孫點(diǎn)峰 王亞紅 秦滿忠 鄒 銳 萬(wàn)文琦 王志棟

（甘肅省地震局，甘肅蘭州 730000）

0 引言

利用主動(dòng)源重復(fù)探測(cè)技術(shù)，在強(qiáng)震多發(fā)的研究區(qū)域開(kāi)展地震前后結(jié)構(gòu)變化的實(shí)證性研究[1]，有望成為地震科技創(chuàng)新的重要突破點(diǎn)。利用高性能人工震源主動(dòng)探測(cè)地殼介質(zhì)物性變化已成為探索地震預(yù)報(bào)新途徑的一個(gè)重要發(fā)展方向。

利用主動(dòng)源觀測(cè)地下介質(zhì)波速變化[2]，就是利用主動(dòng)源激發(fā)的重復(fù)性，在正確獲取主動(dòng)源激發(fā)的精確時(shí)刻后，對(duì)主動(dòng)源觀測(cè)臺(tái)站記錄的波形進(jìn)行截取，然后對(duì)截取的波形進(jìn)行濾波、去勢(shì)等處理，利用相關(guān)方法得到一定時(shí)間內(nèi)的波速變化[3]。因此，正確獲取主動(dòng)源激發(fā)的精確時(shí)刻是非常重要的。如何準(zhǔn)確記錄主動(dòng)源激發(fā)時(shí)刻是亟待解決的問(wèn)題，為此借鑒海上人工地震（主動(dòng)源）勘探經(jīng)驗(yàn)[4]，在劉家峽主動(dòng)源試驗(yàn)場(chǎng)開(kāi)展了水下節(jié)點(diǎn)地震儀觀測(cè)系統(tǒng)的布設(shè)與觀測(cè)。

本文結(jié)合劉家峽主動(dòng)源水下節(jié)點(diǎn)地震儀的安裝應(yīng)用，著重論述了水下節(jié)點(diǎn)地震儀在劉家峽主動(dòng)源實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的安裝調(diào)試、數(shù)據(jù)收集和初步分析。

1 劉家峽主動(dòng)源簡(jiǎn)介

劉家峽主動(dòng)源位于永靖縣峴塬鎮(zhèn)，距永靖縣城15 km。監(jiān)測(cè)區(qū)域位于鄂爾多斯、青藏塊體和阿拉善塊體等大陸活動(dòng)塊體交匯區(qū)域（圖1）。在該區(qū)域內(nèi)曾發(fā)生過(guò)1927 年古浪8.0 級(jí)地震、1920 年海原8.5 級(jí)地震、1654 年天水南8.0 級(jí)地震和1879 年武都南8.0 級(jí)地震等多次歷史強(qiáng)震。震源激發(fā)點(diǎn)年平均水深為29 m 左右，水面寬約5 km，是開(kāi)展主動(dòng)源重復(fù)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的理想場(chǎng)地。激發(fā)系統(tǒng)主要包括水上激發(fā)平臺(tái)、水上工作平臺(tái)（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(shí)現(xiàn)首次實(shí)驗(yàn)激發(fā)，至今已連續(xù)運(yùn)行兩年多，開(kāi)展激發(fā)試驗(yàn)120 余次，有效激發(fā)10 000 余槍，積累了大量觀測(cè)數(shù)據(jù)。

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

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

對(duì)距離激發(fā)點(diǎn)約600 m 的岸邊架設(shè)的陸上參考臺(tái)記錄的一次激發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析（圖3），結(jié)果表明劉家峽主動(dòng)源激發(fā)信號(hào)優(yōu)勢(shì)頻率在3～8 Hz，這一結(jié)果與前人計(jì)算結(jié)果一致。以首次激發(fā)為參考，其他激發(fā)信號(hào)與首次激發(fā)信號(hào)做相關(guān)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(hào)相關(guān)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(diǎn)地震儀概況

水下節(jié)點(diǎn)地震儀觀測(cè)系統(tǒng)由水下節(jié)點(diǎn)地震儀、線纜、數(shù)據(jù)采集器、GNSS 授時(shí)器、路由器、智能電源等組成。

本文所使用的TDO-74 海底節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）、24位ADC 器件。該數(shù)據(jù)采集在符合中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（區(qū)域測(cè)震設(shè)備）要求的基礎(chǔ)上，具有以下特點(diǎn)： ① 采用國(guó)際上最新推出的24 位ADC 器件，相對(duì)于上一代采集器，具有動(dòng)態(tài)范圍更大，諧波總失真（THD）更小等特點(diǎn)，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(shè)計(jì)模式，具有大容量電子硬盤(pán)（TF 卡）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、具備USB 存儲(chǔ)高速數(shù)據(jù)下載接口和USB 實(shí)時(shí)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(dá)450 Wh，續(xù)航能力約40 天，也可通過(guò)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(dá)25 W。圖5 左側(cè)為水下地震計(jì)，右側(cè)為數(shù)據(jù)采集器及智能電源。

圖5 水下節(jié)點(diǎn)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(hào)清晰準(zhǔn)確，水下節(jié)點(diǎn)地震儀的安裝位置應(yīng)在距離激發(fā)震源較近的位置，且水下節(jié)點(diǎn)地震儀安裝傾角在10°范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)激發(fā)點(diǎn)周邊靜態(tài)水深進(jìn)行測(cè)量（表1），完成儀器投放位置水底坡度計(jì)算。通過(guò)測(cè)量安裝范圍內(nèi)水深（測(cè)量點(diǎn)的分布如圖6），得出浮臺(tái)AM一側(cè)水底坡度約為4.564°，浮臺(tái)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(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement results of water level

圖6 水位測(cè)量點(diǎn)位示意圖Fig.6 Schematic diagram of water level measurement points

本文選擇在O點(diǎn)和U點(diǎn)分別進(jìn)行水下節(jié)點(diǎn)地震儀測(cè)試。由于激發(fā)點(diǎn)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(duì)儀器的影響，充分預(yù)留線纜和固定鋼絲繩。測(cè)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(kāi)始投放，在投放點(diǎn)水面平臺(tái)或船只上，通過(guò)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(cè)或倒置。如果發(fā)生翻側(cè)或倒置，需通過(guò)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(jìn)行啟動(dòng)參數(shù)設(shè)置，啟動(dòng)設(shè)備。

由于O點(diǎn)距離激發(fā)點(diǎn)較近，數(shù)據(jù)可以清晰記錄氣槍震源激發(fā)初動(dòng)時(shí)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(diǎn)距離激發(fā)點(diǎn)約150 m，數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確記錄到激發(fā)初動(dòng)時(shí)刻，且激發(fā)波形記錄清晰（圖7）。

圖7 O 點(diǎn)、U 點(diǎn)垂直向數(shù)據(jù)對(duì)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(diǎn)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(diǎn)地震儀記錄首次激發(fā)為參考，其他激發(fā)信號(hào)與首次激發(fā)信號(hào)做相關(guān)性分析（圖9），相關(guān)系數(shù)均在0.99 以上，部分相關(guān)系數(shù)在0.995 以上，與陸地地震儀計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，一致性更高。

圖8 水下節(jié)點(diǎn)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(duì)比水下節(jié)點(diǎn)地震儀與陸上地震儀記錄波形（圖10）發(fā)現(xiàn)以下結(jié)果：① 水 下節(jié)點(diǎn)地震儀記錄的氣槍震源激發(fā)時(shí)刻早于陸上地震儀記錄的激發(fā)時(shí)刻；②陸 上地震儀記錄數(shù)據(jù)平滑程度較水下節(jié)點(diǎn)地震儀高；③ 水 下節(jié)點(diǎn)地震儀記錄數(shù)據(jù)振幅較陸上地震儀大。這一結(jié)果與兩臺(tái)地震儀距離激發(fā)點(diǎn)的距離有關(guān)。

圖10 水下節(jié)點(diǎn)地震儀和岸邊測(cè)震儀器記錄數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.10 Comparison of data recorded by underwater node seismograph and shoreside seismograph

3.2 數(shù)據(jù)分析

對(duì)水下節(jié)點(diǎn)地震儀在平靜時(shí)和激發(fā)時(shí)的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行背景噪聲分析和頻譜分析。

環(huán)境噪聲是影響測(cè)震臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素之一。臺(tái)基噪聲水平分析已成為評(píng)估地震臺(tái)站運(yùn)行質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)。功率譜密度（PSD）是定量評(píng)價(jià)地震臺(tái)站環(huán)境噪聲水平的常規(guī)參數(shù)。國(guó)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(yīng)用于地震臺(tái)站環(huán)境噪聲水平評(píng)價(jià)。

對(duì)水下節(jié)點(diǎn)地震儀平靜時(shí)記錄的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行背景噪聲分析后發(fā)現(xiàn)，噪聲低于NHNM 曲線，各分項(xiàng)背景噪聲值小于-120 dB，與岸邊架設(shè)儀器背景噪聲進(jìn)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(fēng)以及船舶航行等有關(guān)（圖11）。

圖11 背景噪聲分析結(jié)果Fig.11 Ambient noise analysis results

許多學(xué)者[14-15]對(duì)氣槍主動(dòng)源激發(fā)信號(hào)進(jìn)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(hào)進(jìn)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(hào)優(yōu)勢(shì)頻率范圍為2～8 Hz，這與前人結(jié)果基本一致。水下地震儀計(jì)算得出的優(yōu)勢(shì)頻率范圍較岸邊地震儀記錄信號(hào)的頻譜分析結(jié)果略大，這一結(jié)果說(shuō)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(guò)程。

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

4 討論與結(jié)論

水下節(jié)點(diǎn)地震儀的安裝使用突破了陸地參考臺(tái)記錄的局限。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)： ① 與陸地地震儀計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，水下節(jié)點(diǎn)地震儀記錄的激發(fā)信號(hào)首槍和其他信號(hào)相關(guān)系數(shù)更高，震源一致性更高； ② 對(duì)比水下節(jié)點(diǎn)地震儀與陸上地震儀記錄波形，發(fā)現(xiàn)水下節(jié)點(diǎn)地震儀記錄的氣槍震源激發(fā)時(shí)刻早于陸上地震儀記錄的激發(fā)時(shí)刻，陸上地震儀記錄數(shù)據(jù)平滑程度較水下節(jié)點(diǎn)地震儀高，水下節(jié)點(diǎn)地震儀記錄數(shù)據(jù)振幅較陸上地震儀大，這一結(jié)果與兩臺(tái)地震儀距離激發(fā)點(diǎn)的距離有關(guān)； ③ 對(duì)水下節(jié)點(diǎn)地震儀平靜時(shí)記錄的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行背景噪聲分析，噪聲低于NHNM 曲線，各分項(xiàng)背景噪聲值小于-120 dB，與岸邊架設(shè)儀器背景噪聲進(jìn)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(fēng)以及船舶航行等有關(guān)； ④ 水下地震儀計(jì)算得出的優(yōu)勢(shì)頻率范圍較岸邊地震儀記錄信號(hào)的頻譜分析結(jié)果略大，這一結(jié)果說(shuō)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(guò)程。

通過(guò)水下節(jié)點(diǎn)地震儀的安裝和數(shù)據(jù)記錄分析，發(fā)現(xiàn)水下節(jié)點(diǎn)地震儀因?yàn)榧茉O(shè)位置的特殊性，記錄氣槍震源激發(fā)過(guò)程更加全面，記錄信號(hào)較岸邊參考臺(tái)站記錄數(shù)據(jù)衰減較小，記錄的激發(fā)時(shí)刻早于岸邊地震儀記錄激發(fā)時(shí)刻，記錄更加精準(zhǔn)。同時(shí)，由于架設(shè)點(diǎn)O點(diǎn)出現(xiàn)數(shù)據(jù)超限，在今后工作中仍然要進(jìn)一步調(diào)整儀器位置，使其在記錄完整激發(fā)信號(hào)的同時(shí)更加接近震源。

水下節(jié)點(diǎn)地震儀的安裝為今后開(kāi)展各項(xiàng)研究工作奠定了硬件基礎(chǔ)，也對(duì)氣槍主動(dòng)源地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)和數(shù)據(jù)處理有一定的參考價(jià)值。