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    实测数据揭示海底地震仪上浮速率与出水点规律

    程立群 方银霞 牛雄伟 王嵘 卫小冬 阮爱国 李家彪

    程立群, 方银霞, 牛雄伟, 王嵘, 卫小冬, 阮爱国, 李家彪, 2021. 实测数据揭示海底地震仪上浮速率与出水点规律. 地球科学, 46(3): 1072-1082. doi: 10.3799/dqkx.2021.010
    引用本文: 程立群, 方银霞, 牛雄伟, 王嵘, 卫小冬, 阮爱国, 李家彪, 2021. 实测数据揭示海底地震仪上浮速率与出水点规律. 地球科学, 46(3): 1072-1082. doi: 10.3799/dqkx.2021.010
    Cheng Liqun, Fang Yinxia, Niu Xiongwei, Wang Rong, Wei Xiaodong, Ruan Aiguo, Li Jiabiao, 2021. Floating Rate and Sea Surface Outlet Point of Ocean Bottom Seismometer. Earth Science, 46(3): 1072-1082. doi: 10.3799/dqkx.2021.010
    Citation: Cheng Liqun, Fang Yinxia, Niu Xiongwei, Wang Rong, Wei Xiaodong, Ruan Aiguo, Li Jiabiao, 2021. Floating Rate and Sea Surface Outlet Point of Ocean Bottom Seismometer. Earth Science, 46(3): 1072-1082. doi: 10.3799/dqkx.2021.010

    实测数据揭示海底地震仪上浮速率与出水点规律

    doi: 10.3799/dqkx.2021.010
    基金项目: 

    国家重点研发计划项目 2017YFC1405502

    “全球变化与海气相互作用”专项项目 GASI-GEOGE-01

    国家自然科学基金项目 41876060

    国家自然科学基金项目 41776053

    详细信息
      作者简介:

      程立群(1996-), 女, 硕士在读, 主要从事海底地震探测研究. ORCID: 0000-0002-6978-0725. E-mail: 192389601@qq.com

      通讯作者:

      方银霞, E-mail: fangyx@sio.org.cn

    • 中图分类号: P715

    Floating Rate and Sea Surface Outlet Point of Ocean Bottom Seismometer

    • 摘要: 使用海底地震仪(OBS)对极地浮冰区进行探测时,存在上浮的OBS被浮冰遮挡而难以发现和回收等困难,为提高两极浮冰区海底地震探测效率,亟需对OBS上浮出水时间和位置进行较为准确地预测.本研究以2019年南海OBS观测、2020年西太平洋OBS探测以及2011年南海东部次海盆三维OBS探测现场作业的实测距离和位置信息等数据为基础,分析了OBS上浮速率、投放点和出水点的特征,开展了OBS在水中下沉和上浮的运动过程研究,总结了OBS出水点的分布规律.结果表明:(1)在垂直方向上,OBS上浮速率近似匀速,可用平均速率代替,进而可精确计算上浮出水时间;(2)OBS在海底的位置与投放位置的偏移距随机分布,这表明投放点水深与重定位偏移距离无明显线性相关性;(3)OBS上浮出水点与投放点有重合的趋势,两者距离在300 m以内的概率大于31%,两者距离在500 m以内的概率大于59%.

       

    • 图  1  OBS试验区域位置分布

      水深资料来源于GEBCO(https://www.bodc.ac.uk/projects/data_management/international/gebco/). a. 2011年南海东部次海盆三维OBS探测区域与站位分布(红色圆点据张莉等(2013))与2019年南海OBS观测试验连续测距站位分布(红色三角);b. 2020年西太平洋OBS探测区域与站位分布(红色圆点),左上角插图中红色方块为试验区在全球的位置

      Fig.  1.  Location distribution of OBS experiment

      图  2  OBS上浮过程中受力分析

      Fig.  2.  Force analysis during up-floating of OBS

      图  3  OBS-1上浮速率实测数据与模拟结果对比

      其中实测数据拟合为线性拟合,拟合后的斜率(k)、截距(b)、均方误差(MSE)如右上所示,均方误差越小,说明拟合结果越好

      Fig.  3.  Comparison of measured and simulated up-floating rates of OBS-1

      图  4  OBS-2上浮速率实测数据与模拟结果对比

      Fig.  4.  Comparison of measured and simulated up-floating rates of OBS-2

      图  5  利用勾股定理计算OBS深度时的误差来源

      Dr.实测距离;Dd.船漂离投放点距离;Hc.计算所得OBS深度;Dl.声学换能器与OBS的水平距离;Hr.OBS实际深度

      Fig.  5.  Error sources when using Pythagorean theorem to calculate OBS's depth

      图  6  OBS投放点水深与重定位偏移距离关系

      数据来自2011年南海东部次海盆三维OBS探测试验(张莉等,2013),其中黑色虚线框内显示为投放点水深分别为2 000 m和4 000 m左右的OBS

      Fig.  6.  Relationship between the water depth at OBS deployment position and the offset of the relocated OBS position and deployment position

      图  7  2011年南海东部次海盆三维OBS探测试验区不同水深的海流速度场分布

      图中箭头方向代表海流的方向,箭头长度代表海流的流速大小;数据来源:http://apdrc.soest.hawaii.edu/erddap/griddap/hawaii_soest_628b_fb2e_515b.html

      Fig.  7.  Current conditions at different depths in the location 2011 South China Sea

      图  8  OBS投放点水深与回收点偏离投放点距离关系

      Fig.  8.  Relationship between the water depth of OBS at deployment position and the distance between the recovery position from the deployment position

      图  9  2020年西太平洋OBS探测区域不同水深的海流速度场分布

      图中箭头方向代表海流的方向,箭头长度代表海流的流速大小;数据来源:http://apdrc.soest.hawaii.edu/erddap/search/index.html?page=1&itemsPerPage=1000&searchFor=GODAS

      Fig.  9.  Current conditions at different depths in the location of the 2020 Western Pacific OBS experiment

      图  10  打捞OBS耗时‒回收点与投放点距离关系

      黑色虚线为线性拟合所得的趋势线,线性拟合所得的方程在右上角,R2为相关系数(R2=1为最优拟合结果),红色椭圆虚线内为拟合时剔除的点

      Fig.  10.  Relationship between OBS's recovery time and distance between the recovery position and the deployment position

      图  11  OBS下沉、上浮示意

      Fig.  11.  Schematic diagram of OBS sinking and floating

      图  12  2019年南海和2020年西太平洋试验中64台OBS回收点偏离投放点距离的分布

      不同颜色代表不同距离,扇形面积的大小代表该距离范围内OBS台数,例如,31%代表 64台OBS中有20台(64×31%)OBS投放点和回收点距离小于300 m

      Fig.  12.  Pie chart shows distances between the recovery positions and the deployment positions of 64 OBSs used in the 2020 South China Sea and Western Pacific OBS experiments

      表  1  OBS-1上浮过程轨迹信息

      Table  1.   Trajectory information of the process of floating of OBS-1

      *实测距离(m) 船漂离投放点距离(m) 计算所得OBS深度(m) 两次测量时间间隔(s) 上浮速率(m/s)
      2 091 402 2 052 / /
      2 028 498 1 966 75 1.15
      1 970 513 1 902 60 1.06
      1 869 544 1 788 138 0.83
      1 822 555 1 735 42 1.25
      1 768 568 1 674 60 1.02
      1 726 586 1 623 60 0.85
      1 685 594 1 577 60 0.78
      1 638 607 1 521 60 0.92
      1 588 620 1 462 60 0.99
      1 548 629 1 414 60 0.79
      1 496 641 1 352 60 1.05
      1 449 652 1 294 60 0.96
      1 412 663 1 247 60 0.79
      1 369 675 1 191 60 0.93
      1 337 686 1 148 60 0.72
      1 240 726 1 005 180 0.79
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      表  2  OBS-2上浮过程轨迹信息

      Table  2.   Trajectory information of the process of floating of OBS-2

      *实测距离(m) 船漂离投放点距离(m) 计算所得OBS深度(m) 两次测量时间间隔(s) 上浮速率(m/s)
      3 369 209 3 363 / /
      3 336 220 3 329 38 0.89
      3 296 227 3 288 30 1.35
      3 265 235 3 257 30 1.05
      3 179 262 3 168 90 0.98
      3 149 274 3 137 30 1.04
      3 121 284 3 108 30 0.97
      3 063 308 3 047 60 1.01
      3 036 322 3 019 30 0.95
      3 008 336 2 989 30 0.99
      2 973 357 2 951 40 0.94
      2 925 385 2 900 50 1.04
      2 899 402 2 871 30 0.95
      2 873 420 2 842 30 0.96
      2 847 438 2 813 30 0.97
      2 821 457 2 784 30 0.98
      2 795 477 2 754 30 0.99
      2 770 495 2 725 30 0.95
      2 732 529 2 680 50 0.90
      2 699 556 2 641 40 0.98
      2 650 598 2 582 60 0.99
      2 605 638 2 526 60 0.93
      2 559 678 2 468 60 0.97
      2 514 720 2 409 60 0.98
      2 473 664 2 353 60 0.93
      2 432 608 2 296 60 0.95
      2 394 552 2 240 60 0.92
      2 359 496 2 187 60 0.90
      2 322 440 2 129 60 0.96
      2 288 968 2 073 60 0.93
      2 256 912 2 018 60 0.93
      2 226 856 1 962 60 0.92
      2 194 800 1 903 60 0.99
      2 173 744 1 854 60 0.81
      2 150 688 1 801 60 0.89
      注:该数据来自2019年南海被动源OBS观测试验.*实测距离(Dr):声学换能器与OBS之间的直线距离(斜距);船漂离投放点距离(Dd):由于无法确定声学换能器与OBS的水平距离,因此这里使用船漂离投放点距离来进行近似表示;计算所得OBS深度(Hc):Hc=$\sqrt {D{r^2} - D{d^2}} $,结果保留整数;上浮速率(v):v=(Hc2-Hc1)/(t2-t1),并以此速率近似该深度的瞬时速率,结果保留两位小数;在实际作业中计算上浮速率的目的是预测OBS上浮出水时间,从而指导OBS的回收.
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      表  3  参数信息

      Table  3.   Parameter information

      M (kg) VOBS (m3) ρOBS (kg/m3) *ρocean *R′(s-1)
      44 0.097 453.6 ${\rho _0}\left({1 + \frac{{{N^2}}}{g}\left| z \right|} \right)$ 13
      注:ρ0为海水某深度的初始密度,根据相关温度、盐度数据本文对海水进行了简要分层(数据来源:https://www.ncei.noaa.gov/access/world-ocean-atlas-2018/);N:布伦特-韦伊塞莱频率,可以根据海水的温度、盐度得到(计算网站:https://www.mt-oceanography.info/Utilities/bvf.html);z:海水深度;R′:与仪器的材料,形状等有关,根据厂家提供该型号的OBS在水中净浮力为30 N左右推算得到;海水分层情况如表 4表 5所示.
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      表  4  OBS-1站位的海水分层情况

      Table  4.   Seawater stratification at OBS-1 station

      z (m) ρ0 (kg/m3) N2(10-8s-2)
      0~50 1 021.580 2.082 2
      50~150 1 022.578 2.082 2
      150~700 1 025.110 2.099 6
      700~1 000 1 027.063 0.184 9
      1 000~4 000 1 027.381 0.184 9
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      表  5  OBS-2站位的海水分层情况

      Table  5.   Seawater stratification at OBS-2 station

      z (m) ρ0 (kg/m3) N2(10-8s-2)
      0~50 1 021.130 2.496 4
      50~150 1 022.356 2.496 4
      150~700 1 025.270 2.405 6
      700~1 000 1 027.075 0.173 9
      1 000~4 000 1 027.383 0.173 9
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    • 收稿日期:  2020-11-24
    • 刊出日期:  2021-03-15

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