主动源海底地震仪记录数据的时间问题及原因分析.pdf
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1、白琨琳,范朝焰,万奎元,张成龙,夏少红.2023.主动源海底地震仪记录数据的时间问题及原因分析.地震学报,45(3):550567.doi:10.11939/jass.20220206.BaiKL,FanCY,WanKY,ZhangCL,XiaSH.2023.Timeproblemsofrecordeddatainartificialsourceoceanbottomseismometerexplorationandcauseanalyses.Acta Seismologica Sinica,45(3):550567.doi:10.11939/jass.20220206.主动源海底地震仪记录数
2、据的时间问题及原因分析*白琨琳1,3)范朝焰1,2)万奎元1,2)张成龙1,3)夏少红1,2),1)中国广州510301中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室,中国科学院南海海洋研究所2)中国广州511458南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)3)中国北京100049中国科学院大学摘要简要概括了国产主动源海底地震仪(OBS)数据处理中常见的时间异常现象,以 OBS2020-1测线的实际处理为主并结合了 OBS 处理中对数据异常校正取得的部分进展为实例,通过检查数据记录格式、计算相邻数据文件间的时间差、对比不同处理方法所得剖面、分析初始时间和采样时间是否异常、使用数据重采样等手段,对 OBS 时
3、间异常问题进行了分类处理和校正。分析显示,国产 OBS 在数据记录中普遍存在的时间问题大部分均能解决,通过本文提供的方法可以避免处理不当所导致的 OBS 地震剖面出现同相轴“断阶”、“倾斜”,甚至“缺失”等现象,确保了有效震相的完整性,有效解决了 OBS 数据时间异常问题,提高了数据的质量和利用率,为后续开展走时层析成像奠定了良好的基础,并为今后主动源 OBS 数据处理流程和方法提供了借鉴。关键词 海底地震仪(OBS)时间异常震相采样间隔数据处理doi:10.11939/jass.20220206中图分类号:P315.3+1文献标识码:ATime problems of recorded da
4、ta in artificial source oceanbottom seismometer exploration and cause analysesBaiKunlin1,3)FanChaoyan1,2)WanKuiyuan1,2)ZhangChenglong1,3)XiaShaohong1,2),1)CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology,South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510301,China2)
5、Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Guangzhou),Guangzhou 511458,China3)University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,ChinaAbstract:Artificialsourceseismicexplorationbasedonoceanbottomseismometer(OBS)isoneofthemosteffectivemethodstostudythestructureofcrustandmantle
6、,theseismogenicstructureandthesubmarinemineralresources.Inmodelingvelocitystructure,theprecisetime*基金项目国家自然科学基金(42076071)、广东省特支计划本土创新创业团队项目(2019BT02H594)和国家自然科学基金委共享航次项目(NORC2020-08)共同资助.收稿日期2022-11-05 收到初稿,2023-02-20 决定采用修改稿.作者简介白琨琳,在读博士研究生,主要从事海洋地球物理主动源海底地震仪地震探测方面的研究,e-mail:;夏少红,研究员,主要从事海洋地球物理与深部构
7、造等方面的研究,e-mail:第45卷第3期地震学报Vol.45,No.32023年5月(550567)ACTASEISMOLOGICASINICAMay,2023measurementsofrecordeddatabyOBSarethekeytoensurethereliabilityofvelocitystructure.However,inpracticalwork,OBSplacedattheseafloordirectly,whichisunabletoacquireaccuratetimewiththesatellitenavigationsystemintime,leadstot
8、imeerroroftherecordeddata,anditsoscillationfrequencyofthequartziseasilyaffectedbytemperature,pressure,instrumentproperties,etc.Therefore,itisnecessarytoanalyzethereasonsofclockerrorsintheprocessofdataprocessingtoobtaintheexacttime.ThecommontimeerrorsinChineseartificialsourceOBSsdataprocessingwerebri
9、eflysummarizedinthisstudy,focusingontheprocessingofprofileOBS2020-1andcombiningtheotherpreviouscorrectionexamples.OBStimeproblemswereclassifiedandcorrectedthroughcheckingthedatarecordformat,calculat-ingthetimeerrorbetweentheadjacentdatafiles,comparingthedifferenceofprofilesobtainedby different proce
10、ssing methods,analyzing whether the initial time and sampling time areabnormal,usingresampleandothermethods.TheanalysisshowsthatmostofthetimeerrorscommonlyexistinginthedatarecordsofChineseOBScanbesolved,andthemethodprovidedinthispapercanavoid“stair”,“incline”,even“missing”oftheeventsinOBSseismicpro-
11、filescausedbyimproperhandling.Itensurestheintegrityoftheeffectiveseismicphase,andeffectivelysolvestheproblemoftimeerrorofOBSdatatoimprovethequalityandutilizationofdata.Thisstudyestablishesagoodfoundationfortraveltimetomography,andprovidesarefer-encefortheprocessingprocessandmethodsofartificialsource
12、OBSinthefuture.Key words:oceanbottom seismometer (OBS);time error;seismic phase;sampling inter-val;dataprocessing 引言海底地震仪(oceanbottomseismometer,缩写为 OBS)深地震探测一直广泛应用于海底之下的速度结构研究,从单分量海底水听器(oceanbottomhydrophone,缩写为 OBH)到现在普遍使用的四分量 OBS,海底地震仪探测技术在近三十年来获得迅速发展(游庆瑜等,2003;阮爱国等,2004,2009;李江等,2010;丘学林等,2012;赵
13、明辉等,2018)。OBS 与传统的海上拖缆相比,其接收范围更广,能够获得来自地壳深部更丰富的广角反射波、折射波以及各种模式的转换波,有利于对深部地壳结构甚至上地幔顶部速度结构进行模拟,在海底深地震探测和研究中发挥了关键的作用(赵明辉等,2007;阮爱国等,2010;Zhaoet al,2010;郝天珧,游庆瑜,2011;Wenet al,2021)。以 OBS 为技术手段的研究也越来越多地应用于主动源地震探测以及天然地震、环境噪声观测中,并且近年来还在海洋油气、天然气水合物探测以及认识海底火山和岩浆、地震活动及地质灾害研究中发挥着至关重要的作用(刘丽华等,2012;刘晨光等,2014;张光学
14、等,2014;夏少红等,2016;Fanet al,2017;Xiaet al,2018;Linet al,2022;Zhanget al,2023)。OBS 记录数据的准确与否会直接影响后期数据处理结果的可靠性,而数据记录格式和数据记录时间异常都可能会导致 OBS 数据处理过程中出现数据时间错误、无法正常读取和使用的情况(王强等,2016;张佳政等,2018)。其中,数据记录格式是否存在问题可以通过检查 OBS 台站头段数据的相关参数和配置文件来确定。在国产主动源 OBS 仪器的使用过程中经常发现其数据记录存在时间异常的问题,主要分为与十六进制文件名相关的初始时间异常以及与采样率、采样间隔相
15、关的采样时间异常和采集器工作异常。以往的国内外研究大多是针对单一异常原因进行分析和处理,且国外大多以背景噪声互相关方法来验证被动源 OBS3期白琨琳等:主动源海底地震仪记录数据的时间问题及原因分析551的时间异常;国内对不同的时间异常和现象讨论较多,且大多数讨论均以国产主动源 OBS为主(Leet al,2018;Liuet al,2018;张浩宇等,2019;Lovikneset al,2020;Tianet al,2021)。无论是国产 OBS 还是其它国家生产的 OBS,其工作原理大致相同,在数据记录过程中均会有台站产生时间异常的情形,并且有些异常是相似的(Shariat-Panahie
16、t al,2009;李江等,2010;郝天珧,游庆瑜,2011;牛雄伟等,2014)。由于此前对多类时间异常及原因进行综合分析的研究较少,本文拟针对实际数据处理中所遇到的 OBS 时间异常现象,采用文件时间间隙对比的办法和不同的处理方式分析时间异常产生的原因,并对时间异常进行精确校正。同时,对 OBS 的各种异常进行系统的分析和归类,并在此基础上总结各类 OBS 数据异常产生的原因及现象,以改进并完善地震剖面的处理结果,为开展海底结构走时成像提供准确数据奠定基础。1 数据来源与数据异常现象 1.1 OBS2020-1 测线背景为了探明南海中沙海槽的深部地壳结构特征,2020 年 6 月中国科学
17、院南海海洋研究所依托于“实验 2 号”地球物理调查船在南海西北部陆缘西沙中沙海域开展了地球物理共享航次,获得了主动源 OBS2020-1 测线(图 1)的二维地震探测数据。该测线长约 300km,沿该测线共布设了 30 台四分量 OBS,最终成功回收 28 台(其中 27 台数据有效)。OBS 台站间距约为 9km,采样间隔为 4ms 或 10ms。人工地震震源为 4 支大容量 Bolt 气枪组合成的枪阵,工作压力为 2000psi(约 13.79MPa),总容量达 6000in3(约 98.3L),气枪沉放于水下约 10m处,总计放炮 1443 炮。放炮时段为 2020年 6 月 9 日至
18、11 日,放炮时间间隔为 90s,炮间距约为 180230m,并随船同时采集了一条单道反射地震剖面。成功回收的OBS 记录数据质量较好,大部分台站都记录到了丰富的震相。1.2 数据异常情况描述本航次所使用的 OBS 具体型号和各类异常如表 1 所示,通过原始数据解编、放炮窗口裁剪、折合共接收点剖面绘制等初步数据处理后发现,有部分台站(如 OBS27,OBS18)无法识别有效震相,也有部分台站(如 OBS07)存在数据异常而产生明显“断阶”现象,还有部分台站(如 OBS12)经过进一步处理后在地震剖面中出现震相“缺失”与异常“倾斜”现象。上述 OBS 数据异常会导致时距曲线不准确,直接影响走时层
19、析成像的结果。因此,分析与解决 OBS数据记录中存在的异常现象至关重要,以此确保 OBS 时间记录的准确性,从而最终14151618N 111 E1121131141151730003000OBS01OBS05OBS10OBS15OBS20OBS25OBS30OBS20201 测线西沙群岛中沙海台中沙海槽图1OBS2020-1 地震测线分布及区域位置图红线为放炮测线,绿色圆圈为成功回收且数据质量好的OBS 站点,灰色圆圈为丢失或无数据的 OBS 站点Fig.1OBS2020-1seismiclinedistributionandstudiedareaTheredlineistheshootin
20、gline,greencirclesareOBSstationsthataresuccessfulrecoveryandhavegooddataquality,andgraycirclesareOBSstationswithlostorwithoutdata552地震学报45卷得到可靠的速度结构模型。2 数据异常现象分析与处理OBS 出现数据异常往往与数据记录格式或数据记录时间出错有关(王伟巍等,2013),故需逐一对其分析排查,找到异常的根源才便于有效地开展校正工作(王强等,2016;张佳政等,2018;张浩宇等,2019;金震等,2020;李军等,2020)。将 OBS2020-1 测线数
21、据经初步处理后,发现既有类似数据记录格式出错的台站,也有数据记录时间存在问题的台站,这里将以具体台站为例对具体异常现象进行分析和处理。2.1 数据记录格式检查与问题处理本次试验使用的每台 OBS 内存盘中都包含两个配置文件和若干数据记录文件,其中:表1OBS2020-1 测线主动源海底地震仪仪器参数及数据记录异常分类表Table1ClassificationofartificialsourceOBSinstrumentparametersanddatarecordanomaliesforLineOBS2020-1台站球号异常类型(均包含采样时间异常)相邻文件间的时间异常范围/s现象OBS13A
22、37固定采样率(250sps)0.0200.021使用错误采样率造成,无法显示有效震相(例如图2)OBS20B29固定采样率(250sps)0.0170.019OBS27B40固定采样率(250sps)0.0200.021OBS11A35固定采样率(250sps)0.019授时异常提前0.731处理不当造成震相“缺失”或异常“倾斜”(例如图4和图6)OBS18K82授时异常0.0380.042提前0.899OBS01L940.0170.023震相清晰连续处的近偏移距可观察到小“断阶”(例如图7和图8)OBS03L260.0170.023OBS04L160.0230.030OBS06L960.0
23、380.040OBS07N20010.0830.090OBS08H560.0350.040OBS09L450.0140.019OBS10L85-10.0130.018OBS14B20-0400.006OBS15L310.0120.019OBS16S11new0.0310.037OBS17L990.0120.018OBS19L700.0430.050OBS21L850.0220.027OBS22L370.0010.007OBS24L230.0060.011OBS25B20-010.0520.057OBS28S130.0630.068OBS29L980.0210.027OBS30L950.0270
24、.032OBS12MIC002采集器暂停工作0.0240.028暂停8.984处理不当造成震相“缺失”或异常“倾斜”(例如图9和图10)OBS26L27-故障,仅一个文件-3期白琨琳等:主动源海底地震仪记录数据的时间问题及原因分析553config.lst 配置文件记录此台 OBS 的仪器编号和预设采样率等信息;DATAFILE.LST 配置文件主要记录 OBS 对钟时间和每个文件记录第一个采样点的时间,最后一列也记录此台 OBS 的预设采样率;每个 OBS 数据记录文件本身的命名就是以它所记录的第一个数据点的时间按照十六进制换算得到,小数点前八位是这个文件起始记录的年、月、日、时、分、秒,后
25、三位数字则是毫秒,如 5192D636.5B2 代表 2020 年 6 月 9 日 13:24:54.042。DATAFILE.LST 文件中记录的文件起始时间较按照文件名转换得到的时间精度要高一位。实采数据经过初步处理后发现,OBS11 和 OBS27 不能辨别出有效震相,其中 OBS27 单台地震剖面如图 2a 所示,检查数据记录文件中的采样点个数(1048 万 5760)正常、文件的大小(122880kB)正常,将原始数据转换成 SAC(seismicanalysiscode)格式时也未出现异常。在检查 SAC 格式数据的波形时可观测到有规律的气枪放炮信号,但每炮之间的时间间隔约为225
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