海斗深淵區(qū)十字放炮與POBS精確位置校正

李子正， 丘學(xué)林*， 張佳政， 張浩宇， 陳瀚

1 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所， 邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510301 2 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室， 廣州 511458 3 中國(guó)科學(xué)院南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院， 廣州 510301 4 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049 5 香港中文大學(xué)， 地球系統(tǒng)科學(xué)課程， 香港 999077

0 引言

俯沖帶是全球物質(zhì)循環(huán)再生的重要場(chǎng)所，與相關(guān)海溝、島弧和弧后盆地一起常被稱為“俯沖工廠”(Hacker et al., 2003).在這里，天然地震活動(dòng)頻繁，板塊物質(zhì)俯沖到地幔深處，經(jīng)歷強(qiáng)烈的變質(zhì)、變形和脫水作用，同時(shí)伴隨的還有弧前地幔楔的蛇紋石化、島弧巖漿作用和弧后區(qū)域的擴(kuò)張 (Hasegawa et al., 2009; Jiang et al., 2015).馬里亞納俯沖帶是古老的太平洋板塊向菲律賓海板塊下方快速俯沖形成的，海溝南北展布呈現(xiàn)弓形，構(gòu)造活動(dòng)非常劇烈.水深大于6000 m的海溝區(qū)域被稱為海斗深淵(Jamieson et al., 2010; Wolff, 1970)，在馬里亞納海溝南部挑戰(zhàn)者深淵區(qū)域，由于耦合較弱、板片撕裂等，最大水深超過10000 m，成為地球上最深的地方(Gvirtzman and Stern, 2004)，是研究俯沖帶深部構(gòu)造、海斗深淵形成機(jī)制的極好場(chǎng)所.

天然地震觀測(cè)為揭示俯沖帶深部奧秘提供了可靠的數(shù)據(jù)，前人已經(jīng)對(duì)馬里亞納中、北段進(jìn)行了大量天然地震觀測(cè)和研究，得到了地幔蛇紋石化程度、俯沖板片幾何形態(tài)、板片應(yīng)力狀態(tài)、縱橫波速度模型等一系列成果(Cai et al., 2018; Emry et al., 2014; Miller et al., 2004; Mishra et al., 2003).但是在馬里亞納海溝南部，島嶼臺(tái)站數(shù)量較少，稀疏的地震臺(tái)站使地震定位、震級(jí)估算誤差較大，層析成像、接收函數(shù)等方法也難以達(dá)到理想的分辨率.為此，投放被動(dòng)源海底地震儀(POBS)進(jìn)行近場(chǎng)地震觀測(cè)是十分有必要的(鄭宏等，2020)，Zhu等(2019)的研究工作首次提供了馬里亞納海溝南部高分辨率地震目錄.

不同于位置固定的陸地臺(tái)站，被動(dòng)源海底地震儀(POBS) 在水中下沉和上浮時(shí)會(huì)受到海流等因素影響，通常僅通過投放點(diǎn)和回收點(diǎn)確定POBS坐底位置是十分不可靠的(Du et al., 2018).以往OBS位置校正經(jīng)驗(yàn)表明，位于三維地震探測(cè)交叉測(cè)線下方的OBS，反演得到的位置更為可靠(敖威等, 2010；張莉等, 2013；楊富東等, 2020).因此，為了獲取POBS的精確坐底位置，本文設(shè)計(jì)的兩條氣槍測(cè)線交叉呈“十”字型，POBS位于交叉點(diǎn)正下方，類似于一個(gè)浮標(biāo)形式長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)(陳瀚等, 2019；江南等, 2004; 王婧琦, 2019).

陳瀚等(2019)使用類似的方法進(jìn)行位置校正，得到深淵著陸器(搭載POBS)的坐底位置，但是受到裁截誤差的影響，SEG-Y剖面上同相軸參差不齊.本文采用線性內(nèi)插方式修復(fù)了裁截誤差，并評(píng)估其對(duì)位置校正影響，同時(shí)采用正常時(shí)差校正(Normal Moveout Corrections, NMO)的方法，驗(yàn)證位置校正精度，在海斗深淵及其周邊區(qū)域內(nèi)取得了更好的效果.

1 POBS觀測(cè)及定位實(shí)驗(yàn)

2017年1—3月TS03航次，“探索一號(hào)”科考船在馬里亞納海溝南部挑戰(zhàn)者深淵附近海域，進(jìn)行多項(xiàng)科考實(shí)驗(yàn)及海試工作.該航次投放了6臺(tái)POBS，最大深度10038 m(圖1a)，進(jìn)行了3個(gè)月的深淵天然地震觀測(cè)，同年6月由“實(shí)驗(yàn)3號(hào)”科考船全部成功回收.

POBS投放后，為了獲得其精確的坐底位置，“探索一號(hào)”在其上方進(jìn)行了十字放炮，每個(gè)炮點(diǎn)的位置和激發(fā)時(shí)間由船載導(dǎo)航系統(tǒng)精確記錄.如圖1b所示，十字放炮是為了更好地約束POBS在兩個(gè)水平方向的漂移量，在臺(tái)站上方2條互相垂直的測(cè)線進(jìn)行氣槍作業(yè)，由于氣槍收放和空壓機(jī)關(guān)啟等操作非常麻煩，海上作業(yè)是過渡線繼續(xù)放炮，實(shí)際航跡呈“又”字型，位置校正時(shí)僅使用了2條主測(cè)線的氣槍信號(hào).

圖1 挑戰(zhàn)者深淵區(qū)域的POBS布設(shè)平面圖(a)和觀測(cè)系統(tǒng)立體示意圖(b) 圖(a)中黃色大圓為POBS臺(tái)站投放位置，紅色小圓為校正后位置，橙色線為科考船氣槍作業(yè)軌跡； 圖(b)中青色點(diǎn)代表首輪搜索的蒙特卡洛點(diǎn)，綠色點(diǎn)代表最后一輪搜索的蒙特卡洛點(diǎn).Fig.1 POBSs deployed in Challanger Deep (a) and 3D view of observation geometry(b) Yellow big dots in (a) represent locations of POBS, red small dots are relocated locations, and oriange lines indicate the airgun shooting tracks. Cyan dots in (b) reprent the first round of Monte Carlo search and green dots reprent the final round of Monte Carlo search.

大容量氣槍激發(fā)產(chǎn)生的直達(dá)水波可以被POBS的4個(gè)分量清晰的記錄到：SAC文件顯示，POBS記錄到了強(qiáng)能量的直達(dá)水波信號(hào)，信號(hào)呈尖脈沖狀，易于分辨和拾取，放炮間隔是預(yù)設(shè)的45s(圖2a).另外，在近3個(gè)月的坐底期間，POBS臺(tái)站記錄到了大量的天然地震事件，以2017-04-04的一個(gè)地震事件為例(ISC，2017)，P波和S波震相記錄清晰(圖2b)，為后續(xù)的層析成像、接收函數(shù)等研究提供了優(yōu)質(zhì)可靠的數(shù)據(jù).

圖2 POBS01臺(tái)站記錄的氣槍信號(hào)(a)和天然地震事件(b) 發(fā)震時(shí)間2017-04-04 10∶43∶14.03；震中：12.2924°N，144.1713°E；震源深度35 km，震級(jí)Mb=5.0，震中距273 km.Fig.2 Airgun signal (a) and earthquake (b) recorded by station POBS01 Event time: 2017-04-04 10∶43∶14.03; Epicenter: 12.2924°N, 144.1713°E; Focal depth: 35 km, Mb: 5.0, Epicental distance: 273 km.

2 POBS位置校正

2.1 位置校正原理和流程

“探索1號(hào)”科考船進(jìn)行氣槍作業(yè)時(shí)，船載GPS會(huì)記錄其每秒鐘精確的經(jīng)緯度信息，GPS天線距離氣槍震源的距離大約120 m，按照科考船航向反方向進(jìn)行炮點(diǎn)校正后，得到氣槍的精確位置信息(敖威等, 2010).結(jié)合計(jì)時(shí)器和Hypack導(dǎo)航信息得到ukooa文件，將POBS記錄的連續(xù)地震信號(hào)裁截、分道排列，同時(shí)導(dǎo)入POBS的平面位置，得到按照偏移距(Offset)排列的SEG-Y地震剖面.

有了以上基礎(chǔ)，拾取直達(dá)水波初至震相，便可以得知每一氣槍信號(hào)到達(dá)POBS臺(tái)站的時(shí)間.直達(dá)水波震相拾取應(yīng)當(dāng)選取質(zhì)量較好的檢波器分量，以及合適的濾波參數(shù)，拾取直達(dá)水波初至的同相軸.本文選取的是質(zhì)量較好的水聽器(HYD)分量(圖2b)，選用零相位濾波，參數(shù)為5～20 Hz，該頻段范圍包含了氣槍信號(hào)主頻(王筍等，2019)，濾波對(duì)氣槍信號(hào)到時(shí)影響很小(陳瀚等, 2019).

以POBS投放位置為中心，在3 km半徑范圍內(nèi)生成一系列蒙特卡洛點(diǎn)，結(jié)合高精度多波束水深數(shù)據(jù)和海水介質(zhì)中地震波平均速度，計(jì)算直達(dá)水波從每一個(gè)炮點(diǎn)到海底蒙特卡洛點(diǎn)的走時(shí)，得到理論震相.采用最小二乘法計(jì)算理論震相和實(shí)際拾取水波到時(shí)的均方根誤差(RMS)，在海底一系列蒙特卡洛點(diǎn)中，選取擬合最佳(RMS值最小)的一個(gè)點(diǎn)，作為可能的POBS的實(shí)際坐底位置.為了排除偶然因素帶來的誤差，再以上一輪反演位置點(diǎn)為中心，以0.8的比例為收縮范圍，重復(fù)反演過程，直到結(jié)果穩(wěn)定；即N+1次反演得到的RMS最小值大于等于第N次的RMS最小值，則取第N次的反演位置為POBS的實(shí)際坐底位置.

本文使用的位置校正程序參考楊富東等(2020)，在前人基礎(chǔ)上(敖威等, 2010; 張佳政等, 2012; 張莉等, 2013)，為提高位置校正精度，將經(jīng)緯度坐標(biāo)系轉(zhuǎn)為UTM坐標(biāo)系，和課題組自編的sac2y程序保持一致 (趙明輝等, 2004)；同時(shí)，在新版程序中實(shí)現(xiàn)了在一定水速范圍內(nèi)循環(huán)，選取RMS最小者為最佳水速.具體流程如圖3所示.

圖3 位置校正流程圖Fig.3 Flowchart of relocation

2.2 裁截誤差及修復(fù)

將得到的SEG-Y文件按照炮號(hào)繪成地震剖面，發(fā)現(xiàn)直達(dá)水波的同相軸并非一條平滑的雙曲線，存在小斷階或小平臺(tái)現(xiàn)象(圖4a).這是因?yàn)?，相較于以往的主動(dòng)源OBS(采樣率100 Hz、采樣間隔10 ms)，而POBS的采樣率低(50 Hz)，采樣間隔更大(20 ms).使用sac2y程序?qū)⑦B續(xù)記錄的地震數(shù)據(jù)裁截為SEG-Y格式數(shù)據(jù)時(shí)，氣槍激發(fā)時(shí)間并不一定與采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間一致，故需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行取整，產(chǎn)生了裁截取整誤差.例如，假設(shè)POBS是在第0 s開始記錄，某炮是在第32 ms激發(fā)，那么在sac2y程序中，會(huì)將激發(fā)的時(shí)刻取整到第三個(gè)采樣點(diǎn)(即40 ms)，這樣，就產(chǎn)生了8 ms的殘差，由于POBS的采樣率為20 ms，理論上裁截取整會(huì)產(chǎn)生至多10 ms的誤差，若前后兩炮的裁截誤差符號(hào)相反，直達(dá)水波同相軸的斷階現(xiàn)象會(huì)更明顯.

裁截誤差的存在會(huì)影響直達(dá)水波震相拾取，采用線性插值的方式，相當(dāng)于將每道震相進(jìn)行上下平移，平移的幅度和裁截誤差相當(dāng)，采用這種方式校正后的直達(dá)水波震相呈一條平滑的雙曲線(圖4b).

圖4 SEG-Y裁截誤差修復(fù)效果圖(以POBS05臺(tái)站NNE-SSW測(cè)線為例) (a) 圖為裁截誤差修復(fù)前； (b) 圖為修復(fù)后.Fig.4 Fixing effect of cutting error of SEG-Y file(taking NNE-SSW shot line for example) (a) Beforecutting error of SEG-Y file is fised； (b) After Cutting error of SEG-Y file is fixed.

2.3 位置校正結(jié)果

位置校正結(jié)果如表1所示，投放點(diǎn)和坐底點(diǎn)坐標(biāo)繪于圖中.可以看到，6個(gè)POBS在下沉過程中發(fā)生了不同程度的偏移，偏移距離在190～650 m之間(圖5).由于工區(qū)范圍較大，且POBS是在不同時(shí)間投放，海流等因素可能會(huì)隨著時(shí)間和空間變化(Du et al., 2018)，故它們的漂移距離和方向各不相同；裁截誤差修復(fù)使直達(dá)水波到時(shí)準(zhǔn)確，同相軸平滑，與理論同相軸吻合好，RMS值也非常小.

圖5 POBS投放、回收以及位置校正結(jié)果Fig.5 Deployment, recovery and relocation results of POBSs

表1 POBS位置校正結(jié)果及參數(shù)表Table 1 Relocation results of POBSs and parameters

3 位置校正精度分析

3.1 裁截誤差的影響

裁截誤差的出現(xiàn)使SEG-Y剖面上每一炮的水波到時(shí)出現(xiàn)誤差，進(jìn)一步地，造成了直達(dá)水波震相的拾取誤差.這些誤差正負(fù)相間，從最終結(jié)果看，它的出現(xiàn)對(duì)反演位置影響不大，6個(gè)站位的位置變化在1～6 m之間.值得注意的是，未修復(fù)前RMS值均在6 ms左右，與已有結(jié)果類似(陳瀚等, 2019)，修復(fù)后RMS值顯著變小，在2 ms左右(表2).

表2 未修復(fù)裁截誤差與修復(fù)后RMS、位置對(duì)比Table 2 Comparison of RMS and location before and after fixing cutting error of SEG-Y file

為了更好地評(píng)估裁截誤差修復(fù)前后RMS值的變化，以POBS05臺(tái)站為例，以最終反演點(diǎn)為中心，25 m為半徑，計(jì)算該范圍內(nèi)一系列點(diǎn)的RMS值，繪出RMS平面圖.可以看到，RMS等值線呈現(xiàn)同心橢圓狀(圖6).裁截誤差修復(fù)后，RMS剖面的變化反映了求取的坐底位置更加精確，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：(1)相同位置處，RMS值顯著減??；(2)反演點(diǎn)附近RMS等值線更為密集；(3)RMS值最小處位置稍有變化.

圖6 POBS05臺(tái)站RMS平面分布對(duì)比圖 (a) 裁截誤差修復(fù)前; (b) 修復(fù)后.本圖采用UTM坐標(biāo)系，投影帶為54；紅色三角形標(biāo)出POBS05位置.Fig.6 Comparison between RMS distribution of POBS05 (a) Before cutting error of SEG-Y file is fixed； (b) After cutting error of SEG-Y file is fixed. UTM coordinate system is adopted with projection zone 54. The red triangle marks the location of POBS05.

3.2 正常時(shí)差校正震相對(duì)比和敏感度測(cè)試

與折合后觀察地震剖面對(duì)稱性的方式(陳瀚等, 2019)不同，正常時(shí)差校正(NMO)后平面位置的不準(zhǔn)確表現(xiàn)為同相軸的傾斜：若臺(tái)站位置沿測(cè)線正方向偏離(相對(duì)臺(tái)站真實(shí)位置，以其北、東側(cè)為正)，水平直線會(huì)順時(shí)針傾斜.校正前后如圖7所示，在位置校正前，NMO處理使同相軸呈一條傾斜的直線；選取反演得到臺(tái)站位置進(jìn)行NMO后，觀測(cè)系統(tǒng)正確加載，時(shí)距曲線變?yōu)樗街本€，零偏移距處的空白帶，表明臺(tái)站不在測(cè)線正下方，臺(tái)站到測(cè)線有一定的距離.

圖7 POBS08臺(tái)站正常時(shí)差校正結(jié)果對(duì)比圖 (a) 圖為位置校正前； (b) 圖為位置校正后.Fig.7 Comparison of NMO results of POBS08 (a) Before relocation； (b) After relocation.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證臺(tái)站平面位置的準(zhǔn)確性，本文將每一臺(tái)站沿2條測(cè)線移動(dòng)±10 m，觀察正常時(shí)差校正(NMO)后同相軸的變化，這里選取2個(gè)臺(tái)站展示：對(duì)于萬米深度的POBS05臺(tái)站，處于校正后位置時(shí)，直達(dá)水波呈一條水平直線，將臺(tái)站位置沿測(cè)線移動(dòng)10 m后，同相軸出現(xiàn)明顯傾斜，并且，沿著測(cè)線兩個(gè)不同方向平移臺(tái)站，水平直線左右傾斜幅度也是相似的(圖8c、d)；POBS04臺(tái)站由于水深最淺，傾斜更為明顯(圖8a、b).其他臺(tái)站也得到類似結(jié)果.

3.3 陡峭地形導(dǎo)致的折射震相

本次實(shí)驗(yàn)的POBS04和POBS07臺(tái)站的南北向地震剖面情況特殊，折射震相出現(xiàn)在3 km內(nèi)偏移距，本文將其解釋為海溝區(qū)域陡峭復(fù)雜地形的影響：入射角大于臨界角時(shí)，地震剖面上會(huì)出現(xiàn)折射震相，因其速度較快表現(xiàn)為初至震相.與海底界面水平時(shí)相比，坡度較大時(shí)坡向相反一側(cè)入射角更大，進(jìn)而導(dǎo)致折射震相在更近偏移距出現(xiàn).

圖9a、d分別為POBS04、POBS07出現(xiàn)折射震相測(cè)線下方的海底地形.POBS04臺(tái)站位于陡峭的海溝內(nèi)坡上，是6個(gè)臺(tái)站中所處地形坡度最大的，坡度角達(dá)11.5°；POBS07臺(tái)站位于海溝外坡一個(gè)正斷層上，臺(tái)站附近地形陡峭.在POBS04臺(tái)站，偏移距大于3 km時(shí)，折射震相很快與直達(dá)水波震相分開，成為初至(圖9e).在POBS07臺(tái)站，折射震相不及POBS04臺(tái)站明顯，在偏移距小于-3 km的地方，可以看到折射震相到時(shí)僅比直達(dá)水波震相稍早(圖9b、c).

折射震相下方直達(dá)水波震相稍有變化，進(jìn)行NMO處理后顯示，折射震相下方的直達(dá)水波到時(shí)略晚(圖9c、f).其中POBS07臺(tái)站更為明顯(圖9c)，推測(cè)是因?yàn)镻OBS07臺(tái)站地震剖面上，折射、直達(dá)水波震相到時(shí)較接近，直達(dá)水波震相受到折射震相干擾較大.而在POBS04臺(tái)站，放炮測(cè)線下方地形陡峭，直達(dá)水波震相和折射震相很快分開，直達(dá)水波震相到時(shí)受到干擾較小.本文拾取了少量折射震相下方的直達(dá)水波震相，最終結(jié)果仍然可以反映10 m的位置變化(圖8a)，且RMS值無顯著增加(表1).

圖8 位置校正精度測(cè)試圖 將POBS位置沿測(cè)線兩個(gè)方向變化10 m，導(dǎo)致NMO后同相軸的傾斜：(a)、(b)、(c)、(d)圖分別對(duì)應(yīng)POBS04、 POBS05臺(tái)站的兩條測(cè)線，頂部數(shù)字表示臺(tái)站移動(dòng)距離(相對(duì)于校正后位置)，黑色為水平直線.Fig.8 Accuracy tests of relocation results The location of POBSis changed by 10 m in two directions along the survey line, causing the event to tilt after NMO. (a), (b), (c) and (d) correspond to two lines of POBS04 and POBS05, respectively. The top number indicates station′s move distance relative to relocated position. Black line is horizontal straight line.

圖9 海底地形和折射震相分析 (a)、(d) POBS07、POBS04臺(tái)站附近地形圖和射線路徑；(b)、(e) POBS07、POBS04臺(tái)站記錄的地震剖面圖；(c)、(f) NMO處理后的地震剖面圖.(b)、(e)、(c)、(f)中，紅色點(diǎn)標(biāo)出直達(dá)水波震相，綠色點(diǎn)標(biāo)出折射震相；(c)、(f)中藍(lán)色箭頭標(biāo)出受到折射震相影響 的直達(dá)水波震相.Fig.9 Analysis of refraction phase and seafloor topography (a) and (d) Topography near POBS04 and POBS07 with ray paths； (b) and (e) Seismic profiles recorded by POBS04 and POBS07； (c) and (f) Seismic profiles after NMO processing. In (b), (e), (c) and (f), direct water waves are marked with red dots, and refraction phases are marked with green dots. In (c) and (f), direct water waves affected by refraction phases are marked with blue arrows.

4 討論

4.1 裁截誤差和折射震相的影響

本文在前人位置校正工作基礎(chǔ)上，還考慮了裁截誤差和折射震相的影響.

與陳瀚等(2019)的工作相比，本文在位置校正前，修復(fù)了POBS較低采樣率帶來的裁截誤差問題.該誤差的存在使直達(dá)水波震相呈現(xiàn)鋸齒狀，采用線性內(nèi)插重采樣方式使直達(dá)水波震相平滑.十字放炮的觀測(cè)系統(tǒng)類似于一個(gè)浮標(biāo)式長(zhǎng)基線系統(tǒng)(陳瀚等, 2019；江南等, 2004; 王婧琦, 2019)，裁截誤差修復(fù)使拾取到的直達(dá)水波震相更準(zhǔn)確，相當(dāng)于減小了測(cè)時(shí)誤差.因裁截誤差對(duì)直達(dá)水波對(duì)稱性影響很小，所以裁截誤差修復(fù)前后反演得到臺(tái)站位置變化不大，但走時(shí)殘差RMS值顯著減小，增加了結(jié)果的可靠性；另一方面，走時(shí)殘差RMS等值線更密集，對(duì)微小的位置變化更為敏感，定位精度得到提高.

前人研究雖采用類似觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行過臺(tái)站的位置校正，但僅在海斗深淵最深處(陳瀚等, 2019).本文布設(shè)POBS臺(tái)站的工區(qū)范圍較大，難免受到海溝區(qū)域復(fù)雜陡峭地形影響，出現(xiàn)折射震相.折射震相雖然對(duì)其下方直達(dá)水波震相到時(shí)影響不大，但如果是POBS07臺(tái)站的情況，即二者到時(shí)接近，難以分辨，可能會(huì)將折射震相錯(cuò)誤拾取為直達(dá)水波震相，破壞了直達(dá)水波的對(duì)稱性，進(jìn)而對(duì)位置校正結(jié)果產(chǎn)生較大影響.POBS07臺(tái)站地震剖面上，折射震相和直達(dá)水波震相到時(shí)差在3 km偏移距時(shí)約50 ms，在大于4 km偏移距可達(dá)100 ms，正常時(shí)差的存在使同相軸呈雙曲線，這個(gè)差異在原始地震剖面上難以察覺(圖9b).由于兩種震相同相軸形態(tài)的差異，NMO處理后，二者顯著分開，有利于正確識(shí)別、拾取直達(dá)水波震相(圖9c).

4.2 時(shí)間校正量和水波速度

時(shí)間校正量(tpick_adjust)和水波速度(v)是直達(dá)水波擬合過程中的兩個(gè)重要參數(shù)，參數(shù)的選取會(huì)影響震相的擬合，體現(xiàn)在RMS值的變化.雖然二者不會(huì)對(duì)最終反演位置造成很大影響(二者均不影響直達(dá)水波對(duì)稱性)，但是時(shí)間校正量(tpick_adjust)可以約束地震剖面時(shí)間的準(zhǔn)確性，平均水波速度(v)是臺(tái)站所在海域的重要水聲學(xué)參數(shù).

直達(dá)水波震相是人為拾取的，只能保證人工拾取的同相軸形態(tài)基本準(zhǔn)確，同相軸可能存在整體到時(shí)誤差，其來源多種多樣，包括臺(tái)站自身的時(shí)鐘漂移、標(biāo)定出錯(cuò)、數(shù)據(jù)丟失，或人工拾取誤差、水波相位選取等.多波束數(shù)據(jù)是更為確定的信息，即使在萬米深度，幾組多波束數(shù)據(jù)與CTD測(cè)量結(jié)果相差僅20～60 m.因此，楊富東等(2020)在高精度多波束數(shù)據(jù)控制下，利用直達(dá)水波走時(shí)進(jìn)行位置校正，實(shí)現(xiàn)走時(shí)殘差RMS最小，從而獲得了全局最優(yōu)的校正位置、水波速度(v)和時(shí)間校正量(tpick_adjust).時(shí)間校正量(tpick_adjust)反映的是，在校正位置、水波速度(v)和多波束水深數(shù)據(jù)耦合下，理論震相和人為拾取震相之間的微小誤差.

本文處理的6個(gè)被動(dòng)源站位中，POBS04的時(shí)間標(biāo)定非常特殊，經(jīng)過仔細(xì)分析和多方驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)氣槍信號(hào)到時(shí)整體提前了約35 s，這么大的時(shí)間校正量無法用位置校正程序中的tpick_adjust參數(shù)來調(diào)整，我們采用的方法是在數(shù)據(jù)裁截處理前，在SAC格式數(shù)據(jù)里就進(jìn)行了35 s的初步時(shí)間校正.

本文還對(duì)比分析了位置校正中獲得水波速度(v)與其所在位置水深的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，POBS03、POBS04兩個(gè)臺(tái)站水深最淺，水波速度也最小，在1520 m·s-1以下；POBS01、POBS07、POBS08號(hào)臺(tái)站在6000～7000 m左右，反演水速為1520～1530 m·s-1；POBS05號(hào)臺(tái)站水深超過10000 m，反演得到水速最大，為1540 m·s-1，呈現(xiàn)水波速度隨水深增大而變大的特征.物理海洋學(xué)研究表明，在水深較深區(qū)域，水速和水深成正比(張寶華和趙梅, 2013)，進(jìn)一步證實(shí)了本文位置校正過程中獲得的水波速度(v)及其他參數(shù)的準(zhǔn)確性.

4.3 NMO驗(yàn)證校正結(jié)果

前人常用折合后觀察直達(dá)水波同相軸對(duì)稱性來檢驗(yàn)位置校正結(jié)果(陳瀚等, 2019；楊富東等, 2020；張莉等, 2013)，但是折合處理通常用于觀察折射震相.NMO處理常用于分析直達(dá)水波和反射震相，可以同時(shí)驗(yàn)證平面位置、水速(v)、時(shí)間校正量(tpick_adjust)的合理性：在三個(gè)參數(shù)均合理情況下，直達(dá)水波同相軸以雙曲線形式被校正為水平直線(徐云霞等, 2018).若位置信息不合理，水平直線會(huì)發(fā)生傾斜；水速(v)、時(shí)間校正量(tpick_adjust)不合理時(shí)，會(huì)出現(xiàn)校正過量或校正不足，直達(dá)水波同相軸會(huì)在剖面兩側(cè)同時(shí)向上或向下發(fā)生彎曲.

在水速、時(shí)間校正量合理情況下(此時(shí)直達(dá)水波同相軸呈直線)，NMO可以反映細(xì)微的位置變化，對(duì)大偏移距的情況尤其明顯：敏感度測(cè)試顯示，進(jìn)行NMO處理后，10 m的平面位置變動(dòng)即可在較遠(yuǎn)偏移距(>3 km)觀察到水平直線的傾斜.與前人工作相比，NMO的方法驗(yàn)證了十字放炮法具有更高的定位精度.

5 結(jié)論

本航次投放回收的POBS記錄到良好天然地震數(shù)據(jù)，十字定位法確定了臺(tái)站精確坐底位置，為揭示海斗深淵區(qū)域的深部構(gòu)造特征奠定了基礎(chǔ).除此之外，該方法還可推廣到主動(dòng)源、微震探測(cè)中，這些情況下臺(tái)站和震源距離很近，臺(tái)站的精確位置對(duì)于準(zhǔn)確圈定油氣藏位置、獲取精細(xì)地殼結(jié)構(gòu)、揭示海底火山的巖漿通道等尤為重要.

這是十字定位法在深淵區(qū)域的另一次成功實(shí)驗(yàn)，確定了更高的精度，提高了定位可靠性，同時(shí)進(jìn)一步說明，大容量氣槍結(jié)合海底地震儀進(jìn)行直達(dá)水波走時(shí)反演，是確定水下儀器精確位置的可靠方式.本文得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和結(jié)論：

(1)利用臺(tái)站上方十字測(cè)線的氣槍數(shù)據(jù)，完成了被動(dòng)源海底地震儀(POBS)的精確定位，POBS下沉過程中，偏移方向各不相同，偏移距離190～650 m.

(2)裁截誤差幾乎不會(huì)影響直達(dá)水波對(duì)稱性，所以對(duì)位置校正的結(jié)果影響不大，但使直達(dá)水波同相軸更平滑，顯著降低了擬合的RMS值，提高了定位精度，結(jié)果更為可靠.

(3)海斗深淵坡折區(qū)地形陡峭復(fù)雜，導(dǎo)致地震剖面上大于3 km偏移距出現(xiàn)折射震相，影響定位精度，采用NMO處理可以幫助準(zhǔn)確識(shí)別、拾取直達(dá)水波震相.

(4)采用NMO的方法，驗(yàn)證十字放炮進(jìn)行位置校正的精度可達(dá)10 m.相較于折合后觀察對(duì)稱性的方法，NMO還可以推斷水速(v)和時(shí)間校正量(tpick_adjust)的合理性.

致謝感謝中科院深淵科考隊(duì)在航次中的辛苦工作，以及“探索一號(hào)”、“實(shí)驗(yàn)3號(hào)”船長(zhǎng)與全體船員的努力和配合.數(shù)據(jù)采集處理和成文過程中，得到趙明輝、黃海波、賀恩遠(yuǎn)、王筍、王強(qiáng)、張昌榕等老師以及林江南同學(xué)的幫助指導(dǎo)，王元老師全程負(fù)責(zé)POBS的投放和回收，匿名審稿專家給予了寶貴的意見和建議，在此表示感謝！