水下节点地震仪在陆地主动源探测中的应用＊

孙点峰 王亚红 秦满忠 邹 锐 万文琦 王志栋

（甘肃省地震局，甘肃兰州 730000）

0 引言

利用主动源重复探测技术，在强震多发的研究区域开展地震前后结构变化的实证性研究[1]，有望成为地震科技创新的重要突破点。利用高性能人工震源主动探测地壳介质物性变化已成为探索地震预报新途径的一个重要发展方向。

利用主动源观测地下介质波速变化[2]，就是利用主动源激发的重复性，在正确获取主动源激发的精确时刻后，对主动源观测台站记录的波形进行截取，然后对截取的波形进行滤波、去势等处理，利用相关方法得到一定时间内的波速变化[3]。因此，正确获取主动源激发的精确时刻是非常重要的。如何准确记录主动源激发时刻是亟待解决的问题，为此借鉴海上人工地震（主动源）勘探经验[4]，在刘家峡主动源试验场开展了水下节点地震仪观测系统的布设与观测。

本文结合刘家峡主动源水下节点地震仪的安装应用，着重论述了水下节点地震仪在刘家峡主动源实验场的安装调试、数据收集和初步分析。

1 刘家峡主动源简介

刘家峡主动源位于永靖县岘塬镇，距永靖县城15 km。监测区域位于鄂尔多斯、青藏块体和阿拉善块体等大陆活动块体交汇区域（图1）。在该区域内曾发生过1927 年古浪8.0 级地震、1920 年海原8.5 级地震、1654 年天水南8.0 级地震和1879 年武都南8.0 级地震等多次历史强震。震源激发点年平均水深为29 m 左右，水面宽约5 km，是开展主动源重复探测实验的理想场地。激发系统主要包括水上激发平台、水上工作平台（图2）、供电系统、供气系统和辅助用房等[5]。2020 年10 月成功实现首次实验激发，至今已连续运行两年多，开展激发试验120 余次，有效激发10 000 余枪，积累了大量观测数据。

图1 刘家峡主动源位置图Fig.1 Location of active source in Liujiaxia

图2 水上激发平台、水上工作平台图Fig.2 Diagram of water excitation platform and water working platform

对距离激发点约600 m 的岸边架设的陆上参考台记录的一次激发数据进行频谱分析（图3），结果表明刘家峡主动源激发信号优势频率在3～8 Hz，这一结果与前人计算结果一致。以首次激发为参考，其他激发信号与首次激发信号做相关性分析（图4），可以看出刘家峡气枪震源一致性较高。

图4 气枪震源激发信号相关系数Fig.4 Correlation coefficient of air-gun source excitation signal

2 仪器概况及安装

2.1 水下节点地震仪概况

水下节点地震仪观测系统由水下节点地震仪、线缆、数据采集器、GNSS 授时器、路由器、智能电源等组成。

本文所使用的TDO-74 海底节点地震仪是由珠海市泰德企业有限公司自主研发的新一代三分向地震仪[6]。系统采用了高性能、低功耗的RISC 处理器/DSP 器件、高可靠性的实时操作系统（RTOS）、24位ADC 器件。该数据采集在符合中国数字地震观测网络（区域测震设备）要求的基础上，具有以下特点： ① 采用国际上最新推出的24 位ADC 器件，相对于上一代采集器，具有动态范围更大，谐波总失真（THD）更小等特点，从而为系统的高性能提供了保障； ② 采用高集成度、低功耗设计模式，具有大容量电子硬盘（TF 卡）实现数据存储、具备USB 存储高速数据下载接口和USB 实时数据接收接口，通讯、配置、数据读取灵活方便； ③ 内置18650 锂电池，容量高达450 Wh，续航能力约40 天，也可通过220VAC市电电源适配器供电和充电、内置完善充电电路，最大充电功率达25 W。图5 左侧为水下地震计，右侧为数据采集器及智能电源。

图5 水下节点地震仪、智能电源与数据采集器Fig.5 Underwater node seismograph，intelligent power supply and data collector

2.2 仪器安装调试

为了记录信号清晰准确，水下节点地震仪的安装位置应在距离激发震源较近的位置，且水下节点地震仪安装倾角在10°范围内。通过对激发点周边静态水深进行测量（表1），完成仪器投放位置水底坡度计算。通过测量安装范围内水深（测量点的分布如图6），得出浮台AM一侧水底坡度约为4.564°，浮台至趸船OU连线水底坡度约为2°，均在10°范围内。

表1 水位测量结果Table 1 Measurement results of water level

图6 水位测量点位示意图Fig.6 Schematic diagram of water level measurement points

本文选择在O点和U点分别进行水下节点地震仪测试。由于激发点水位年变化幅度在18 m 左右，为避免水位升降、激发产生的漂移、水浪等对仪器的影响，充分预留线缆和固定钢丝绳。测试正常后，再次检查确保TDO-74C 各接头和承重扣连接可靠，并锁紧后开始投放，在投放点水面平台或船只上，通过电缆（具有承重性能）缓慢把地震仪下放至水底。仪器投放至水底后，通电接收数据，检查投放是否发生翻侧或倒置。如果发生翻侧或倒置，需通过提拉线缆调整，直至投放正常后，保证线缆处于较松弛的状态下固定好线缆。线缆连接之后进行启动参数设置，启动设备。

由于O点距离激发点较近，数据可以清晰记录气枪震源激发初动时刻，但由于地震仪投放位置在震源正下方，距离气枪震源较近，记录出现限幅。U点距离激发点约150 m，数据可以准确记录到激发初动时刻，且激发波形记录清晰（图7）。

图7 O 点、U 点垂直向数据对比Fig.7 Comparison of vertical data at point O and point U

3 数据分析

3.1 波形记录分析

选择2022 年12 月5 日的一次激发记录（图8），水下节点地震仪三分向数据清楚记录到气枪震源的激发。以水下节点地震仪记录首次激发为参考，其他激发信号与首次激发信号做相关性分析（图9），相关系数均在0.99 以上，部分相关系数在0.995 以上，与陆地地震仪计算结果进行对比，一致性更高。

图8 水下节点地震仪记录的激发数据Fig.8 Excitation data recorded by underwater node seismograph

图9 一致性分析Fig.9 Consistent analysis

对比水下节点地震仪与陆上地震仪记录波形（图10）发现以下结果：① 水 下节点地震仪记录的气枪震源激发时刻早于陆上地震仪记录的激发时刻；②陆 上地震仪记录数据平滑程度较水下节点地震仪高；③ 水 下节点地震仪记录数据振幅较陆上地震仪大。这一结果与两台地震仪距离激发点的距离有关。

图10 水下节点地震仪和岸边测震仪器记录数据对比Fig.10 Comparison of data recorded by underwater node seismograph and shoreside seismograph

3.2 数据分析

对水下节点地震仪在平静时和激发时的数据分别进行背景噪声分析和频谱分析。

环境噪声是影响测震台站观测数据质量的主要因素之一。台基噪声水平分析已成为评估地震台站运行质量的重要技术指标。功率谱密度（PSD）是定量评价地震台站环境噪声水平的常规参数。国内外科研人员在背景噪声方面均有研究[7-12]，1993 年，USGS 发布了Peterson 模型[13]，该模型被广泛应用于地震台站环境噪声水平评价。

对水下节点地震仪平静时记录的观测数据进行背景噪声分析后发现，噪声低于NHNM 曲线，各分项背景噪声值小于-120 dB，与岸边架设仪器背景噪声进行比较，水下地震仪记录噪声略高于岸边陆地地震仪的噪声，这可能与水浪、风以及船舶航行等有关（图11）。

图11 背景噪声分析结果Fig.11 Ambient noise analysis results

许多学者[14-15]对气枪主动源激发信号进行了分析，本文选取2022 年12 月5 日的一次激发垂直向信号进行频谱分析（图12），发现水下地震仪记录到的气枪震源激发信号优势频率范围为2～8 Hz，这与前人结果基本一致。水下地震仪计算得出的优势频率范围较岸边地震仪记录信号的频谱分析结果略大，这一结果说明气枪震源从激发到岸边地震仪记录存在一定程度的衰减，证明水下地震仪更能够精确的反映气枪震源激发的过程。

图12 水下地震仪激发信号频谱分析结果图Fig.12 Spectrum analysis results of excitation signal of underwater node seismograph

4 讨论与结论

水下节点地震仪的安装使用突破了陆地参考台记录的局限。通过对比发现： ① 与陆地地震仪计算结果进行对比，水下节点地震仪记录的激发信号首枪和其他信号相关系数更高，震源一致性更高； ② 对比水下节点地震仪与陆上地震仪记录波形，发现水下节点地震仪记录的气枪震源激发时刻早于陆上地震仪记录的激发时刻，陆上地震仪记录数据平滑程度较水下节点地震仪高，水下节点地震仪记录数据振幅较陆上地震仪大，这一结果与两台地震仪距离激发点的距离有关； ③ 对水下节点地震仪平静时记录的观测数据进行背景噪声分析，噪声低于NHNM 曲线，各分项背景噪声值小于-120 dB，与岸边架设仪器背景噪声进行比较，水下地震仪记录噪声略高于岸边陆地地震仪噪声，这可能与水浪、风以及船舶航行等有关； ④ 水下地震仪计算得出的优势频率范围较岸边地震仪记录信号的频谱分析结果略大，这一结果说明气枪震源从激发到岸边地震仪记录存在一定程度的衰减，证明水下地震仪能够更精确的反映气枪震源激发的过程。

通过水下节点地震仪的安装和数据记录分析，发现水下节点地震仪因为架设位置的特殊性，记录气枪震源激发过程更加全面，记录信号较岸边参考台站记录数据衰减较小，记录的激发时刻早于岸边地震仪记录激发时刻，记录更加精准。同时，由于架设点O点出现数据超限，在今后工作中仍然要进一步调整仪器位置，使其在记录完整激发信号的同时更加接近震源。

水下节点地震仪的安装为今后开展各项研究工作奠定了硬件基础，也对气枪主动源地震监测系统建设和数据处理有一定的参考价值。