水下節(jié)點地震儀在陸地主動源探測中的應用＊

孫點峰 王亞紅 秦滿忠 鄒 銳 萬文琦 王志棟

（甘肅省地震局，甘肅蘭州 730000）

0 引言

利用主動源重復探測技術，在強震多發(fā)的研究區(qū)域開展地震前后結構變化的實證性研究[1]，有望成為地震科技創(chuàng)新的重要突破點。利用高性能人工震源主動探測地殼介質(zhì)物性變化已成為探索地震預報新途徑的一個重要發(fā)展方向。

利用主動源觀測地下介質(zhì)波速變化[2]，就是利用主動源激發(fā)的重復性，在正確獲取主動源激發(fā)的精確時刻后，對主動源觀測臺站記錄的波形進行截取，然后對截取的波形進行濾波、去勢等處理，利用相關方法得到一定時間內(nèi)的波速變化[3]。因此，正確獲取主動源激發(fā)的精確時刻是非常重要的。如何準確記錄主動源激發(fā)時刻是亟待解決的問題，為此借鑒海上人工地震（主動源）勘探經(jīng)驗[4]，在劉家峽主動源試驗場開展了水下節(jié)點地震儀觀測系統(tǒng)的布設與觀測。

本文結合劉家峽主動源水下節(jié)點地震儀的安裝應用，著重論述了水下節(jié)點地震儀在劉家峽主動源實驗場的安裝調(diào)試、數(shù)據(jù)收集和初步分析。

1 劉家峽主動源簡介

劉家峽主動源位于永靖縣峴塬鎮(zhèn)，距永靖縣城15 km。監(jiān)測區(qū)域位于鄂爾多斯、青藏塊體和阿拉善塊體等大陸活動塊體交匯區(qū)域（圖1）。在該區(qū)域內(nèi)曾發(fā)生過1927 年古浪8.0 級地震、1920 年海原8.5 級地震、1654 年天水南8.0 級地震和1879 年武都南8.0 級地震等多次歷史強震。震源激發(fā)點年平均水深為29 m 左右，水面寬約5 km，是開展主動源重復探測實驗的理想場地。激發(fā)系統(tǒng)主要包括水上激發(fā)平臺、水上工作平臺（圖2）、供電系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和輔助用房等[5]。2020 年10 月成功實現(xiàn)首次實驗激發(fā)，至今已連續(xù)運行兩年多，開展激發(fā)試驗120 余次，有效激發(fā)10 000 余槍，積累了大量觀測數(shù)據(jù)。

圖1 劉家峽主動源位置圖Fig.1 Location of active source in Liujiaxia

圖2 水上激發(fā)平臺、水上工作平臺圖Fig.2 Diagram of water excitation platform and water working platform

對距離激發(fā)點約600 m 的岸邊架設的陸上參考臺記錄的一次激發(fā)數(shù)據(jù)進行頻譜分析（圖3），結果表明劉家峽主動源激發(fā)信號優(yōu)勢頻率在3～8 Hz，這一結果與前人計算結果一致。以首次激發(fā)為參考，其他激發(fā)信號與首次激發(fā)信號做相關性分析（圖4），可以看出劉家峽氣槍震源一致性較高。

圖4 氣槍震源激發(fā)信號相關系數(shù)Fig.4 Correlation coefficient of air-gun source excitation signal

2 儀器概況及安裝

2.1 水下節(jié)點地震儀概況

水下節(jié)點地震儀觀測系統(tǒng)由水下節(jié)點地震儀、線纜、數(shù)據(jù)采集器、GNSS 授時器、路由器、智能電源等組成。

本文所使用的TDO-74 海底節(jié)點地震儀是由珠海市泰德企業(yè)有限公司自主研發(fā)的新一代三分向地震儀[6]。系統(tǒng)采用了高性能、低功耗的RISC 處理器/DSP 器件、高可靠性的實時操作系統(tǒng)（RTOS）、24位ADC 器件。該數(shù)據(jù)采集在符合中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡（區(qū)域測震設備）要求的基礎上，具有以下特點： ① 采用國際上最新推出的24 位ADC 器件，相對于上一代采集器，具有動態(tài)范圍更大，諧波總失真（THD）更小等特點，從而為系統(tǒng)的高性能提供了保障； ② 采用高集成度、低功耗設計模式，具有大容量電子硬盤（TF 卡）實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、具備USB 存儲高速數(shù)據(jù)下載接口和USB 實時數(shù)據(jù)接收接口，通訊、配置、數(shù)據(jù)讀取靈活方便； ③ 內(nèi)置18650 鋰電池，容量高達450 Wh，續(xù)航能力約40 天，也可通過220VAC市電電源適配器供電和充電、內(nèi)置完善充電電路，最大充電功率達25 W。圖5 左側為水下地震計，右側為數(shù)據(jù)采集器及智能電源。

圖5 水下節(jié)點地震儀、智能電源與數(shù)據(jù)采集器Fig.5 Underwater node seismograph，intelligent power supply and data collector

2.2 儀器安裝調(diào)試

為了記錄信號清晰準確，水下節(jié)點地震儀的安裝位置應在距離激發(fā)震源較近的位置，且水下節(jié)點地震儀安裝傾角在10°范圍內(nèi)。通過對激發(fā)點周邊靜態(tài)水深進行測量（表1），完成儀器投放位置水底坡度計算。通過測量安裝范圍內(nèi)水深（測量點的分布如圖6），得出浮臺AM一側水底坡度約為4.564°，浮臺至躉船OU連線水底坡度約為2°，均在10°范圍內(nèi)。

表1 水位測量結果Table 1 Measurement results of water level

圖6 水位測量點位示意圖Fig.6 Schematic diagram of water level measurement points

本文選擇在O點和U點分別進行水下節(jié)點地震儀測試。由于激發(fā)點水位年變化幅度在18 m 左右，為避免水位升降、激發(fā)產(chǎn)生的漂移、水浪等對儀器的影響，充分預留線纜和固定鋼絲繩。測試正常后，再次檢查確保TDO-74C 各接頭和承重扣連接可靠，并鎖緊后開始投放，在投放點水面平臺或船只上，通過電纜（具有承重性能）緩慢把地震儀下放至水底。儀器投放至水底后，通電接收數(shù)據(jù)，檢查投放是否發(fā)生翻側或倒置。如果發(fā)生翻側或倒置，需通過提拉線纜調(diào)整，直至投放正常后，保證線纜處于較松弛的狀態(tài)下固定好線纜。線纜連接之后進行啟動參數(shù)設置，啟動設備。

由于O點距離激發(fā)點較近，數(shù)據(jù)可以清晰記錄氣槍震源激發(fā)初動時刻，但由于地震儀投放位置在震源正下方，距離氣槍震源較近，記錄出現(xiàn)限幅。U點距離激發(fā)點約150 m，數(shù)據(jù)可以準確記錄到激發(fā)初動時刻，且激發(fā)波形記錄清晰（圖7）。

圖7 O 點、U 點垂直向數(shù)據(jù)對比Fig.7 Comparison of vertical data at point O and point U

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 波形記錄分析

選擇2022 年12 月5 日的一次激發(fā)記錄（圖8），水下節(jié)點地震儀三分向數(shù)據(jù)清楚記錄到氣槍震源的激發(fā)。以水下節(jié)點地震儀記錄首次激發(fā)為參考，其他激發(fā)信號與首次激發(fā)信號做相關性分析（圖9），相關系數(shù)均在0.99 以上，部分相關系數(shù)在0.995 以上，與陸地地震儀計算結果進行對比，一致性更高。

圖8 水下節(jié)點地震儀記錄的激發(fā)數(shù)據(jù)Fig.8 Excitation data recorded by underwater node seismograph

圖9 一致性分析Fig.9 Consistent analysis

對比水下節(jié)點地震儀與陸上地震儀記錄波形（圖10）發(fā)現(xiàn)以下結果：① 水 下節(jié)點地震儀記錄的氣槍震源激發(fā)時刻早于陸上地震儀記錄的激發(fā)時刻；②陸 上地震儀記錄數(shù)據(jù)平滑程度較水下節(jié)點地震儀高；③ 水 下節(jié)點地震儀記錄數(shù)據(jù)振幅較陸上地震儀大。這一結果與兩臺地震儀距離激發(fā)點的距離有關。

圖10 水下節(jié)點地震儀和岸邊測震儀器記錄數(shù)據(jù)對比Fig.10 Comparison of data recorded by underwater node seismograph and shoreside seismograph

3.2 數(shù)據(jù)分析

對水下節(jié)點地震儀在平靜時和激發(fā)時的數(shù)據(jù)分別進行背景噪聲分析和頻譜分析。

環(huán)境噪聲是影響測震臺站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素之一。臺基噪聲水平分析已成為評估地震臺站運行質(zhì)量的重要技術指標。功率譜密度（PSD）是定量評價地震臺站環(huán)境噪聲水平的常規(guī)參數(shù)。國內(nèi)外科研人員在背景噪聲方面均有研究[7-12]，1993 年，USGS 發(fā)布了Peterson 模型[13]，該模型被廣泛應用于地震臺站環(huán)境噪聲水平評價。

對水下節(jié)點地震儀平靜時記錄的觀測數(shù)據(jù)進行背景噪聲分析后發(fā)現(xiàn)，噪聲低于NHNM 曲線，各分項背景噪聲值小于-120 dB，與岸邊架設儀器背景噪聲進行比較，水下地震儀記錄噪聲略高于岸邊陸地地震儀的噪聲，這可能與水浪、風以及船舶航行等有關（圖11）。

圖11 背景噪聲分析結果Fig.11 Ambient noise analysis results

許多學者[14-15]對氣槍主動源激發(fā)信號進行了分析，本文選取2022 年12 月5 日的一次激發(fā)垂直向信號進行頻譜分析（圖12），發(fā)現(xiàn)水下地震儀記錄到的氣槍震源激發(fā)信號優(yōu)勢頻率范圍為2～8 Hz，這與前人結果基本一致。水下地震儀計算得出的優(yōu)勢頻率范圍較岸邊地震儀記錄信號的頻譜分析結果略大，這一結果說明氣槍震源從激發(fā)到岸邊地震儀記錄存在一定程度的衰減，證明水下地震儀更能夠精確的反映氣槍震源激發(fā)的過程。

圖12 水下地震儀激發(fā)信號頻譜分析結果圖Fig.12 Spectrum analysis results of excitation signal of underwater node seismograph

4 討論與結論

水下節(jié)點地震儀的安裝使用突破了陸地參考臺記錄的局限。通過對比發(fā)現(xiàn)： ① 與陸地地震儀計算結果進行對比，水下節(jié)點地震儀記錄的激發(fā)信號首槍和其他信號相關系數(shù)更高，震源一致性更高； ② 對比水下節(jié)點地震儀與陸上地震儀記錄波形，發(fā)現(xiàn)水下節(jié)點地震儀記錄的氣槍震源激發(fā)時刻早于陸上地震儀記錄的激發(fā)時刻，陸上地震儀記錄數(shù)據(jù)平滑程度較水下節(jié)點地震儀高，水下節(jié)點地震儀記錄數(shù)據(jù)振幅較陸上地震儀大，這一結果與兩臺地震儀距離激發(fā)點的距離有關； ③ 對水下節(jié)點地震儀平靜時記錄的觀測數(shù)據(jù)進行背景噪聲分析，噪聲低于NHNM 曲線，各分項背景噪聲值小于-120 dB，與岸邊架設儀器背景噪聲進行比較，水下地震儀記錄噪聲略高于岸邊陸地地震儀噪聲，這可能與水浪、風以及船舶航行等有關； ④ 水下地震儀計算得出的優(yōu)勢頻率范圍較岸邊地震儀記錄信號的頻譜分析結果略大，這一結果說明氣槍震源從激發(fā)到岸邊地震儀記錄存在一定程度的衰減，證明水下地震儀能夠更精確的反映氣槍震源激發(fā)的過程。

通過水下節(jié)點地震儀的安裝和數(shù)據(jù)記錄分析，發(fā)現(xiàn)水下節(jié)點地震儀因為架設位置的特殊性，記錄氣槍震源激發(fā)過程更加全面，記錄信號較岸邊參考臺站記錄數(shù)據(jù)衰減較小，記錄的激發(fā)時刻早于岸邊地震儀記錄激發(fā)時刻，記錄更加精準。同時，由于架設點O點出現(xiàn)數(shù)據(jù)超限，在今后工作中仍然要進一步調(diào)整儀器位置，使其在記錄完整激發(fā)信號的同時更加接近震源。

水下節(jié)點地震儀的安裝為今后開展各項研究工作奠定了硬件基礎，也對氣槍主動源地震監(jiān)測系統(tǒng)建設和數(shù)據(jù)處理有一定的參考價值。