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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.pdf
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1、吴越楚,杨挺.2023.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.地震学报,45(3):568578.doi:10.11939/jass.20220163.WuYC,YangT.2023.Removingtiltnoisefromtheverticalcomponentdataofoceanbottomseismograph:Acasestudyonthe data from the Pankun test in the South China Sea.Acta Seismologica Sinica,45(3):568578.doi:10.11939/jass.20220163
2、.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吴越楚1)杨挺1,2,3),1)中国广东深圳518055南方科技大学海洋科学与工程系海底地震仪实验室2)中国上海201600上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站3)中国广州510301南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)摘要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 20192020 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,
3、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。关键词 海底地震仪地震噪声倾斜噪声噪声去除doi:10.11939/jass.20220163中图分类号:P315.73文献标识码:ARemoving tilt noise from the vertical component data of oceanbottom seismograph:A case study on the data fromt
4、he Pankun test in the South China SeaWuYuechu1)YangTing1,2,3),1)OBS Laboratory,Department of Ocean Science and Engineering,Southern University of Science and Technology,Guangdong Shenzhen 518055,China2)Shanghai Sheshan National Geophysical Observatory,Shanghai 201600,China3)Southern Marine Science a
5、nd Engineering Guangdong Laboratory(Guangzhou),Guangzhou 510301,ChinaAbstract:Basedonthecorrelationsbetweenthenoisedataofthehorizontalandtheverticalcomponents,wecanremovethetiltnoisefromtheverticalcomponentbyusingthetransferfunctionofthehorizontal-to-verticalcomponent.Usingthedatafromthe20192020Pank
6、un*基金项目国家自然科学基金(92058209)和深圳市科创委项目(KQTD20170810111725321;JCYJ20180504170422082)共同资助.收稿日期2022-08-31 收到初稿,2022-09-27 决定采用修改稿.作者简介吴越楚,在读博士,主要从事地震噪声方面的研究,e-mail:;杨挺,博士,教授,主要从事海洋地球物理和地震学研究以及相关仪器研发,e-mail:第45卷第3期地震学报Vol.45,No.32023年5月(568578)ACTASEISMOLOGICASINICAMay,2023OBSSouthChinaSeatest,thispaperdesc
7、ribesthetheoryandprocessofthismethod.Itcom-parestheseismogramsbeforeandafterremovingthetiltnoiseandhighlightstheimprovementofthedispersionsofRayleighsurfacewaves.Theresultsshowthatremovingtiltnoisecanimprovethesignal-to-noiseratioofseismogramsfortheOBSdatainthelow-frequencyrange,resultinginsurfacewa
8、vesmoreconducivetoimagingthedeepstructureoftheoceaniclitho-sphere.Thisstudyalsoshowsthatalthoughthetiltangle(1.0)oftheseismometerofPankunOBSismuchsmallerthanthetoleranceofthetiltangleoftheinstrument(2.5),thebottomcurrentsstillgenerateasignificantleveloftiltnoiseonOBSdata.Therefore,thelevelingsys-tem
9、oftheinstrumentisacrucialcomponentaffectingtheOBSdataquality.Key words:oceanbottomseismograph(OBS);seismicnoise;tiltnoise;removingnoise 引言相对于陆地,海洋的地震观测要困难得多,而海洋面积占地球表面积 71%,这极大限制了全球的天然地震观测。近 30 年来,尽管海底地震仪(oceanbottomseismograph,缩写为 OBS)的应用在很大程度上弥补了海底地震观测这一空缺(Mooreet al,1981;Collinset al,2001;Stephen
10、et al,2003),但 OBS 数据相对陆地台站通常表现出更高的噪声水平,尤其是在对反演海洋地下深部结构非常重要的低频段(Webb,1988,1998;Webb,Crawford,1999)。海洋的复杂环境特别是各种水波,包括底流、潮汐、内波、表面水波、海洋生物等在内的各种因素共同导致了 OBS 的高噪声数据。降低 OBS 数据的噪声水平、提高其记录地震波形的信噪比对于地震学及海洋地球物理学的发展具有重要意义。一方面,可以依靠设计和研发更高性能的 OBS 来提高海底地震数据的质量。例如:将传感器模块和仪器本体分离的分体式 OBS 技术(Duennebieret al,1981);将传感器模
11、块浅埋入海底沉积层的技术(Woodinget al,2001;Shiobaraet al,2013);屏蔽 OBS 地震传感器(即给地震传感器增加外部屏障,使水流不能直接作用于传感器)的技术(刘丹等,2022)等。这些技术的进步无疑推动了 OBS 的发展,使得一些大型被动源 OBS 观测计划得以实施。分体式设计使得地震传感器模块相对独立,可降低仪器本体噪声对地震数据的干扰。这一设计现已经被广泛采用,成功的被动源 OBS 观测计划,如 CascadiaInitiative(Toomeyet al,2014),RHUM-RUM(Sthleret al,2016)和 ORCA(Eilonet al,
12、2022)等都是应用这种类型的仪器。利用重物或遥控无人潜水器(remoteoperatedvehicle,缩写为 ROV)将地震传感器埋入沉积层虽然可以显著降低 OBS 的噪声水平,但同时大大增加了布放成本,因此这种技术目前只适用于单个OBS 实验(如:Woodinget al,2001;Shiobaraet al,2013),难以应用于大型被动源 OBS 观测台阵。利用自埋式机器人技术,使 OBS 的传感器模块可以自动浅埋入沉积层的自埋式 OBS 具有广阔的前景,可以实现在成本可控的前提下有效提高 OBS 的数据质量,但目前,该技术还尚未成熟。实验研究显示,给地震传感器增加外部保护壳几乎可以
13、完全屏蔽水流对地震传感器的影响,是一种低成本且比较有效的降噪技术。另一方面,可以利用数据处理方法去除 OBS 数据的噪声,提高地震信号的信噪比,但目前这种方法仅限于去除 OBS 垂直分量上的噪声。OBS 的低频噪声有两个主要来源:一个是底流作用导致的倾斜噪声(tiltnoise),底流会导致 OBS 水平分量产生低频(0.1Hz)噪声,当传感器尚未完美调平时,水流产生的噪声会从水平分量“泄漏”到垂直分量;另一个是次3期吴越楚等:海底地震仪垂直分量倾斜噪声的去除569fg/(2d)重力波(infragravitywaves)对海底作用产生的屈服噪声(compliancenoise),当海洋表面水
14、波的波长超过水深时,长周期的水波可以穿透水层造成海底的垂直运动进而导致 OBS 数据上的屈服噪声。因此屈服噪声的高频极限与水深相关,可以通过一个简单的公式来近似计算(Bellet al,2015)。目前普遍使用的去除 OBS 噪声的数据处理方法也是针对这两种噪声,即分别利用水平、垂直噪声数据和压力、垂直噪声数据来计算水平到垂直分量以及压力到垂直分量的传递函数,并分别去除垂直分量上的倾斜噪声与屈服噪声,从而提高垂直分量上地震信号的信噪比,得到更高质量的地震波形。这种方法已被广泛应用于最近的科学实验中(Bellet al,2016;Bowdenet al,2016;Linet al,2016;Ag
15、iuset al,2017;Tian,Ritzwoller,2017;Caiet al,2018;Doran,Laske,2019;Janiszewskiet al,2019)。An 等(2021)的研究表明,OBS 水平分量的低频(0.1Hz)噪声存在一个几乎不变的主导方向,建议通过旋转水平分量数据来有效降低垂直主导方向上的噪声水平。基于上述问题,本文拟利用 20192020 年磐鲲 OBS 南海测试的数据,采用 Bell 等(2015)的方法去除海底地震仪垂直分量上的倾斜噪声,以提高垂直分量上地震波形的信噪比,为海洋地下深部结构反演等研究提供可靠数据基础。1 数据和方法 1.1 数据本文使
16、用 20192020 年磐鲲 OBS 在南海测试(图 1)的数据。磐鲲海底地震仪(OBS)是南方科技大学自主研发的分体式宽频带 OBS,关于 20192020 年南海测试和磐鲲 OBS 更详细的介绍可参考刘丹等(2022)、Wang 等(2022)和Liu等(2023)的文章。在用于测试的 6 台仪器(5 台返回了有效数据,另 1 台也成功回收)中,只有台站 K02产生了明显的倾斜噪声,因此本文的分析是基于台站 K02 在南海深水区(深度为3896m)自 2019 年 10 月至 2020 年 5 月期间的连续 7 个月的观测数据。1.2 方法在海底底流的作用下,OBS 会产生水平方向上的噪声
17、,而如果仪器倾斜,噪声会从水平分量“泄漏”到垂直分量。为了去除倾斜噪声,需要计算水平与垂直分量之间的传递函数。传递函数作为频率的函数显示了从一个分量传递到另一个分量的相移和比例系数。如果传递函数的相移为 0,比例系数为常数且与频率不相关,那么去除倾斜噪声就可以简化为旋转地震计的坐标系,即将垂直分量旋转到重力的方向。然而,传递函数存在频率相关性,因此,使用传递函数去除倾斜噪声的方法更加可靠。另外,OBS 在海底的倾斜特征可能会随着时间发生变化,为了使去除倾斜噪声的效果最优,需要至少每天计算一个传递函数(Bellet al,2015)。114 E11511611711811912012115161
18、718192021N 60004000200002000高程/mK07K06K04K08K03K02吕宋岛西北次海盆台站图1磐鲲 OBS 在南海的测试位置Fig.1TestsitesofPankunOBSsintheSouthChinaSea570地震学报45卷x(t)y(t)x(t)y(t)nGxy(f)可定义本文研究使用 Bell 等(2015)的方法来计算传递函数。这一方法来源于 Bendat 和 Piersol(1986)的理论。假设和均为具有正态分布误差的平稳随机过程(即地震仪记录中的理想噪声数据),将和分解为 个子过程,则互谱密度函数为Gxy(f)1nni1Xi(f)Yi(f),(
19、1)fX(f)Y(f)x(t)y(t)Cxy(f)Qxy(f)式中,为谱频率,和分别为和的傅里叶变换,*表示共轭。将 X 和 Y 分解为实部和虚部,分别定义实部和虚部的互谱密度函数和为:Cxy(f)1nni1(XRYRXIYI),(2)Qxy(f)1nni1(XRYIXIYR).(3)x(t)GxxHxy(f)定义相对于自身的谱密度函数为,则 X 到 Y 的最优线性传递函数为:Hxy(f)Gxy(f)Gxx(f).(4)x(t)y(t)x(t)y(t)x(t)y(t)结合上述内容可以得到描述复传递函数的三个参数,即:增益系数 A,相关性 2和相位。其中,增益系数表示传递函数的振幅;相关性给出了
20、在指定频率与匹配的程度,它是相关系数的平方,表示可以从线性预测出的幂的部分;相位则表示与之间的相移。描述复传递函数的增益系数、相关性和相位三个参数可表示如下:Axy(f)?Gxy(f)?Gxx(f),(5)2xy(f)?Gxy(f)?2Gxx(f)Gyy(f),(6)xy(f)arctanQxy(f)Cxy(f).(7)利用传递函数,可以计算出从水平分量“泄漏”到垂直分量的噪声,从而自垂直分量中去除这部分噪声。在早期的噪声去除方法(Crawford,Webb,2000)中,先后对两个水平分量各自“泄漏”到垂直分量的噪声进行去除。Bell 等(2015)改进了这一方法,首先旋转水平分量以找到与垂
21、直分量具有最大相关性的水平方向,接着利用旋转的水平分量一次性去除垂直分量的倾斜噪声。这种方法在最大相关性的方向上给出了地震计倾斜的物理方向,而倾斜角度可以通过计算倾斜频段上增益系数的反正切得到,并且最大化相关性可以将传递函数中的不确定性降至最低。2 处理过程传递函数量化了两个分量在频域上的增益系数、相关性和相位关系。传递函数的计算依赖于信号平稳的统计特性,因此在计算传递函数前需要剔除地震等瞬变信号。通过在频域上对多个噪声时间窗中计算的增益系数、相关性和相位关系进行平均,可以得到合适的传递函数。选择噪声数据的方法包括:使用较长的时间窗口,使地震等瞬变信号占据较短的时间窗3期吴越楚等:海底地震仪垂
22、直分量倾斜噪声的去除571长度(Yanget al,2012);利用地震目录选择相对没有地震发生的时间窗口(Bellet al,2015);手动挑选时间窗口(Bellet al,2015);利用程序自动剔除含有瞬变信号的窗口(Janiszewskiet al,2019)等。本文采用 Janiszewski 等(2019)的方法选择噪声数据,因为地震目录并不能完全描述OBS 记录中的瞬变信号,例如一些较小的近震不会出现在地震目录上,但它们会对平稳的噪声信号造成干扰。选择噪声数据:首先需去除原始数据的仪器响应,设置时间窗口长度为 7200s,相邻时间窗重叠 30%,基于每天的噪声数据设置阈值以去除
23、能量相对较高的噪声窗口(图 2);然后,利用Bell 等(2015)的方法对水平分量(1 和 2 分量)进行旋转并计算与垂直分量(Z 分量)的相关性,具有最大相关性的水平分量(H 分量)的方向即为地震计倾斜的方向。对每天的数据重复此处理过程,结果如图 3 所示,可以看出,台站 K02地震计的倾斜方向在布设期间一直很稳定,大约在水平分量 1 顺时针旋转 27的方向。OBS 在布设期间的倾斜特征可能会持续变化,对 每 天 的 噪 声 数 据 计 算 传 递 函 数。利 用图 3 中得到的 H 分量计算水平到垂直分量传递函数的增益系数、相关性和相位,过程示例如图 4 所示。为了使处理过程更加严谨,考
24、虑到地震计的频带宽度(100Hz120s),暂不考虑频率低于 0.008Hz 的数据。在相关性最大的倾斜频段(0.0080.01Hz)上,增益系数基本恒定,相移近似为 0,与倾斜效应一致。计算倾斜频段上增益系数的反正切得到倾斜角度,对每天的数据重复此过程即可得到布设期间台站的倾斜特征(图 5)。可以看出,布设初期台站的倾斜角度出现一些小的变化,可能反映了 OBS 在海底软质沉积层中的不均匀沉降。在随00.10.20.30.40.5频率/Hz频率/Hz频率/Hz00.10.20.30.40.500.10.20.30.40.5(a)(b)(c)Z分量1分量2分量012345678t/104 s(d
25、)图22020 年 3 月 18 日垂直(a)和水平(b,c)分量的频谱及噪声时间窗选择(d)图(d)中的方块表示窗口被接受,而方块的缺失(箭头所示)表示窗口未通过基于日平均值设置的阈值Fig.2Spectrogramforthevertical(a)andhorizontal(b,c)components,andthenoisetimewindowsselection(d)on18thMarch,2020Asquareinfig.(d)indicatesthatthewindowisaccepted,whiletheabsenceofasquare(indicatedbythearrow)i
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