王強(qiáng)，丘學(xué)林，趙明輝*，黃海波，敖威

1 中國(guó)科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所，廣州　510301　2　中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司，廣州　510240　3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京　100049

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南海海底地震儀異常數(shù)據(jù)的分析和處理

王強(qiáng)1, 3，丘學(xué)林1，趙明輝1*，黃海波1，敖威2

1 中國(guó)科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所，廣州5103012中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司，廣州5102403 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

摘要海底地震儀(Ocean Bottom Seismometer,OBS)數(shù)據(jù)處理至關(guān)重要，是獲取深部地殼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)與前提.2006年實(shí)施OBS2006-2測(cè)線時(shí)，有2臺(tái)OBS(OBS03，OBS06)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，無(wú)法使用.由于海上航次花費(fèi)巨大，采集到的數(shù)據(jù)彌足珍貴.本文采用數(shù)據(jù)格式檢查、鄰近臺(tái)站對(duì)比分析、重采樣等方法，成功地對(duì)這2臺(tái)OBS數(shù)據(jù)進(jìn)行了解編處理，得到了這兩個(gè)臺(tái)站的綜合地震記錄剖面；利用上述方法對(duì)2011年實(shí)施的OBS973-3測(cè)線中的異常臺(tái)站OBS03進(jìn)行了分析處理，同樣得到了OBS03臺(tái)站的綜合地震剖面；通過(guò)查看兩次海上實(shí)驗(yàn)班報(bào)發(fā)現(xiàn)，OBS2006-2測(cè)線之OBS06與OBS973-3測(cè)線之OBS03內(nèi)部Sedis編號(hào)相同，為同一臺(tái)記錄儀器，再一次驗(yàn)證上述處理方法正確可行；然后對(duì)OBS2006-2測(cè)線2個(gè)臺(tái)站進(jìn)行震相識(shí)別與走時(shí)拾取后，利用前人縱波速度模型開展了射線追蹤與走時(shí)模擬.此次對(duì)異常OBS數(shù)據(jù)的重新處理工作，不僅為OBS探測(cè)提供了寶貴的數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)，而且將提高OBS2006-2測(cè)線地殼結(jié)構(gòu)的可靠性和約束性，具有重要的研究意義.

關(guān)鍵詞異常數(shù)據(jù)處理； 海底地震儀； 格式轉(zhuǎn)換； 廣角反射/折射地震； 南海

1引言

為了探明南海西北次海盆地殼結(jié)構(gòu)，2006年9—10月，國(guó)家海洋局第二海洋研究所與中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所合作，平行于南海西北次海盆殘余擴(kuò)張脊方向布設(shè)并實(shí)施了一條深地震測(cè)線OBS2006-2(圖1)，實(shí)驗(yàn)中使用了12臺(tái)海底地震儀(OBS)，均為德國(guó)產(chǎn)的Sedis IV型短周期自浮式四分量OBS(李湘云等,2007; 吳振利等,2008)，實(shí)驗(yàn)較為成功，僅丟失1臺(tái)OBS(OBS09)，成功率為92%，獲得了沿殘余擴(kuò)張脊方向的第一手資料，OBS2006-2測(cè)線下方的速度結(jié)構(gòu)為南海西北部陸緣的拉張與南海的形成演化提供了重要的科學(xué)依據(jù)(敖威等,2012).

圖1　OBS2006-2和OBS973-3測(cè)線區(qū)域位置及OBS臺(tái)站分布.測(cè)線上紅色大圓圈為數(shù)據(jù)異常臺(tái)站，灰色圓圈為無(wú)數(shù)據(jù)臺(tái)站，黑色圓圈為丟失臺(tái)站，粉色圓圈為正常臺(tái)站

然而，在OBS數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)碰到一些由于數(shù)據(jù)格式或記錄時(shí)間等原因而導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法正常讀取與利用的情況.OBS2006-2測(cè)線中OBS03和OBS06臺(tái)站雖然記錄了豐富的氣槍信號(hào)，但在隨后的數(shù)據(jù)處理中卻一直沒(méi)有讀出有效的震相信息，因而在速度結(jié)構(gòu)計(jì)算模擬中(敖威等,2012)，部署12個(gè)臺(tái)站中僅利用了9個(gè)OBS臺(tái)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(jié)構(gòu)帶來(lái)了多解性與不確定性.如圖2顯示的是來(lái)自Moho面的反射震相(PmP)和來(lái)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0～40 km、100～120 km和260～310 km范圍內(nèi)(圖2a)，并無(wú)PmP震相覆蓋，因而，無(wú)法對(duì)Moho面形態(tài)與界面深度進(jìn)行有效控制.特別是OBS10臺(tái)站的Pn震相擬合較差(圖2b)，理論走時(shí)與實(shí)際走時(shí)相差0.5 s，導(dǎo)致整個(gè)速度模型Pn震相的Chi-Square值達(dá)到3.075，遠(yuǎn)超出理想狀態(tài)(Chi-Square趨近于1).同樣，對(duì)最終速度模型進(jìn)行檢測(cè)板測(cè)試時(shí)(圖2c)，在缺少射線覆蓋的0～40 km、100～120 km和260～310 km范圍處，模型的分辨率較低，輸出模型對(duì)于輸入模型的恢復(fù)程度不理想(圖2c)；而在射線交叉覆蓋較好的地方，如：170～210 km范圍內(nèi)(臺(tái)站OBS01和OBS02之間)，模型恢復(fù)情況十分理想.這說(shuō)明射線覆蓋程度越好，模型的約束能力越強(qiáng)，得到的速度結(jié)構(gòu)就越可靠.

圖2　OBS2006-2測(cè)線中(a) PmP及Pn震相的射線追蹤與覆蓋; (b) 實(shí)測(cè)走時(shí)(豎線)與計(jì)算走時(shí)(圓點(diǎn))； (c)速度結(jié)構(gòu)的檢測(cè)板測(cè)試; 測(cè)線中灰色站位(OBS06、OBS03和OBS09)為沒(méi)有利用站位(據(jù)敖威等,2012修改).T表示絕對(duì)走時(shí)， PmP和Pn分別表示Moho面反射波和上地幔折射波

基于OBS2006-2速度模型中存在的上述問(wèn)題，非常有必要對(duì)OBS03和OBS06這兩個(gè)臺(tái)站的異常數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)線的深部地殼結(jié)構(gòu).OBS數(shù)據(jù)處理手段技術(shù)至關(guān)重要，是獲取優(yōu)質(zhì)可靠的深部地殼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ).而對(duì)于異常數(shù)據(jù)的處理，更能考驗(yàn)一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的技術(shù)實(shí)力與鉆研精神.特別是對(duì)于寶貴的海上數(shù)據(jù)，由于航次組織和實(shí)施的費(fèi)用巨大，采集工作異常艱辛，如果遇到天氣不好，遭遇到臺(tái)風(fēng)與低氣壓，代價(jià)就更為昂貴.在此次實(shí)施OBS2006-2測(cè)線時(shí)，遭遇了臺(tái)風(fēng)“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(jià)值高達(dá)25萬(wàn)元的儀器(OBS09)(圖1).因此，對(duì)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(xué)家必備的科學(xué)素質(zhì)與責(zé)任心.本文詳細(xì)地介紹了OBS2006-2測(cè)線中這兩臺(tái)異常數(shù)據(jù)處理情況，并成功地將該方法應(yīng)用到另外一條測(cè)線(OBS973-3)的異常臺(tái)站數(shù)據(jù)處理中，證明我們的處理程序合理，對(duì)將來(lái)海底地震儀探測(cè)與數(shù)據(jù)處理具有很好的推動(dòng)作用.

2Sedis IV型OBS數(shù)據(jù)處理

通用OBS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法及步驟(圖3)已有過(guò)很多的論述與應(yīng)用實(shí)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(dǎo)航數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為UKOOA標(biāo)準(zhǔn)格式文件，再將Sedis IV型OBS記錄到的原始地震數(shù)據(jù)(IMG格式)利用程序sedis2sac轉(zhuǎn)換為SAC格式數(shù)據(jù)，接著使用地震分析軟件SAC(Seismic Analysis Code)(William and Joseph,1991)對(duì)各個(gè)臺(tái)站的接收信號(hào)進(jìn)行查看，通過(guò)濾波、去均值等處理后，可見(jiàn)信噪比較高的氣槍信號(hào)；然后，讀取UKOOA文件 中的炮點(diǎn)時(shí)間，用sac2y程序截裁SAC格式文件中的有效信號(hào)段，使之轉(zhuǎn)換為國(guó)際通用的SEGY格 式；最后，使用地震處理軟件包SU(Seismic Unix)軟件(Cohen and Stockwell,1994)進(jìn)行常規(guī)處理，得到綜合地震記錄剖面結(jié)果(圖4).

圖3　SEDIS IV型OBS數(shù)據(jù)處理和格式轉(zhuǎn)換流程

3異常數(shù)據(jù)處理方法

3.1數(shù)據(jù)檢查

3.1.1數(shù)據(jù)格式檢查

通常，OBS數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的情況無(wú)非是記錄格式或是記錄時(shí)間出現(xiàn)問(wèn)題.因此，首先檢查異常臺(tái)站的原始數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容.

從班報(bào)可知所有臺(tái)站設(shè)定采樣率為250 Hz，原始數(shù)據(jù)每分鐘為一個(gè)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(diǎn)數(shù)、通道數(shù)、起始時(shí)間，后180000字節(jié)是波形數(shù)據(jù)，共15000個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)占12個(gè)字節(jié)，共4通道(垂直、水平X、水平Y(jié)、水聽(tīng)器)，每個(gè)通道占3字節(jié)，即24位的整型數(shù).

然后用自編C語(yǔ)言程序sedisread檢查異常臺(tái)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(diǎn)數(shù)(15000字節(jié))、通道數(shù)(4字節(jié))、采樣間隔(4 ms)、起始時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)都準(zhǔn)確無(wú)誤，數(shù)據(jù)分段和時(shí)間序列也正常，說(shuō)明原始數(shù)據(jù)可讀，兩個(gè)異常臺(tái)站數(shù)據(jù)的記錄格式?jīng)]有問(wèn)題.

3.1.2記錄時(shí)間信息檢查

將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成SAC格式，轉(zhuǎn)換過(guò)程正常，在SAC軟件里檢查時(shí)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(hào)，但炮點(diǎn)間距不對(duì)，信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間與UKOOA文件中的炮點(diǎn)時(shí)間亦對(duì)不上(圖5)，初步懷疑時(shí)間記錄存在問(wèn)題，導(dǎo)致sac2y格式轉(zhuǎn)換中，按炮點(diǎn)時(shí)間裁截的波形數(shù)據(jù)與放炮信號(hào)不同步，因而在SEGY格式數(shù)據(jù)中無(wú)任何震相，包括直達(dá)水波震相.

時(shí)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(gè)TimeDate結(jié)構(gòu)體字段，分別是SampleTime、SedisTime和GPSTime，每個(gè)字段占8字節(jié)，記錄了秒、分、時(shí)、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(cè)兩個(gè)異常臺(tái)站的時(shí)間記錄有問(wèn)題，因此，改寫了原有程序sedisread，對(duì)每分鐘數(shù)據(jù)段段頭中的這3個(gè)字段進(jìn)行讀取和輸出，除SampleTime字段每個(gè)數(shù)據(jù)段增加1分鐘外，SedisTime和GPSTime兩個(gè)字段均無(wú)變化，說(shuō)明它們并未記錄任何異常信息，不是導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常的原因.

3.1.3相鄰臺(tái)站對(duì)比分析

從異常臺(tái)站自身記錄的數(shù)據(jù)本身找不出問(wèn)題的原因，轉(zhuǎn)而采用對(duì)比相鄰正常臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析.OBS2006-2測(cè)線放炮是從OBS08附近開始(圖1)，所以先對(duì)比OBS07和OBS06的波形數(shù)據(jù).根據(jù)導(dǎo)航炮點(diǎn)數(shù)據(jù)的激發(fā)時(shí)間，在OBS07臺(tái)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80 s炮間 距，第6和第7炮之間的間隔較大，約120 s，從第7炮開始，炮間距約90 s.查看班報(bào)記錄可知，前7炮為測(cè)試炮，導(dǎo)航文件等沒(méi)有進(jìn)行記錄，從第8炮正式開始記錄，對(duì)應(yīng)導(dǎo)航炮點(diǎn)數(shù)據(jù)UKOOA文件的第一行，其波形起跳時(shí)間比炮點(diǎn)激發(fā)時(shí)間慢約26 s，正好是直達(dá)水波從炮點(diǎn)位置到OBS07(約40 km)的傳播走時(shí)，第8炮以后的炮點(diǎn)到時(shí)和炮點(diǎn)間距都能與UKOOA文件逐行對(duì)應(yīng).

圖5　OBS06數(shù)據(jù)在SAC中前9炮波形圖Time代表時(shí)間序列的時(shí)間，Amplitude表示數(shù)字化振幅，UD表示垂直分量.OBS2006-2測(cè)線中OBS06臺(tái)站記錄參考時(shí)間為12∶48∶00.000，1-6炮炮點(diǎn)間距約為82～83 s，6-7炮炮點(diǎn)間距為130 s，第7炮開始炮點(diǎn)間距約為94～95 s，相對(duì)于原設(shè)計(jì)炮點(diǎn)間距(90 s)偏大.

圖6　SAC中OBS07(正常)與OBS06(異常)的波形數(shù)據(jù)和放炮信號(hào)對(duì)比(a) OBS07臺(tái)站5600～7515 s波形，共記錄20炮； (b) OBS06臺(tái)站5600～7515 s波形，共記錄19炮，說(shuō)明OBS06炮點(diǎn)間距大于OBS07的炮點(diǎn)間距.相關(guān)說(shuō)明同圖5.

與OBS07相鄰的OBS06臺(tái)站，因時(shí)間記錄有問(wèn)題，在炮點(diǎn)激發(fā)時(shí)間附近找不到放炮信號(hào)，經(jīng)全局搜索，在預(yù)計(jì)時(shí)間之后約13310 s處找到放炮信號(hào)，這表明OBS06臺(tái)站的信號(hào)記錄嚴(yán)重延時(shí).將延時(shí)誤差(13310 s)粗略地去掉，與正常的OBS07臺(tái)站的波形記錄并排顯示和對(duì)比(圖6)，可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)： ① 放炮信號(hào)有規(guī)律出現(xiàn)，絕大部分炮點(diǎn)等間隔，第6-7炮之間的時(shí)間間隔都較大，進(jìn)一步確認(rèn)兩臺(tái)站記錄的是同一段放炮信號(hào)； ② OBS06炮點(diǎn)信號(hào)的振幅比OBS07小近一半，符合OBS06比OBS07離最初炮點(diǎn)較遠(yuǎn)的事實(shí)； ③ OBS06的間隔比OBS07大，每炮都有一定的延時(shí)，逐步累積，雖然第1炮對(duì)齊，但后面幾炮就慢慢錯(cuò)開，這可能就是轉(zhuǎn)換成SEGY格式后找不到有效震相的真正原因.

找出OBS06異常臺(tái)站的原因之后，用同樣的方法，將OBS03與OBS02進(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)OBS03亦具有相同現(xiàn)象，即每炮到時(shí)延遲和炮點(diǎn)間距變大；我們推測(cè)這可能是由于異常OBS中Sedis IV的記時(shí)器太快，使得記錄到的放炮信號(hào)都有延時(shí)現(xiàn)象.如果記時(shí)器相對(duì)于正常時(shí)間較快(即時(shí)鐘晶振頻率較快)，但快的程度一致(時(shí)鐘晶振頻率不變)，相當(dāng)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(shè)計(jì)的4 ms(即采樣率250 Hz)，而應(yīng)該是小于4 ms，這樣的異常數(shù)據(jù)是可以通過(guò)特殊數(shù)據(jù)處理解決的.

3.2解決方法

3.2.1調(diào)整采樣間隔dt值

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(hào)和結(jié)尾放炮信號(hào)基本對(duì)齊，此時(shí)的dt就基本接近實(shí) 際值.通過(guò)不斷的對(duì)比調(diào)試，最后確定OBS06的dt是3.65708 ms，OBS03的dt是3.65770 ms.初步確定兩臺(tái)異常臺(tái)站數(shù)據(jù)已經(jīng)基本正常；若將兩個(gè)臺(tái)站SAC格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成SEGY格式數(shù)據(jù)，希望能夠識(shí)別出臺(tái)站所記錄的震相.當(dāng)采用折合速度(Reduce Velocity)1.5 km·s-1，此時(shí)振幅最強(qiáng)的直達(dá)水波應(yīng)該排成一條水平直線，但結(jié)果卻看到一條傾斜的震相，從振幅判斷應(yīng)該是直達(dá)水波，但視速度(即斜率的倒數(shù))明顯不對(duì)，并且局部有震相不連續(xù)的斷階現(xiàn)象(圖7).

圖7　OBS06臺(tái)站未經(jīng)重采樣獲取的綜合地震記錄剖面，折合速度為1.5 km·s-1，相關(guān)說(shuō)明同圖4

調(diào)整截裁窗口和折合速度(圖7)都沒(méi)有變化，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)始終無(wú)法看到直達(dá)水波呈水平直線的效果，故推測(cè)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(guān).

3.2.2SAC格式數(shù)據(jù)重采樣

利用已有程序sedis2sac按次序讀取原始格式數(shù)據(jù)的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，解編后按每個(gè)分量輸出SAC格式數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上改編成一個(gè)內(nèi)插重采樣程序.基本思路是：給出一個(gè)比原采樣間隔大的整數(shù)毫秒的新采樣間隔(如4 ms)，尋找新數(shù)據(jù)的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在舊數(shù)據(jù)中的位置(時(shí)間軸)，用舊數(shù)據(jù)前后兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的值線性內(nèi)插計(jì)算得到新數(shù)據(jù)點(diǎn)的值，從頭到尾按次序?qū)ふ摇?nèi)插和輸出所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，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(shí)際編程和調(diào)試過(guò)程中先采用更簡(jiǎn)單的算法，就是用相鄰最近的舊數(shù)據(jù)點(diǎn)的值用作新數(shù)據(jù)點(diǎn)的值，雖然波形細(xì)節(jié)有些改變，但總體放炮信號(hào)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(shí)現(xiàn)用兩點(diǎn)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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置和波形.

圖8　內(nèi)插前后數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置和波形示意圖.采樣間隔原始3.5 ms、內(nèi)插后變?yōu)? ms，相關(guān)說(shuō)明同圖5

內(nèi)插后的SAC數(shù)據(jù)用sac2y轉(zhuǎn)換成SEGY格式數(shù)據(jù)，終于可以看到期待已久的直達(dá)水波震相圖(圖9).兩種內(nèi)插方法得到的效果相似，說(shuō)明前面有關(guān)數(shù)據(jù)采樣率和轉(zhuǎn)換程序存在缺陷的推測(cè)是正確的.OBS03和OBS06兩臺(tái)站的綜合地震剖面圖(圖9)均顯示出直達(dá)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(dá)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解決方法驗(yàn)證

2011年3—4月，在國(guó)家973項(xiàng)目資助下，實(shí)施了OBS973-3測(cè)線的深地震探測(cè)(圖1)，這條測(cè)線按20 km間隔共投放了20臺(tái)OBS，其中包含8臺(tái)德國(guó)Sedis IV型短周期OBS(編號(hào)01-08)，12臺(tái)其他型 號(hào)OBS，組合槍陣激發(fā)總?cè)萘繛?000 in3，每120 s激發(fā)一次，炮間距約為300 m，航速約5節(jié)，最終回收19臺(tái)OBS(丘學(xué)林,2011).在OBS973-3測(cè)線處理過(guò)程中，德國(guó)Sedis IV型OBS03臺(tái)站亦出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，無(wú)法使用(呂川川等,2011).

圖9　OBS03 (a) 和OBS06 (b) 臺(tái)站線性插值后綜合地震記錄剖面圖，折合速度為1.5 km·s-1，相關(guān)說(shuō)明同圖4

為了驗(yàn)證前文中對(duì)于OBS異常數(shù)據(jù)處理方法的正確性，我們對(duì)OBS973-3測(cè)線中異常臺(tái)站OBS03進(jìn)行了分析處理，發(fā)現(xiàn)該臺(tái)站與OBS2006-2測(cè)線中的OBS03和OBS06存在數(shù)據(jù)異常的原因類似： ① 均為德國(guó)產(chǎn)Sedis IV型短周期OBS； ② SAC軟件中均可以看到連續(xù)的放炮信號(hào)，但炮點(diǎn)間距與最初設(shè)計(jì)的時(shí)間不符； ③ 利用SU軟件包經(jīng)過(guò)常規(guī)處理之后所得到的綜合地震記錄剖面中無(wú)法識(shí)別出任何有效震相，在后續(xù)計(jì)算模擬中都沒(méi)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(duì)該臺(tái)站采用相鄰臺(tái)站對(duì)比的方法，尋找OBS02(或OBS04)(圖1)波形記錄可對(duì)比的炮點(diǎn)時(shí)間段的信號(hào)特征.OBS973-3測(cè)線是由北向南開始放炮，位于測(cè)線末端的氣槍信號(hào)比較清晰，經(jīng)過(guò)仔細(xì)查找，對(duì)比導(dǎo)航文件、班報(bào)記錄和數(shù)據(jù)波形，發(fā)現(xiàn)1754和1755兩炮之間有近400 min空白帶沒(méi)有放炮，以此作為波形對(duì)比參照點(diǎn)，通過(guò)大量的采樣率測(cè)試之后，最終確定OBS03的采樣間隔dt為3.65708 ms，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(cè)線中的OBS06臺(tái)站最終確定的采樣間隔相同，均為3.65708 ms，我們推測(cè)2011年OBS973-3測(cè)線的OBS03臺(tái)站與2006年OBS2006-2測(cè)線中的OBS06臺(tái)站，應(yīng)該為同一臺(tái)記錄儀器.

每臺(tái)德國(guó)產(chǎn)Sedis IV型OBS儀器均有各自的Sedis編號(hào)，查找2006年和2011年航次班報(bào)記錄，發(fā)現(xiàn)OBS2006-2測(cè)線中OBS06與OBS973-3測(cè)線中OBS03兩個(gè)站位的Sedis編號(hào)均為5，確定為同一臺(tái)記錄儀器.利用sedisread_time程序?qū)θ_(tái)異常OBS數(shù)據(jù)的TimeDate結(jié)構(gòu)體字段進(jìn)行輸出對(duì)比(表1)，發(fā)現(xiàn)字段記錄的時(shí)間間隔都是接近5年，再次確定上述猜測(cè).

3.4異常數(shù)據(jù)處理啟示

通過(guò)上述異常臺(tái)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(tái)站判斷.按照通用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換流程(圖3)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，得到綜合地震記錄剖面，檢查是否有震相出現(xiàn)，當(dāng)無(wú)各種震相出現(xiàn)時(shí)，則可以基本判定為異常數(shù)據(jù).② 從自身臺(tái)站數(shù)據(jù)出發(fā).檢查記錄過(guò)程中的數(shù)據(jù)格式、轉(zhuǎn)換過(guò)程中的參數(shù)設(shè)置等是否有錯(cuò)誤.③ 相鄰臺(tái)站的對(duì)比分析.按照上文提到的方法進(jìn)行詳細(xì)的分析對(duì)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(jìn)行解決與數(shù)據(jù)再利用.④ SAC軟件在異常數(shù)據(jù)的波形對(duì)比中有著至關(guān)重要的作用，應(yīng)該加以充分利用.此次異常處理的成功處理，首先為原始數(shù)據(jù)的解編提供了思 路，創(chuàng)新性地提高了解編程序的通用性.

圖10　OBS973-3測(cè)線中OBS03臺(tái)站綜合地震記錄剖面，折合速度為6.0 km·s-1，相關(guān)說(shuō)明同圖4

圖11　(a) OBS2006-2測(cè)線中OBS03臺(tái)站綜合地震記錄剖面(垂直分量)，折合速度為6.0 km·s-1；(b) 實(shí)測(cè)走時(shí)(彩色線)和理論走時(shí)(黑色線)對(duì)比； (c) 縱波速度結(jié)構(gòu)模型和射線追蹤，相關(guān)說(shuō)明同圖4

表1　OBS2006-2和OBS973-3異常臺(tái)站信息對(duì)比

圖12　(a) OBS2006-2測(cè)線中OBS06臺(tái)站綜合地震記錄剖面(垂直分量)，折合速度為6.0 km·s-1；(b) 實(shí)測(cè)走時(shí)(彩色線)和理論走時(shí)(黑色線)對(duì)比；(c) 縱波速度結(jié)構(gòu)模型和射線追蹤，相關(guān)說(shuō)明同圖4

4震相初步識(shí)別與下一步工作展望

為了識(shí)別OBS2006-2測(cè)線中OBS03和OBS06兩個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)中來(lái)自地殼深部的震相，我們采用折合速度6.0 km·s-1裁截和繪制綜合地震剖面圖，校正后的OBS03、OBS06數(shù)據(jù)包含有很多深部信息(圖11a，12a)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證震相的準(zhǔn)確性，我們利用敖威等(2012)建立的OBS2006-2測(cè)線的速度模型，利用Rayinvr軟件(Zelt and Smith,1992)，對(duì)OBS03和OBS06兩個(gè)臺(tái)站進(jìn)行了簡(jiǎn)單的射線追蹤和走時(shí)模擬(圖11，圖12).OBS03站位地殼折射波Pg清晰連續(xù)，追蹤范圍大，最遠(yuǎn)可追蹤至-80 km處，左右兩側(cè)均有視速度較大且呈雙曲線形態(tài)的Moho面反射震相PmP，左側(cè)半支偏移距為-38～-80 km，右半支偏移距為35～78 km，來(lái)自地幔的折射震相Pn只存在左半支，緊隨PmP出現(xiàn)于-80 km處，延伸至-93 km(圖11)，這與該地區(qū)洋陸過(guò)渡(ocean continent transition，OCT)的地質(zhì)環(huán)境相吻合；OBS06站位同樣可見(jiàn)清晰連續(xù)的Pg、PmP等震相(圖12).兩個(gè)臺(tái)站目前只是初步的正演擬合，共拾取893個(gè)Pg、578個(gè)PmP和43個(gè)Pn走時(shí)，相信這兩個(gè)臺(tái)站信息的增加，將有效地增加模型的可信度與分辨率.

下一階段，將在敖威等(2012)研究的基礎(chǔ)上，添加這兩個(gè)臺(tái)站，利用測(cè)線上共12臺(tái)OBS數(shù)據(jù)，重新開展正反演模擬，獲得精細(xì)的縱波速度模型；在得到理想的縱波速度結(jié)構(gòu)之后，開展縱橫波的綜合研究，求取測(cè)線下方的橫波速度結(jié)構(gòu)、縱橫波速比、泊松比信息以及巖性、物性等介質(zhì)屬性的資料，從而為南海西北次海盆的形成演化機(jī)制提供科學(xué)依據(jù).

致謝感謝上海海洋石油局“奮斗七號(hào)”全體船員協(xié)助采集OBS2006-2測(cè)線數(shù)據(jù)；感謝中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所“實(shí)驗(yàn)2號(hào)”全體船員及科考隊(duì)員共同努力完成OBS973-3測(cè)線海上作業(yè)；感謝國(guó)家海洋局第二海洋研究所的阮愛(ài)國(guó)研究員提供的OBS2006-2測(cè)線原始班報(bào)資料；感謝賀恩遠(yuǎn)、王建和陳金虎同學(xué)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中給予的支持與幫助.

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(本文編輯胡素芳)

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金(91428204,91028002,41306046,41276049,41176053)聯(lián)合資助.

作者簡(jiǎn)介王強(qiáng),男,1987年生,甘肅省隴西縣人,在讀碩士生,研究方向?yàn)楹Ｑ笊畈康厍蛭锢?E-mail:wangqiang@scsio.ac.cn *通訊作者趙明輝,女,1967年生,遼寧省錦州市人,研究員,博士,主要從事海洋地球物理與深部結(jié)構(gòu)研究.E-mail:mhzhao@scsio.ac.cn

doi:10.6038/cjg20160330 中圖分類號(hào)P315,P738

收稿日期2015-06-10，2015-11-11收修定稿

Analysis and processing on abnormal OBS data in the South China Sea

WANG Qiang1,3,QIU Xue-Lin1,ZHAO Ming-Hui1*,HUANG Hai-Bo1,AO Wei2

1KeyLaboratoryofMarginalSeaGeology,SouthChinaSeaInstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510301,China2Dept.ofScienceandTechnology,ShenzhenBranchofCNOOC,Guangzhou510240,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

AbstractProcessing and analysis on ocean bottom seismometer (OBS) data are of great importance to obtain the deep crustal structure.The deep seismic profile OBS2006-2 was carried out in 2006 along the extinct spreading ridge of the Northwest sub-basin of the South China Sea.This survey is successful to provide high quality data whose seismic signals can be observed at the offset of up to 120 km but 2 OBSs′ recording data (OBS03 and OBS06) cannot be read correctly and not used in later structure modeling.However,OBS data are very precious due to the high cost and arduous work.The price is more expensive when encountering severe weather during a survey.This paper is focused on reprocessing on these 2 OBSs′ data by use of the methods of checking data format,comparing signals with adjacent OBSs and resampling the data.Finally we acquire these 2 OBSs′ seismic record sections in which abundant seismic phases are clearly seen.We also obtain the seismic record section of OBS03 along the profile OBS973-3 in the Nansha Island using the same methods above.The instrument OBS06 along the profile OBS2006-2 and the instrument OBS03 along the profile OBS973-3 are the same instrument confirmed by checking their logs recorded by 2006 and 2011,respectively.It demonstrates that the processing method for abnormal OBS data is reliable and effective.Then the ray-tracing and travel-time simulation were carried out for OBS06 and OBS03 using the interactive trial-and-error 2D ray-tracing method based on the previous P-wave velocity model of OBS2006-2.The input of new travel-time picks must provide high constrains for the deep structure beneath the profile OBS2006-2.This research on abnormal data reprocessing does not only improve the reliability and resolution of the crustal structure,but also provide valuable experiences for OBS processing for other study areas for the future.

KeywordsAbnormal data processing; Ocean bottom seismometer (OBS); Data format conversion; Wide-angle reflected/refracted seismic experiment; The South China Sea

王強(qiáng)，丘學(xué)林，趙明輝等.2016.南海海底地震儀異常數(shù)據(jù)的分析和處理.地球物理學(xué)報(bào)，59(3):1102-1112,doi:10.6038/cjg20160330.

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