地球物理学在海洋中的应用(共13页)

1、OBS勘探(kntn)技术姓名(xngmng)：何勇 中国(zhn u)海洋大学 摘要： OBS 作为广角地震的一种，与海洋调查中用到的其它地震方法的显著区别和优势在于它实现了地震波的海底接收，这样就避免地层返回来的地震波能量在海水中的大量吸收和衰减，并可同时记录来自海底反射层中的地震纵波、横波及其转换波信息，且海底噪音相对较少，大大提高了数据的信噪比，减少了反演结果的多解性。OBS探测技术联合三维地震勘探，对天然气水合物本文主要介绍OBS的工作原理、野外工作方法和数据处理流程。关键词：海底探测仪 多波勘探一 、OBS 简介海底地震仪（Ocean Bottom Seismometer，OBS）

2、是将检波器直接放置在海底的一种地震观测系统，既可用于天然地震的观测(长周期或宽频带)，也可用于人工地震剖面探测(短周期)，是研究边缘海和大洋深部结构的有效手段。 图2 海底地震仪结构图海底地震勘探:先将OBS等仪器投放到确定好的待测海底，利用人工方法在海水表面激发的波动在海水中和海底岩层中传播的规律（速度），来确定海底构造及岩层的分层状况特征等，研究地下地质问题；主要研究海底地形构造、大洋中脊等，并可为寻找油气及其他矿物资源提供服务。 OBS 进行的研究一般是广角地震，是大面积大范围的研究，所以对于寻找油气及其他矿物不是很方便，但是放置密集点仍旧可以进行小范围，较薄岩层的划分。OBS主体部分包

3、括由一个三分量地震仪和一个深海水听器组成的传感器、一台数字化记录器、一个声学应答释放器，外加无线电发射器、闪光灯、罗经和压力表。辅助设备包括释放器的甲板单元和传感器、GPS定位单元、镇重锚、电池和旗子。OBS探测的一个重要技术特点是地震检波器具有三分量功能，即一个垂直分量，两个水平分量。检波器安装在一个充满高粘度硅油的玻璃(b l)圆柱内的阻尼万向平衡支架上，使检波器在海底面倾斜时保持其原来的平衡位置，圆柱被固定在玻璃球底部。应用(yngyng)纵横波资料(zlio)进行综合解释可获得很多有用信息，进行纵横波联合地震勘探最好的办法是做三分量地震勘探。简单地说，就是同时接收纵波和两个横波分量的勘

4、探叫三分量地震勘探，所得到的记录叫三分量记录。以往常规地震勘探是接收垂直地面振动的纵波（用P表示），仅得到一个方向的资料-纵波剖面。而横波（用S表示）不像纵波那样简单，它有两个分量，一个是沿测线方向振动向地下传播的分量，用SV表示；另一个是垂直测线方向振动向地下传播的分量，用SH表示。频率范围是2100Hz。SEDIS IV型短周期自浮式海底地震仪除了上述三分量检波器外，还配有一个深海水听器，其作用一是当地震检波器由于海底面过于倾斜或其它原因而失效时，水听器可以保证通过水压变化记录到地震信号；二是将水听器信号（只含P波信息）与检波器信号（三道均含P波和S波信息）进行对比，可以比较容易地提取S波

5、信号。OBS 作为广角地震的一种，较海洋调查中其它常规地震方法的显著特点和优势在于它实现了海洋地震的海底接收，这样就避免地层返回来的地震波能量在海水中的大量吸收和衰减，并可同时记录来自地壳中的P波和转换S波信息，且海底是较为安静的环境，这样就大大提高了所得数据的信噪比，减少了反演结果的多解性。此外S波数据采集的实现使我们可以探讨地壳的物质组成，这在相对缺少岩石证据的海区具有重要的意义。海底地震仪除了上述三分量检波器外，还配有一个深海水听器，水听器又称水下传声器，是把水下声信号转换为电信号的换能器，其作用一是当地震检波器由于海底面过于倾斜或其它原因而失效时，水听器可以保证通过水压变化记录到地震信

6、号；二是将水听器信号（只含P波信息）与检波器信号（三道均含P波和S波信息）进行对比，可以比较容易地提取S波信号。进行声学释放时，作业船开到OBS原先的投放位置，将计算机与甲板单元相连接，通过电缆和水中传感器发送释放信号，OBS应答释放部分收到信号后发出释放命令，使燃烧线熔断，OBS与镇重锚脱钩，依靠玻璃球及塑料套的浮力以 0.51m/s 的速度上浮到海面。借助漂浮在海面OBS发出的无线电信号、闪光灯指示器和荧光旗子来进行海上搜寻。当遇到特殊情况时，对放置在海底的OBS采取定时释放。在设定的释放时刻，OBS内置的备用时钟-定时器会独立发出释放命令，将燃烧线熔断，OBS与镇重锚脱钩上浮。图3 海底

7、(hi d)地震仪内部结构图4 海底地震仪内部(nib)构造图5 海底地震仪整体(zhngt)构造图6 投放(tufng)前安装好的海底地震仪图7 台湾产四合(s h)一海底地震仪空气枪它是将压缩空气在短暂的瞬间(shn jin)内释放于水中，形成气泡造成强烈的地震(dzhn)振动。 气枪工作原理：空气压缩后送进气枪的气室中,并达到一定的压力。工作时用电磁阀打开气室，其中的压缩空气迅速进入水中形成气泡,产生振动。主要类型：按气枪的工作压力可分为高压枪和低压枪；按用途可分为深水工作枪、浅水(qin shu)工作枪、陆地枪等；按枪的结构可分为BOLT枪、G枪、GI枪、套筒枪、RLS-6000高压枪

8、等。图8 正在海上作业中的气枪源三、OBS应用原理图9 地震波传播路径图10 入射地震波的能量转换OBS 最常用(chn yn)的作业方式和应用之一即是OBS 广角地震(dzhn)调查。OBS 广角折射(zhsh)/反射(Wide Aperture Reflection and Refraction Profiling, 简称WARRP)的地震调查方法，是研究边缘海和大洋深部结构的最有效手段之一，较多道地震等常规地震其具十分鲜明的特点。图13 OBS剖面海上探测示意图四、OBS工作流程OBS调查工作大体包括测线设计；OBS参数设置，部件组装，密封，投放和回收；后续的数据处理、建模和反演计算等三

9、大部分。海上作业前每个OBS被投放前，必须彻底检查仪器以确保所有连接是正确的，然后设置好仪器参数，主要是工作起始时间、结束时间、频率、采样间隔、水平分量的方向和记录通道编号。随后密封玻璃球并将其放置在甲板上，对仪器每隔半个小时进行一次气压和电压（燃烧线与负极之间）检查。在投放前给每台OBS装上镇重锚，插上小旗子，固定深海水听器、回收信号发射天线及燃烧线，并再次对声学释放器进行检查。当船接近预定位置时（100m），用绞车、撑竿使OBS缓慢下降到水面上并保持空中稳定姿态，在预定投放点（5m）被松开，投放时船速最好不要超过1kn，以使OBS垂直自由沉降到海底。在航次探测中，我们遵循如下步骤：首先在预

10、定的测线投放点依次放下OBS，开出测线外一个台站的距离，沿测线返回，在测线外一个台站距离处以固定的间隔 (200m ) 激发气枪开始放炮（枪阵总容量84.55725L）。最后，沿测线回收OBS，这样就得到一条完整的人工地震剖面。4.2 数据采集 每个OBS被投放前，必须彻底检查仪器以确保所有连接是正确的，然后设置好仪器参数，主要是工作起始时间、结束时间、频率、采样间隔、水平分量的方向和记录通道编号。随后密封玻璃球并将其放置在甲板上，对仪器每隔半个小时进行一次气压和电压检查。在投放前给每台OBS装上镇重锚，插上小旗子，固定深海水听器、回收信号发射天线及燃烧线，再次对声学释放器进行检查。当船接近预

11、定位置时，用绞车、撑竿使OBS缓慢下降到水面上并保持空中稳定姿态，在预定投放点被松开，投放时船速最好不要超过1kn，以使OBS垂直自由沉降到海底。 在航次探测中遵循如下步骤：首先在预定的测线投放点依次放下OBS，开出测线外一个台站的距离，在测线外一个台站距离处以固定的间隔 激发气枪开始放炮。最后，沿测线回收OBS，这样(zhyng)就得到一条完整的人工地震剖面。数据处理对每个回收上来的OBS，要立刻用GPS重新校准它的内部时钟，并且(bngqi)显示和记录仪器存储器里的故障记录，以便观察是否存在问题。数据拷贝后，一般还要显示仪器存储器里的内容，再次观察数据是否存在问题，以确保正确记录了所要求的

12、数据。如果发现问题，在重新投放设备前必须纠正过来。重新放置OBS前需彻底检查、组装仪器，并更换电池组和设置参数。SEDIS IV型海底地震仪原始数据为IMG格式，要综合运用导航数据、甲板上便携式地震仪记录的炮时对原始数据进行截载处理。首先是进行放炮时间处理，主要步骤为：（1）从导航文件中获取粗糙的地震放炮时间；（2）将甲板记录的炮时文件变成SU格式，并检查导航炮时记录的误差，从甲板炮时记录中拾取更精确的放炮时间；（3）显示所拾取的炮时时间，并改正拾取不正确的测道，从而再次修改放炮时间。其次是进行偏移距处理，方法是：从导航数据中获取炮点的坐标（x, y），从回收时导航数据中获取OBS的水平(sh

13、upng)坐标（x, y），从而计算偏移距。最后用得到的炮时数据和偏移距数据处理原始数据以获取各OBS记录的SEGY格式和SU格式文件，并对SU格式文件进行处理得到所对应的PS图像文件。从单道地震测深数据中获取OBS站位临近两点的水深资料并取平均值得OBS站位水深，通过公式看记录时间是否准确，若不准确，就需要在处理过程中对OBS站位水深进行进一步校正。南海中北部测线2中OBS8台站的站位水深3.31255km，计算理论记录时间约为2.208s，与图2记录时间相对应，图2显示了南海中北部测线2中OBS8台站的垂直分量地震记录剖面，可见信号最强的是分布于海底地震仪(0km)附近的直达水波，海底地震

14、仪两侧的地震相基本呈对称分布，清晰记录到5120km远的折射波和广角反射波。资料解释 图15 南海(nn hi)中北部测线2中OBS8台站(ti zhn)的地震记录剖面图（垂直分量）图16 数据处理结果(ji gu)图区分(qfn)不同震相的主要根据(gnj)：（1）震相的视速度是否在同一范围内；（2）震相在单台站共接收点剖面上出现的时间和偏移距是否在同一范围内；（3）相同路径的震相的走时是否相等%即根据互换时间识别不同剖面上的同种震相。操作体会运用海底地震仪进行海洋深部地壳结构调查具有高风险性，如果一台海底地震仪不能成功回收，不仅损失大量财力物力，更会损失一批国家急需的宝贵数据。根据多次投放

15、实践及数据处理经验，我们有以下体会：（1）在电池组组装前后和OBS组装过程中，要多次检测电池组所提供电压是否符合规定要求。（2）玻璃球密封的好坏直接影响OBS能否顺利被回收，从OBS组装设置完成到投放前一段时间内，一般每半个小时要检查一次OBS内的气压（已被抽成负压），查看密封的玻璃球是否漏气，测量燃烧线与负极之间电压是否漏电。若发现漏气或者漏电，都要检查原因并重新密封，再进行跟踪检查。（3）出海前要搜集资料，仔细了解每个OBS投放点的海底地形特点，尽量避免在海底地形复杂地点投放OBS。我们的做法是出海前收集测线附近的多波束资料、沉积资料，根据沿测线的水深变化程度、沉积物状况，估算是否投放OB

16、S。（4）由于导航所记录的炮时不准确，精度较低，误差很大，而甲板记录炮时精度很高，在整个炮时校正中起关键作用。因此，如果可能的话，在放炮时最好在甲板上放一个(y )地震仪同时记录炮时。我们在甲板上应用了两种型号的地震仪：一种是陆地用的便携式地震仪（采样率为100Hz的EDAS-3M型16位数据采集器和将信号放大4倍的891-2型工作(gngzu)摆），一种是我们富裕的SEDIS IV型海底地震仪。（5）电池组能提供(tgng)电源是有限的（2030d），而海况随时可能发生变化，为了数据的完整及仪器的安全回收，每次以一次做完一条测线为原则，要根据海况及完成一条测线所需的时间合理进行作业顺序调整。

17、五、国内外发展现状及今后努力方向5.1 国内外发展现状美、英、日、德、俄等发达国家已在海底地震仪的研制和应用方面开展了几十年的工作。作为海洋油气和海洋地质研究的有效手段，特别是由于其潜在的军事用途，OBS 一直是国外发展的重点领域。也正是由于这样的原因，我国在OBS 引进问题上一再受到国外的限制。国外对我国的OBS 技术限制从一个侧面反映出拥有自主知识产权高性能宽带海底地震仪的重要意义。 20 世纪80 年代开始，OBS 调查开始应用于我国海域，最早是中科院海洋研究所在东海开展的OBS 折射地震调查，之后则主要集中在南海北部边缘，在南海北部边缘主要开展了6 次OBS 调查。这些OBS 调查航次

18、的开展，为有效的获取了地壳深部的信息作出了重要贡献，使南海北部边缘成为我国边缘海深部研究最多的区域。 近年来，中国科学院地质与地球物理研究所已经自主研发出我国第一代海底地震仪，并海试成功。但总体来说，我国在这方面的工作才刚起步，OBS观测系统仍处于研制和试验阶段，与发达国家相比还有不少差距。国家海洋局第二海洋研究所2006年8月从德国汉堡GeoPro GmbH公司引进了15台SEDIS IV型短周期自浮式海底地震仪，并立即用于南海中北部地壳结构调查，取得了很好的结果。1990年前后国际上广泛开展了洋中脊深地震调查。主要是使用海底地震仪，往往是天然地震和人工地震同时进行，很多时候还配合多道地震调

19、查。目前国际上OBS的设计工作水深一般为6700 m，完全可以满足(mnz)洋中脊的调查。通过 Vp与 Vs的比值,可以确定岩性；通过不同方向的观测或通过S波分裂，确定介质(jizh)的各向异性，这对于确定裂隙排列、岩浆迁移是十分重要的。同时P波和S波的时滞比能提供熔体房的形态特征等信息。我国对洋中脊的研究近年才开始。且主要局限在西南印度洋海区浅表的地质和化学取样、摄像、地形和重磁等方面，在洋中脊构造的调查和动力学研究方面几乎是空白。在大洋协会的支持下，2009年底采用海底地震仪十字布局对西南印度洋洋中脊上发现热液喷口(pn ku)的A区开展构造方面的调查。用大容量气枪作为人工震源，取得洋中脊

20、及附近的2D和3D速度影像。天然地震观测工作拟在今后的航次中进行。由于OBS 自身的优点，在世界范围的海洋调查中发挥了越来越大的作用，包括在洋中脊，俯冲带，火山型大陆边缘和非火山型大陆边缘，OBS的应用都极大的推进了相关科学问题的研究进展。随着国家对蓝色国土的日益重视，海底调查和研究工作对维护国家权益、推动资源开发和地球科学研究显得愈发重要。海底地震仪作为一种先进而有效的探测仪器，对海底深部地壳结构探测和地球动力学研究、矿产资源的勘探具有重要意义。从总体上看，我国海洋科学还落后于发达国家1015年。学习和借鉴国外OBS的技术特色和优势，也将有助于提高我国自主研发OBS的水平。 5、结语随着国家

21、对蓝色国土的日益重视，海底调查和研究工作对维护国家权益、推动资源开发和地球科学研究显得愈发重要。海底地震仪作为一种先进而有效的探测仪器，对海底深部地壳结构探测和地球动力学研究、矿产资源的勘探具有重要意义。学习和借鉴国外OBS的技术特色和优势，也将有助于提高我国自主研发OBS的水平。参考文献：Ranjan Dash.宽区域(qy)的OBS多次波数据成像.海洋(hiyng)地质，2010，2（3）：70-78.牛雄伟(xingwi).洋中脊构造及地震调查现状，华南地震，2009，11（5）：72-84.薛发玉.大洋中脊研究进展.海洋科学，2006,30（3）：66-72.金翔龙.大洋海底矿产资源研究现状及其发展趋势.东海海洋，2003,21（1）：1-4.阮爱国.国产I-4C型OBS在西南印度洋洋中脊的试验，地球物理学报，2010.4,53（4）：1015-1023.阮爱国.中国海洋深地震探测与研究进展，华南地震，2009,29（2）：10-18.16 Allen T. Che