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Journal of Tropical Oceanography >

2018 , Vol. 37 >Issue 2: 92 - 99

DOI: https://doi.org/10.11978/2017054

Orginal Article

Features of the onshore-offshore seismic data in Southwest Taiwan Strait and some countermeasures for data processing

  • WANG Sun , 1, 2, 3 ,
  • QIU Xuelin , 1, 3 ,
  • FANG Weihua 2 ,
  • LIU Shanhu 2 ,
  • YAO Daoping 2
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  • 1. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China
  • 2. Xiamen Centre for Seismic Survey, Earthquake Administration of Fujian Province, Xiamen 361021, China
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Corresponding author: QIU Xuelin. E-mail:

Received date: 2017-05-12

  Request revised date: 2017-07-09

  Online published: 2018-04-11

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Science Foundation of Fujian Earthquake Agency (Y201407)

Natural Science Foundation of China (41674092)

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热带海洋学报编辑部
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Abstract

In order to study the trend, shape and tectonic setting of the Changle—Nan’ao fault and Binhai (littoral) fault, the Earthquake Administration of Fujian Province expanded seismic sounding into the southwest Taiwan Strait using large volume air-gun arrays and Ocean Bottom Seismometers (OBSs), which formed a relatively complete observation system in conjunction with onshore explosions and portable seismometers. In this paper, we introduce in detail the six profiles collected between 2013 and 2015, including the observation system, acquisition parameters, and data preprocessing. Due to rational choice of shooting parameters and receiver position, a variety of seismic phases, including Pg, PmP, Pn, Sg, and SmS, can be clearly identified in most common receiver gathers of the portable seismometers and OBSs. By multiple shooting the air-gun array at fixed site, we obtained several stacked common shot gathers, of which the signal-to-noise ratios were as high as those acquisition with ton-level explosions. Compared with the data recorded by onshore seismometers, the data recorded by OBSs have a relative low signal-to-noise ratio, which probably means that the seabed in this area has a higher absorption. In light of low velocity and acute variety of deposition thickness in the southwest Taiwan Strait, we transfer the travel times, which were picked up on the common receiver gathers to shot domain, in order to avoid the errors of sediment model, which resulted in pseudo deep structures.

Key words： Southwest Taiwan Strait; onshore-offshore seismic exploration; wide angle reflection and refraction profile; near-surface correction

Cite this article

WANG Sun , QIU Xuelin , FANG Weihua , LIU Shanhu , YAO Daoping . Features of the onshore-offshore seismic data in Southwest Taiwan Strait and some countermeasures for data processing[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2018 , 37(2) : 92 -99 . DOI: 10.11978/2017054

中国大陆东南边缘地区地处印度板块、欧亚板块和太平洋板块三大板块交汇作用的区域, 是东亚大陆地球动力学研究值得关注的地区之一。福建沿海地区位于华南陆块东南缘。华南陆块受印藏碰撞的影响往东南方向逃逸挤出, 而菲律宾海板块往北西向快速俯冲, 在此双重挤压下, 该区域构造运动及地壳变形强烈, 地震活动频繁(杨小秋 等, 2012), 是研究陆缘动力学、强震孕育环境的理想场所。从历史资料分析, 福建省遭受的地震威胁主要来自台湾海峡西部发生过多次7级以上地震的滨海断裂带,以及海岸线附近具备5~6级地震发震能力的长乐—南澳断裂带, 人口稠密、经济发达的沿海地区受到的威胁尤为严重。出露于沿海地区的长乐—南澳断裂带不仅在中生代有过强烈的活动, 在新生代仍十分活跃, 控制了两侧的地壳升降、火山活动以及新生代盆地的演化。滨海断裂带是大陆断块隆起带与海峡坳陷带之间的边界断裂(杨肖琪 等, 1996), 断裂规模巨大, 延伸长, 切割地壳深部, 具有发生大震、强震的蓄能条件(詹文欢 等, 2004; 黄昭 等, 2006)。
台湾海峡西侧的福建陆上区域已开展了大量深部地球物理探测研究工作, 自20世纪70年代末以来, 以地震部门和中国科学院为主的科研团队在东南沿海地区实施了多期人工地震测深研究(廖其林 等, 1988; 孙克忠 等, 1991; 熊绍柏 等, 1991; 李培 等, 2015; 蔡辉腾 等, 2016; Kuo et al, 2016), 这些工作获得了福建陆域大部分地区地壳上地幔结构和主要深大断裂信息, 为研究华南地块深部构造和区域动力学问题提供了有力的地球物理佐证。不过, 这些研究也大多受限于技术手段和历史原因, 缺少台湾海峡西部的观测数据, 因此难以获得由陆到海的清晰准确的深部构造形态, 对台湾海峡地壳结构了解甚少, 不利于对福建沿海地区的深部构造解释。
利用气枪震源进行海陆联合深地震探测是目前获取海陆过渡带地壳精细结构的一种非常有效的方法(丘学林 等, 2007), 近年来在南海北部、渤海等区域开展的海陆联测工作获得了许多有意义的成果(丘学林 等, 2003, 2007; 赵明辉 等, 2004a, b; 夏少红 等, 2008; Hao et al, 2013)。为此, 福建省地震局从2013年开始实施“台湾海峡西部地壳深部结构探测”项目: 使用大容量气枪震源和海底地震仪将地震测深工作拓展到台湾海峡西部, 探测台湾海峡西部的深大断裂展布情况、基底面和Moho面形态、地壳分层结构及横向变化, 得到台湾海峡西部地壳上地幔基本结构与构造图像, 以进一步探讨台湾海峡的深部构造环境和地震构造的孕震机理。该项目在2013—2015年已实施了位于台湾海峡西南部的4条主测线和2条联络测线(图1), 取得了丰富的第一手资料, 本文主要介绍这6条测线的观测系统、数据采集和预处理, 分析海陆联测资料的品质和特点, 并就表层改正等问题及其处理对策作了探讨。
Fig. 1 Locations of 2D wide-angle reflection/refraction profiles

图1 2013—2015年二维广角反射/折射剖面展布图

1 观测系统和野外采集

为实现探测目标, 确保能采集到反映地壳上地幔不同深度、不同方位信息的资料, 以“宽角反射/折射为主, 兼顾浅层分辨率”为指导思想, 采取“海域大接收点距、密集炮距, 陆域小接收点距, 适当放炮”的布置原则, 设计了结晶基底折射波能够连续追踪, 地壳内不同深度的反射波和折射波能够合理地相遇、追逐和互换的高密度宽角反射/折射观测系统(图2)。这种海陆联合的观测系统, 对于缺少台站和震源的海陆过渡带也有较好的射线覆盖(吕作勇 等, 2017)。为充分利用“跨台湾海峡震测试验(Across Taiwan Strait Explosion Experiment, ATSEE)”的成果, 尽可能减少探测费用, 主测线陆上部分尽量与ATSEE测线重合, 方位角设为129°, 与主要北东向构造大致垂直; 联络测线方位角设为51°, 与海峡西部50m等深线大致平行。
激发方式: 海上气枪震源使用4支Bolt公司生产的1500LL型气枪, 气室总容积8000in3, 由福建省海洋研究所的“延平2号”科考船搭载, 可实现200m/90s的激发间距。陆上震源首选绿色环保、能量利用率高的水库气枪(陈颙 等, 2007), 由于气枪单次激发的能量较弱, 于是进行了将枪阵固定在水库/浅海中, 重复激发多次将事件记录叠加以提高信噪比的尝试, 取得了较好的效果。同时在陆上没有合适水库可供利用且人烟稀少的地方布设了4个吨级爆破点, 以满足剖面射线覆盖的要求。
Fig. 2 Layout chart of HX-7 profile

图2 HX-7剖面观测系统图

接收方式: 海上使用中国科学院地质与地球物理所研制的MiniOBS和德国GeoPro公司生产的Sedis-Ⅵ型海底地震仪, 台站间距为2~8km; 陆上主要使用中国地震局地球物理勘探中心生产的PDS-2型和英国Guralp CMG40-TDE型地震仪接收, 平均台站间距约2km。所有地震仪器的仪器响应谱在有效地震信号的3~15Hz频段内都较平坦(郝天珧 等, 2011; 李从庆 等, 2017)。
自2013年至2015年, 已完成了HX9、HX10、HX6、HX7四条主测线, HX12、HX13两条联络测线(图1、表1), 取得了覆盖台湾海峡西南部的大量宝贵的深地震探测数据。
Tab. 1 Acquisition parameters of seismic lines

表1 地震测线采集参数统计表

测线名 年度 气枪点数 气枪点距/m 炮线长度/km 吨级爆破/固定气枪点 OBS数 陆上台站数
HX9 2013 620 100 65 0 21 108
HX10 2014 318 200 65 3 21 110
HX6 2014 352 200 70 1 21 110
HX12 2014 675 300 200 0 18 0
HX7 2015 627 200 125 5 27 112
HX13 2015 1219 200 245 1 25 0

2 数据预处理和震相识别

该项目使用了多种地震仪器接收, 为方便进行统一的提高信噪比处理, 首先需要将连续记录数据根据气枪控制器系统记录的激发时刻裁截成事件数据, 将所有台站接收的数据都整合成标准道头的SEG-Y格式, 并制作数字班报以利于数据检索和道头修正。然后根据不同震源信号的特点分别抽取为共炮点道集和共接收点道集, 经过去野值、带通滤波、线性动校正, 绘制成可清晰识别并追踪广角反射/折射波震相的记录截面。原始资料的信噪比较高, 例如图3为HX13线27号OBS的共接收点道集记录, 能清晰识别出Pg、PmP、Pn等震相。值得注意的是在90km偏移距等处震相有较明显的扭曲, 表明下方的基底面有剧烈的起伏。
Fig. 3 Seismic record section of OBS27 in HX13. The reduced travel time = (absolute travel time - distance/reduced velocity), and the reduced velocity is 6.0km·s-1, the same below

图3 HX13线OBS27共接收点道集记录
折合时间=绝对走时-距离/折合速度; 折合速度为6.0km·s-1, 下同

将气枪固定点多次激发的事件波形叠加得到的地震记录, 相对于单次激发理论上可将对随机噪声的信噪比提高\(\sqrt{n}\)倍(Sheriff et al, 1995), n为叠加次数。图4为石黄峰水库固定点重复激发100次的叠加记录, 记录上不仅能准确识别出Pg、PmP、Pn等纵波震相, Sg、SmS等横波震相也清晰可辨, 其信噪比与同一区域、同型号接收仪器的爆炸地震记录大致相当。另外, 气枪固定点多次激发还可通过在激发间隔将地震仪移动到加密点位, 获得接收点数倍增的效果(图4为86台仪器移动一次获得的172道记录), 非常有利于识别弱震相、研究壳内精细结构。
Fig. 4 Seismic record section of a fixed air gun source (Shihuangfeng reservoir in HX7)

图4 HX7线石黄峰水库气枪固定点激发100次叠加记录

图5为HX10线SP101爆破点记录, 药量为2.5吨, 其中偏移距-224~15km为陆上流动地震仪接收, 偏移距38~102km为海底地震仪接收, 可见陆上部分能清晰识别出Pg、PmP、Pn等震相, 但海域部分难以辨识出爆破信号。我们分别统计了这6条二维测线中从海底地震仪和陆上台站资料中拾取的震相走时数据, 结果表明研究区海底地震仪与陆上台站相比信噪比较低, 以PmP震相为例(图6): 海底地震仪仅少数台站在70~140km偏移距可辨识出PmP震相, 而大部分陆上台站在60~150km偏移距皆能可靠追踪PmP震相, 部分台站在270km偏移距以远仍可辨识出PmP震相。这种差异可能是因为陆上台站多布设在稳固的基岩上, 而台湾海峡西南部海底有较厚的松散沉积物, 吸收衰减较为严重所致。
Fig. 5 Seismic record section of the explosive source (SP101 in HX10)

图5 爆炸震源地震记录截面(HX10线SP101)

Fig. 6 Counts of PmP picks of offshore/onshore seismometer

图6 海上/陆上地震仪PmP震相拾取对比

3 走时拾取和重排

该项目4条主测线都是由较短的海上激发线和较长的陆海联合接收线组成, 由于气枪单次激发的能量较弱, 共接收点道集记录因地震道间距较小, 较弱的信号也容易识别, 而共炮点道集记录因地震道间距较大, 准确提取走时较为困难(图7), 因此, 我们在震相易于辨识的共接收点道集记录上拾取走时。
Fig. 7 Seismic record section of the air gun source (No. 1073 in HX9)

图7 HX9线1073号气枪激发点道集记录

我们挑选5个位置合适的陆上台站, 将其记录HX9放炮测线的共接收点道集剖面, 分段拼接成大偏移距记录剖面(图8), 相当于构建了一个虚拟爆破震源的共炮点道集, 虚拟震源位于测线上靠近北端的1073炮号气枪激发点(AG1073), 此处偏移距为0, 拼接记录位于偏移距5~265km之间。由于密集的道间距使得震相易于追踪, 从这个拼接记录剖面上, 可以清晰地看到Pg震相从偏移距5km追踪到140km, 视速度约6.0km·s-1, Pn震相从140km延伸到近200km, 视速度约8.2km·s-1, PmP震相从70km一直延续到260km以外, 视速度从大于9.8km·s-1逐渐减小到接近6.3km·s-1, 折合到时则从较慢的3s逐渐加快到0s附近。这些震相真实反映了测线之下速度结构的总体特征, 对研究福建南部和海峡西部的地壳深部结构和区域构造具有重要意义。
然而, 一个突出的问题是拼接记录上的Pg、PmP等震相都出现了明显的扭曲, 不同台站记录上的激发点—走时滞后关系有很好的一致性, 在拼接记录上表现为规则的震相错动(图8)。这是因为虽然台湾海峡西南部水深变化平缓(20~50m), 但根据初至波层析成像法(王笋 等, 2015)反演的海域沉积层速度模型, 气枪激发线下方的基底面起伏和沉积层横向速度变化都非常剧烈。因此在深部构造解释前必须去除近地表低速层的影响, 但这对浅层模型的精度要求非常高, 难以避免沉积层模型误差, 特别是长波长分量带入深部界面解释产生深部构造假象的问题。
Fig. 8 Combined record section of HX9 (merged with PDS-9000, PDS-9033, PDS-9060, PDS-9080 and PDS-9088)

图8 HX9线PDS9000、PDS9033、PDS9060、PDS9080、PDS9088拼接记录

注意到福建陆上地区沉积层较薄, 大部分陆上台站设置在裸露的基岩上, 地震走时受接收点端近地表低速带的影响较小; 因此, 为防止沉积层模型误差带入深部构造解释造成深部构造假象, 我们将在共接收点域拾取的走时分选到炮域, 每隔10km选取1个气枪点的走时数据在炮域进行射线追踪拟合, 这样重排到炮域的走时集合的剩余表层改正量远小于共接收点集合的剩余表层改正量, 可避免表层改正残差造成深部构造假象的问题。另外气枪激发线较短仅60~70km, 其中震相清晰可拾取走时的长度更短, 而接收线长度超过300km, 在炮域进行走时拟合可以有全局的视界(图9)。
Fig. 9 Comparison of travel times in common receiver gather and travel times in common source gather

图9 接收点域走时和炮域走时集合对比

4 总结和认识

通过对台湾海峡西南部海陆联合地震探测数据的初步处理和分析, 本文获得了以下认识。
1) 该项目资料品质较好, 能清晰地识别出Pg、PmP、Pn、Sg、SmS等震相, 部分台站可识别出Pc等壳内震相; 陆上地震仪的信噪比较高, 但由于台湾海峡西南部的海底吸收衰减较严重, 大部分海底地震仪的信噪比较低, 部分区域的气枪激发信号可检测距离也显著降低。
2) 由于气枪震源的能量较低, 一般需要密集的接收点才能识别其地震信号。通过在固定点激发多次叠加的方法, 可获得信噪比相当于吨级爆破的共炮点道集记录, 且可通过移动台阵达到接收点数倍增的效果, 有利于震相的识别与追踪。
3) 台湾海峡西南部近地表低速带厚度变化剧烈, 表层问题较为严重, 本文针对陆域表层改正量较小且陆上接收线较长的特点, 将共接收点域拾取的走时分选到炮域, 可避免表层模型误差产生深部构造假象的问题。

The authors have declared that no competing interests exist.

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