不同海域海洋環(huán)境水下地震波觀測與分析

吳云超

(大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013)

不同海域海洋環(huán)境水下地震波觀測與分析

吳云超

(大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013)

海洋環(huán)境水下地震波是水中目標探測、海底地殼活動及勘探等領域的重要研究方向。本文利用地震波傳感器對我國部分海域環(huán)境地震波進行觀測，并用爆炸聲源對已知信號進行海上測試。經分析可得：根據不同震源可將環(huán)境地震波從頻率上分為長周期波、遠震、近震、航線等，航線地震波與其他噪聲相比在5 Hz以上有明顯寬頻信號；同一海域，遠震、近震和航線等環(huán)境地震波受水深影響較大；深海環(huán)境地震波噪聲較低，且深海比淺海艦船地震波探測距離增加1倍以上；單傳感器接收時地震波傳感器接收信號信噪比高于水聽器；爆炸聲源地震波水平分量信噪比大于垂直分量，極化特征明顯。

環(huán)境地震波；觀測；分析

1 觀測系統(tǒng)基本組成

目前的海底地震儀由兩部分組成，分別為水下部分和水上部分，水下部分負責數據采集、水上部分負責測距和控制釋放等。水下部分包括地震波速度傳感器、水聽器、通信水貓、沉耦架、熔斷絲、保護殼體、采集電路、釋放模塊等組成，水上部分包括水聲發(fā)射換能器以及控制模塊（甲板機）等組成。采集時每組數據由4個通道組成，分別為水聲通道和地震波3個通道，最高采樣頻率為500 Hz，地震波傳感器有效頻段為1～100 Hz，水聽器有效頻段為10～30 kHz。

2 觀測數據分析

2.1 海洋環(huán)境地震波時頻特征

利用國內外地震波特性研究成果，重點結合海底地震波數據從頻帶的差異上對海洋環(huán)境下不同震源地震波特性進行分析。圖1為南海海域實測海洋環(huán)境地震波垂直分量噪聲譜。結果表明，海洋環(huán)境不同震源地震波從頻率上主要分為長周期波、遠震、近震、航線等地震波；航線地震波主要是由于海上來往頻繁的船只引起的，其地震波信號與其他海洋環(huán)境噪聲區(qū)別主要在5 Hz以上存在明顯的寬頻信號，在5 Hz以下低頻段頻譜曲線基本一致。

圖1 海洋環(huán)境垂直分量噪聲譜Fig. 1 The noise spectrum of the perpendicular component of the marine seismic field

表1是海底地震儀布放位置；圖2是南海海域，不同水深海底地震波三分量對比分析圖。結果表明，同一海域，地震波三分量在遠震、近震和航行等頻帶區(qū)域內基本上隨著水深的增加而減小，在長周期波頻帶內，地震波三分量衰減主要和影響地震波的能量有關，水深影響較小。

2.2 海洋環(huán)境中艦船地震波時頻特征

搜集了渤海（水深20 m）、黃海（水深20～30 m）、南海（水深0.9～2.5 km）不同海域不同水深10個站點海洋環(huán)境地震波數據，提取了其中含有艦船信號的數據段與環(huán)境進行對比分析，結果如下：

表1 海底地震儀布放位置Tab. 1 The locations of seismic sensors in sea bed

圖2 南海海域，不同水深海底地震波三分量對比分析圖Fig. 2 The comparison of the three components of the marine seismic field in different depths in South China Sea

1）同一站點測量系統(tǒng)下，存在艦船目標的地震波信號與海洋環(huán)境噪聲區(qū)別主要在5 Hz以上存在明顯的寬頻信號，在5 Hz以下低頻段頻譜曲線基本一致，結果表明艦船目標產生的地震波和其他海洋環(huán)境噪聲可以從頻率上進行區(qū)分。圖3是艦船地震波與海洋環(huán)境噪聲頻譜對比圖。

2）在深海條件下海洋環(huán)境地震波噪聲較低。同一型地震儀，渤海淺海海洋環(huán)境地震波比南海深海海洋環(huán)境地震波量級高20 dB。圖4為不同海域海底地震波環(huán)境噪聲對比圖。

圖3 艦船地震波與海洋環(huán)境噪聲頻譜對比圖Fig. 3 The comparison of the spectrum between the seismic field of ship and the marine seismic field

圖4 不同海域海底地震波環(huán)境噪聲對比圖Fig. 4 The comparison of the spectrum of the marine seismic field in different sea areas

3）黃海淺海海域艦船目標地震波探測距離約1.1 km，南海深海海域艦船目標地震波探測距離大于3 km，探測距離增加了1倍以上。圖5為不同海域艦船目標地震波時域曲線。

4）對于單傳感器接收，地震波傳感器接收信號信噪比普遍高于水聽器信號。圖6為水聽器與地震波傳感器接收船只信號時頻譜對比圖。

2.3 爆炸聲源試驗

通過爆炸聲源地震波試驗，對海底地震波從粒子運動、極化特性等方面，簡單分析了海水-海床界面的耦合過程。圖7為爆炸聲源地震波三分量對比曲線。通過時頻及頻譜分析，爆炸聲源產生的地震波為寬帶的低頻信號，頻率范圍主要在0.5～20 Hz，從時域信號分析，爆炸聲源產生的地震波為一逐漸衰減的脈沖信號，持續(xù)時間約1.2s，在海底水平位移比垂直位移大，地震波x、y分量相位一致，與垂直分量不同。通過帶通濾波處理后，爆炸聲源聲場通過特性曲線明顯，與地震波三分量對應時刻一致。爆炸聲源地震波在近表面海底壓縮波以水平振動為主，由于大于一定頻率的剪切波吸收衰減顯著，接收信號的水平分量反而耦合較好，信噪比大于垂直分量，極化特征明顯，同時環(huán)境噪聲極化特征較弱，圖8為爆炸聲源地震波水平分量極化特性。

圖5 不同海域艦船目標地震波時域曲線Fig. 5 The time domain curve of the seismic field of ship in different sea areas

3 結 語

圖6 水聽器與地震波傳感器接收船只信號時頻譜對比圖Fig. 6 The comparison of the spectrogram of the seismic field of ship by the seismic sensor and hydrophone

圖7 爆炸聲源地震波三分量對比曲線Fig. 7 The comparison of the three components of the seismic field of the explosion sonic source

本項研究利用水下地震波傳感器對中國渤海、黃海、南海海域海洋環(huán)境水下地震波進行觀測，并利用爆炸聲源對已知信號進行海上測試。通過對測量數據進行分析，發(fā)現(xiàn)以下特性：1）海洋環(huán)境不同震源地震波從頻率上主要分為長周期波、遠震、近震、航線等地震波；航線地震波主要是由于海上來往頻繁的船只引起的，與其他海洋環(huán)境噪聲區(qū)別主要在5 Hz以上存在明顯的寬頻信號；2）同一海域，地震波三分量在遠震、近震和航行等頻帶區(qū)域內基本上隨著水深的增加而減小，在長周期波頻帶內，地震波三分量衰減主要和影響地震波的能量有關，水深影響較?。?）在深海條件下海洋環(huán)境地震波噪聲較低，同一型地震儀，渤海淺海海洋環(huán)境地震波比南海深海海洋環(huán)境地震波量級高20 dB；4）南海深海比黃海淺海海域艦船地震波探測距離增加了一倍以上；5）對于單傳感器接收，地震波傳感器接收信號信噪比普遍高于水聽器信號；6）爆炸聲源地震波水平分量信噪比大于垂直分量，極化特征明顯。

圖8 爆炸聲源地震波水平分量極化特性Fig. 8 The polarization of horizontal component of the seismic field of the explosion sonic source

[1]WEBB S C, 李綱. 陸地和海底的地震噪聲[J], 世界地震譯叢,2006, (1): 15–27.

[2]KUTAKOV S I, MASLOV I A. Characteristics of invfrasonic noises excited by ship motion[J]. Physics of Wave. 2006, 14(4):66–75.

[3]URICK R J, PRICE H L. Seismic sensing of sound in the sea[R]. ADA063163, 1977.

[4]崔培, 王紀會, 李彪. 基于耦合理論的海底地震儀設計方法研究[J]. 艦船科學技術, 2010, 32(4): 89–92.

CUI Pei, WANG Ji-hui, LI Biao. Research of design method for ocean bottom seismometer based on the coupling theory[J]. Ship Science and Technology, 2010, 32(4): 89–92.

[5]阮愛國, 李家彪, 馮占英, 等. 海底地震儀及其國內外發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 東海海洋, 2004, 22(2): 9–19.

RUAN Ai-guo, LI Jia-biao, FENG Zhan-ying, et al. Ocean bottom seismometer and its development in the world[J].Donghai Marine Science, 2004, 22(2): 9–19.

Monitoring and analysis of the marine underwater seismic field of the different sea areas

WU Yun-chao
(Dalian Scientific Test and Control Technology Institute, Dalian 116013, China)

Monitoring and analysis of the marine underwater seismic field have been widely paid attention by underwater object detection, marine geology and geophysics exploration. In this study, the marine underwater seismic field has been measured by seismic sensors in different sea areas. And the seismic field of the explosion sonic source has been measured.It is found that the marine underwater seismic field is divided into four types according to different sources. And the seismic field of the sailing course exists wide band signal in the frequency greater than 5 Hz. The marine seismic fields of teleseism and near earthquake and sailing course are biggish influenced by the depth of sea. The noise of marine seismic field in blue water is lower than in shallow water. And the detection distance in blue water is twice in shallow water. The signalto-noise of the seismic field is greater than the hydro acoustics. The signal-to-noise of the horizontal component is greater than the perpendicular component of the seismic field of the explosion sonic source. The polarization of horizontal component is linear.

marine underwater seismic field；monitoring；analysis

U665.26

A

1672 – 7649(2017)10 – 0122 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.024

0 引 言

海洋環(huán)境下主要有海底微震（含陸地活動引發(fā)的地震）、艦船地震波以及風浪導致的地震波，航行艦船誘發(fā)的地震波屬于水中激發(fā)的聲源，微地震屬于在巖石層激發(fā)的聲源，不同起源的地震波理論上應有不同的特征。國外的S.C.Webb對陸地和海底的地震噪聲從頻率和成因上進行了概括和分類[1]。利用海底地震儀記錄天然地震縱橫體波和微震可以來研究大范圍內的地殼結構及其活動性，而研究海洋環(huán)境地震波可以基本掌握各類場源地震波的頻率分布特點，特別是來往頻繁的艦船地震波[2–3]，為開展頻率分集信號處理方法和地震儀耦合研究[4–5]提供支撐。本文首先介紹了海洋環(huán)境水下地震波觀測系統(tǒng)的基本組成，然后通過數據分析在不同海域情況下海洋環(huán)境及爆炸聲源產生的水下地震波的時域特性、頻域特性、極化特性進行研究，重點分析了海洋環(huán)境中艦船地震波與其他環(huán)境地震波的差異，并與水聲信號進行對比分析。

2016 – 12 – 04

國家自然科學基金資助項目(41274051)

吳云超(1979 – )，男，高級工程師，研究方向為目標和環(huán)境特性。