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Journal of Tropical Oceanography >

2017 , Vol. 36 >Issue 2: 60 - 69

DOI: https://doi.org/10.11978/2016058

Orginal Article

OBS seismic data processing of the Manila Trench subduction zone (21°N) and some preliminary results

  • LIU Siqing , 1, 3 ,
  • ZHAO Minghui , 1 ,
  • ZHANG Jiazheng 1 ,
  • SUN Longtao 1 ,
  • XU Ya 2 ,
  • ZHAN Wenhuan 1 ,
  • QIU Xuelin 1
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  • 1. Key Laboratory of Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. Key Laboratory of Petroleum Resources Research, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Corresponding author: ZHAO Minghui. E-mail:

Received date: 2016-06-16

  Request revised date: 2016-08-30

  Online published: 2017-04-06

Supported by

Natural Science Foundation of China (91428204, 41376063, 41449908, 41576070)

Natural Science Foundation of China Open Research Cruise (NORC2015-08)

Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Science (XDB06030202 )

Copyright

热带海洋学报编辑部
Fold

Abstract

A two-dimensional ocean bottom seismometer (OBS) survey line (OBS2015-2) was carried out in 2015, which was an E-W trending and located in the front of the Manila Trench subduction zone. In this study, we take two OBS stations (OBS04 and OBS08) as examples to introduce the data processing flow for this short-period OBS type of data. The process includes data format transforming from original RAW data to SAC format and then to SEGY format; and it contains shot relocation and OBS position relocation. The preliminary results of data processing demonstrate that the OBS data are of high quality in this experiment. The seismic phases, such as PsP, Pg, PmP, etc. are very clear along the OBSs’ seismic record sections. They are further identified by the forward modeling using the Rayinvr software. Especially, the reflective seismic phases from the Moho interface are abundant and obvious in the incoming plate along the Manila Trench subduction zone, which will provide good constraints for the crustal bottom of the incoming plate.

Key words： ocean bottom seismometer (OBS); seismic phase picking; the Manila Trench subduction zone; data processing

Cite this article

LIU Siqing , ZHAO Minghui , ZHANG Jiazheng , SUN Longtao , XU Ya , ZHAN Wenhuan , QIU Xuelin . OBS seismic data processing of the Manila Trench subduction zone (21°N) and some preliminary results[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2017 , 36(2) : 60 -69 . DOI: 10.11978/2016058

马尼拉俯冲带是欧亚板块与菲律宾海板块相互作用的产物, 空间上呈南北延伸的反“S”形构造, 是一条正在活动的具有特殊构造意义的重要汇聚边界(图1), 代表着南海从陆缘张裂、洋脊扩张、俯冲消亡的完整威尔逊旋回的顶点 (Ludwig et al, 1979; 李家彪等, 2004), 蕴含着南海构造演化的丰富信息。南海东北部作为该俯冲带输入板块的重要组成部分, 其深部结构研究对于解决南海形成演化过程具有重要的科学意义。
Fig. 1 The bathymetry map (shading) and location of OBS2015-2 line near the Manila Trench subduction zone.
The black solid line with triangles indicates the Manila Trench subduction zone. The red solid line indicates the OBS2015-2 survey line. The circles show the OBS sites, and the grey circle means no data. The dashed lines indicate the COB locations of different scientists (Briais et al, 1993; Hsu et al, 2004). The blue solid line marks the Luzon-Ryukyu Transform Plate Boundary (LRTPB)(Sibuet et al, 2002)

图1 马尼拉海沟俯冲带OBS2015-2测线位置与水深地形图
黑色实心三角实线为马尼拉海沟俯冲带; 红色实线为OBS2015-2测线; 圆圈及数字代表OBS台站位置, 灰色圆圈OBS02台站无有效数据。虚线为不同学者所认定的COB (Continent-Ocean Boundary) (Briais et al, 1993; Hsu et al, 2004); LRTPB为吕宋-琉球转换边界(Sibuet et al, 2002)。

为了研究南海东北部的深部结构, 近些年开展了大量深地震探测工作 (图1), 取得了重要研究进展。OBS2001测线(图1)数据质量很好, 获得了纵波与横波速度地壳结构模型(Wang et al, 2006; Zhao et al, 2010), 探讨了洋陆转换带由陆壳到洋壳的变化过程, 展示了莫霍面埋深从24km逐渐减薄到16km的深部构造特征, 并揭示了下地壳高速层的存在; OBS2003测线(图1)位于东沙群岛东南的洋盆附近, 国产地震仪清晰地记录了来自莫霍面的信息, 莫霍面埋深约25km, 陆壳减薄程度较低 (罗文造等, 2009); OBS1995测线(图1)横跨台湾岛最南部的恒春半岛, 通过反演模拟揭示恒春半岛西侧外海地壳厚度为11km, 并向东俯冲从而造成增生楔的快速生长(Nakamura et al, 1998; McIntosh et al, 2005)。2009年, 台湾实施了TAIGER(Taiwan Geodynamic Research)计划, 采集了多条高分辨率多道数据和广角OBS数据, Lester等(2013)在MGL0905_27测线(图1)下方识别出下地壳高速体, 并认定该高速体是岩浆底侵作用的结果, 该区域地壳厚度为10~14km, 属强烈拉伸的陆壳,向增生楔之下发生俯冲; Eakin等(2014)认为T1测线(图1)下方地壳厚度是10~12km, 并顺延马尼拉海沟开始向下俯冲, T2测线(图1)下方地壳厚度10~15km, 是强烈拉伸减薄的陆壳。
然而, 关于南海东北部地壳属性问题还存在分歧。根据磁异常条带特征, 南海东北部COB边界定义为图1中粉色虚线, 对应于最老的磁异常条带C12, 认为南海开始扩张的年龄为33~32Ma B.P. (Taylor et al, 1983; Briais et al, 1993; Barckhausen et al, 2014; Li et al, 2014); Hsu等(2004)认为在南海最东北端发育有C15—C17磁异常条带, 推测南海开始扩张的年龄为37.8Ma B.P., 定义南海东北部COB边界位于图1中黄色虚线。然而, 前面所提到的深地震探测结果(Lester et al, 2013; Eakin et al, 2014; McIntosh et al, 2014)以及最新的南海IODP349航次钻探(Expedition 349 Scientists, 2014)结果, 进一步确认了南海东北部地壳属性为受后期火山活动影响的减薄陆壳 (Sibuet et al, 2016)。在南海东北部还分布着一条吕宋-琉球转换板块边界(LRTPB)(图1), 在LRTPB西部为减薄的陆壳, 与上述最新研究成果相符; 但在LRTPB边界以东的地壳不属于标准的海洋地壳特征, 可能属于更早期的古南海海洋地壳(Sibuet et al, 2002)。从图1中可以看出, 穿过LRTPB边界的T1测线与T2测线不能很好地解决古南海地壳属性问题, 只有最新采集的OBS2015-2测线可以回答LRTPB东部是减薄陆壳还是洋壳这个有争议的问题。那么, 南海东北部洋壳与陆壳范围是如何分布的?此处LRTPB转换边界是否存在?马尼拉海沟俯冲带输入板块的主要物质是什么?该俯冲汇聚边界与南海海盆的消亡有何关系?这些科学问题是南海形成演化史不可或缺的重要部分。
地球物理探测是揭示马尼拉海沟俯冲带内部结构的首要方法。2015年7—8月, 在洋陆边界存在争议区域, 穿过LRTPB转换边界开展了二维广角海底地震仪 (OBS) 深地震探测(图1)。本文着重介绍这条二维深地震测线OBS2015-2的初步处理成果。

1 海上数据采集

2015年7—8月期间, 国家自然科学基金委员会南海北部地球物理航次通过中国科学院南海海洋研究所的“实验2”号科学考察船, 在马尼拉海沟俯冲带的前缘成功完成一条广角反射/折射深地震测线OBS2015-2(图1), 旨在获得该区域深部地壳和上地幔的速度结构。该测线位于台湾岛以南21°N的位置, 测线长约190km。
此次投放的9台短周期海底地震仪(OBS)是中国科学院地质与地球物理研究所自主研制的便携式OBS, 它的主要构成部分包括三分量地震检波器、外接深海水听器、数字化记录仪和声学应答器, 内部结构紧凑, 呈单一球体化, 具有体积小、重量轻、成本低的特点, 有利于海上作业的进行。本次实验OBS采样率设置为250Hz, 频带宽为4.5~100Hz, 最大工作水深为5000m。实验过程中共投放9台OBS, 投放间距约15km, 回收9台, 回收率达100%, 除OBS02台站数据损坏, 其余台站记录数据质量良好, 数据完整率接近90%, 信噪比强, 深部结构信息丰富。
人工震源采用气枪放炮, 是由中国科学院南海海洋研究所提供的3支Bolt 1500LL型大容量气枪所组成的气枪阵列, 单枪容量42.475m3(总容量127.425m3), 该类型震源激发的低频信号主频为4~8Hz, 衰减较慢, 传播距离较远, 非常适合应用于深部地壳结构的研究(赵明辉 等, 2008)。放炮过程中, 船速保持在5节左右, 放炮间隔为70s或80s, 总共激发有效放炮994炮。
实验同时还记录了长达190km、较为清晰可靠的单道地震数据(图2)(80s放炮间隔的单道地震精度为50m, 30″×30″精度的全球水深数据局部精度为300m, 说明单道地震数据更加精确, 从图2中可以看出两条曲线整体趋势上拟合较好), 可以很好地约束海底和基底的形态, 为以后速度结构模型的建立提供良好的约束条件。
Fig. 2 Single-channel seismic profile along OBS2015-2 (a), and contrasts on water depths extracted from single-channel seismic profile (in blue) and from the 30″×30″ global topographic data (in yellow) (b)

图2 单道地震剖面(a)及单道地震剖面水深(蓝色)与30″×30″精度全球水深数据(黄色)对比(b)

2 OBS数据处理

实验采集的原始数据包括原始导航(HYPACK文件与计时器文件)与原始OBS数据(RAW格式)。导航文件UKOOA是由HYPACK的炮号、坐标与计时器所记录的格林尼治标准时间组成, 主要用于对OBS数据的裁截处理。从OBS仪器中导出的原始数据格式是RAW格式, 记录了垂直、水平1、水平2和水听器4个分量的数据, 其十六进制文件名代表着每个数据文件的起始时间; 接着将RAW格式的数据转换成便于处理的标准SAC(seismic analysis code)格式, 该格式文件中存储的是连续时间序列的地震数据, 通过滤波、增益等操作, 在SAC软件中可以很方便地查找地震信号的绝对时间; 然后通过自主编制的SAC2Y.C程序转换成国际通用的SEGY (SEG-Y, Society of Exploration Geophysicists)格式数据(Barry et al, 1975; 赵明辉 等, 2004; 丘学林 等, 2011; 张佳政 等, 2012)。下面将以OBS2015-2测线上的OBS04和OBS08台站为代表, 对数据处理的整理流程进行介绍。

2.1 原始数据处理

原始RAW格式数据解编译后将得到4个分量的波形数据(分别记为bhx、bhy、bhz、hyd), 之后将数据转存到SAC格式的文件中。国产OBS记录的地震数据约每11.65h存放一个数据文件, 所以转换成SAC格式后并不是整体的波形文件, 而是被分割成多个文件。从班报记录上读取OBS2015-2测线开始放炮的时间为2015-08-14T01:52:29.23, 结束放炮的时间为2015-08-15T01:42:13.616, 所以只需将时间范围内有效的SAC格式数据进行合并。部分台站记录到的时间数据稍有重叠, 导致无法拼接, 此时需用CUT命令去掉重叠部分后再合并。OBS数据采集过程中一直保持连续记录, 直到把OBS回收释放后才停止记录, 而只需要从放炮到地震波折射回来的相对时间及炮点与接收台站的偏移距, 此时就要用UKOOA对连续的SAC数据进行准确的裁截, 之后编译SAC2Y.C将裁截后的文件转换成SEGY文件。SEGY文件可使用SU软件进行可视化处理, 从而能够了解数据质量的好坏。
实验中所用到的气枪信号主频一般在4~8Hz范围内, 所以选取的滤波参数一般在3~10Hz(赵明辉等, 2008)。为进一步展示气枪信号特征, 以OBS04台站为例, 抽取第123~129炮气枪信号信息进行滤波前后地震信号对比(图3a)。从图3b中可以看出, 未滤波前, OBS的背景噪音较大, 频率从0~30Hz都有分布; 滤波后, 噪音得到了较好的压制, 频率以3~8Hz为主, 气枪信号显著, 信号间隔为80s。
Fig. 3 Shot signal contrasts before and after filtering (a) and spectrum of the 126th shot signal before and after filtering (b). A indicates the digital amplitude. The initial time of the 123th-129th shot signals is 2015-08-13T15:54:13.206

图3 OBS04台站滤波前后SAC气枪信号对比(a)及第126炮气枪信号滤波前后频谱图(b)
A为数字化振幅; 第123~129炮SAC信号起始时间为2015-08-13T15:54:13.206

2.2 炮点校正和OBS校正

炮点校正包括时间校正和位置校正, 实验中所采用的仪器十分精密, 时间误差范围在1ms之内, 所以炮点时间校正可以忽略。炮点位置校正包括震源位置校正和炮点相对位置校正。震源位置校正就是将船载GPS所记录的放炮位置校正到实际的枪阵震源中心位置, 主要依靠船载光纤罗经所记录的艏向信息进行处理(敖威 等, 2010)。此次放炮期间海况较好, 调查船的艏向和航向差别不大, 且GPS天线与震源中心的位置较小(约47m), 所以采用平均航向对炮点位置进行校正。炮点相对位置校正则是实验船受到海流等外部因素的影响时发生航迹偏离测线, 而后期的模型正演过程中, 为方便模拟, 需假定炮点在同一直线, 因此要将各炮点位置投影到一条直线上, 具体方法是利用Matlab中的ployfit命令将测线中的炮点拟合为一条直线, 然后将所有炮点都投影到该直线上, 从而获得校正后每一个炮点的新坐标。这里以每间隔50炮显示一次(图4)。
Fig. 4 Shot point locations and OBS locations before and after relocation

图4 炮点位置与OBS位置校正前后位置图

OBS投放后, 会受到海水温度、压力、盐度等问题的影响, 其内部记录的终止时间会与GPS时间产生一定的差异, 叫作时间漂移。虽然这种漂移是非线性的, 但其微秒级的误差对后期模型的建立影响甚小, 所以对漂移量进行线性处理, 从而得到每一炮点的时间漂移量。OBS在投放到海里后呈自由落体状态, 下落过程中会受到风浪的影响而偏离实际投放位置, 如果利用投放坐标作为接收点的位置, 会对后期Pg、PmP、Pn等震相的拾取造成较大偏差, 影响模型的拟合; 而直达水波震相Pw含有最简单准确的炮点至OBS时间-距离信息, 所以利用Pw波来校正OBS位置。一般采用蒙特卡洛法来进行OBS位置校正(图5), 该方法曾应用于西南印度洋和南海中央海盆的OBS位置校正工作中(敖威 等, 2010; 张莉 等, 2013)。
Fig. 5 OBS relocation flow by the Monte-Carlo method

图5 蒙特卡洛法位置校正流程

以OBS04台站为例(图6), 蒙特卡洛法位置校正法分为以下几个步骤: ①根据拾取的每个台站SEGY地震记录中的直达水波走时信息, 利用二次曲线拟合直达水波走时, 初步反演出海水的平均声速Vw和OBS水深; ②根据OBS投放点与回收点之间的位置关系, 估计海流造成OBS的最大偏移距, 以OBS回收点为中心、以偏移的最大距离为半径圈定OBS可能着落的位置, 在该范围内按照标准正态分布随机产生数万个点, 使得搜索范围被基本覆盖, 计算范围内每一个点与拾取炮点之间的直达水波走时, 同时计算出其与观测走时之间的均方根残差RMS, 最后找到最小RMS值所对应的经纬度坐标点A; ③利用单道水深进行深度控制, 首先利用蒙特卡洛法搜索出位置A, 在单道数据中找到最近点的水深值B, 再以B为搜索中心进行步骤②, 直到计算结果满足要求精度。
Fig. 6 OBS relocation using the Monte-Carlo method (taking OBS04 as an example). a) OBS04 position and water depth; b) theoretical travel time and absolute travel time after relocation; c) searching the minimum residual error; d) theoretical travel-time and absolute travel-time residual error plot

图6 蒙特卡洛法位置校正实例(OBS04台站)
a. OBS04位置及水深; b. 位置校正后, 理论走时与绝对走时曲线对比; c. 搜索最小残差; d.理论走时与绝对走时残差点图

直达水波位置的对称性是判断位置校正的重要参数之一,一般将OBS地震剖面进行折合处理(图7, 折合速度6km•s-1), 位置校正后直达水波呈现左右对称的状态, 同时也更易分辨Pg震相。
Fig. 7 Contrast of direct water phases (Pw) before and after correction of OBS04

图7 OBS04台站直达水波震相Pw校正前后对比

单条测线的位置校正有着直达水波交叉覆盖较差这一不足, 由于每次计算时蒙特卡洛法投点具有随机性, 引起RMS值可能出现在测线的任意一侧, 这虽能保证OBS沿该测线方向的偏离得到较好的校正, 但对于垂直测线方向的偏离却无法控制, 通常可以根据总体校正结果的规律性来进一步控制。
位置校正前后位置变化见表1。从图7中可以看出, 理论走时与观测绝对走时之间差异较小, 同时比较校正前后台站直达水波走时曲线特征, 可以发现校正后直达水波显示了较好的对称性, 说明校正后的位置更接近OBS的实际落点。从表1中可以看出, OBS台站位置校正结果中走时残差均方根RMS基本处于10ms以内, 这样的精度保证了此次试验后期速度模型工作的顺利进行。OBS台站位置校正结果图见图4。
Tab. 1 Relocation parameters of OBS stations along the line OBS2015-2

表1 OBS2015-2测线OBS位置校正结果及校正参数表

OBS站位 回收点位置 校正后位置 Vw
/(km·s-1)		 校正后水深/km 单道水深/km RMS/s 偏移距
/km
东经/º 北纬/º 东经/º 北纬/º
01 118.69265 21.00089 118.69188 21.00094 1.500 2605.69 2625.75 0.005 0.0801
02 118.83431 21.00134 — — — — — — —
03 118.98173 21.00177 118.98016 21.00130 1.502 2680.61 2704.50 0.019 0.1668
04 119.12634 21.00227 119.12363 21.00101 1.506 2723.99 2755.50 0.007 0.3113
05 119.27071 21.00244 119.26883 21.00141 1.483 2857.85 2809.50 0.011 0.2224
06 119.41483 21.00222 119.41351 21.00420 1.500 2930.82 2958.75 0.009 0.2557
07 119.70419 21.00212 119.70301 21.00114 1.502 3193.43 3213.75 0.007 0.1668
08 119.84892 21.00189 119.84903 21.00217 1.499 3418.00 3399.00 0.006 0.0332
09 119.99337 21.00018 119.99345 21.00204 1.500 3615.60 3660.75 0.009 0.2113

注: Vw为反演过程所得到的海水声速, 单道水深为单道控制下通过反演得出OBS落点位置所对应的深度值, RMS为走时残差均方根, OBS02数据损坏未处理。

2.3 OBS综合地震剖面图

便携式OBS记录了4个分量的数据, 这里以记录纵波信息为主的垂直分量数据为例显示OBS的数据质量。首先利用segread命令读取SEGY格式数据文件并转存为SU文件, 之后利用sufilter、sugain、suwind等命令对SU文件进行滤波、增益等处理, 旨在压制噪音、突出弱震相, 然后利用supswigbx2命令绘制出各台站的综合地震记录剖面图(图8a、9a)。在地震剖面图中可以清晰识别出几组能量较强的P波波组: 直达水波Pw、基底反射震相PsP、地壳内部折射震相Pg、莫霍面反射震相PmP。Pw震相是气枪信号激发后经过水层直接被OBS接收记录的震相, 可利用其进行OBS落点位置和水深校正。Pg震相是地壳内的折射震相, 能量较强, 在OBS04台站中左侧可追踪到62km, 右侧可追踪到65km (图8); 在OBS08台站中, Pg震相左侧可追踪至105km, 右侧可追踪至35km(图9); PmP震相在这两个台站中也可以清晰地辨认, 但没有发现Pn震相。
Fig. 8 Travel-time simulation and ray tracing of OBS04. a) Vertical component seismic record profile (the reduced velocity is 6.0 km·s-1); b) observed travel-time curves (color lines) and calculated travel-time curves (black lines), Pw-direct water-wave phase, PsP-basement reflection phase, Pg-refraction phase within the crust, and PmP-Moho reflection phase; c) P-wave model and ray-tracing simulation. The traveling paths with different colors correspond to different calculated travel-time curves

图8 OBS04台站垂直分量震相识别与射线追踪(台站位置见图1)
a. 垂直分量综合地震记录剖面, 折合速度为6.0km·s-1; b. 纵波实测走时(彩色)和理论计算走时(黑色实线)对比, Pw为直达水波, PsP为基底反射震相, Pg为地壳内部折射震相, PmP为莫霍面反射震相; c. 纵波速度模型和射线追踪, 不同颜色路径(c)对应(b)中不同震相的走时

Fig. 9 Travel-time simulation and ray tracing of OBS08. Other legends are the same as those in Fig. 8

图9 OBS08台站垂直分量震相识别与射线追踪(台站位置见图1)
各图例说明与图8相同

3 射线追踪与震相确认

初步拾取这些震相后, 设置初始模型长度190km, 利用单道剖面控制海底深度和基底的深度, 由于单道剖面中只有部分基底清晰可见, 所以只利用其准确的信息。然后利用Zplot软件精确拾取各组震相走时数据, 接着利用Rayinvr软件(Zelt et al, 1992)对各个台站进行走时拟合反演(图8b、8c, 图9b、9c)。由于P波信号的运动学特征, 其到时早, 能量强, 震相较清晰, 因而经数据处理后, 纵波各组震相可以相对有效、精确地进行识别。在初始模型的基础上, 不断改变或调整模型参数(主要是层界面深度及界面上下层速度的调整), 使得模拟理论计算各震相走时与实际识别拾取的走时良好拟合(图8b、8c, 图9b、9c)。从图8和图9中可以看出, 台站的射线追踪拟合情况良好, 为下一步综合所有台站的震相信息获取精确的速度结构模型奠定了良好的数据基础。

4 结论与展望

本文以OBS2015-2测线上OBS04和OBS08台站为例, 阐述了该次实验所用的短周期国产OBS的处理流程, 从原始数据格式(RAW)转换成SAC波形文件再到SEGY格式的文件, 可以清晰识别出PsP、Pg、PmP等来自深部地壳的震相信息, 表明OBS2015-2测线前一阶段的数据采集工作非常成功, 数据质量良好。
利用Rayinvr软件, 对OBS04和OBS08两台站进行射线追踪与简单的模型试算工作, 进一步验证了两台站震相识别正确, 获得了台站下方初步的速度结构模型; 下一步将综合所有台站的震相信息, 开展速度结构正反演模拟, 获得南海东北部马尼拉海沟俯冲带的地壳结构属性特征, 解决输入板块的物质是什么及俯冲机制等科学问题。

The authors have declared that no competing interests exist.

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