童思友, 廖 儀, 2, 陳 亮, 吳志強(. 中國海洋大學 海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室, 山東 青島 26600; 2. 中海石油(中國)有限公司湛江分公司, 廣東 湛江 524057; . 青島海洋地質(zhì)研究所, 山東 青島 26607)

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OBS海洋環(huán)境信號分析與應用

童思友1, 廖 儀1, 2, 陳 亮1, 吳志強3
(1. 中國海洋大學 海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室, 山東 青島 266100; 2. 中海石油(中國)有限公司湛江分公司, 廣東 湛江 524057; 3. 青島海洋地質(zhì)研究所, 山東 青島 266071)

為研究海洋環(huán)境信號在OBS(Ocean Bottom Seismograph)原始數(shù)據(jù)中的規(guī)律及應用, 根據(jù)OBS原始數(shù)據(jù)的波形及頻譜特征, 將研究區(qū)劃分為5個時間段, 依次為舊涌浪階段、風浪漸強階段、風浪全盛階段、風浪消退階段和新涌浪階段。結(jié)合海洋天氣預報, 認為上述現(xiàn)象是由偏南風風浪對海流的影響造成的。參考野外地震數(shù)據(jù)采集記錄班報, 得到各階段的時長和距離, 計算風浪漸強、全盛和消退階段OBS附近海流的平均速度。結(jié)果表明: OBS原始資料中淺海海洋環(huán)境噪音增強的主要因素是風浪,且風浪引起的噪音信號的波形變化特征是漸進式的; OBS可用于接收某種特殊階段(如臺風、海嘯等)的噪音信號, 并根據(jù)噪音信號的波形特征、頻譜變化規(guī)律和持續(xù)時間估算該階段的海流速度變化。

海洋環(huán)境信號; OBS(Ocean Bottom Seismograph); 海浪實測

[Foundation: National Natural Science Key Foundation of China, No.41230318, No. 41240005, No.90814011; “863”Program of China, No.2009AA093401]

OBS放置于海底, 從其內(nèi)部時鐘喚醒開始便不斷地記錄周圍信號, 最終得到一份包含多種信息的原始數(shù)據(jù)。這份原始數(shù)據(jù)中除常規(guī)的地震波信號外,還記錄了豐富的海洋環(huán)境信息。本文在前人的研究基礎(chǔ)上[1-3], 對南黃海海洋環(huán)境信號在OBS原始數(shù)據(jù)中的波形和頻譜特征進行研究, 并根據(jù)這些特征計算風浪不同階段的速度變化, 希望這些研究能給該領(lǐng)域的學者們提供有益幫助, 以便對有關(guān)問題展開更加深入的探索。

1 海洋環(huán)境信號分析

海洋環(huán)境信號按其發(fā)聲機制大體分為五類, 即海洋動力信號、冰下信號、生物信號、地震信號和工業(yè)信號。南黃海位于中緯度地區(qū), 其海洋環(huán)境信號的主要類型是海洋動力信號, 海洋動力信號包括所有因海水介質(zhì)本身運動與風等氣象因素, 以及地質(zhì)條件作用產(chǎn)生的信號[4]。本文主要對其中的風浪(由當?shù)仫L引起且直到觀測時仍處于風力作用下的海面波浪)和涌浪(風浪離開風的作用區(qū)域后, 在風力甚小或無風水域依靠慣性維持的波浪統(tǒng)稱涌浪)[5]信息進行分析研究。

資料表明, 風浪和涌浪產(chǎn)生信號的模式不同:涌浪周期長、波長大、能量大, 一旦與島嶼或海岸碰撞, 就會產(chǎn)生能量很大且頻率豐富的聲波, 聲波以波群的形式可經(jīng)由水體和海底傳播至OBS; 風浪則主要由波浪間的碰撞、破碎而產(chǎn)生大量頻率較高且豐富的聲波, 聲波經(jīng)由水體傳播到OBS。這兩類信號分別疊加在原有環(huán)境信號中, 使得OBS記錄數(shù)據(jù)中的振幅發(fā)生變化[2]。

1.1 OBS海底耦合性分析

在進行原始資料研究前, 必須了解OBS與海底的耦合情況, 因為耦合性的好壞與原始資料質(zhì)量的優(yōu)劣息息相關(guān)。通過研究OBS垂直(Z)分量近偏移距(<2 km)的振幅譜可以分析OBS臺站與海底的耦合情況, 確定OBS是否能恰當?shù)胤从澈５椎恼駝忧闆r[6]。如圖1所示, OBS臺站垂直(Z)分量原始資料的主要能量集中在零偏移距附近, 說明OBS與海底的耦合性良好, 對傳播到其附近的信號能有效接收。

1.2 南黃海海況氣候條件

南黃海海區(qū)6級以上的大風四季都有出現(xiàn), 以春季次數(shù)多, 冬季強度大為特點。海浪一般以涌浪為主。從9月到翌年4月, 南黃海多為北風, 以北浪為主, 平均風速為8~9 m/s。每年6~8月, 南黃海盛行南到東南風, 平均風速5~6 m/s, 以南浪為主。風浪秋冬兩季最大, 浪高常有2~6 m[7]。

圖1 OBS垂直(Z)分量近偏移距能量譜Fig. 1 Vertical component spectrum of small offset

本文采用的OBS數(shù)據(jù)來源于南黃海海域, 采集時間為2013年8月, 所選OBS臺站為C16(圖2), 其海水深度約為36 m。根據(jù)野外地震數(shù)據(jù)采集記錄班報, 本文研究區(qū)域(如圖3所示)數(shù)據(jù)記錄時間為: 2013年8月11日07: 42: 51~14: 13: 08。查看當天的海洋天氣預報: 2013年8月10日08時~8月11日08 時, 黃海北部海域有4~5級偏南風, 黃海中部和南部海域有4~6級西南風; 8月11日08時~8月12日08 時, 黃海大部海域有4~6級偏南風。據(jù)此推測, 本文研究的海洋環(huán)境信號能量的加強是由局部風對南黃海淺海海流的影響造成的。

1.3 波形特征對比

本文的研究區(qū)域位于OBS數(shù)據(jù)遠偏移距段(圖3藍框所示), 經(jīng)放大如圖4所示, 圖件選擇變密度顯示。圖4中的藍框由左往右代表了五個不同的時間階段, 按當時的海況依次劃分為舊涌浪階段、風浪漸強階段、風浪全盛階段、風浪消退階段和新涌浪階段。從上述五個時間階段中各抽取一道組成標志地震道集(圖5): 1914道代表舊涌浪階段, 2161道代表風浪漸強階段, 2202道代表風浪全盛階段, 2322道代表風浪消退階段, 2572道代表新涌浪階段。

對應于上述五個時間階段, 波形的變化特征各有不同, 即從舊涌浪階段低頻能量的平滑波形到風浪階段高頻能量逐漸增強形成的粗糙波形, 再到風浪過去后高頻能量逐漸衰減后形成的平滑規(guī)則波形。隨著風區(qū)的移動, OBS記錄的海洋環(huán)境信號的波形經(jīng)歷了“平滑→逐漸粗糙→粗糙→逐漸平滑→平滑”這樣一個變化過程。這種漸進過程說明其誘因同樣具有漸進式的特點。

圖2 南黃海OBS測線分布情況Fig. 2 Orientation and length of OBS measurement line in South Yellow Sea

1.4 頻譜特征對比

為了詳細研究上述五個時間階段的頻譜特征,本文分析了各個階段標志道的頻譜變化規(guī)律, 抽取的標志道道數(shù)為5(標志道道數(shù)的確定需根據(jù)原始資料的實際情況而定, 盡量體現(xiàn)研究區(qū)域的特征變化情況)。通過之前的分析可知, 新、舊涌浪階段OBS接收的背景信號波形具有排列相對整齊、波峰線較長、波長較為平滑、比較接近正弦波的特點, 而風浪漸強、全盛和消退階段, 由于從風中獲取能量, 高頻成分不斷增強, 使得OBS記錄的波形變得粗糙, 出現(xiàn)許多尖脈沖。

據(jù)此對研究區(qū)域進行劃分(圖6), 五個時間階段從左往右依次為: 舊涌浪階段(1911~1915道)、風浪漸強階段(2158~2162道)、風浪全盛階段(2199~2203 道)、風浪消退階段(2318~2322道)、新涌浪階段(2568~2572道)。

圖7為舊涌浪階段、風浪全盛階段以及新涌浪階段的海洋環(huán)境信號頻譜對比圖。

圖3 壓力(P)分量原始資料海浪區(qū)剖面Fig. 3 Raw data of the pressure component in the wave area section

圖4 海浪研究區(qū)域放大顯示圖Fig. 4 Enlarged figure from the wave research area

圖5 海浪研究區(qū)域中5個階段的各個標志地震道集Fig. 5 Five stages of seismic readings obtained in the wave research area

對比研究發(fā)現(xiàn), 新、舊涌浪階段海洋環(huán)境信號的頻譜基本處于同一數(shù)量級, 曲線走勢大致吻合, 能量級別均值–36 dB以下, 而風浪明顯增強了30 Hz以上的頻譜能量, 即便在0~30 Hz的范圍, 風浪全盛階段的能量也略高于新、舊涌浪階段, 但三者在此頻帶內(nèi)的頻譜曲線走勢基本一致。三個階段中0~3 Hz的范圍內(nèi)均存在較高的頻譜能量, 且隨著頻率的增加而快速衰減, 其低頻能量主要來源于海底水流和天然微震[8], 同時涌浪及遠處航船的低頻能量都可能對其產(chǎn)生影響。

圖6 海浪研究區(qū)五個階段的標志道集波形對比Fig. 6 Five-stage waveform comparisons of 5 readings obtained in the wave research area

1.5 OBS海浪流速估算

事實上OBS并不能直接測量海流速度, 但它獨特的數(shù)據(jù)采集方式(放置于海底)有利于接收某種特殊階段(如臺風、海嘯等)產(chǎn)生的噪音信號, 可根據(jù)噪音信號的能量強弱及持續(xù)時間估算該階段的海流速度變化情況。

在本文中, 為了避免勘探地震波信號的影響, 將OBS原始資料共接收點道集海浪研究范圍定于遠偏移距段: 1880~2577道(炮號); 放炮方式: 定距放炮(125 m); 炮時: 45~50 s; 研究距離: 77.652 km; 研究時長: 7小時58分10秒。

對比五個時間階段的波形特征, 對每個階段進行區(qū)塊劃分(圖4), 依次如下: 舊涌浪階段(1880~ 1989道); 風浪漸強階段(1990~2174道); 風浪全盛階段(2175~2230道); 風浪消退階段(2231~2502道); 新涌浪階段(2503~2577道)。

舊涌浪階段與風浪漸強階段、風浪漸強階段與風浪全盛階段、風浪全盛階段與風浪消退階段這三組的分界線比較明顯, 但風浪消退階段與新涌浪階段之間的分界卻比較模糊。因為當風區(qū)離開后, 風浪還需要一段時間的能量衰減才能逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛坷?這個過程是漸變的, 最終確定該組分界線的原因是2502道左側(cè)波組的波形明顯比右側(cè)波組波形粗糙。此處并未對分界線所在的地震道進行頻譜分析, 因為分界線始終處于過渡區(qū), 其相鄰道間的能量差別并不大。通過上述的區(qū)塊劃分, 參考當時的野外地震數(shù)據(jù)采集記錄班報, 由公式V=S/T估算風區(qū)來臨前后海流流速V情況如下, 其中, S表示該階段的持續(xù)距離, T表示該階段的持續(xù)時間。

風浪漸強階段: 1990~2174道(07: 42: 51~10: 05: 46), 持續(xù)距離: 23 km, 持續(xù)時間: 2小時22分55秒, OBS記錄的該階段的海流平均速度為2.68 m/s。

風浪全盛階段: 2175~2230道(10: 06: 31~10: 47: 43), 持續(xù)距離: 6.875 km, 持續(xù)時間: 41分12秒, OBS記錄的該階段的海流平均速度約為2.78 m/s。

風浪消退階段: 2231~2502(10: 48: 28~14: 13: 08), 持續(xù)距離: 33.875 km, 持續(xù)時間: 3小時34分40 秒, OBS記錄的該階段的海流平均速度約為2.63 m/s。

此處主要就風浪引起的海流速度變化情況進行了定量計算。從計算結(jié)果來看, 風浪全盛階段海流的平均速度比風浪漸強和風浪消退階段高了0.1 m/s左右, 而風浪漸強和風浪消退階段海流的平均速度大致持平。這其中不可避免地存在著一定的人為誤差,在進行相關(guān)計算時需引起注意。

2 結(jié)論與建議

本文結(jié)合南黃海OBS共接收點道集遠偏移距段的原始數(shù)據(jù)進行海洋環(huán)境信號研究, 研究發(fā)現(xiàn)OBS所記錄的海洋環(huán)境信號隨風區(qū)的移動而變化。根據(jù)波形和頻譜變化規(guī)律, 將這種信號變化情況按時間先后順序劃分為五個階段, 即舊涌浪階段、風浪漸強階段、風浪全盛階段、風浪消退階段和新涌浪階段,并最終得到如下結(jié)論和建議:

1) 波形特征分析說明信號的變化是漸進式的,即“平滑→逐漸粗糙→粗糙→逐漸平滑→平滑”的過程, 這種漸進過程說明其誘因也同樣具有漸進式的特點(如風區(qū)來臨前后)。

圖7 新、舊涌浪階段與風浪全盛階段海洋環(huán)境信號頻譜對比Fig. 7 Frequency spectrum comparison between swell and wind wave stages

2) OBS原始資料淺海海洋環(huán)境信號中能量增強的主要因素是風浪。在本文的數(shù)據(jù)中風浪的影響是全頻帶的, 并主要加強30 Hz以上的頻譜能量。

3) OBS可用于接收某種特殊階段(如本文的淺海風浪)的噪音信號, 并根據(jù)噪音信號的波形特征、頻譜變化規(guī)律和持續(xù)時間估算該階段的海流速度變化。

4) 本文的研究區(qū)域位于淺海, 除風浪產(chǎn)生的噪音信號外, 隨著風力的增強, 表層流的運動可能會對底層流產(chǎn)生影響, 同時考慮儀器的自噪聲, 風浪階段OBS最終記錄的其實是種混合信號, 其中各類因素的影響大小難以定量表征, 建議對OBS在深海區(qū)采集的相關(guān)原始數(shù)據(jù)做進一步的研究分析。

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(本文編輯: 李曉燕)

Analysis and application of ocean ambient signal based on ocean bottom seismograph

TONG Si-you1, LIAO Yi1, 2, CHEN Liang1, WU Zhi-qiang3
(1. Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. CNOOC Ltd. Zhanjiang, Zhanjiang 524057, China; 3. Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China)

Jan., 30, 2015

ocean ambient noise; ocean bottom seismograph (OBS); ocean current monitor

To investigate the regularity and application of ocean ambient signals from the ocean bottom seismograph (OBS), we divided the signal analysis into five stages: old swell, wind wave coming, wind wave, wind wave leaving, and new swell stages, and then examined their waveform and spectrum characteristics. With respect to marine forecasting, the above phenomena are thought to be due to the effects of southeast wind waves on the seabed current. We calculated the different stages of duration time and length extension, using data from the field seismic acquisition report, to then calculate the average velocity of ocean currents around an OBS on the seafloor. The research results show that the main factor enhancing ocean ambient noise is the wind wave and that the characteristics of waveform develop gradually. An OBS can monitor the unique stages of ocean currents by seabed observation, making it possible to estimate the current velocity based on the waveform, spectrum characteristics, and duration of that unique stage.

P731; P732.2; P733.22; P738

A

1000-3096(2016)02-0145-06

10.11759/hykx20150130001

2015-01-30;

2015-04-07

國家自然科學基金重點項目(41230318, 41240005, 90814011);國家863項目(2009AA093401)

童思友(1969-), 男, 重慶人, 教授, 博士, 主要從事海洋地球物理方法研究, Email: tsy@ouc.edu.cn