地球物理学在海洋中的应用.docx

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地球物理学在海洋中的应用

地球物理学在海洋中的应用

——以OBS为例

姓名：

潘少军海洋二所学号：

JX10028

专业：

海洋地质邮箱：

psj-19861216@

摘要：

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。

关键词：

海洋地球物理海底地震仪地震波

一、地球物理学基础知识

地球物理学（geophysics）:

用物理学的方法和原理研究地球的形成和动力的科学，包括大气圈、水圈及固体部分物理性质和变化过程。

地球物理学研究广泛系列的地质现象，包括地球内部的温度分布；地磁场的起源、架构和变化；大陆地壳大尺度的特征，诸如断裂、大陆缝合线和大洋中脊。

地球物理学的研究内容总体上可以分为应用和理论地球物理两大类。

应用地球物理（又称勘探地球物理）的研究范围比较广泛，主要包括能源勘探、金属与非金属勘探、环境与工程探测等。

勘探地球物理学利用地球物理学发展起来的方法进行找矿、找油、工程和环境监测以及构造研究等，方法手段包括地震勘探、电法勘探、重力勘探、磁法勘探、地球物理测井和放射性勘探等，通过先进的地球物理测量仪器，测量来自地下的地球物理场信息，对测得的信息进行分析、处理、反演、解释，进而推测地下的结构构造和矿产分布。

勘探地球物理学是石油、金属与非金属矿床、地下水资源及大型工程基址等的勘察及探测的主要学科。

图1地震勘探的三大基本环节

地球物理应用中用到的几种主要方法：

重力法—岩石密度差异（Gravity）

磁法—岩石磁性差异（Magnetic）

电法—岩石电性差异（Electricity）

地震法—岩石弹性或波阻抗差异（地球物理应用中的主要方法）（Seismicexploration）

地震勘探——利用专门仪器并按特定方式观测岩层间波阻抗差异，进而研究地下地质问题；地震勘探是利用人工方法激发的波动在地下岩层中传播的规律来确定地下构造及矿藏的方法。

地震勘探的基本任务：

产生地震波—震源:

炸药,可控震源,汽枪；

接收地震波—检波器（动圈式,压电式,数字式）,记录仪器；

重建地震波路径—地震资料的处理与解释。

二、OBS简介

海底地震仪（OceanBottomSeismometer，OBS）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。

应用纵横波资料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2—100Hz。

SEDISIV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0.5~1m/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海底地震仪内部结构

图4海底地震仪内部构造

图5海底地震仪整体构造

图6投放前安装好的海底地震仪

图7台湾产四合一海底地震仪

空气枪－它是将压缩空气在短暂的瞬间内释放于水中，形成气泡造成强烈的地震振动。

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：

①按气枪的工作压力可分为高压枪和低压枪；②按用途可分为深水工作枪、浅水工作枪、陆地枪等；③按枪的结构可分为BOLT枪、G枪、GI枪、套筒枪、RLS-6000高压枪等。

图8正在海上作业中的气枪源

三、OBS应用原理

地震波的传播路径：

²直达波路径

²透射波路径

²反射波路径

²折射波路径

地震勘探的基本方法：

²折射波法（Refraction）

²反射波法（Reflection）

²透射波法（Transmission）

图9地震波传播路径

图10入射地震波的能量转换

OBS最常用的作业方式和应用之一即是OBS广角地震调查。

OBS广角折射/反射（WideApertureReflectionandRefractionProfiling,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11在弯曲界面上的反射和透射

图12在多层介质中，一个基本反射的射线

图13OBS剖面海上探测示意图

折射波与反射波相比，其主要差别在于：

（1）折射波有一个盲区，而盲区的大小取决于界面的埋藏深度，因此，在地震勘探中要观测到折射波，炮检距应该大于折射波盲区；

（2）折射波法通常只能研究其速度大于上面所有各层波速的地层，在实际的地层剖面中，往往只有某些层能满足这个条件，因此折射层的数目要比反射层数目少得多，这点也正是目前石油地震勘探中广泛使用反射波法的原因之一；（3）如果地层剖面中存在速度很高的厚层，就不能使用折射波法研究更深处的低速地层，这种现象称为“屏蔽效应”。

如果高速层厚度小于地震波的波长，则实际上并不发生屏蔽作用。

图14发射波法地震勘探方法原理

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大部分。

4.1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，这样就得到一条完整的人工地震剖面。

4.3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。

SEDISIV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，海底地震仪两侧的地震相基本呈对称分布，清晰记录到5—120km远的折射波和广角反射波。

4.4资料解释

图15南海中北部测线2中OBS8台站的地震记录剖面图（垂直分量）

图16数据处理结果图

4.5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OBS。

（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型工作摆），一种是我们富裕的SEDISIV型海底地震仪。

（5）电池组能提供电源是有限的（20—30d），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。

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GeoProGmbH公司引进了15台SEDISIV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查。

目前国际上OBS的设计工作水深一般为6700m，完全可以满足洋中脊的调查。

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10—15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。

5.2、今后必须在以下方面努力:

一是把海洋科技列入国家科技战略的优先地位，制定有远见的发展规划；

二是建立多渠道、多层次的科技投入体系；

三是加强海洋科技建设；

四是加强国际交流与合作

6、结语

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。

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：

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6．阮爱国.中国海洋深地震探测与研究进展，华南地震，2009,29

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