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%.Abstract: Ocean bottom seismometer (OBS) active and passive experiments are the most useful methods to reveal crustal and upper mantle structures under the ocean, but till now, few OBS experiments have been done in the Arctic and Antarctica, where the main challenges are finding and recovering the OBSs sheltered by the high coverage rate of floating ices. For the forthcoming OBS experiments in the polar regions, it is necessary to study the time and the location of OBS surfacing to the sea (outlet position). To reveal the process of OBS sinking and floating in the sea and to find the law of OBS's outlet position, we use the information of the up-floating rate, deployment position and recovery position of OBS during three expeditions of the 2019 South China Sea OBS observation, 2020 Western Pacific OBS experiment and 2011 the South China Sea three-dimension OBS experiment in this study. The main results are as follows: (1) The OBS shows stable up-floating rate in the vertical direction, which will be helpful to predict the moment of OBS surfacing to the sea; (2) the OBS locations on the sea bottom are randomly distributed with the offset of the drop location, which indicates that the water depth at the drop point has no obvious linear correlation with the relocation offset distance; (3) the outlet position and deployment position of OBS suggest very close distance, with a statistical estimate of < 300 meters (31%) and < 500 meters (59%).
-
0. 引言
海底地震仪（ocean bottom seismometer，简称OBS）是开展海洋地球物理场调查的重要设备，将其布设在海底，可记录人工和天然地震信号，用于揭示海洋下方地壳、上地幔速度和各向异性等深部结构特征，有助于开展大陆裂解、洋中脊扩张和板块俯冲等板块构造过程的研究（Caress et al., 1995；丘学林等，2003；阮爱国等，2004；Zhao et al., 2010；牛雄伟，2014；赵明辉等，2018；Kong et al., 2020；黎雨晗等，2020）；除此之外，也可以利用海底地震仪获取由水合物活跃等局部地质现象引起的微震动信息（朱俊江等，2020）.OBS的海上作业流程通常分为3步：（1）在设计站位从调查船上投放OBS，借助配重使地震仪自由落体到海底；（2）OBS在海底记录人工地震、天然地震以及其他声学信息；（3）通过水声通讯控制OBS与配重分离，OBS自由上浮至水面后被打捞上船（胡家赋等，2012）.由于布设和回收过程中，通常没有条件使用超短基线等定位设备来实时获取OBS下沉和上浮过程中的位置，使得研究人员无法确定OBS在海面投放点和回收点之间的真实移动轨迹，因此无法获取OBS在海底和露出水面时的准确位置.对于OBS在海底的位置，可以使用放炮测线的直达水波到时信息计算获得（夏常亮，2009；敖威等，2010；夏少红等，2011；张莉等，2013；牛雄伟等，2014）.但对于OBS露出水面的时间和位置，目前仍无有效手段获得（即使OBS装有GPS，由于与卫星通讯需要一定时间导致定位数据滞后）.而OBS上浮至水面的时间和位置对于快速、高效、安全地回收OBS至关重要，尤其是在南极和北极大范围浮冰覆盖区、渔船作业区和海况恶劣区等.因此，为了提高OBS回收效率，非常有必要开展对OBS出水时间和位置（出水点）的研究.
本研究基于2019年南海被动源OBS观测现场作业的实测距离和位置信息、2020年西太平洋二维主动源OBS探测试验数据、以及2011年南海东部次海盆三维主动源OBS探测站位位置信息（张莉等，2013），主要针对以下两个问题进行了分析：（1）OBS上浮至水面的时间：对OBS上浮过程进行了一维模拟并与实测数据进行对比分析，评价了实际作业中用于计算OBS出水时间的方法；（2）OBS上浮露出水面的位置：探讨了水深对OBS落底位置、出水点位置的影响，并对OBS出水点分布规律进行了初步分析与预测.
1. 数据来源
1.1 2019年南海被动源OBS观测试验
自然资源部第二海洋研究所在南海开展的被动源OBS观测试验，于2019年8~9月完成了对宽频带OBS的布设，于2020年7月完成了OBS的回收.在回收过程中对两台OBS上浮过程进行了连续测距，其站位分布见图 1a，其中OBS-1的投放点（投放时船所在的位置）水深为2 092 m，OBS-2的投放点水深为3 481 m，测量数据见表 1和表 2.
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表 1 OBS-1上浮过程轨迹信息Table Supplementary Table 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 表 2 OBS-2上浮过程轨迹信息Table Supplementary Table 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=√Dr2−Dd2，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. 1.2 2011年南海东部次海盆三维主动源OBS探测试验
2011年5~6月由中国科学院南海海洋研究所组织，国家海洋局第二海洋研究所、广东省地震局和广州海洋地质调查局等单位参加，在南海东部次海盆开展了三维主动源OBS探测试验.该地震航次所使用的震源系统由4支1500 L型号的BOLT气枪组成，共布设42台OBS，其中投放点水深最浅处为949 m，最深处为4 322 m，半数OBS投放点水深超过4 000 m，具体布设情况如图 1a所示.其中一台OBS丢失，两台OBS没有记录数据，因此只分析了39台OBS的位置信息.张莉等（2013）利用OBS记录的主动源地震波信息，对OBS进行位置校正，得到了OBS在海底的理论位置.在此基础上，本文计算了OBS海底理论位置与海面投放点的距离，笔者称之为“重定位偏移距离”.该试验数据用于研究OBS投放深度与重定位偏移距离之间的关系.
1.3 2020年西太平洋二维主动源OBS探测试验
2020年初，自然资源部第二海洋研究所在西太平洋进行了主动源OBS探测，站位分布如图 1b所示.现场作业过程中记录了每台OBS浮出水面的预测时间（利用投放点水深和OBS平均上浮速率相除得到）和实际打捞上船的时间，这两个时间差为打捞OBS耗时，即OBS在海面漂流的时长.此外，利用OBS回收点坐标与投放点坐标之差，计算出回收点与投放点的水平距离.结合投放点水深，用该试验数据对OBS海面漂流时长、投放点水深、回收点与投放点水平距离之间的关系进行了分析.
2. 结果和讨论
2.1 OBS上浮速率模拟
2.1.1 OBS上浮速率模拟结果
本文对OBS上浮过程进行了垂直方向上的一维速率模拟，其受力情况如图 2所示.
图 2中F为OBS受到的浮力，其受海水密度ρocean和自身体积的影响；M为OBS自身的质量，由OBS自身体积VOBS和其密度ρOBS决定；G为其重力，重力加速度g取9.81 m/s2；R为OBS上浮过程中的阻力，阻力大小取决于摩擦系数r、上浮速率v.净浮力B，可由以下公式（Jochen，2009）计算得到：
B=F−G−R=ρoceangVOBS−ρOBSgVOBS−rv, (1) 利用牛顿第二定律，可得到
B=Ma=ρOBSVOBS⋅dvdt, (2) 其中a为OBS的加速度.
根据有限差分思想，公式（2）可以写为如下形式：
B=ρoceangVOBS−ρOBSgVOBS−rvn+1=ρOBSVOBS⋅vn+1−vnΔt, (3) 其中，vn为n时刻OBS的上浮速率，vn+1为n+1时刻OBS的上浮速率，∆t为时间步长.
因此模拟速率可由公式（4）进行循环计算：
vn+1=[vn+g(ρocean−ρOBS)ρOBS⋅Δt]/(1+rρOBSVOBS⋅Δt), (4) 令rρOBSVOBS为R'，则公式（4）可写为以下形式：
vn+1=[vn+g(ρocean−ρOBS)ρOBS⋅Δt]/(1+R′⋅Δt), (5) 已知初始时刻OBS上浮速率为0.
对OBS的深度变化求导可以得到其速率，因此OBS深度（z）的有限差分表达形式如下：
zn+1=zn+Δt⋅vn+1, (6) 其中，zn为n时刻OBS所处的深度，zn+1为n+1时刻OBS所处的深度.初始时刻的释放深度需要根据实际情况来设定.上述主要参数如表 3所示.
表 3 参数信息Table Supplementary Table Parameter informationM (kg) VOBS (m3) ρOBS (kg/m3) *ρocean *R′(s-1) 44 0.097 453.6 ρ0(1+N2g|z|) 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 和表 5 所示.表 4 OBS-1站位的海水分层情况Table Supplementary Table Seawater stratification at OBS-1 stationz (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 表 5 OBS-2站位的海水分层情况Table Supplementary Table Seawater stratification at OBS-2 stationz (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 由于OBS-1、OBS-2的投放点水深不同，因此对OBS自由上浮过程进行数值模拟时初始时刻的释放深度（即投放点水深）分别选为2 092 m和3 481 m.其中时间步长Δt均取2 s，得到了OBS自由上浮开始后每隔2 s的深度信息和上浮速率信息，OBS-1的模拟平均速率约为0.954 6 m/s，模拟上浮耗时为2 196 s；OBS-2的模拟平均速率为0.954 6 m/s，模拟上浮耗时为3 652 s.将模拟结果与实测数据进行了比较（图 3和图 4），可以看出，在只考虑垂直方向受力的情况下，模拟结果与实测数据存在一定的误差.OBS-1的实测速率（Va）平均偏离模拟速率（Vm）±0.124 7 m/s，误差范围为13.06%；OBS-2的实测速率（Va）平均偏离模拟速率（Vm）± 0.046 6 m/s，误差范围为4.88%.以水深2 092 m计算，OBS-1用实测平均速率（0.93 m/s）计算得到OBS上浮耗时为2 249 s，与模拟上浮耗时（2 196 s）相差为53 s，误差范围为2.41%；以水深3 481 m计算，OBS-2用实测平均速率（0.97 m/s）计算得到OBS上浮耗时为3 589 s与模拟上浮耗时（3 652 s）相差为63 s，误差范围为1.73%.
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此外，分析图 3和图 4可以得到：在两种不同水深情况下实测上浮速率的拟合曲线具有相似的截距参数（b），基本在1.1 m/s左右，要明显高于模拟结果，这可能是由于OBS开始脱离沉耦架时，存在弹簧向上的弹力，使其具有了较高的初始上浮速率，受到海水阻力后速率减小，又在重力、浮力、阻力作用下达到三力平衡，继而保持相对稳定的上浮速率.
2.1.2 误差分析
图 3和图 4显示：实测数据与模拟结果存在偏差，但两幅图中实测数据拟合曲线与模拟结果都存在交叉点，这表明实测上浮速率处于从高于模拟速率到小于模拟速率的变化过程.经过对现场作业过程和OBS回收点位置计算方法的分析，除了将OBS上浮过程简化为浮体沿垂向自由上浮与实际上OBS可能存在多方向运动不完全一致而导致的误差之外，还存在距离测量误差和近似误差.
（1）距离测量误差.距离测量误差是指船上甲板控制单元的声学换能器与OBS通讯测距过程中存在的误差.甲板控制单元通过声学换能器与OBS建立通讯，OBS接收到信号后再传回，此时甲板控制单元界面显示声学换能器与OBS之间的距离，这个过程利用了回声测距原理，测距信息由发出至接收到返回信号的时间间隔和信号在海水中的传播速度决定.计算距离时海水中声速使用1 500 m/s，实际上海水中声速并不是固定不变的，受海水温度、盐度、深度的影响，海水中声速约为1 450~1 540 m/s（冯士筰等，1999），与1 500 m/s相比，大约有不大于3.33%的误差，因此距离测量误差可能会对结果带来不大于3.33%的误差.
此外，在实际作业中声学换能器要放置在海水中，下放深度的不同也会带来一定的误差，其下放的最大水深由电缆长度决定，本研究使用的电缆最大长度为15 m.随着OBS上浮，水深越来越浅，OBS与声学换能器的距离不断减小，测量误差对结果的影响也会加大.已知OBS-1的投放点海水深度比OBS-2的投放点海水深度浅，因此其实测速率偏离模拟速率的误差也更大.
（2）近似误差.本研究使用了2次近似计算.第1次使用船漂离投放点距离（Dd）来近似声学换能器与OBS的水平距离（Dl），该近似计算会导致使用勾股定律得到的OBS深度（Hc）存在一定偏差，进而导致由此深度计算的OBS上浮速率存在偏差.在测距过程中，船的位置是随时调整的，当声学换能器与OBS的水平距离（Dl）大于船漂离投放点距离（Dd）时，计算所得OBS深度（Hc）偏大，其上浮速率（v）就高于OBS真实上浮速率（图 5）；同理，当声学换能器与OBS的水平距离（Dl）小于船漂离投放点距离（Dd）时，计算所得OBS深度（Hc）偏小，其上浮速率（v）就低于OBS真实上浮速率，这也是造成实测上浮速率在模拟上浮速率附近上下浮动的原因.第2次是采用两次测距之间的平均上浮速率来近似瞬时速率，显然测距间隔时间越短，该近似误差会越小.
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 depth2.2 水深对OBS位置的影响
2.2.1 水深对OBS在海底位置的影响
2011年南海东部次海盆三维OBS探测试验中投放点水深和重定位偏移距离的关系（图 6）可以用来分析投放点水深对OBS在海底实际位置的影响.当投放点水深在4 000 m左右时，重定位偏移距离沿横轴均匀分布；投放点水深在2 000 m左右时，情况也大致相同.这说明在投放点水深相同的情况下，重定位偏移距离差别较大，表明两者之间并没有明显的正相关.
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OBSFig. 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.htmlFig. 7. Current conditions at different depths in the location 2011 South China Sea为了更好地说明这个问题，笔者分析了2011年5~6月份该海域不同深度的平均洋流速度（图 7），可以看到在浅层和深层海流方向并不相同，这说明即使在小范围（约100 km）海域内，OBS从海面下沉到海底的过程中，也受到多方向复杂海流的影响.虽然深海海流速度较小，但是随时间的累积其对OBS落底位置的影响也是无法忽略的.这也解释了水深与重偏移距之间无明显相关性的原因.
2.2.2 水深对OBS出水点的影响
为探讨OBS投放点水深对出水点位置的影响，笔者利用2020年西太平洋OBS探测试验实测数据绘制了OBS投放点水深与回收点偏离投放点距离的关系图，图中不同颜色代表不同偏移距（图 8）.影响回收点偏离投放点距离的因素有很多，其中影响最大的是OBS在海面漂移的距离，即出水点与回收点的距离，因此需要消除OBS海面漂移距离的影响.基于前文的模拟结果，OBS实际上浮到水面所用时间与预测时间基本一致，因此，假设当打捞OBS耗时相同时，OBS在海面偏离投放点的距离是相同的，即相同颜色代表具有相同的海面漂移量（图 8）.这种情况下，可以用回收点偏离投放点的距离来评估出水点偏离投放点的距离.在打捞OBS耗时相同（颜色相同）的情况下，对于投放点水深不同的OBS站位，其回收点与投放点的距离表现为随机分布但又集中在一个范围内（图 8），并没有随水深增加而增大的趋势，也表明OBS出水点偏离投放点的距离与投放点水深无线性相关性.
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在此，本文分析了作业期间该海域不同深度的海流速度场分布（图 9），与图 7相比可以看出不同海域的流场特征是不同的，但在某些方面也具有相似的规律.如浅层海流流速较大，而在深层海流流速较小；不同深度的海流方向不完全相同，具有方向的改变.在OBS下沉过程中通过时间的积累海流方向的改变会体现在OBS移动方向的改变，进而可以说明OBS并不是沿固定方向偏离投放点的，这种偏离是随机的、无序的.
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=GODASFig. 9. Current conditions at different depths in the location of the 2020 Western Pacific OBS experiment2.2.3 出水点和投放点的关系
2020年西太平洋OBS探测试验的实测数据表明OBS回收点与投放点距离和打捞OBS耗时具有正相关性（图 10）.由于在短时间内（1~2 h），风向和流向可视为基本稳定，因此该统计结果可以解释为OBS在海面漂移的距离和时间成正相关，在去除奇异点（图 10，红圈内）后，对其余47个点进行了线性拟合，得到截距为零的一次方程式：
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 positiony=0.0332x, (3) 式中，时间和距离单位分别取为分钟和米，其相关系数R2为0.813 9.
拟合方程与横轴的截距为零，这说明在零时刻OBS回收点与投放点距离为零，也就是说OBS出水点位置与投放点位置重合.斜率的倒数在一定程度上代表OBS漂移的速率，在这里为0.502 m/s，漂移主要受表层的海流以及风速的影响，由班报记录可知作业期间风力为2~4级，风速在1.6~7.9 m/s之间，由风速带动海水表层的流动，进而会造成OBS约为0.502 m/s的漂移速率.
2.3 OBS在水中下沉和上浮轨迹
假设当OBS投放时间与回收时间间隔较短时，同一海域海流方向稳定，在下沉、上浮过程中OBS受水平方向的力一致，那么OBS在海底的准确位置一般位于投放点和回收点的中间区域（敖威，2010）.当水深大时，从海面到海底的时间会更长，受水平力作用时间更长，投放点与出水点距离差可能会更大.
然而，通过对南海、西太平洋地震试验中的OBS投放点和回收点位置、上浮时间和上浮速率等数据的统计分析，得到了新的认识：（1）OBS投放点水深与其重定位偏移距离无关；（2）消除打捞时间，将回收点拟合为出水点，发现OBS在水面的出水点与投放点近似重合（图 10）.基于上述分析，OBS在水中下沉和上浮的轨迹可能如图 11所示，OBS下沉过程受垂直向下的重力和多个方向上海流的冲击力影响，其轨迹为不规则曲线，但由于重力远大于海流的冲击力，OBS在海底的真实位置可能不会偏离投放点，或者偏移较小.OBS上浮过程中受垂直向上的浮力和多个方向上海流的冲击力作用，浮力仍远大于海流的冲击力，因此OBS在海面的出水点可能与投放点重合，或者偏移较小.通过统计2019年南海和2020年西太平洋航次64台OBS现场回收记录，约38台（59%概率）OBS投放点与回收点距离不超过500 m，20台（31%概率）OBS投放点和回收点距离小于300 m（图 12）.考虑到OBS回收点与投放点的距离可能大于OBS出水点与投放点的距离，OBS出水点与投放点距离分别小于500 m或300 m的概率可能还要更大.这一认识可以用于指导冰区OBS的回收工作，即使作业区浮冰覆盖率为100%，回收OBS时破冰船仅需以投放点为圆心破冰，制造半径为300~500 m的碎冰区，就有可能为OBS露出水面提供有效空间，从而大大提高OBS的冰区回收率（牛雄伟等，2016）.
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 mFig. 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 experiments4. 结论
基于在南海和西太平洋开展的OBS探测试验中记录的OBS投放点位置、回收点位置、上浮速率、OBS上浮时间和OBS海底重定位位置等现场作业资料，开展了对OBS在海水中下沉和上浮轨迹的研究，重点探讨了如何预测OBS出水点位置.本研究有助于提高OBS回收效率，提高复杂海况尤其是冰区OBS的搜寻成功率.主要结论如下：
（1）同一台OBS的上浮速率基本稳定，符合物体自由上浮规律；在实际作业中，利用一段时间内的平均速率和投放点水深计算OBS的上浮时间是可行的.
（2）当OBS投放点水深相同时，使用三维直达水波定位出的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）打捞OBS耗时和打捞上船位置偏离OBS投放点的距离成正比，线性回归分析表明OBS出水点与投放点位置非常接近；OBS出水点与投放点距离小于500 m的概率不小于59%，OBS出水点与投放点距离小于300 m的概率不小于31%.
致谢: 感谢2019年南海被动源OBS航次、2020年西太平洋主动源OBS地震航次所有科考队员和船员对本文数据采集付出的辛苦劳动.感谢审稿专家的宝贵意见和编辑部的大力支持！ -
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 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 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 
下载: 导出CSV
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=√Dr2−Dd2，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.
下载: 导出CSV
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 ρ0(1+N2g|z|) 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 和表 5 所示.
下载: 导出CSV
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
下载: 导出CSV
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
下载: 导出CSV
-
Ao, W., Zhao, M. H., Qiu, X. L., et al., 2010. The Correction of Shot and OBS Position in the 3D Seismic Experiment of the SW Indian Ocean Ridge. Chinese Journal of Geophysics, 53(12): 2982-2991 (in Chinese with English abstract). http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/dqwlxb201012022 Caress, D. W., McNutt, M. K., Detrick, R. S., et al., 1995. Seismic Imaging of Hotspot-Related Crustal Underplating Beneath the Marquesas Islands. Nature, 373(6515): 600-603. https://doi.org/10.1038/373600a0 Feng, S.Z., Li, F.Q., Li, S.J., 1999. Introduction to Marine Science. Higher Education Press, Beijing (in Chinese). Hu, J. F., Xu, H. N., Qiu, X. L., et al., 2012. Design of Gun Controlling Chronometer and Its Application in Gathering and Processing OBS Data. Journal of Tropical Oceanography, 31(3): 97-102 (in Chinese with English abstract). http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-RDHY201203014.htm Kaempf, J., 2009. Ocean Modelling for Beginners, Second Edition. Springer, Berlin. Kong, F. S., Gao, S. S., Liu, K. H., et al., 2020. Seismic Anisotropy and Mantle Flow in the Sumatra Subduction Zone Constrained by Shear Wave Splitting and Receiver Function Analyses. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 21(2): e2019GC008766. https://doi.org/10.1029/2019GC008766 Li, Y. H., Huang, H. B., Qiu, X. L., et al., 2020. Wide-Angle and Multi-Channel Seismic Surveys in Zhongsha Waters. Chinese Journal of Geophysics, 63(4): 1523-1537 (in Chinese with English abstract). Niu, X. W., 2014. Wide Angle Seismic Tomography (2D/3D) of Southwest Indian Ridge (Dissertation). Zhejiang University, Hangzhou (in Chinese with English abstract). Niu, X.W., Gao, J. Y., Wu, Z. C., et al., 2016. Lithosphere Anisotropy of Prydz Bay, Antarctica: From Ocean Bottom Seismometer Long Term OBServation. Earth Science, 41(11): 1950-1958 (in Chinese with English abstract). http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-DQKX201611010.htm Niu, X. W., Ruan, A. G., Wu, Z. L., et al., 2014. Progress on Practical Skills of Ocean Bottom Seismometer(OBS) Experiment. Progress in Geophysics, 29(3): 1418-1425 (in Chinese with English abstract). Qiu, X. L., Shi, X. B., Yan, P., et al., 2003. Recent Progress of Deep Seismic Experiments and Studies of Crustal Structure in Northern South China Sea. Progress in Natural Science, 13(3): 231-236 (in Chinese with English abstract). Ruan, A. G., Li, J. B., Feng, Z. Y., et al., 2004. Ocean Bottom Seismometer and Its Development in the World. Donghai Marine Science, 22(2): 19-27 (in Chinese with English abstract). http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-DHHY200402004.htm Xia, C. L., 2009. A Study on Privotal Data Processing Procedure of Ocean Bottom Seismograph (Dissertation). China University of Geoscience, Beijing (in Chinese with English abstract). Xia, S. H., Ao, W., Zhao, M. H., et al., 2011. Corrections and Analysis of Wide Angle Seismic Data from the Sea. Marine Science Bulletin, 30(5): 487-491 (in Chinese with English abstract). http://en.cnki.com.cn/Article_en/ http://search.cnki.net/down/default.aspx?filename=HUTB201105003&dbcode=CJFD&year=2011&dflag=pdfdown Zhang, L., Zhao, M. H., Wang, J., et al., 2013. Correction of OBS Position and Recent Advances of 3D Seismic Exploration in the Central Sub-Basin of South China Sea. Earth Science, 38(1): 33-42 (in Chinese with English abstract). http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-DQKX201301008.htm Zhao, M. H., Du, F., Wang, Q., et al., 2018. Current Status and Challenges for Three-Dimensional Deep Seismic Survey in the South China Sea. Earth Science, 43(10): 3749-3761 (in Chinese with English abstract). http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTotal-DQKX201810034.htm Zhao, M. H., Qiu, X. L., Xia, S. H., et al., 2010. Seismic Structure in the Northeastern South China Sea: S-Wave Velocity and Vp/Vs Ratios Derived from Three-Component OBS Data. Tectonophysics, 480(1-4): 183-197. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2009.10.004 Zhu, J. J., Li, S. Z., Lu, J. A., et al., 2020. Scientific Implications and Preliminary Surveying Results of Geological and Physical Oceanography Environment in the Shenhu Area of the Northern South China Sea. Earth Science, 45(4): 1416-1426 (in Chinese with English abstract). 敖威, 赵明辉, 丘学林, 等, 2010. 西南印度洋中脊三维地震探测中炮点与海底地震仪的位置校正. 地球物理学报, 53(12): 2982-2991. doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2010.12.022 冯士筰, 李凤歧, 李少菁, 1999. 海洋科学导论. 北京: 高等教育出版社. 胡家赋, 徐华宁, 丘学林, 等, 2012. 精密枪控计时器设计及在海底数据采集中的应用. 热带海洋学报, 31(3): 97-102. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-RDHY201203014.htm 黎雨晗, 黄海波, 丘学林, 等, 2020. 中沙海域的广角与多道地震探测. 地球物理学报, 63(4): 1523-1537. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX202004021.htm 牛雄伟, 2014. 西南印度洋中脊2D/3D广角地震层析成像(博士学位论文). 杭州: 浙江大学. 牛雄伟, 高金耀, 吴招才, 等, 2016. 南极洲普里兹湾岩石圈各向异性: 海底地震仪观测. 地球科学, 41(11): 1950-1958. doi: 10.3799/dqkx.2016.135 牛雄伟, 阮爱国, 吴振利, 等, 2014. 海底地震仪实用技术探讨. 地球物理学进展, 29(3): 1418-1425. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWJ201403058.htm 丘学林, 施小斌, 阎贫, 等, 2003. 南海北部地壳结构的深地震探测和研究新进展. 自然科学进展, 13(3): 231-236. doi: 10.3321/j.issn:1002-008X.2003.03.002 阮爱国, 李家彪, 冯占英, 等, 2004. 海底地震仪及其国内外发展现状. 东海海洋, 22(2): 19-27. doi: 10.3969/j.issn.1001-909X.2004.02.004 夏常亮, 2009. OBS地震数据关键处理环节研究(硕士学位论文). 北京: 中国地质大学. 夏少红, 敖威, 赵明辉, 等, 2011. 海洋广角地震数据校正方法探讨. 海洋通报, 30(5): 487-491. doi: 10.3969/j.issn.1001-6392.2011.05.002 张莉, 赵明辉, 王建, 等, 2013. 南海中央次海盆OBS位置校正及三维地震探测新进展. 地球科学, 38(1): 33-42. doi: 10.3799/dqkx.2013.004 赵明辉, 杜峰, 王强, 等, 2018. 南海海底地震仪三维深地震探测的进展及挑战. 地球科学, 43(10): 3749-3761. doi: 10.3799/dqkx.2018.573 朱俊江, 李三忠, 陆敬安, 等, 2020. 南海北部神狐海域地质环境综合调查及科学意义. 地球科学, 45(4): 1416-1426. doi: 10.3799/dqkx.2019.109 期刊类型引用(0)
其他类型引用(1)
-
下载:
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 1459
- HTML全文浏览量: 725
- PDF下载量: 58
- 被引次数: 1
