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Journal of Tropical Oceanography >

2020 , Vol. 39 >Issue 3: 42 - 48

DOI: https://doi.org/10.11978/2019064

Marine Geophysics

Correction of made-in-China OBS raw data based on 2019 Fujian and Taiwan Straits crustal structures in sea-land exploration experiments

  • JIN Zhen ,
  • GUO Xiaoran ,
  • CHEN Fangying
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  • Xiamen Centre for Seismic Survey, Earthquake Administration of Fujian Province, Xiamen 361021 China
Jin Zhen. E-mail:

Received date: 2019-07-15

  Request revised date: 2019-09-23

  Online published: 2020-05-19

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Copyright reserved © 2019. Office of Acta Agronomica Sinica All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Medical Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.
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Abstract

Time service system is very important for inverting velocity structure of underground media via traveltime tomography. Due to the lack of GPS time access, the time errors (including time service error and time keeping errors) of the Ocean Bottom Seismometer (OBS) mainly come from the inaccuracy of internal quartz crystal oscillator, affected by external environment changes and switching and other factors. The long term practice finds that, some Chinese-made OBSs have large time deviation when recording air gun signals and natural seismic signals. In this study, 53 Chinese OBS records obtained from the crustal structure sea-land exploration experiments in Fujian and Taiwan straits in 2019 were used for time service system correction. To obtain OBS time service error, the consistency test of uninterrupted acquisition before going to the sea, as well as the sloshing caused by the transport ship during transportation, are used to correct the timing error by cross-correlation. For the time keeping error, the deviation between the calculated actual sampling frequency and the theoretical sampling frequency is corrected. The time service system is corrected comprehensively by using naturally occurred earthquakes. It has been demonstrated that the corrected OBS data can improve the accuracy of time record and reduce the error of seismic phase identification and traveltime picking. At the same time, the results of this paper provide important reference for the widespread use of domestic OBS and standardization of domestic OBS data acquisition process.

Key words： sea-land seismic experiment; Ocean Bottom Seismometer (OBS); OBS time correction; earthquake record.

Cite this article

JIN Zhen , GUO Xiaoran , CHEN Fangying . Correction of made-in-China OBS raw data based on 2019 Fujian and Taiwan Straits crustal structures in sea-land exploration experiments[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2020 , 39(3) : 42 -48 . DOI: 10.11978/2019064

目前国内的海洋深地震探测、海底天然地震观测中, 使用最为普遍的是由中国科学院地质与地球物理研究所自主研发的国产海底地震仪(ocean bottom seismometer, OBS), 即IGG型OBS(阮爱国 等, 2010; 郝天珧 等, 2011; 张浩宇 等, 2019), 本文所涉仪器即为该种类型。2003年, 中国科学院地质与地球物理研究所成功研制出了高频海底地震仪, 在120km范围内的南海海域大容量气枪震源地震观测中, 获取了120km偏移距范围内的优质地震记录(丘学林 等, 2003)。在2008年以后, 又研制出宽频带的七通道海底地震仪, 能够实现多用途的海底地震探测(郝天珧 等, 2011)。张佳政 等(2012)通过对比国产、法国和德国 OBS 的波形和频谱特征, 发现 3 种类型的OBS都能记录到多组清晰可靠的P波震相。张浩宇 等(2019)在数据处理过程中发现国产OBS存在守时误差, 并采用计算实际采样间隔、调整采样间隔、数据重采样的方法, 对这种误差进行了校正。针对守时误差矫正, Liu等(2018)利用波形互相关方法对留海OBS的时间误差进行了校正。然而, 以上研究只讨论了守时误差的矫正方法, 并未详细讨论OBS授时误差的矫正方法。本文不仅探讨了OBS数据预处理过程中时间服务系统的矫正方法, 还提出了一套适用于国产OBS标准化数据采集的作业流程, 真正解决了OBS作为海域探测检波器的时间精度控制问题。
2018年11月26日7时57分, 在台湾海峡(118°36'E, 23°16'48"N)发生了一次6.2级地震(图1红色五角星位置)。此次地震福建地区普遍有感, 其中东南沿海地区震感强烈。海峡两岸地震学者基于各自的地震台网数据对该地震开展了地震学研究, 但对其发震构造的判断却存在争议。因本次地震处于远离闽台两岸陆地台网的海域, 缺乏近台控制, 单靠地震学方法难以准确判别该地震的发震构造及其特征; 加上缺乏对震中区海域活动构造特征、深部构造环境及运动学性质的综合了解, 也使判别该地震的发震构造存在不确定性。因此, 福建省地震局决定结合陆地与海洋地球物理手段, 对此次地震的发震构造开展深入探测和研究。2019福建及台湾海峡地壳结构海陆探测实验布设了两条OBS测线(图1蓝色实线), 共计投放60台次OBS, 回收53台次。在实验过程中又获得两次天然地震记录, 一是2019年6月4日17时46分, 台湾岛东部(121°45'E, 22°49'12"N)5.8级地震(图1黑色五角星); 二是2019年6月17日02时57分, 台湾海峡(118°30'36"E, 23°21'36"N) 3.8级地震(图1绿色五角星)。本文所用实验数据包含此次海陆探测实验中53台OBS的人工地震和天然地震记录。
图1 研究区域构造背景及观测

红色虚线为断层, 黑色实线为走航测线, 蓝色圆点为OBS位置, 红色圆圈为天然地震, 黑色五角星为本次实验探测目标M6.2级地震位置, 绿色五角星为实验过程中OBS记录到的天然地震位置。图中地图来自Python Basemap软件自带底图

Fig. 1 Geological background and distribution of OBS stations used in this study. Black dashed box shows outline of study area, the red lines denote fault, the black lines denote the ship sailed track, the blue dots denote OBS stations, the black cycle denote earthquake location, the red star denotes the location of M6.2 earthquake, and the green stars denote the locations of M5.8 and M3.8 earthquakes

1 国产OBS时间服务系统误差来源

在获得OBS记录后, 按照图2流程进行走时层析成像, 主要分为三个阶段: 信号预处理、信号分析和层析成像。时间服务系统对利用走时层析成像的方法进行地下介质速度结构反演至关重要, 如果数据中存在时间误差, 将会对震相识别、走时拾取、结构模拟产生直接影响, 进而在最终得到的速度结构模型中产生相应误差(张浩宇 等, 2019)。
图2 OBS数据处理流程

Fig. 2 OBS data process flow chart

1.1 数据转换和时间精度

国产OBS一个采样点对应的记录为12个字节, 4通道记录的每一个通道都是3个字节。而OBS原始文件名命名方式根据记录的起始时间按照年、月、日、时、分、秒进行记录, 并且以16进制数据储存。2017年以后, 在升级的OBS版本信息中, 配置文件DATAFILELIST记录到的时间与文件名转出时间一致, DATAFILELIST记录时间比文件名转出时间精度高一位。

1.2 国产OBS数据时间服务系统误差产生分析

国产OBS采用单片机(microcontrollers)作为集成电路的芯片。单片机是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等)集成到一块硅片上, 以构成的一个小而完善的微型计算机系统, 在工业控制领域得到广泛应用(陈绍勇, 2016)。作为传统的数字地震仪(数字测震仪和数字强震仪), 其自身晶振只作为采样的计数器, 通过GPS授时系统获得当前时刻的绝对时间, 按照时间过采样截取记录, 然后重采样获得等时间、等采样长度的文件; 而由于水下采集的特殊性, OBS单片机通常采用外部晶振产生时钟源, 所以OBS时钟周期等同于晶振周期, 文件截取的方式为等长度截取, 如果自身晶振存在采样偏差则会对记录产生线型漂移(图3)。国产OBS配置文件(.log)中明确给出了OBS晶振采样频率(TC值), 实际晶振采样频率和理论采样频率的差值就是守时误差产生的原因。OBS在接入电源以后, 晶振需要256s进入稳定状态, 然后进行计数, 在晶振调整阶段接入GPS信号, 会产生恒定的初始误差, 即授时误差。
图3 国产OBS守时误差产生原因示意图

Fig. 3 Analysis of Chinese-made OBS time keeping error

2 国产OBS数据时间服务系统校正

2.1 授时误差矫正

在OBS接入GPS之后, 使用重锤一次性敲击实验矫正OBS授时误差(图4a), 同时利用同一位置架设的强震仪进行绝对时间控制。本次实验共矫正23台次OBS, 结果如图4b所示。其中, 延时小于200ms的OBS占比73%(图4b黑色波形), 延时在200~1000ms范围内的OBS占比10%(图4b蓝色波形), 延时超过1000ms的占比17%(图4b红色波形), 最大时间延时为28.9s。虽然这些OBS都接入GPS, 但是按照相同的GPS时间进行截取时已存在授时误差。如果此时中断采集, 重复以上工作, 授时误差将随晶振稳定时间变化而发生变化。因此, 我们建议OBS授时标定完成之后不中断采集, 直接进行OBS投放。
图4 OBS授时一致性实验(a)及矫正结果(b)

黑色、蓝色和红色波形分别代表延时<200ms、200~1000ms和>1000ms

Fig. 4 Chinese-made OBS time service consistency experiment (a) and results (b). Black, blue and red waveforms represent latency < 200ms, 200~1000ms and > 1000ms, respectively

2.2 守时误差矫正

文本文根据DATAFILELIST记录的文件时间计算实际的采样频率(对于没有DATAFILELIST配置件的OBS, 采用文件名计算时间间隔)。按照一天时间(86400s)换算实际采样率Sreal, 换算公式如下:
${{S}_{\text{real}}}\text{=}\frac{(F/12)\times 1000}{D(i+1)-D(i)}\times 86400$
其中, D(i+1) - D(i)表OBS记录一个完整文件所需的时间(单位: ms), F为一个记录文件的总字节数, 每个采样点占用12个字节。文件采用12进制记录, 并换算成完整一天的真实采样率。
真实采样间隔与理论采样间隔之间的差值再乘以总采样点数即为记录时长内OBS时钟的漂移时间, 即守时误差。图5显示了根据该公式计算的OBS在30h内的时钟漂移量, 其中NE0222CQ-002漂移0.035s, NE0226-CQ006漂移0.050s。
图5 国产OBS在投海期间守时误差

Fig. 5 Chinese-made OBS time keeping error

2.3 利用运输船晃动波形互相关时间校正

运输船在运输OBS过程中, 由于海浪等原因造成OBS随船晃动。相同型号的OBS晃动的频率和幅值保持一致(图6), 不同型号的OBS(IGG型OBS按照不同生产厂商分为L型和G型)互相关波形特征应保持一致(图7), 如果OBS存在时间延迟, 可以通过互相关后的波形进行矫正。此方法等同于时间一致性实验矫正的授时误差。
图6 同一条船不同型号OBS时间矫正前后的振幅对比

Fig. 6 Comparison of amplitude before and after time correction of instruments from different manufacturers of the same ship (left: before; right: after)

图7 同一条船不同厂家仪器时间矫正之前(a)和之后(b)互相关波形对比

Fig. 7 Cross-correlation diagrams before and after instrument time correction for different manufacturers of the same ship (left: before; right: after)

由图7可见, 通过互相关矫正后, 互相关波形的到时以及震荡的幅度与其他几颗球保持一致, 第11号球的时间存在延时。同时需要注意的是, 11号球传感器可能存在问题, 造成其波形特征存在异常。由于船晃动的频率及周期的限制, 该方法的矫正精度不如出海前一致性实验矫正的授时误差精度高。但是, 对于未进行出海前一致性检测的OBS, 可以使用该方法获得相对精确的授时误差; 而对于已进行了一致性实验的OBS, 可利用该方法进行授时误差独立性检验。

2.4 准确投海时间的获取

通过运输船晃动波形互相关时间校正实验, 我们可以准确得到OBS的授时误差, 也可以根据留海时间对OBS进行相应的天尺度守时误差估算(Hannemann et al, 2014; Liu et al, 2018), 图8中黑色粗线和细线交汇点为OBS准确的投海时间。
由于本次实验OBS留海时间只有30多个小时, 因此未使用互相关估算留海期间的守时误差。而OBS投海时间, 通常采用人工记录的方式。如果利用OBS研究海水流速、OBS下沉时间等, 对OBS投海时间是有精度要求的, 因此准确获得OBS投海时间也十分重要, 尤其是在深水区。在运输船运输过程中, OBS记录的振幅通常会出现限幅现象, 而投海后由于环境噪声小, 其振幅明显降低。根据这一特点, 可获得OBS准确投海时间。图8中黑色粗线为OBS在运输船上限幅部分, 细线为OBS投入海底部分, 分界线即为OBS投海时间。经过时间服务系统矫正后, 按照统一标尺获得OBS精准投海时间, 时间精度可达到0.1s。同时, 野外工作人员也可以通过班报的形式记录投海时间, 对时间服务系统进行第3次验证。
图8 OBS精确投海时间

Fig. 8 OBS precise time to be cast into the sea

3 天然地震信号时间服务系统检测

3.1 台湾东部M5.8级地震

2019年6月4日17时46分, 在台湾东部(121°45'E, 22°49'12"N)发生5.8级地震。距离OBS测线最近305km, 最远380km(图9)。由于OBS相对于地震震中分布在300km至380km范围内, 其中310km的OBS明显相对于其他OBS初至波提前。利用上述方法对该台站进行时间矫正后, 其水听器分量波形到时与其他台站形成了连续的时-距关系(图9)。
图9 时间服务矫正前后5.8级天然地震信号

Fig. 9 Natural earthquake signals with M5.8 before and after time service correction

3.2 台湾海峡M3.8级地震

2019年6月17日2时57分, 在台湾海峡(118°30'36"E, 23°21'36"N)发生3.8级地震。对于海峡地震, 获得震中10km范围的到时记录, 对地震定位是重要的补充。从图10可以看出, OBS时间服务系统矫正前有几台OBS震相比发震时刻还要提前。矫正后水听器分量波形到时连续(图10右), 矫正后的OBS记录为本次地震的重定位, 以及通过震源机制了解发震构造类型提供了宝贵的数据资料。而本次地震距离海峡6.2级地震位置小于10km, 同时此次地震与6.2级地震在AXDP和DHTZ两个台站记录到的余震(M2.5)具有很高的相似性(图11), 判断此次地震为主震6.2级地震的余震。因此, 此次OBS记录到的余震信息对判断主震发震位置和深度都有重要作用。
图10 时间服务矫正前后3.8级天然地震信号

Fig. 10 Natural earthquake signal with M3.8 before and after time service correction

图11 台湾海峡M3.8级地震(蓝色)与海峡M6.2级地震余震(红色, M2.5)相同台站波形对比

Fig. 11 Comparison of waveforms of the same stations for M3.8 Taiwan Strait earthquake (blue) and the aftershocks of M6.2 Taiwan Strait earthquake (red, M2.5)

4 结论

通过上述方法研究国产OBS时间服务系统, 取得主要认识如下。
1) 位于海底的OBS由于没有GPS时间接入, 其时间服务系统误差(包括守时误差和授时误差)主要来源于内部石英晶振的准确程度。受到外部环境变化以及开、关机等因素影响, 时间服务系统误差会影响OBS走时成像的精确程度。
2) 出海前OBS时间标定完成之后, 可以通过不中断采集而直接进行OBS投放的方法来矫正OBS授时误差。通过理论计算获得实际采样频率, 并可以根据理论与实际采样偏差计算出OBS留海过程中产生的守时误差。
3) 通过运输船晃动波形互相关可独立地检测OBS授时误差, 作为出海前时间标定方法的补充; 通过天然地震到时可综合地检验OBS时间服务系统误差的正确性。
综上所述, 基于2019福建及台湾海峡地壳结构海陆探测实验获得的53台次国产OBS记录, 本文提出了一套出海前时间一致性检测、实验中运输船波形互相关检测、实验后天然地震到时综合检测等OBS时间服务系统矫正方法, 对国产OBS时间服务系统矫正有示范推广作用, 为标准化国产OBS作业流程提供了重要参考。

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