Marine Geophysics

Characteristics of secondary Ps phases recorded by ocean bottom seismometer in the Taiwan Strait and its application

  • GUO Xiaoran ,
  • LIU Shanhu
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  • Xiamen Institute of Marine Earthquake, China Earthquake Administration, Xiamen 361021, China
GUO Xiaoran. email:

Copy editor: YIN Bo

Received date: 2021-12-22

  Revised date: 2022-01-28

  Online published: 2022-02-13

Supported by

Youth Science and Technology Fund of Earthquake Administration of Fujian Province(Y202001)

Abstract

On the ocean bottom seismometer (OBS) wide-angle seismic record section, multiple signals with high energy and good continuity can often be detected. As same as the first arrival phases, multiple phases also can be real reflections of subsurface interfaces, they are generated by the same source signal. However, in the conventional OBS data processing, multiple signs are often deleted as invalid signals, just a few studies are concerned with their properties and applications. By processing the OBS data acquired from Line HXN01 in the southern Taiwan Strait, the secondary phases are identified and picked on eight seismic recording sections. Analysis of the measured data from OBS0106 station reveals that the waveform characteristics and particle motion trajectory of these two phases are very similar, the amplitude of the secondary Ps phases is greater than that of the first arrival phases. Then we determined that the secondary reflecting interface corresponds to the secondary Ps phases by Rayinvr ray tracing simulation. The fitting results of travel time shows that after adding the secondary phases, the ray-coverage density of the shallow sedimentary layer under the station is significantly increased, and the ray-coverage area is also significantly increased, which provides more information for the inversion of sedimentary structure. In addition, the inversion test before and after the addition of the secondary Ps phase was performed on the crustal structure of the theoretical model, and it was found that after the addition of the secondary Ps phase data, the interface depth error of the sedimentary layer improved significantly.

Cite this article

GUO Xiaoran , LIU Shanhu . Characteristics of secondary Ps phases recorded by ocean bottom seismometer in the Taiwan Strait and its application[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2022 , 41(5) : 57 -63 . DOI: 10.11978/2021178

台湾海峡地区位于欧亚板块和菲律宾海板块交界的区域, 地质背景复杂, 构造活动强烈, 区域内发育多条断裂带, 地震活动频繁(丁祥焕, 1999; 吕坚 等, 2001)。2013—2019年, 福建省地震局在台湾海峡区域进行了多次深地震探测试验, 得到了台湾海峡区域多条二维探测剖面。但是在实际的数据处理中, 发现还有一些问题值得进一步研究: 在浅部, 海底地震仪(ocean bottom seismometer, OBS)广角地震记录剖面中的沉积层折射震相相对明显而反射震相却很难识别, 使得很难准确获得沉积层界面, 模型沉积层速度结构粗糙。而对于深部的地壳结构, 由于台湾海峡新生代构造活动强烈, 断裂构造大量发育, 浅部地壳结构较为破碎, 地震信号衰减严重, 下地壳折射震相在OBS地震记录剖面上难以识别, 深部射线覆盖不足, 分辨率较低。
目前OBS广角地震探测主要使用直达水波(Pw)、沉积层内的折射波(Ps)、地壳内折射波(Pg)、地幔顶部的折射波(Pn), 以及莫霍(Moho)面反射波(PmP)等容易识别的初至波来研究海底以下介质的速度结构(Ray et al, 2005; 吴振利 等, 2012), 但实际研究中发现, 在OBS地震记录剖面上, 经常能够发现震相清晰连续的多次波震相, 对于这些多次波, 传统处理手段是将其视为噪声, 设法压制和消除(李鹏 等, 2006; 石颖 等, 2011)。然而, 多次波和初至波是由同样的震源信号产生, 也是地壳结构的真实反映, 在复杂地下结构情况下, 多次波甚至包含了一些初至波不具有的结构信息(Dash et al, 2009; Meléndez et al, 2014)。近些年随着地球物理探测技术的发展, 在多次波的特征性质及利用方面, 地球物理学家们也进行过多次研究, 邵学钟等(1993)利用合成地震图对二次震相的运动学和动力学特征进行了研究, 提出了识别和区分二次震相的主要判据。杨恺等(2012)通过对陆上多次反射折射波的运动学和动力学特性分析, 概括了多次反射折射波的传播路径。Berkhout等(2003)和Shan (2003)将多次波转换为伪一次波后利用常规成像方法成像, Malcolm等(2009)利用层间多次波成像解决了初至波浅层沉积层照明度差的问题。钟广见等(2014)利用南海海面多次波镜像叠前偏移成像, 解决了一次波成像差的问题; 万奎元等(2016)分析了OBS广角探测地震记录中二次Pg震相的特征, 并对其在地壳结构成像中的作用作出了探讨。刘洪卫等(2018)对浅水环境下多次波的条带范围进行了研究, 并对其可视点位置及条带范围的影响因素进行了定量分析。但是前人的研究大部分都集中在陆上的地球物理探测中, 在海洋地球物理探测中, 对于多次波的研究和应用还比较少。本文将利用2019年台湾海峡陆海联测中获得的OBS资料, 以OBS0106台站为例, 识别与拾取地震记录中二次Ps震相, 在走时、波形特征等多个方面对其进行分析研究, 并通过射线追踪方法计算分析二次Ps震相的传播路径, 然后利用Rayinvr方法对它们进行走时拟合, 联合成像, 分析研究其在OBS地震数据层析成像中的作用。

1 数据采集与处理

HXN01测线是2019年福建省地震局利用“延平二号”科考船在台湾海峡南部布设的, 该测线北起厦澎断陷, 横穿澎湖断隆带, 南到台西南盆地, 测线总长度约为211km, 共激发701炮, 炮间距约为300m, 枪阵总容量为12000in3, 投放的海底地震仪为中国科学院地质与地球物理研究所研制的便携式短周期海底地震仪(miniOBS)与组合式海底地震仪(GOBS), 共布设20台miniOBS, 10台GOBS, 台间距6~7km, 成功回收28台。OBS数据初处理主要包括数据格式转换、OBS记录器时间漂移校正、炮点及OBS位置校正等, 以及滤波、均衡、折合等处理, 最终得到各台站的综合地震记录剖面。初步数据处理表明, 共有18台记录到了清晰的震相数据(图1), 在其中8台上识别出了多种二次震相(图2)。
图 1 HXN01测线位置图

红色五角星为OBS0106台站位置, 红色实心圆为OBS0103台站, 黄色实心圆为丢失或数据存在问题的OBS, 蓝色实心圆为数据正常的OBS, 浅灰色虚线为裂谷隆起带边界, 蓝色点虚线为凹陷边界, 黑色曲线和数字为等深线; 水深数据来自GEBECO_ 2014 (http://www.geobco.net)。该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网下载的审图号为GS(2016)1609的标准地图制作

Fig. 1 Location of the profile HXN01. The red five-pointed star is the position of OBS0106, the red circle is OBS0103, and the yellow circle is the OBS with problem and missing data, the blue circle is the OBS with intact data, the gray dashed line is the boundary of rift and uplift zone, the blue pecked line is the boundary of sag. Bathymetric data are from GEBECO_2014 (http://www. geobco.net)

图2 OBS0106台站(a)和OBS0103台站(b)综合地震记录剖面

折合速度为 6.0km·s-1, Ps代表沉积层折射震相, Pg代表地壳内部折射震相, PcP代表地壳内反射震相, PmP代表莫霍面反射震相

Fig. 2 Comprehensive seismic recording profile of OBS0103 (a) and OBS0106 (b). Reduced velocity is 6.0 km·s-1. Ps indicates sedimentary refractive phase, Pg indicates crustal refractive phases, PcP indicates reflective phases from intra-crustal interface, PmP indicates reflective phases from Moho

2 二次Ps震相走时与波形特征分析

OBS0106台站位于测线中南部(图1), 在澎湖断隆带与台西南盆地交界处, 此处沉积层厚度变化剧烈, 沉积基底面埋深从5km骤增至8km左右。综合地震记录剖面(图2a)显示, 初至Ps2震相出现在剖面左半支偏移距-10km, 折合时间2s处, 在偏移距-15km处, 初至Ps2下方走时迟滞约1.5s处出现了清晰连续的多次波震相, 两者视速度相当, 趋势一致, 最远追踪距离可达35km, 认为其为二次Ps2震相; 剖面右半支, 初至Ps1震相出现在偏移距5km, 折合时间2s处, 多次波震相在偏移距10km, 初至震相下方走时迟滞约2.5s处出现, 二者走势相似, 在偏移距较大的位置, 多次波视速度与初至波非常接近, 在偏移距较小的位置, 多次波的视速度明显小于初至波视速度, 认为其为二次Ps1震相, 震相清晰连续, 最远可追踪至偏移距30km外。OBS0103台站也具有相似的震相特征(图2b)。
为了进一步研究二次Ps震相的到时及波形特征, 我们抽取了OBS0106台站接收到的第5415道记录, 对其到时、波形以及质点运动轨迹进行了分析, 从图3中可以看到, 二次震相与初至震相的波形特征非常相似, 但是振幅较为突出, 明显大于初至震相; 从质点运动轨迹图(图4)可以看出, 二者的质点运动轨迹相似, 都是纵波占主导, 符合浅部Ps震相特征。
图3 OBS0106台站记录到的第5415道初至与二次Ps震相(a)以及波形对比图(b)

图中红色波形为二次震相波形

Fig. 3 The primary Ps and secondary Ps phases picked up at the trace No.5415 of OBS0106 station (a) and waveform comparison (b). The red waveform is the secondary phase waveform

图4 OBS0106台站记录到的初至Ps震相(a~d)与二次Ps震相(e~h)质点运动轨迹图

截取时窗分别为1.6~2.0s和3.26~3.66s; 图d和h中红色实线代表径向分量; 黑色实线代表切向分量; 黑色虚线代表垂向分量

Fig. 4 The particle trajectories of the primary phase (a ~ d) and the secondary Ps phase (e ~ h) recorded by OBS0106 station. Time windows are 1.6 ~ 2.0 s and 3.26 ~ 3.66 s; the red solid line represents the diameter component; the black solid line represents the tangential component; the black dashed line represents the vertical component

3 二次Ps震相传播路径

前人研究表明, OBS广角地震记录中二次震相的传播路径是一般是先折射再经过层间反射然后再折射或在界面反射到达接收点(杨恺 等, 2012)。由于海洋探测中海水面、海底面、沉积基底面等都是强波阻抗差界面, 二次震相的二次反射界面可能性较多, 难以分辨。为了确定其对应的反射界面, 本文首先利用初至震相反演结果处理得到的速度模型, 用Rayinvr射线追踪方法(Zelt et al, 1992)模拟二次震相的射线路径进行分析。模型从上到下分为7层: 分别为海水层、沉积层上层、沉积层下层、上地壳、中地壳、下地壳以及上地幔。由于台湾海峡区域水深普遍较浅, 不超过100m, 仅在海水层发生的反射与初至震相走时极为接近, 因此在拟合分析时不考虑仅在海水层发生反射的情况, 分别设置了以下3种射线路径: 1) 设定海水层与沉积层上层为反射层, 射线在海面和沉积层内分界面发生上下反射(图5a); 2) 设定沉积层下层为反射层, 射线在沉积层下层顶界面和沉积基底面发生上下反射(图5c); 3) 设定海水层与沉积层下层为反射层, 射线在海平面和沉积基底面发生上下反射(图5e)。OBS0106数据的拟合结果显示: 1) 当反射层为海水层与沉积层上层时, 二次Ps2震相计算走时明显小于观测走时, 拟合结果较差, 走时均方根残差(root mean square error, RMS)值为531ms, χ2值为28.774; 二次Ps1震相拟合结果较好, RMS值为235ms, χ2值为5.623 (图5b); 2) 当反射层为沉积层下层时, 计算得到的二次Ps2震相走时明显小于实际观测, 走时拟合结果较差(图5d), RMS值为1452ms, χ2值为213.366, 二次Ps1震相无法穿过沉积层下层, 无法计算走时; 3) 当反射层为海水层与沉积层下层时, 图5f显示二次Ps2震相计算走时与实际观测走时非常接近, 拟合结果较好, 且二次震相追踪距离较远, RMS值为209ms, χ2值为4.435, 二次Ps1震相虽然可以追踪, 但是射线集中在沉积层上层, 无法穿过沉积层下层。最终拟合结果表明, 二次Ps1震相的反射层为海水层与沉积层上层, 而二次反射Ps2震相的反射层应该是海水层与沉积层下层。
图5 初至震相和二次震相的射线追踪与走时拟合图

a、c、e为射线追踪示意图; b、d、f为走时拟合示意图。b、d、f中橙色为Ps1震相, 粉色为二次Ps1震相, 草绿色为Ps2震相, 浅蓝色为二次Ps2震相, 黑色实线代表理论走时, 短竖线代表观测走时, 其长短代表拾取走时的不确定性。a、b反射层为海水层和沉积层上层; c、d反射层为沉积层下层; e、f反射层为海水层和沉积层下层

Fig. 5 Ray tracing (a, c, e) and travel time simulation (b, d, f) of first-arrival phase and secondary phase. Orange represents Ps1 phase, light pink represents secondary Ps1 phase, grass green marks Ps2 phase, light blue marks secondary Ps2 phase, the black solid line represents the theoretical travel time, the short vertical line represents the observation travel time, and its length represents the uncertainty in the travel time picking-up. Figures a, b; figures c, d and figures e, f present the results of ray tracing with seawater-upper sediment interface, lower sediment, and seawater-lower sediments as the second reflecting layer

4 二次Ps震相在层析成像中的作用

实测地震数据表明, 沉积层内反射震相PsP较难识别出来, 使得沉积层的界面很难被准确获取, 而由于其特殊的传播路径, 二次Ps震相可以为沉积层界面的确定提供有力的约束。为了证明二次Ps震相在沉积层界面反演中的作用, 我们利用Rayinvr方法(Zelt et al, 1992)设置理论模型对沉积层界面进行正反演计算。设定模型长度为120km, 沉积层界面起伏如图6a, 图6b和图6c分别为仅用初至震相反演和初至震相与二次Ps震相联合反演的结果。图7给出了它们的恢复误差, 可以看到仅用初至震相反演时沉积基底面恢复误差最高接近1.2km, 加入二次Ps震相后, 沉积层界面的恢复误差降到了0.5km以内, 说明二次Ps震相可以较好地约束沉积层的界面深度。此外, 我们计算了初至震相成像的射线密度与加入二次Ps震相后的射线密度(图8), 从图8中可以看出, 与只有初至震相的射线密度相比, 加入二次震相后, 沉积层的射线密度有了较大的提升, 射线覆盖的区域也明显增加, 为沉积层模型的精细成像提供了数据基础。
图 6 沉积层界面反演恢复结果

a. 初始模型; b. 利用初至震相数据恢复结果; c. 初至震相与二次Ps震相联合反演震相恢复结果。图中黑色实线为沉积层界面

Fig. 6 Recovery result of sedimentary interface inversion. (a) Initial model; (b) Inversion result using first-arrival phase data; (c) combined inversion result using first-arrival phase data and the secondary Ps phase. The black solid line represents the sedimentary basement

图7 恢复误差分布图

图中红色圆点为初至震相反演得到的界面深度恢复误差, 蓝色圆点为初至震相与二次Ps震相联合反演界面深度恢复误差, 黑色虚线之间为恢复误差±0.5km内范围

Fig. 7 Distribution of inversion errors. The red dots are the interface depth recovery errors obtained from the reverse evolution of the first-arrival phase, the blue dots are the interface depth recovery errors obtained by the joint inversion of the first-arrival phase and the secondary Ps phase. Between the black dotted lines is the recovery error within ± 0.5 km

图8 OBS0106台站射线覆盖密度图

a. 初至震相约束下的射线覆盖密度图; b. 初至震相与二次Ps震相联合约束下的射线覆盖密度图。图中黑色虚线表示速度界面

Fig. 8 Ray density distribution of the OBS0106 station. (a) The ray density distribution of first arrivals; (b) The ray density distribution after the addition of secondary Ps phases. The black solid dashed line represents the velocity discontinuity

5 结论

通过对HXN01各台站的数据进行处理分析, 识别出了二次Ps1、Ps2、Pg、PmP震相, 对OBS0106台站识别出的二次Ps震相的波形、走时及质点运动轨迹等特征进行分析后, 发现二次Ps震相的走时受穿过的地壳速度结构的影响较大, 不同震相的多次波震相与初至波震相的到时差差异较大; 二次Ps震相的波形特征与初至震相非常相似, 但是振幅较为突出, 明显大于初至震相; 二次Ps震相与初至震相的质点运动都是纵波占主导, 符合浅部Ps震相特征。
从拟合结果来看, 二次Ps震相多次穿过沉积层, 提高了沉积层的射线覆盖密度, 而且台湾海峡区域内新生代构造活动强烈, 断裂非常发育, 地壳结构较为破碎, 沉积层折射震相连续性较差, 仅利用初至震相反演得到的速度结构在浅层有时会出现空白区域, 而二次震相的传播路径更长, 射线覆盖的区域更广, 可以填补部分初至震相无法照明的区域, 为沉积层的精细成像提供更多的约束。
实测地震记录剖面显示, 广角地震记录剖面中的沉积层折射震相较为明显, 但沉积层反射震相很难识别出, 在沉积层太薄或者浅层存在高速屏蔽层的情况下, 折射震相也较难识别, 很难获得准确的沉积层界面, 而二次Ps震相由于特殊的传播路径, 恰好可以为此提供较好的约束。对理论模型的地壳结构进行加入二次Ps震相前后的反演测试, 测试结果证明, 加入二次Ps震相数据后, 沉积层的界面深度误差得到了有效控制。
HXN01测线记录的多次震相信息十分丰富, 共在8个OBS记录中识别出多个二次Ps1、Ps2、Pg、PmP震相, 这些多次波震相为地壳内部精细结构的探测和获取提供了更为丰富的数据基础, 有助于提高人们对台湾海峡地壳结构的认识。
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