用反射地震方法研究物理海洋—地震海洋学简介

书书书 第 卷 第 期地 球 物 理 学 进 展 年 月 页码 用反射地震方法研究物理海洋 地震海洋学简介 宋海斌 董崇志 陈 林 宋 洋 中国科学院地质与地球物理研究所地球深部重点实验室 北京 中国科学院研究生院 北京 摘 要 地震海洋学是通过传统反射地震勘探方法研究物理海洋学的一种新方法 相对于传统的接触式温盐深测量 方法 该方法具有较高的横向分辨率和能快速对整个海水剖面成像等优点 是一种非常有前途的新方法 本文将详细 阐述反射地震方法在探测海洋锋温盐细结构 刻画水团边界 海洋内波 黑潮等方面的研究进展 目前海水层温度差 异主要通过叠加剖面的反射轴振幅计算得到 但是叠加剖面并没有做真振幅处理 为了解决计算过程中的误差 最后 提出在地震海洋学仲利用真振幅偏移结果可以使计算更加合理的设想 关键词 地震海洋学 海洋锋 温盐细微结构 海洋内波 真振幅偏移 中图分类号 文献标识码 文章编号 犚 犲 犳 犾 犲 犮 狋 犻 狅 狀狊 犲 犻 狊 犿 犻 犮犿 犲 狋 犺 狅 犱 狊 犳 狅 狉 狊 狋 狌 犱 狔 犻 狀 犵狆 犺 狔 狊 犻 犮 犪 犾 狅 犮 犲 犪 狀 狅 犵 狉 犪 狆 犺 狔 犐 狀 狋 狉 狅 犱 狌 犮 狋 犻 狅 狀狅 犳 狊 犲 犻 狊 犿 犻 犮狅 犮 犲 犪 狀 狅 犵 狉 犪 狆 犺 狔 犓 犲 狔犔 犪 犫 狅 狉 犪 狅 狋 狅 狉 狔狅 犳狋 犺 犲犈 犪 狉 狋 犺 狊犇 犲 犲 狆犐 狀 狋 犲 狉 犻 狅 狉 犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲 狅 犳犌 犲 狅 犾 狅 犵 狔犪 狀 犱犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊 犻 犮 狊 犆 犺 犻 狀 犲 狊 犲犃 犮 犪 犱 犲 犿 狔狅 犳犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲 犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 犆 犺 犻 狀 犪 犌 狉 犪 犱 狌 犪 狋 犲犛 犮 犺 狅 狅 犾 狅 犳犆 犺 犻 狀 犲 狊 犲犃 犮 犪 犱 犲 犿 狔狅 犳犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲 犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 犆 犺 犻 狀 犪 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊 收稿日期 修回日期 基金项目 国家基础研究发展规划项目 和欧盟项目 联合资助 作者简介 宋海斌 年于同济大学海洋地质与地球物理系获理学博士学位 主要从事海洋地球物理研究 引 言 全球环境变化日益受到联合国 各国政府和科 学家的极大关注 广阔的全球海洋变化则是全球环 境变化的重要组成部分 海水温盐结构是物理海洋 学研究的重要内容 基于海水层温度和盐度的时间 空间分布 可以研究海水层的精细结构 中尺度涡 旋 海洋锋 侵入 海洋内波的形成等物理海洋学现 象 这些现象的研究对全球环境变化分析 海洋交通 运输 海洋军事活动 海水中营养物质的输送及鱼类 分布的认识等具有重要作用 因此 对海水温盐结构 的探测和研究从海洋学诞生起就得到海洋科学家的 极大重视 现代广泛采用的温盐测量方法如 抛弃 式温度测量仪 温盐深测量仪 和 抛 弃式温盐深测量仪 所获数据具有较高的垂直分辨 率 其垂直采样间隔可小于 但是由于条件限 制 这些测量的横向采样间隔往往很大 并且无法在 期 宋海斌 等 用反射地震方法研究物理海洋 地震海洋学简介 短时间内采集到整个海洋深度的温盐数据 年 等成功的利用反射地震方法得到了海 水的地震叠加剖面 进而揭示了海洋锋处的温盐细 结构 该方法被称为 地震海洋方法 它具有较高 的横向分辨率 是研究物理海洋学的新手段 具有广 阔的发展前景 对温盐环流系统的反射地震研究是近期的事 情 自 年 等在 发表温盐细结 构研究的一篇论文后 众多国家的海洋地球物理学 家和物理海洋学家开始在这一研究方向开展工作 年 月欧盟启动大型研究项目 地球物理海洋 学 表明地震海洋学正在蓬勃发展 该项目集中了 个国家的科学家 以 湾为试验区 通过反射地 震和物理海洋的联合观测 期望建立地震海洋学研 究的校正数据集 推动地中海溢流与大西洋海水相 互作用的关系研究以及地震海洋学的发展 我们自 年开始在该方向开展工作 主要研究区包括 岸外大陆边缘 湾 南海和台湾邻近海 域 取得了初步的成果 地震海洋学研究现状 年 等 在 发表有关反 射地震方法应用于海水温盐细结构研究的论文 该 研究对横跨 北大西洋洋流 的三条反射地震 测线进行了数据处理 获得了揭示海水层细结构的 地震叠加剖面 并利用反射系数推算出了海水层之 间的温度差异 估算其温度分辨率为 还对叠 加剖面进行分析 发现 北大西洋洋流 和 拉布拉多寒流 海洋锋处海水混合及交换过程所表 现的细结构 并发现了至少 种反射层类型 之 后 等对挪威海一条剖面进行反射地震成像 结合 个测点的 数据和 个测点的 数据 研究表明地震叠加剖面和温度剖面有很好的 一致性 指出低频反射地震技术能够探测温度小到 的细微结构 对水团 大西洋暖流和挪威海深 层冷水 边界也有很好的刻画 等 对位于日本四国 半岛附近的黑潮进行了研 究 等利用叠加剖面对挪威海进行了内 波研究 并计算了水平波数能量谱 利用反射地震勘探方法研究海洋锋处的温盐 细结构 年 等成功地利用常规海洋反射 地震勘探方法对纽芬兰大滩附近的北大西洋海水温 盐细结构进行了研究 海面温度 测量显示该 海域存在着 拉布拉多洋流 与 相汇形成 的海洋锋 该处水团之间存在着强烈的热盐侵入和 因速度剪切引起的湍流 温盐细结构非常发育 在此次海洋反射地震勘探中 震源采用 个气 枪组成的子阵列 大小为 接收拖缆长 道间距为 信号的采样间隔为 频率 范围为 峰值频率为 数据处理采 用与常规反射地震勘探类似的方法 包括直达波去 除 速度分析 滤波以及共中心点叠加 最后得到了 令人惊奇的反映海水细结构的地震叠加剖面 图 是测线 的叠加剖面和叠加速度剖面 从 曲线可以看出 在 号为 的海面温度有 约 的跳跃 这里便是 和 形成的海洋 锋 常规低频海洋反射地震技术能够对海洋锋处的 温盐细结构进行精细成像 只要海水层厚度不小于 横向连续几百米以上 它就能很好的用于遥测 温盐细结构 与传统接触式测量技术相比 低频海洋 反射地震技术存在着明显的优点 包括高的横向分 辨率 道间距 短时间内对整个海洋剖面进 行成像和能够得出反映细结构的三维或时移图像 这种方法突破了传统测量方法在时空分辨率上的限 制 为研究物理海洋过程增添了非常有前途的新方 法 利用反射地震勘探方法刻画水团边界 年 等结合稠密 的温盐深测量 对挪威海水团边界进行了地震海洋 学研究 震源信号由 个 气枪组成的子阵列产 生 炮间距为 接收拖缆共 道 长 信号的采样间隔为 频率范围为 主频为 在地震反射信号采集的同时 用 个 和 个 抛弃式测量仪以平均 的水平空间间隔对海水进行了温盐深性质的测 量 其 研 究 区 域 的 海 水 主 要 由 北 大 西 洋 暖 流 和挪威海底层冷水 组成 图 为研究区的地震叠加剖面和海水温度分布 图 可以看出 叠加剖面和温度分布具有很好的一致 性 叠加剖面显示的反射体类型和 测 量的水团结构相吻合 在两个水团之间的边界对应 着强烈的地震反射 地 球 物 理 学 进 展 卷 图 顶图表示叠加速度 它近似于声波的均方根速度 其中暖色代表高速 最大速度约为 冷色代表低速 最小速度约为 黑线为 曲线 底图是测线 的叠加时间剖面 图像的垂直尺度扩大了 倍 左下图为剖面小方框部分的放大显示 图 叠覆温度数据的地震剖面图 其中灰色代表温度 黑色代表地震数据 细的实线代表等温线 间隔为 剖面上部的星号和圆圈号分别代表 和 的位置 最上部 的地震剖 面因直达波干扰而被切除 但是在约 深度上气泡脉冲仍然可见 期 宋海斌 等 用反射地震方法研究物理海洋 地震海洋学简介 图 叠加剖面与温度差异的一致性 为了更好的比较温度细微结构和反射层的对应 关系 等 采 用 了 波 数 范 围 从 到 波数的梯形高通滤波器对温度数据进行滤 波 滤波后的温度数据去除了大于地震信号主波长 的信息 剩余短波长的温度细微结构与地震剖面的 反射层相吻合 图 地震振幅的正极值 负极值 分别与温度的急剧增加 减小相对应 剖面显 示温度细结构的垂直间隔为 滤波后的 数据能够揭示温度差异大到 的细结 构 但是大多数细结构的温差要小于这个值 在 到 深的海深 一些值得注意的低振幅反射 层对应着很小的温度变化 例如 深的反射层 对应的温度变化只有 说明反射地震勘探在 探测海水细微结构的温度差异上 可以有小到 的灵敏度 反射地震勘探方法不仅能够揭示海 洋锋处的温盐细微结构 还能够很好的刻画水团边 界 等的研究证实了反射地震剖面能够分辨 温度差异小到 的海水细微结构 而且为我们 提供了一个刻画水团边界温盐细结构的新方法 利用反射地震勘探方法研究黑潮的细结构 年 等对 年 月在日本 四国 半岛附近采集的 条平行测线 间隔 的地震数据进行了二维地震处理研究 等把 条地震剖面看作是同一剖面 认为各 地震剖面反映的温盐结构差异不是因为测线位置不 同而是时间不同造成 经过对每个测线的叠后时间 偏移剖面的对比研究 发现它们的形态结构非常类 似 并得出结论这些温盐细结构能够稳定持续至少 地 球 物 理 学 进 展 卷 天的时间 他们还用 半岛附近 年 月观测的 数据以及经验公式 推算出海水的 密度和声波波速 进一步计算出它的反射系数 反射 系数与 的 子波褶积 得出了观测点海 水的合成地震图 如图 与偏移剖面对比 结果发 现这两者很相似 图 利用 数据计算理论地震图 图 上图为测线 的叠加剖面 灰线代表 测量的温度曲线 下图 在对应位置测量的散射强度图 期 宋海斌 等 用反射地震方法研究物理海洋 地震海洋学简介 图 测量的温度曲线 左 测量的流速剖面 中 和地震叠加剖面 右 的对比 等 在 年对黑潮延伸处的 海洋锋进行了反射地震和物理海洋的联合勘探 较 前人的不同是 在反射的地震勘探中 他们在其中一 条测线 共两条测线 分别采用了三种不同大小的气 枪 和 来激发震源 在物理海洋探测 中 不仅用 和 测量了研究区域的温盐 深性质 还利用 多普勒海流剖面仪 和 抛弃式海流剖面仪 对此区域的海流状况进行了观 测 图 是测线 的叠加剖面 气枪大小为 和 测量的散射强度图 等认为 强度图和地震叠加剖面的差别主要是由于声 源的频率不同造成 前者为 而后者小于 频率不同将导致空间分辨率 信号的衰减和对 细结构的灵敏度的不同 方法对散射体 如浮 游生物等 非常敏感 而地震叠加剖面则反映海水波 阻抗的变化 强度图并不能代表海水的温盐 细结构 而是反映由不同水团中的浮游生物和悬浮 物质形成的密度变化 图 是对 测量的温度 测量的海流 方向和叠加剖面的比较 显示在深度 以上的 海水主要向北运动 而这以下的海水主要向南运动 等认为海流方向的极性变化在叠加 剖面上对应于黑潮暖水团和亲潮冷水团的边界 在 这种边界 两种水团的交错混合将是海水温盐细结 构形成的重要原因 等还对三种不同 气枪的地震叠加剖面进行了比较 发现它们非常相 似 但是由于震源的能量和产生信号的波形不同造 成剖面的细节稍微有些差别 例如 的气枪能产 生能量较大的地震信号 可以刻画较小的波阻抗变 化 但是大振幅的气泡脉冲降低了数据的信噪比 而 另一方面 的气枪只能产生能量较小地震信 号 但是有助于研究被气泡脉冲干扰的海水温盐结 构的细节 利用反射波同相轴的起伏变化研究海洋内波 年 等 对挪威海两条地震测线 测线 的叠加剖面进行了研究分析 发现剖 面上所有反射波同相轴都存在着波长从几十米到几 千米 振幅几十米的类似正弦波的轻微波动 排除了 其它可能性之后 他们认为这种波动是由周围内波 场引起的细结构变形 等提取出基本上平 行于温跃层的部分反射波同相轴 对其起伏变化进 行分析处理 计算出了内波的水平波数能量谱 结果 地 球 物 理 学 进 展 卷 显示与内波 模型谱很吻合 如图 并进一 步揭示在靠近陆坡的地方 内波能量较大 在远离陆 坡的地方 由于能量谱进入湍流惯性副区 谱斜率发 生了变化 近似为 与经典的 湍流理论 局地均匀各向同性湍流统计理论 相一致 这样便 证明了反 射地震方 法能够 定 量 遥 测 海 洋 的 内 波 场 利用犃 犞 犗技术研究海水的物性差异 技术通过分 析研究振幅随偏移距的变化规律 揭示地层之间的 物性差异 方程定量的给出了反射系数与 入射角 界面上下纵 横波速速度以及密度的关系 由于地震的横波不能在液体中传播 所以方程可得 到很大简化 图 内波的水平波数能量谱 图 处的 响应 其中黑实线代表反射系数随入射角的观测曲线 黑虚线代表经 平滑的观测曲线 蓝虚线代表在不同声速差异和最佳拟合密度下 利用 方程计算的一系列 理论曲线 红实线代表最佳拟合曲线 即预测曲线 不同声速差异和密度差异下 经平滑的观测 曲线和预测曲线的 范数误差 是 处与 分别对应的曲线 期 宋海斌 等 用反射地震方法研究物理海洋 地震海洋学简介 年 和 对挪威海地震 数据的两个 道集 如图 进行了 分析 对预测曲线和观测曲线进行比较 选取最佳拟合曲 线所对应的海水声速差异 利用声速的经验关系最 终求 取 出 了 海 水 层 的 温 度 差 异 计 算 结 果 显 示 道集上 深度位于 的声速差异为 温度差异为 道集上 深度位于 的 声速差异为 温度差 异为 而 在两个对应点测量的温度 差异值分别为 和 与 方法预测 的温度差异非常吻合 这说明 技术是研究海 水温度差异精确而有力的工具 研究展望 年欧盟设立 地球物理海洋学 大型研究 项目 组织 个国家的海洋地球物理学家和物理海 洋学家共同开展用地球物理方法研究海洋的工作 期望到 年项目结束时欧盟在该新学科建设方 面超过美国 达到领先水平 该项目的启动表明地球 物理方法即将成为全球海洋变化与物理海洋学研究 的重要手段之一 我们自 年 月进入该研究领 域 获得了地中海溢流形成的中尺度涡精美图像 发 现了南海东北部内波发育 大陆边缘有的中 尺度涡旋带有旋转臂等现象 值得指出的是 现有地震海洋学研究均没有考 虑真振幅处理成像 无法恢复反射信号在水下的原 始振幅 根据反射波振幅大小来推算海水层的温度 差异必然存在误差 近年 张宇 张关泉等进行了一 系列振 幅保 真的单 程波方 程 偏 移 理 论 和 算 法 研 究 如果对海水