劉丹, 楊挺,2,3*, 黎伯孟, 吳越楚, 王宜志, 黃信鋒,杜浩然, 王建, 陳永順

1 南方科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程系, 廣東深圳 518055 2 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(廣州), 廣州 510301 3 上海佘山地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站, 上海 201600

0 引言

天然地震觀測臺站在全球的分布是極度不均勻的：陸地臺站十分密集，深海大洋幾乎是空白, 這在很大程度上制約了地震學(xué)基礎(chǔ)研究、災(zāi)害防御和海底資源探測，也被認(rèn)為是地震學(xué)所面臨的重大挑戰(zhàn)之一(Lay, 2009; Kohler et al., 2020).

布設(shè)沉浮式寬頻帶海底地震儀(Ocean Bottom Seismograph，OBS)臺陣是目前在深海大洋進(jìn)行地震學(xué)研究最常用的方法，這樣的科學(xué)實驗相繼在東太平洋海隆(The Melt Seismic Team, 1998)、馬里亞納海溝(Pozgay et al., 2009)、夏威夷(Wolfe et al., 2011)、Lau 盆地(Wei et al., 2017)、卡斯卡迪亞俯沖帶(Toomey et al., 2014)、法屬留尼旺(St?hler et al., 2016)、太平洋中部(Lin et al., 2016)、大西洋中脊(Rychert et al., 2017)和阿拉斯加俯沖帶(Becel et al., 2017)等海底關(guān)鍵構(gòu)造單元上實施，是理解海洋巖石圈演化、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動力學(xué)過程最重要的手段.我國學(xué)者也分別在南海(劉晨光等, 2014；Le et al., 2018; Hung et al, 2019, 2021; Tian et al., 2021)、西南印度洋中脊(Li et al., 2015；Yu et al., 2018)、馬里亞納海溝(Zhu et al., 2019；Wan et al., 2017)、雅浦海溝(鄭宏等，2020)、莫可蘭海溝和蘇拉威西海等多個海區(qū)開展寬頻帶OBS臺陣觀測實驗.而且，在最近立項的多個重大科學(xué)計劃中，如，“東南亞環(huán)形俯沖”和“西太多圈層”研究計劃，以及醞釀中的印度洋計劃，基于天然地震學(xué)的海底深部結(jié)構(gòu)探測都是其中不可或缺的內(nèi)容.

這樣的觀測方式對于設(shè)備提出了很高要求：OBS下沉后要與海底有良好的耦合，各部件在深海環(huán)境下需要長時間穩(wěn)定工作，減小各種噪聲的影響，以及可靠的回收系統(tǒng)等.而目前寬頻帶OBS在上述各個環(huán)節(jié)都面臨或大或小的技術(shù)挑戰(zhàn)，導(dǎo)致被動源海底地震數(shù)據(jù)普遍質(zhì)量不高，這已成為制約海底地震學(xué)各項研究的最大障礙.我國海洋地球物理界發(fā)展更是迫切需要研發(fā)更高性能、能接收高質(zhì)量數(shù)據(jù)的觀測設(shè)備.本文介紹了我們自主研發(fā)的分體式寬頻帶OBS的設(shè)計特點、測試狀況及其性能分析，以及其數(shù)據(jù)質(zhì)量應(yīng)用于地震學(xué)常規(guī)方法的效果分析，以期為我國的海洋地球物理領(lǐng)域提供高性能的國產(chǎn)儀器設(shè)備.

1 國內(nèi)外OBS設(shè)備研制現(xiàn)狀

國際上，絕大部分寬頻帶OBS都是由研究機構(gòu)自主研發(fā).全球只有歐洲少數(shù)幾家商業(yè)公司(如，Guralp)提供相關(guān)設(shè)備，但性能并不理想(劉晨光等, 2014).相反，研究機構(gòu)自主研制的非商業(yè)型OBS卻表現(xiàn)優(yōu)異.以美國為例，2006年前后，美國國家科學(xué)基金會(National Science Foundation, NSF)分別資助了WHOI, Scripps 和LDEO三家海洋研究所來獨立研發(fā)寬頻帶OBS，各研制單位相互獨立，又借鑒合作，三家的OBS性能都有很大程度提高.在Cascadia五年計劃中，儀器的回收率接近100%，數(shù)據(jù)質(zhì)量也有提升，剛剛完成的ORCA實驗，儀器回收率也是100%.最近，美國NSF為了節(jié)省開支，又將OBS的研發(fā)工作整合集中由WHOI一家來進(jìn)行(OBS Instrument Center,OBSIC)，應(yīng)該是技術(shù)成熟后的自然選擇.但是，與陸地地震儀相比，這些儀器還依然存在高噪聲、時鐘精度低，數(shù)據(jù)質(zhì)量尤其是水平分量的數(shù)據(jù)質(zhì)量不高等問題.

中國的海底天然地震觀測在儀器設(shè)備方面面臨著更大困境.因缺少商業(yè)產(chǎn)品和其他原因，中國的OBS儀器設(shè)備只能依靠自主研發(fā).中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所在OBS研發(fā)上進(jìn)行了開創(chuàng)性工作(如，游慶瑜等，2003; 阮愛國等，2010；郝天珧和游慶瑜，2011)，其研制的I-4C和I-7C型 OBS為我國的主動源和被動源海底地震觀測都做出了重要貢獻(xiàn).這種儀器是一個緊湊的單球系統(tǒng)，地震計、數(shù)采、電池等主要組件都置于一個耐壓球內(nèi).這一結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點：體積小、易操控、布放簡單、成本低等，非常適合接收人工震源信號的主動源地震學(xué)實驗.但是對于需要在海底長期布放的、以接收寬頻帶天然地震信號為目的的被動源地震學(xué)研究，這種緊湊型OBS有著很多的不足, 例如，數(shù)據(jù)頻帶有限、信噪比較低以及回收系統(tǒng)不穩(wěn)定等.

國際上寬頻帶OBS一般都采用分體式的結(jié)構(gòu)，成功的被動源OBS觀測計劃，如NoMelt, Cascadia Array, PI-LAB，ORCA等，也都是應(yīng)用這種類型的儀器.所謂分體式結(jié)構(gòu)是指OBS在海底布放后，地震計與儀器主體之間沒有機械耦合，只是通過柔性的線纜相連；地震計置于一個相對獨立的壓力倉內(nèi)，布放時隨整個儀器下沉觸底并穩(wěn)定，才與儀器主體分離和解耦.對于海底天然地震長期觀測而言，這種分體式結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)勢：

(1)可以實現(xiàn)更好海底耦合，減小底流影響.儀器主體因為體積較大，在底流影響下會產(chǎn)生搖擺噪聲(tilt noise)，獨立的地震計壓力倉更容易陷入沉積物中，受到這種噪聲的影響較小.

(2)可以使用真正的寬頻帶地震計.分體式OBS可以采用力平衡反饋式、精密差分電容信號檢測的寬頻帶地震計(常規(guī)低頻至120 s, 可以低至240 s，甚至360 s)，這種地震計體積較大，緊湊型OBS的有限空間決定了它只能使用電化學(xué)地震計，或者其他類型的動圈式地震檢波器，不應(yīng)用擴頻技術(shù)，無法超越2 s的低頻限制，而擴頻會降低靈敏度.

(3)可以使用機械式的萬向調(diào)平系統(tǒng)，實現(xiàn)地震計精準(zhǔn)調(diào)平.沉浮式OBS需要萬向軸來實現(xiàn)調(diào)平過程，獨立的壓力倉不但提供了精密萬向軸所需的空間，可實現(xiàn)更大傾斜角度調(diào)平，也可以保證其調(diào)平不受其他部件的干擾.

(4)減小儀器觸底的沖擊和影響.分體式OBS在觸底時，地震計依然懸在儀器主體上，待主體穩(wěn)定后，才釋放地震計.這樣可以減小下沉沖擊的影響，實現(xiàn)更好的耦合和調(diào)平.

(5)儀器主體擁有更大空間，可以配置更大容量電池、設(shè)計更可靠的回收系統(tǒng).

需要指出，海洋地震觀測臺站的缺失激發(fā)了很多海底地震觀測新技術(shù)，例如利用海底光纖的超穩(wěn)激光干涉(Marra et al., 2018)、分布式聲學(xué)傳感(Distributed Acoustic Sensor，DAS)(Lindsey et al., 2019)和偏振監(jiān)測(Zhan et al., 2021)等.但是，這些新方法目前只能“探測”到地震的發(fā)生，不能拾取特定震相的準(zhǔn)確到時，也不能獲得與震源物理過程相關(guān)的波形信息，至少在目前還無法應(yīng)用于大部分地震學(xué)的基礎(chǔ)研究.另一種觀測方式是浮潛式地震儀(也叫做“Mermaid”)(如，Hello et al., 2011; Sukhovich et al., 2015)，但它只能記錄海水中P波，不能記錄S波，地震學(xué)的多種常規(guī)應(yīng)用都無法實施.而且，還存在高噪聲和位置誤差等不足.總之，這些新的觀測方式可以作為常規(guī)海底地震觀測的一個補充，但無法取代三分量寬頻帶OBS.

2 磐鯤的特點及在南海的測試

為了研制分體式寬頻帶OBS，南方科技大學(xué)于2016年建立了OBS實驗室，在四年內(nèi)研發(fā)了逐步改進(jìn)的四代OBS(圖1).目前，這一儀器(命名為“磐鯤”)已基本成熟，規(guī)模量產(chǎn)超過30臺，其各項指標(biāo)，包括地震計頻帶寬度、功耗水平、布放時長、工作水深等，都達(dá)到了國際同類儀器的相當(dāng)水平(表1).

表1 磐鯤與國際上主流寬頻帶海底地震儀技術(shù)參數(shù)對比Table 1 Comparison of technical parameters between Pankun and international mainstream broadband OBSs

該分體式OBS具有以下特點：

(1)分體式、抗底流的結(jié)構(gòu).磐鯤采用寬頻帶OBS的分體式結(jié)構(gòu)：在海底工作時，地震計與OBS主體完全解耦，從而降低底流作用下的搖擺噪聲的水平.而且，地震計單元設(shè)計成被玻璃微珠浮力材料所包圍，加上塑料蓋罩進(jìn)一步消除了底流對地震計的影響(圖2a).

圖2 OBS磐鯤及其在南海測試(a) 磐鯤的內(nèi)部結(jié)構(gòu); (b) 磐鯤的布放； (c) 磐鯤的回收； (d) 磐鯤在南海西北次海盆的測試位置.Fig.2 Pankun OBS and its test in the SCS(a) The internal structure of Pankun; (b) Deploying a Pankun; (c) Recovering a Pankun; (d) Test sites of Pankun OBSs in the northwest sub-basin of the SCS.

(2)地震計自動分離裝置.磐鯤可以在投放后的可調(diào)時間(可根據(jù)海水深度設(shè)置，如5 h)內(nèi)將地震計單元與OBS主體自動分離和解耦，無需等待儀器下沉觸底后，再從海面發(fā)出分離指令，相比于傳統(tǒng)的分體式OBS，這一方案可以有效節(jié)省儀器布放時的船時.

(3)采用了寬頻帶地震計.磐鯤的地震計是Nanometric的Trillium compact 120 s，這是一款陸地臨時臺陣和寬頻帶OBS中廣泛使用的寬頻帶地震計(Ringler and Hutt，2010)，其頻帶寬度能滿足絕大部分地震學(xué)應(yīng)用，而且，功耗極低.

(4)高精度、低功耗的數(shù)采系統(tǒng).為了保證磐鯤在海底長期穩(wěn)定工作，OBS實驗室自主研發(fā)了精度為32位，功耗小于180 mW的數(shù)采系統(tǒng)，整個OBS的總功耗小于400 mW，經(jīng)配備一次性高能量密度鋰亞硫酰氯電池，可以保證磐鯤在海底運行超過15個月.

在磐鯤的研制過程中，至今已進(jìn)行了10多次的近遠(yuǎn)海的測試.2019年10月，6臺第三代磐鯤布放在南海西北海盆的深水區(qū)(水深4000 m左右，圖2d)，其中2臺(圖2d黃色圓形)在同一個航次約一周后就回收了，均記錄了有效數(shù)據(jù)；其余4臺在海底布放了7個月后，于2020年5月全部回收.這4臺磐鯤，3臺(圖2d黑色三角形)記錄了有效數(shù)據(jù)，另1臺(圖2d黑色方形)因為地震計壓力倉內(nèi)一根細(xì)纜壓在了蓋子與倉壁之間，在海底高壓作用下被壓斷，致使這臺磐鯤(K04)的數(shù)據(jù)沒有記錄.在第四代磐鯤中，壓力倉內(nèi)的接線方式已做了改進(jìn)，這種狀況將不會發(fā)生.因此，以下的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析主要是基于3臺磐鯤接收的7個月的連續(xù)海底地震觀測數(shù)據(jù).

在儀器的功耗方面，盡管磐鯤在海底測試只有7個月，但儀器回收后，在實驗室進(jìn)行的長期放電測試表明，其剩余電量還可以保證整個系統(tǒng)工作約9個月，據(jù)此判斷磐鯤在海底可以連續(xù)工作15個月以上.

3 性能分析

3.1 地震計的水平方位的確定

確定沉浮式OBS的地震計在海底的實際方位是一個技術(shù)挑戰(zhàn).電子羅盤因受地磁場復(fù)雜性及儀器自身部件的影響很難得到準(zhǔn)確方位，所以一般需要在儀器回收后利用地震信號來完成這一工作.最可靠的方法是利用低頻瑞雷面波質(zhì)點運動的偏振特性(如，Stachnik et al., 2012; 劉晨光等, 2014)：因為瑞雷波的徑向與垂直分量存在90°相位差，其垂直分量的希爾伯特變換與徑向分量存在線性關(guān)系，通過判斷它們之間相關(guān)性可以確定地震方位角和儀器水平方位的差別，結(jié)合多個地震面波的統(tǒng)計分析來確定儀器的水平方位；同時，這也是檢驗儀器穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個手段.

在這一工作中，磐鯤記錄到的信噪比大于5.0的眾多地震瑞雷波被用來確定其水平分量的方位角(詳見表2).圖3a所示為OBS接收到的瑞雷波相關(guān)系數(shù)隨方位角變化的統(tǒng)計圖，其中，橫坐標(biāo)為相關(guān)系數(shù)，縱坐標(biāo)為方位角，每個點代表來自一個地震的瑞雷波.可以看到，在相關(guān)系數(shù)值較小時，各地震確定的方位角呈分散排布，隨著相關(guān)系數(shù)的增大，方位角逐漸呈現(xiàn)一致性.圖3b為通過統(tǒng)計方法確定的水平方位角結(jié)果以及其誤差范圍.

圖3 利用瑞雷波確定磐鯤K02在海底的水平方位(a) 每個瑞雷波(黑點)垂直分量與徑向分量的希爾伯特變換的相關(guān)性與水平方位的關(guān)系；(b) 由相關(guān)系數(shù)大于0.9的瑞雷波所確定的地震計北分量的方位角及其誤差.Fig.3 Determining the horizontal orientation of OBS K02 at the seafloor with Rayleigh waves(a) Horizontal orientations as a function of the correlation of the Hilbert transform of the vertical component and the radial component for each Rayleigh wave (black dot); (b) The orientation of the north component and its error determined by the Rayleigh waves whose correlation coefficients are greater than 0.9.

表2給出了三臺磐鯤的水平方位估計的各個參數(shù)，可以看出，與我們前期在南海進(jìn)行的另一次實驗所使用的Guralp OBS相比(劉晨光等, 2014)，這三臺磐鯤的水平方位角估計結(jié)果都更為集中，誤差也更小.這主要是因為磐鯤的地震計頻帶更寬，低頻的瑞雷波的質(zhì)量更高，可使用的地震事件也更多，因此結(jié)果更為準(zhǔn)確.

表2 利用瑞雷面波確定三臺磐鯤在海底的水平方位及其誤差Table 2 Pankun′s horizontal orientations at seafloor and errors determined by Rayleigh waves

3.2 地震計的調(diào)平精度

地震計的調(diào)平系統(tǒng)是影響寬頻帶OBS數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個關(guān)鍵部件.地震計與儀器主體分離后，需要先將其調(diào)平，再鎖緊以提高耦合，由于地震計壓力倉在海底軟泥內(nèi)的不均勻沉降，以及可能的底流影響，會導(dǎo)致調(diào)平鎖緊后的地震計再次微微傾斜，影響數(shù)據(jù)質(zhì)量.為解決這一問題，磐鯤與多數(shù)的國際寬頻帶OBS一樣，會定期(如1個月)進(jìn)行調(diào)平架的解鎖和重新調(diào)平.

若地震計傾斜，其水平分量的能量會“泄漏”到垂直分量，致使水平和垂直分量的信號之間存在相關(guān)性.基于這一原理，Crawford和Webb(2000)和Bell 等(2015)發(fā)展了一套利用三分量記錄來確定地震計傾斜方向和角度、并消除垂直分量上傾斜噪聲的方法.通過分析每天的地震數(shù)據(jù)，可以確定地震計傾斜的時變特征(圖4).我們使用Bell等(2015)的方法，由三分量地震記錄求得一個轉(zhuǎn)換函數(shù)來描述其傾斜特征，并由此來確定OBS地震計的傾斜方位和角度.

圖4給出了三臺磐鯤地震計在海底的傾斜角度隨時間的變化，可以看出，K02和K03在布設(shè)初期地震計存在著明顯的傾斜角度且存在變化，可能反映了地震計在海底軟質(zhì)沉積層中的不均勻沉降；但在隨后的絕大部分時間內(nèi)傾斜角都穩(wěn)定在1°左右，處于地震計正常允許的傾斜角度范圍之內(nèi)(一般為2.5°).另一儀器(K08)似乎一直存在明顯的傾斜(圖4c)，但是，它的水平和垂直分量的能量相關(guān)系數(shù)一直非常小(小于0.4)，這實際上表明K08的地震計沒有傾斜(Bell et al., 2015).

圖4 臺站K02(a)、K03(b)和K08(c)地震計傾斜的時變特征其中上下圖分別為傾斜角度、以及垂直和水平分量的能量相關(guān)性隨時間的變化.Fig.4 Time-varying characteristics of seismometer tilt at OBSs K02 (a), K03 (b) and K08 (c)The upper and lower panels show the tilt angle and the energy coherence between the vertical and horizontal components,respectively, as a function of Julian day.

這三臺OBS的地震計傾斜角度比前期南海實驗中的OBS要小得多(Hung et al., 2019), 它們的數(shù)據(jù)無需進(jìn)行傾斜校正.這應(yīng)該與磐鯤的抗底流的結(jié)構(gòu)有關(guān)，因為它屏蔽了底流的直接作用(圖 2a)，消除了底流引起的地震計傾斜；在沉積物中的不均勻沉降所導(dǎo)致的傾斜則由定時進(jìn)行的再調(diào)平機制消除了，這一結(jié)果說明磐鯤的調(diào)平裝置性能優(yōu)良.

3.3 磐鯤的時鐘精度

因海底沒有GPS信號，OBS不能像陸地儀器那樣定時獲取高精度時間校正，只能依靠其內(nèi)部時鐘.在解決原子鐘芯片高功耗問題之前，OBS所使用的普通晶振時鐘芯片不可避免存在鐘漂.不同類型的時鐘芯片的鐘漂程度有差異，磐鯤所使用的時鐘芯片(Temperature Compensate X′tal(crystal) Oscillator，TCXO)經(jīng)實驗室測試每日鐘漂小于5 ms，一般呈現(xiàn)出可校正的線性特征.但在海底，因溫度變化等因素，其實際鐘漂可能會更復(fù)雜.

圖5 利用地震到時分析磐鯤的鐘漂(a) 各OBS相對于瓊中臺(QIZ)的相對到時時差隨時間的變化； (b) 選取的8個地震及臺站位置；(c) 4個地震在各OBS和QIZ的波形及P波初至(短虛線)和預(yù)測到時(短實線).Fig.5 Pankun′s clock drifts inferred from the first arrivals of earthquake signals(a) The relative time difference，compared to Qiongzhong Station (QIZ)，as a function of time for each OBS; (b) 8 selected earthquakes and station locations; (c) Waveforms of first arrivals with the picked (short dashed line) and predicted (short solid line) arrivals at 3 OBSs and QIZ for four selected events.

圖6 磐鯤OBS在南海記錄的不同震級和震中距的地震分布及其三分量波形實例地震波形為原始波形或者經(jīng)寬頻帶濾波器(10～100 s)濾波，每個波形中的兩個短虛線分別表示P波和S波的預(yù)測到時.E1和E4為臺陣布設(shè)早期地震，故包括短期布放的K06和K07的數(shù)據(jù).Fig.6 Selected earthquakes with different magnitudes and epicentral distances and their three-component waveforms recorded by Pankun OBSs in the SCSThe seismic waveforms are the original ones or filtered by a broadband filter (10～100 s). Two short dashed lines in each waveform mark predicted P and S arrivals, respectively. E1 and E4 are events that occurred in the early stage of the deployment. Waveforms at OBSs K06 and K07 are thus also shown.

圖7 磐鯤記錄的兩個地震的三分量地震波形與鄰近陸地臺站的比較左上圖分別給出了地震震中(圓圈)、陸地臺站(黑色三角)和OBS(灰色三角)的位置；三個分量(Z，X，Y)的對比圖中，灰色波形為陸地臺站記錄，黑色波形為三臺OBS的記錄，虛線分別表示了P波和S波的預(yù)測到時.Fig.7 Comparison of three-component seismic waveforms of two earthquakes recorded by Pankuns and adjacent land stationsThe upper-left panel shows the locations of the epicenter of earthquake (circle), land stations (black triangles), and OBSs (gray triangles); In the panels of the three components (Z, X, Y), the gray waveforms are from land stations, black from Pankuns, and the predicted P and S arrivals are marked by dashed lines.

圖8 磐鯤OBS與其他臺站的背景噪聲比較(a) 磐鯤OBS(K08)與附近陸地臺(QIZ)、海島臺(JOHN)及太平洋OBS 臺站(G36D)的位置； (b, c, d) 三分量背景噪聲PDF中位數(shù)對比.黑色虛線是Peterson(1993)新高噪聲模型(NHNM)和新低噪聲模型 (NLNM).Fig.8 Comparison of ambient noise between Pankun OBS and other stations(a) Locations of the Pankun OBS (K08) and land station (QIZ), island station (JOHN) and Pacific OBS (G36D) position; (b—d) Comparisons of three-component ambient noise PDFs (median). Black dashed lines are the New High Noise Model (NHNM) and the New Low Noise Model (NLNM) (Peterson, 1993).

圖9 磐鯤K02記錄到的一個地震瑞雷面波的頻散特征(a) 原始垂直分量記錄以及經(jīng)不同窄帶濾波后的波形，其中心周期顯示在波形之上； (b) 基于頻率-時間分析的群速度頻散曲線.Fig.9 Dispersion characteristics of a Rayleigh wave recorded by Pankun K02(a) The original vertical component of the Rayleigh wave and the waveforms filtered by different narrow bands, whose center periods are given by the numbers in the right; (b) The group velocity dispersion curve based on the Frequency Time Analysis.

為了評估磐鯤OBS的鐘漂，我們利用其接收的大量高質(zhì)量地震信號進(jìn)行了如下分析.選擇同一方位角、震中距差別不大的8個不同時間發(fā)生的地震，濾波至0.05～0.1 Hz，拾取每個OBS臺站P波初至的相對時差(Tpick-Tpred)(圖5)，其中，Tpick和Tpred分別為拾取的初至到時和基于標(biāo)準(zhǔn)地球模型IASP91的預(yù)測到時；分析這一時差相對于附近的陸地臺站(QIZ，瓊中臺)之間的、在OBS布放時間內(nèi)的變化特征，可以初步判斷每個OBS臺站的鐘漂幅度.如圖5a所示，在理想狀況下(假定QIZ沒有鐘漂，且地下結(jié)構(gòu)的影響可以完全排除)，如果沒有鐘漂，圖5a中表示三個OBS的三條曲線應(yīng)是水平的.而實際上，這三條曲線都有一定起伏，在整個OBS布放期間，K08的鐘漂變化很小(<0.5 s)，K02的變化幅度也小于1.0 s，而K03則稍大(<1.8 s).

需要指出，這只是一種粗略的鐘漂估計方法，因為每個地震的反方位角和震中距并非完全一致，結(jié)構(gòu)的影響盡管很小，卻不能完全消除，拾取的到時也有誤差；而且QIZ自身也可能存在鐘漂.盡管如此，這樣的估計說明，這三臺磐鯤的時鐘精度要遠(yuǎn)高于前期我們使用的Guralp OBS(Le et al., 2018).

4 磐鯤的數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

4.1 地震波形質(zhì)量

磐鯤在7個月的海底布放時間內(nèi)記錄了大量的地震信號，通過基本處理(帶通濾波和信噪比分析)，我們對所記錄的地震波形進(jìn)行了分類和挑選.圖6給出了不同震級和震中距的地震震中分布以及典型地震的三分量的波形實例.可以看出，磐鯤記錄的地震數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，對于在地震目錄中出現(xiàn)的地震事件，主要震相在原始記錄上或經(jīng)簡單寬帶濾波(10～100 s)就能清楚分辨且可準(zhǔn)確拾取到時，可以應(yīng)用于絕大部分地震學(xué)應(yīng)用.

一般來說，沉浮式OBS的地震計由于難以實現(xiàn)與海底地層的有效耦合，在底流作用下，水平分量的數(shù)據(jù)質(zhì)量較垂直分量要差很多.但是，這次實驗磐鯤所接收的三分量波形記錄顯示，盡管存在長周期的背景噪聲，水平分量經(jīng)簡單濾波處理后，主要震相可以清楚識別，其質(zhì)量可以應(yīng)用于接收函數(shù)和橫波分裂等三分量的地震學(xué)應(yīng)用.

為了進(jìn)一步分析地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量，我們將OBS的數(shù)據(jù)與鄰近陸地臺站的數(shù)據(jù)做了直接比較，圖7所示為磐鯤記錄到的兩個地震的波形與陸地臺站記錄的比較，可以看出，它們的質(zhì)量相當(dāng)，水平分量受長周期的噪聲影響，稍微差一點，但通過簡單濾波，與陸地臺站基本一致.

4.2 磐鯤的背景噪聲水平

除了地震信號外，OBS記錄中還包含由很多因素(如洋流、臺風(fēng)、潮汐和長周期重力波等)引起的背景噪聲信號，其水平的高低無疑會影響地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量，同時又反映了OBS在噪聲源強度相當(dāng)時壓制這些噪聲的性能好壞.功率譜密度(Power Spectral Density，PSD)常用來定量描述地震臺站記錄到的噪聲水平，我們應(yīng)用McNamara和Buland(2004)的概率密度函數(shù)(Probability Density Function，PDF)方法來分析磐鯤(以K08為例，水深3780 m)的背景噪聲的PSD，并提取中位值(median)代表其整體噪聲水平.此外，為了進(jìn)行比較，其他有代表性的幾個地震臺站，包括陸地臺站(QIZ)、海島臺站(JOHN)以及另一太平洋OBS(G36D，水深3779.6 m)也應(yīng)用相同方法做了背景噪聲分析(圖8).其中，QIZ和JOHN都使用的與磐鯤同時期的數(shù)據(jù)，G36D使用的是其布設(shè)期間一整年的數(shù)據(jù).

由圖8可知，陸地臺站(如QIZ)擁有OBS無法媲美的極低噪聲水平，這也是目前國際上主流沉浮式OBS都面臨的問題，整體上磐鯤OBS的噪聲水平與太平洋OBS及海島臺站相當(dāng)，但在低頻段(>10 s)水平分量噪聲比太平洋臺站(G36D)低5～10 dB，垂直分量噪聲水平甚至略低于海島臺(JOHN)，這可能是因為磐鯤OBS通過其分體式結(jié)構(gòu)，以及抗底流的外形設(shè)計將底流對于地震計的影響屏蔽了，提高了其低頻部分的信噪比.

4.3 寬頻帶面波的頻散特征

地震面波，尤其是低頻面波的數(shù)據(jù)質(zhì)量對于洋殼和海洋巖石圈的探測至關(guān)重要.與陸地臺陣不同，海底OBS臺站一般很稀疏，而面波橫跨海盆傳播，利用它們在寬頻帶內(nèi)的頻散特征，是獲得洋殼和巖石圈，甚至上地幔等不同深度的速度結(jié)構(gòu)信息的重要手段.

因為磐鯤使用的地震計為寬頻帶地震計，其低頻端可至120 s，理應(yīng)能夠得到低頻信號的群速度和相速度，但海底因海水運動的低頻噪聲源很多，會干擾低頻地震信號.為了檢驗磐鯤接收的地震面波寬頻帶范圍內(nèi)的頻散特征，我們對部分地震進(jìn)行了群速度的頻率-時間分析(Frequency Time Analysis).如圖9所示，這一地震原始波形經(jīng)窄帶濾波后的瑞雷波在15 s到125 s呈現(xiàn)出明顯的頻散現(xiàn)象.與前期的Grualp OBS相比，因其地震計頻帶寬度經(jīng)擴頻到60 s，在65 s左右，其頻散曲線快速下墜(劉晨光等, 2014).而磐鯤的寬頻帶記錄使得我們可以獲得周期為120 s甚至之后的瑞雷波的群速度(圖9)，這一寬頻范圍內(nèi)，其群速度及相速度能夠用于巖石圈到上地幔約300 km深度范圍內(nèi)的速度結(jié)構(gòu)成像.

此外，因為OBS臺站相對稀疏，體波在海洋巖石圈結(jié)構(gòu)成像中分辨率受到很大制約，但是，如果OBS記錄到寬頻帶地震信號，可以利用低頻體波的寬大敏感核，通過體波的有限頻層析成像方法來反演海洋巖石圈和深部地幔結(jié)構(gòu)(如，Yang et al., 2006, 2009).磐鯤的高質(zhì)量低頻體波記錄在這一方面也是有優(yōu)勢的.

5 結(jié)論與展望

磐鯤是南方科技大學(xué)自主研發(fā)的一種接收寬頻帶海底天然地震信號的設(shè)備，除了采用國際寬頻帶OBS通用的分體式結(jié)構(gòu)以外，磐鯤還具有獨特的抗底流設(shè)計：在海底記錄數(shù)據(jù)時，地震計被環(huán)狀浮力材料和塑料蓋罩所屏蔽，基本消除了底流對地震計的直接影響；使用一種可靠的裝置在儀器觸底后自動分離地震計單元和儀器主體，可以節(jié)省常規(guī)分體式OBS在布放時所需的船時；此外，磐鯤配備了真正的寬頻帶地震計；而且自主研發(fā)的低功耗數(shù)采和控制系統(tǒng)保證其在海底工作時間可超過15個月.

磐鯤在南海深海海底長期布放的測試表明，與早期寬頻帶海底觀測實驗中的OBS相比，其性能在多個方面有了很大的提升，具體表現(xiàn)在：7個月深海布放回收率達(dá)到了100%，水平方位估計更為準(zhǔn)確，地震計調(diào)平鎖緊裝置性能優(yōu)異，其傾斜角度始終處于可忽略的范圍之內(nèi)；此外，磐鯤的時鐘精度大大提高.在數(shù)據(jù)質(zhì)量方面，對于在地震目錄中所有地震事件，在原始記錄上或經(jīng)簡單濾波就可以清楚分辨震相和拾取到時；磐鯤的噪聲水平整體上與國外OBS相當(dāng)，但在對于地震學(xué)應(yīng)用非常重要的低頻段優(yōu)于國外OBS；磐鯤記錄到寬頻帶地震信號(低頻面波和體波)有利于進(jìn)行深部巖石圈和上地幔的速度結(jié)構(gòu)成像.

需要指出的是，海洋儀器的長期海底工作穩(wěn)定性是其性能好壞最重要的指標(biāo)，需經(jīng)長期、大規(guī)模的測試才能真正得到驗證，此次小規(guī)模的測試只是證明其基本性能達(dá)到了設(shè)計的要求，而其長期海底工作穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步的實驗來驗證.在2021年底，我們已在西太平洋深海區(qū)進(jìn)行了一次更大規(guī)模(22臺第四代磐鯤)的被動源臺陣布設(shè)(臺陣命名為SUSTech Array)，預(yù)計觀測時間將達(dá)1年左右.

即使采用了分體式和抗底流的結(jié)構(gòu)，磐鯤OBS的背景噪聲依然相對較高，難以與陸地臺站相媲美，這也是當(dāng)前國際上主流沉浮式OBS，以及整個海洋地震學(xué)領(lǐng)域所面臨的共同挑戰(zhàn).因此，在未來發(fā)展方向上，我們擬嘗試在以下幾項寬頻帶OBS關(guān)鍵技術(shù)上開展研究：設(shè)計自埋裝置將地震計在OBS下沉觸底后，自動淺埋到海底沉積物中，以進(jìn)一步改善地震計與海底耦合效果；為OBS增加交互功能，從而使OBS能反饋其海底工作狀態(tài)；使用原子鐘來使得OBS獲得更高精度授時.這些技術(shù)的突破可以有效提高我國沉浮式寬頻帶OBS設(shè)備的性能，也將有利于未來建設(shè)海底基準(zhǔn)地震臺站和海底觀測網(wǎng)上的地震觀測節(jié)點.

致謝海底長期地震觀測實驗十分不易，感謝國家自然科學(xué)基金委設(shè)立的科考船船時共享計劃，感謝中國科學(xué)院南海海洋研究所“實驗二號”、廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“海洋四號”和“海洋六號”的全體船員在磐鯤多次的南海測試中給予的幫助.感謝美國地震學(xué)研究聯(lián)合會(Incorporated Research Institutions for Seismology, IRIS)提供的國際地震數(shù)據(jù).