南海中央次海盆obs探测位置校正

南海中央次海盆obs探测位置校正

南海是中国通往海洋的重要大门。OBS位置校正是获取深部地震结构的关键工作（1南海中央次海盆三维海底地震仪探测实验2011年5～6月，由中国科学院南海海洋研究所、国家海洋局第二海洋研究所、广东省地震局和广州海洋地质调查局等合作单位组成的科研调查队，利用“实验2号”船，在大容量气枪枪阵布设与激发作业下，顺利完成了南海中央次海盆大规模的三维海底地震仪探测实验．实验中使用了42台OBS，其中，国产7通道宽频带的I-7C型单球OBS有32台（图1b），其频带为60～50Hz，动态范围大于120dB，整体功耗小于0.3W（震源系统由4支大容量1500L型号的BOLT气枪组成，单枪容量2.46×102海盆三维obs位置校正自由落体投放的OBS由于受到海流、海风等因素影响，其落点位置会在一定范围内偏离设计落点．为了获取高精度的震相特征，OBS位置校正成为数据处理中最重要的基础工作之一．一定要确保从原始数据转换到SEGY格式数据的可靠性，这是因为OBS位置校正结果的好坏很大程度上决定于各SE-GY格式数据中显示的直达水波走时信息．在进行OBS位置校正之前，首先需要整理以下数据及参数：（1)OBS投放点坐标．一般地，在海流、海风作用下，OBS在投放和回收阶段都存在一定程度地偏离，但回收点坐标还受到上浮与寻找时间的影响，因此将投放点坐标作为位置校正的初始值．（2）精确的水深数据．本次校正采用30分重力水深数据，以获取OBS所在位置的水深值．（3）放炮时间及炮点精确位置．由于实验中气枪震源位于定位GPS天线后面47m，海面下10m．所以炮点位置要做相应的校正（上述准备工作完成后，采用Matlab语言编写了位置校正程序，OBS位置校正（图2）主要分为以下几个步骤：(1）拾取每个台站SEGY地震记录中的直达水波走时信息，包括r其中，q进一步推导可得：反演得到的水波速度V(2）蒙特卡罗方法（MonteCarolMethod）搜索残差最小的OBS位置．利用服从标准正态分布的数万个随机点模拟，OBS在海底自由降落过程中可能到达的位置，根据OBS设计点与回收点位置关系，估计海流造成OBS最大偏移距约为2km，以OBS投放点为中心，以3km为搜索半径圈定OBS可能着落的范围F（图4a）．计算F范围内每一个蒙特卡罗点（MCpoint）与炮点之间的直达水波走时曲线，同时计算其与观测走时之间的均方根残差RMS(RootMeanSquare）．最后找到RMS最小值所对应的经纬度坐标，即为真实落点．(3）利用精确的水深数据进行深度控制．利用蒙特卡罗法搜索出最小RMS坐标点后，在水深网格数据中找到距校正后位置最近的坐标点的水深值，再以校正后的位置作为搜索初值进行步骤（2），直到计算结果满足精度要求，最终获得OBS的经纬度坐标及深度．下面以OBS05台站为例说明．图4b显示了蒙特卡罗法生成的所有随机点的走时残差，残差分布在以校正后的落点为圆心，收敛于搜索半径3km的圆内，未出现个别发散点或畸形点（图4b）．经过多次重复搜索，每次按标准正态分布随机生成10000个点（图4a），最终得到OBS05校正后的经纬度坐标（116.91243°E,15.12553°N），水深值为4274.6m．位置校正后，理论计算走时与观测绝对走时与之间的差异较小（图4c,4d）．同时比对校正前后该台站直达水波走时曲线特征（图4e,4f），校正前，直达水波折合走时曲线不对称（图4e），校正后的直达水波走时曲线显示了较好的对称性（图4f），说明校正后的位置更接近于OBS的实际落点．OBS05台站位置校正结果中走时残差的均方根RMS在10ms以内（图4d），这样的精度保证了此次实验后期模型工作的顺利进行．在对南海中央次海盆三维地震探测数据处理基础上，运用相同方法与程序，共完成了39台OBS的位置校正（图5），从位置校正结果（表1）可以看出：利用交叉测线的直达水波信息对OBS位置进行校正的方法，对于大部分偏离不大或两条测线上声速反演结果相差不大的OBS台站是有效且准确的；OBS经过位置校正后得到的落点，其理论走时与观测数据的绝对走时之间的残差RMS较小，只有少数台站（OBS29和OBS30）因复杂地形影响，走时残差较大，而大部分OBS校正计算的RMS值均稳定在30ms以内（表1）．理论上讲，当RMS值趋近零时才能更好地说明位置校正的准确性，但分析全局搜索中反演海水声速V蒙特卡罗算法不仅本身计算精度高，并且其计算结果也是非常稳定的．表2给出了对OBS05和OBS21两个台站重复校正试验的结果．统计数据显示不仅校正后位置点的坐标很稳定，其最小走时残差也稳定在毫秒级．该结果说明了本文运用的校正方法所得到的最小残差对应的OBS位置不是随机或者偶然的点，方法本身具有较高准确度．南海中央次海盆三维地震探测实验中，39个OBS台站的位置校正结果（图5）展示了校正后的台站位置与实验投放点间的关系，其中第32和33台站没有数据下载，第36台OBS丢失，图5中未标示这些投放点坐标．通过该结果与2010年完成的西南印度洋中脊实验A区的OBS位置校正（3珍贝-麻黄的震相初步识别位置校正后，重新转换SEGY格式数据，绘制各OBS台站综合地震记录剖面图（一定范围内滞后于Pg震相，属于后至震相．在平行于珍贝-黄岩海山链的地震剖面中（图6a,6b),OBS05台站位于剖面中间位置（图6a），东西两侧各分布珍贝海山与黄岩海山（A4M4测线），初至震相的视速度随偏移距增加而变大，在地震波经过海山处（偏移距离-40km,30km），主要是由于地形凸起，地震波在水中传播的走时减少，走时大幅度减少；测线中的左半支-20～-40km和右半支20～50km仍可追踪到来自海山下面、深达Moho面的折射震相Pn（图6a），而来自Moho面的反射震相PmP不是很清楚，需要进一步确认．另一个台站，OBS31台站位于A4M4测线最东端的台站（图5），其综合地震记录剖面（图6b）显示，其左半支震相发育较好，在偏移距-5～-50km可连续追踪到Pg震相，在-20～-30km处由于黄岩海山影响，Pg震相呈现上拱状态；在偏移距-55～-70km可追踪Pn震相，在偏移距-40～-60km可能有PmP震相，根据Pg、Pn与PmP震相之间的关系，初步估算OBS31与OBS05台站之间黄岩海山下方（OBS29处）的地壳厚度约为8km（按偏移距50km、地壳平均速度6.0km/s计算），属于偏厚的洋壳．在垂直于珍贝-黄岩海山链的两条地震剖面中（图6c,6d），即G0G8与L0L8测线，均横穿残余扩张脊，反映了较为相似的深部结构信息．OBS05台站测线G0G8地震剖面（图6c）显示，北侧地形高于南侧，走时偏快，左半支-6～-60km与右半支5～35km范围内能连续追踪到清晰的Pg震相，右半支35～50km能追踪到Pn震相，另外，其左右半支分别在-5～15km和15～25km处出现PmP震相，说明PmP震相下方的洋壳厚度较薄，估计为4km.OBS31台站L0L8测线记录剖面（图6d）上，台站两侧地形高差相近，两侧震相较为对称，在偏移距-10～-30km和10～40km范围可追踪到Pg震相，在左半支-30～-40km可追踪Pn震相，只是台站下方由于黄岩海山的影响，该剖面的直达水波震相有些模糊；所有这些震相均需要在今后地震结构射线追踪模拟中开展进一步地识别与确认．4位置校正结果OBS探测实验是研究深部地震结构的有力手段，OBS的精确位置是关键参数之一，是后期地震模型研究与分析的基础．本文完成了南海中央次海盆OBS探测实验中39个OBS台站的位置校正工作，同时对海盆内珍贝-黄岩岛火山链下的地震震相进行了初步识别与分析，综合以上工作得到以下两点结论：(1）位置校正结果表明，综合蒙特卡罗法，利用经OBS的交叉测线直达水波信息对其位置进行校正的方法，对于多数OBS台站是有效而准确的，其精度一般稳定于30ms以内，取平均水速为1.5km/s计算，位置校正误差在45m以内；只有少数台站（OBS29,OBS30）因地形复杂或信号记录因素导致残差较大．(2）在垂直与平行于珍贝-黄岩海山链的4条综合地震记录剖面中，均识别出多组清晰可靠的来自地壳深部的P波震相，说明此次实