBS09丟失)(圖1).這在一定程度上為速度結構帶來了多解性與不確定性.如圖2顯示的是來自Moho面的反射震相(PmP)和來自上地幔頂部的折射震相(Pn)的射線追蹤與覆蓋情況,由于缺少OBS03、OBS06、OBS09等數(shù)據(jù),在模型0~40km、100~120km和260~310km范圍內(nèi)(圖2a),并無PmP震相覆蓋,因而,無法對Moho面形態(tài)與界面深度進行有效控制.特別是OBS10臺站的Pn震相擬合較差(圖2b),理論走時與實際走時相差0.5s,導致整個速度模型Pn震相的Chi-Square值達到3.075,遠超出理想狀態(tài)(Chi-Square趨近于1).同樣,對最終速度模型進行檢測板測試時(圖2c),在缺少射線覆蓋的0~40km、100~120km和260~310km范圍處,模型的分辨率較低,輸出模型對于輸入模型的恢復程度不理想(圖2c);而在射線交叉覆蓋較好的地方,如:170~210km范圍內(nèi)(臺站OBS01和OBS02之間),模型恢復情況十分理想.這說明射線覆蓋程度越好,模型的約束能力越強,得到的速度結構就越可靠.基于OBS2006-2速度模型中存在的上述問題,非常有必要對OBS03和OBS06這兩個臺站的異常數(shù)據(jù)進行深入分析,盡量提取和挖掘有效信息,從而更好地約束OBS2006-2測線的深部地殼結構.OBS數(shù)據(jù)處理手段技術至關重要,是獲取優(yōu)質(zhì)可靠的深部地殼結構的基礎.而對于異常數(shù)據(jù)的處理,更能考驗一個研究團隊的技術實力與鉆研精神.特別是對于寶貴的海上數(shù)據(jù),由于航次組織和實施的費用巨大,采集工作異常艱辛,如果遇到天氣不好,遭遇到臺風與低氣壓,代價就更為昂貴.在此次實施OBS2006-2測線時,遭遇了臺風“象神”的影響(敖威等,2009),不僅人員在身體上備受煎熬,而且還丟失了價值高達25萬元的儀器(OBS09)(圖1).因此,對于海上數(shù)據(jù)的高度珍惜及充分利用是海洋地球物理科學家必備的科學素質(zhì)與責任心.本文詳細地介紹了OBS2006-2測線中這兩臺異常數(shù)據(jù)處理情況,并成功地將該方法應用到另外一條測線(OBS973-3)的異常臺站數(shù)據(jù)處理中,證明我們的處理程序合理,對將來海底地震儀探測與數(shù)據(jù)處理具有很好的推動作用.2原始地震數(shù)據(jù)到sac格式的轉換通用OBS實驗數(shù)據(jù)處理方法及步驟(圖3)已有過很多的論述與應用實例(趙明輝等,2004;夏少紅等,2007;薛彬等,2008).首先使用程序raw2ukooa將原始導航數(shù)據(jù)文件轉換為UKOOA標準格式文件,再將SedisIV型OBS記錄到的原始地震數(shù)據(jù)(IMG格式)利用程序sedis2sac轉換為SAC格式數(shù)據(jù),接著使用地震分析軟件SAC(SeismicAnalysisCode)(WilliamandJoseph,1991)對各個臺站的接收信號進行查看,通過濾波、去均值等處理后,可見信噪比較高的氣槍信號;然后,讀取UKOOA文件中的炮點時間,用sac2y程序截裁SAC格式文件中的有效信號段,使之轉換為國際通用的SEGY格式;最后,使用地震處理軟件包SU(SeismicUnix)軟件(CohenandStockwell,1994)進行常規(guī)處理,得到綜合地震記錄剖面結果(圖4).3異常處理方法3.1數(shù)據(jù)輸入3.1.1異常收費站的記錄數(shù)據(jù)通常,OBS數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的情況無非是記錄格式或是記錄時間出現(xiàn)問題.因此,首先檢查異常臺站的原始數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容.從班報可知所有臺站設定采樣率為250Hz,原始數(shù)據(jù)每分鐘為一個block,占180080字節(jié),前80字節(jié)是段頭數(shù)據(jù),記錄了段頭大小、采樣點數(shù)、通道數(shù)、起始時間,后180000字節(jié)是波形數(shù)據(jù),共15000個采樣點,每個采樣點占12個字節(jié),共4通道(垂直、水平X、水平Y、水聽器),每個通道占3字節(jié),即24位的整型數(shù).然后用自編C語言程序sedisread檢查異常臺站的段頭數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)記錄的段頭大小(80字節(jié))、段內(nèi)采樣點數(shù)(15000字節(jié))、通道數(shù)(4字節(jié))、采樣間隔(4ms)、起始時間等關鍵參數(shù)都準確無誤,數(shù)據(jù)分段和時間序列也正常,說明原始數(shù)據(jù)可讀,兩個異常臺站數(shù)據(jù)的記錄格式?jīng)]有問題.3.1.2sac2y格式轉換數(shù)據(jù)的缺陷將原始數(shù)據(jù)轉換成SAC格式,轉換過程正常,在SAC軟件里檢查時間序列連續(xù)波形數(shù)據(jù),可以看到有規(guī)律的放炮信號,但炮點間距不對,信號出現(xiàn)的時間與UKOOA文件中的炮點時間亦對不上(圖5),初步懷疑時間記錄存在問題,導致sac2y格式轉換中,按炮點時間裁截的波形數(shù)據(jù)與放炮信號不同步,因而在SEGY格式數(shù)據(jù)中無任何震相,包括直達水波震相.時間信息存放在80字節(jié)的段頭數(shù)據(jù)中,段頭包含有3個TimeDate結構體字段,分別是SampleTime、SedisTime和GPSTime,每個字段占8字節(jié),記錄了秒、分、時、周日(一周的第幾天)、月日(一月的第幾天)、月份、年份等信息.由于推測兩個異常臺站的時間記錄有問題,因此,改寫了原有程序sedisread,對每分鐘數(shù)據(jù)段段頭中的這3個字段進行讀取和輸出,除SampleTime字段每個數(shù)據(jù)段增加1分鐘外,SedisTime和GPSTime兩個字段均無變化,說明它們并未記錄任何異常信息,不是導致數(shù)據(jù)異常的原因.3.1.3炮點激發(fā)到情況從異常臺站自身記錄的數(shù)據(jù)本身找不出問題的原因,轉而采用對比相鄰正常臺站數(shù)據(jù)進行對比分析.OBS2006-2測線放炮是從OBS08附近開始(圖1),所以先對比OBS07和OBS06的波形數(shù)據(jù).根據(jù)導航炮點數(shù)據(jù)的激發(fā)時間,在OBS07臺站波形記錄中找到最初前20炮的數(shù)據(jù)段(圖6),在SAC軟件中顯示的放炮特征表現(xiàn)為:前6炮是每80s炮間距,第6和第7炮之間的間隔較大,約120s,從第7炮開始,炮間距約90s.查看班報記錄可知,前7炮為測試炮,導航文件等沒有進行記錄,從第8炮正式開始記錄,對應導航炮點數(shù)據(jù)UKOOA文件的第一行,其波形起跳時間比炮點激發(fā)時間慢約26s,正好是直達水波從炮點位置到OBS07(約40km)的傳播走時,第8炮以后的炮點到時和炮點間距都能與UKOOA文件逐行對應.與OBS07相鄰的OBS06臺站,因時間記錄有問題,在炮點激發(fā)時間附近找不到放炮信號,經(jīng)全局搜索,在預計時間之后約13310s處找到放炮信號,這表明OBS06臺站的信號記錄嚴重延時.將延時誤差(13310s)粗略地去掉,與正常的OBS07臺站的波形記錄并排顯示和對比(圖6),可以得到以下幾點認識:①放炮信號有規(guī)律出現(xiàn),絕大部分炮點等間隔,第6-7炮之間的時間間隔都較大,進一步確認兩臺站記錄的是同一段放炮信號;②OBS06炮點信號的振幅比OBS07小近一半,符合OBS06比OBS07離最初炮點較遠的事實;③OBS06的間隔比OBS07大,每炮都有一定的延時,逐步累積,雖然第1炮對齊,但后面幾炮就慢慢錯開,這可能就是轉換成SEGY格式后找不到有效震相的真正原因.找出OBS06異常臺站的原因之后,用同樣的方法,將OBS03與OBS02進行分析對比,發(fā)現(xiàn)OBS03亦具有相同現(xiàn)象,即每炮到時延遲和炮點間距變大;我們推測這可能是由于異常OBS中SedisIV的記時器太快,使得記錄到的放炮信號都有延時現(xiàn)象.如果記時器相對于正常時間較快(即時鐘晶振頻率較快),但快的程度一致(時鐘晶振頻率不變),相當于異常OBS的記錄數(shù)據(jù)的采樣間隔Delta(dt)已不再是我們所設計的4ms(即采樣率250Hz),而應該是小于4ms,這樣的異常數(shù)據(jù)是可以通過特殊數(shù)據(jù)處理解決的.3.2解決方法3.2.1異常收費站的確定基于上述思路,在SAC軟件中調(diào)整采樣間隔dt,使異常OBS和相鄰正常OBS的開始放炮信號和結尾放炮信號基本對齊,此時的dt就基本接近實際值.通過不斷的對比調(diào)試,最后確定OBS06的dt是3.65708ms,OBS03的dt是3.65770ms.初步確定兩臺異常臺站數(shù)據(jù)已經(jīng)基本正常;若將兩個臺站SAC格式數(shù)據(jù)轉成SEGY格式數(shù)據(jù),希望能夠識別出臺站所記錄的震相.當采用折合速度(ReduceVelocity)1.5km·s調(diào)整截裁窗口和折合速度(圖7)都沒有變化,經(jīng)過多次試驗始終無法看到直達水波呈水平直線的效果,故推測是sac2y程序存在缺陷(bug),SEGY格式中采樣率dt為整數(shù)毫秒格式,現(xiàn)在dt為小數(shù)毫秒,因此可能與數(shù)字類型有關.3.2.2sac格式數(shù)據(jù)的獲取利用已有程序sedis2sac按次序讀取原始格式數(shù)據(jù)的每個數(shù)據(jù)點,解編后按每個分量輸出SAC格式數(shù)據(jù),在此基礎上改編成一個內(nèi)插重采樣程序.基本思路是:給出一個比原采樣間隔大的整數(shù)毫秒的新采樣間隔(如4ms),尋找新數(shù)據(jù)的每個數(shù)據(jù)點在舊數(shù)據(jù)中的位置(時間軸),用舊數(shù)據(jù)前后兩個數(shù)據(jù)點的值線性內(nèi)插計算得到新數(shù)據(jù)點的值,從頭到尾按次序尋找、內(nèi)插和輸出所有數(shù)據(jù)點,就得到新的具有整數(shù)毫秒采樣間隔的SAC格式數(shù)據(jù).實際編程和調(diào)試過程中先采用更簡單的算法,就是用相鄰最近的舊數(shù)據(jù)點的值用作新數(shù)據(jù)點的值,雖然波形細節(jié)有些改變,但總體放炮信號特征基本保留.在輸入、輸出和尋址算法都調(diào)試好以后,再在程序中實現(xiàn)用兩點線性內(nèi)插算法獲取新數(shù)據(jù).圖8是兩種內(nèi)插算法的示意圖,顯示了最前面十幾個數(shù)據(jù)點的位置和波形.內(nèi)插后的SAC數(shù)據(jù)用sac2y轉換成SEGY格式數(shù)據(jù),終于可以看到期待已久的直達水波震相圖(圖9).兩種內(nèi)插方法得到的效果相似,說明前面有關數(shù)據(jù)采樣率和轉換程序存在缺陷的推測是正確的.OBS03和OBS06兩臺站的綜合地震剖面圖(圖9)均顯示出直達水波震相Pdw呈水平直線特征,水層的多次反射波隨偏移距增大逐漸向直達水波收斂,Pg震相及其多次反射波則表現(xiàn)為向下傾斜的直線.3.3炮點間距對比2011年3—4月,在國家973項目資助下,實施了OBS973-3測線的深地震探測(圖1),這條測線按20km間隔共投放了20臺OBS,其中包含8臺德國SedisIV型短周期OBS(編號01-08),12臺其他型號OBS,組合槍陣激發(fā)總容量為6000in為了驗證前文中對于OBS異常數(shù)據(jù)處理方法的正確性,我們對OBS973-3測線中異常臺站OBS03進行了分析處理,發(fā)現(xiàn)該臺站與OBS2006-2測線中的OBS03和OBS06存在數(shù)據(jù)異常的原因類似:①均為德國產(chǎn)SedisIV型短周期OBS;②SAC軟件中均可以看到連續(xù)的放炮信號,但炮點間距與最初設計的時間不符;③利用SU軟件包經(jīng)過常規(guī)處理之后所得到的綜合地震記錄剖面中無法識別出任何有效震相,在后續(xù)計算模擬中都沒有使用這些數(shù)據(jù)(呂川川等,2011;敖威等,2012;呂川川,2013).同樣對該臺站采用相鄰臺站對比的方法,尋找OBS02(或OBS04)(圖1)波形記錄可對比的炮點時間段的信號特征.OBS973-3測線是由北向南開始放炮,位于測線末端的氣槍信號比較清晰,經(jīng)過仔細查找,對比導航文件、班報記錄和數(shù)據(jù)波形,發(fā)現(xiàn)1754和1755兩炮之間有近400min空白帶沒有放炮,以此作為波形對比參照點,通過大量的采樣率測試之后,最終確定OBS03的采樣間隔dt為3.65708ms,并成功繪制了OBS03的綜合地震記錄剖面(圖10).OBS03的采樣間隔與前面OBS2006-2測線中的OBS06臺站最終確定的采樣間隔相同,均為3.65708ms,我們推測2011年OBS973-3測線的OBS03臺站與2006年OBS2006-2測線中的OBS06臺站,應該為同一臺記錄儀器.每臺德國產(chǎn)SedisIV型OBS儀器均有各自的Sedis編號,查找2006年和2011年航次班報記錄,發(fā)現(xiàn)OBS2006-2測線中OBS06與OBS973-3測線中OBS03兩個站位的Sedis編號均為5,確定為同一臺記錄儀器.利用sedisread_time程序對三臺異常OBS數(shù)據(jù)的TimeDate結構體字段進行輸出對比(表1),發(fā)現(xiàn)字段記錄的時間間隔都是接近5年,再次確定上述猜測.3.4異常數(shù)據(jù)處理通過上述異常臺站的數(shù)據(jù)處理,我們可以得到如下啟發(fā):①異常數(shù)據(jù)臺站判斷.按照通用數(shù)據(jù)轉換流程(圖3)進行數(shù)據(jù)格式轉換,得到綜合地震記錄剖面,檢查是否有震相出現(xiàn),當無各種震相出現(xiàn)時,則可以基本判定為異常數(shù)據(jù).②從自身臺站數(shù)據(jù)出發(fā).檢查記錄過程中的數(shù)據(jù)格式、轉換過程中的參數(shù)設置等是否有錯誤.③相鄰臺站的對比分析.按照上文提到的方法進行詳細的分析對比,找出異常數(shù)據(jù)原因,異常數(shù)據(jù)的規(guī)律性,然后進行解決與數(shù)據(jù)再利用.④SAC軟件在異常數(shù)據(jù)的波形