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“变废为宝”——海底地震仪数据噪音的机理分析与海洋近底流速反演的应用前景

发布时间:2021-10-11 来源:上海交通大学

        在上海交通大学“深蓝计划”的资助下,“通过海底地震仪噪声数据推测海底洋流信息的技术与应用研究”项目近期取得进展,上海交大海洋学院、船建学院以及来自中山大学、南方科技大学的研究人员共同分析了海底地震仪在海底洋流的作用下发生倾斜从而产生水平噪声的机理,为定量估计海底洋流提供了一种新的、可行的反演方法。

 

        海底地震仪(Ocean-bottom Seismograph,OBS)可以测量海底变形的三分量加速度。自上世纪八九十年代开始,被广泛用于深海的地震数据记录。OBS的使用从发明以来就面临多重挑战,其中之一是其噪声远高于陆地台站。2000年之后的研究逐渐发现,OBS 的低频噪声(< 0.1 Hz)主要为水平噪声。通过水平噪声可以移除垂直噪声、提高垂直记录的信噪比,因此垂直记录被广泛用于地震学研究。对于OBS的水平记录,既无法通过仪器设计避免噪声,也无法通过数据处理提高已有数据的信噪比。有关水平噪声的成因机制,研究人员长期以来一直认为与海底洋流相关,但多年来并无定量研究,更没有相关的降噪方法。

        该研究基于2018 – 2019 年期间在美国阿拉斯加附近收集的大量海底地震仪数据,分析了低频噪声的噪声特征。通过计算两个水平分量之间的互相关发现,海底地震仪的水平噪声具有方向性。在将近两年的时间里,绝大多数的海底地震仪记录的水平噪声具有主方向,且主方向保持不变。对这种特征一个可能的解释是,OBS在海底洋流的作用下发生倾斜,从而产生水平噪声。因此,水平噪声的主方向、大小取决于海底洋流的方向、大小。

根据以上结论,可以通过对海底地震仪的水平记录进行旋转而实现降噪。将原始记录的两个水平分量旋转到水平噪声的主方向、水平噪声主方向的垂直方向,则在主方向的垂直方向上噪声很小,可以识别出地震信号,实现对单一水平分量的降噪。该方法虽然不能对水平记录实现完全降噪,但提供了部分有用的水平数据。

        另外,根据该研究对噪声产生机制的阐述,海底地震仪的低频水平噪声由海底洋流引起,且两者之间存在定量关系。通过实验测定该定量关系,再用于实测数据,可以反演出仪器所在位置的海底洋流信息。目前对于洋流的直接观测多集中于海洋的中上部,通过此方法得到的海洋洋流信息有望为洋流模型提供更多的观测约束。

        该项目由上海交大海洋学院周磊研究员和船舶海洋与建筑工程学院安超副教授负责,具体研究成果近期发表在期刊《Seismological Research Letters》,题目为“Characteristics of Low-frequency Horizontal Noise of Ocean-Bottom Seismic Data”。