《海底地震勘测理论与应用》再版：新修订版增加两部分内容 -海底地形测绘

南极棉 · 发表于海洋技术专业 2024-4-7 05:20:30

《海底地震勘测理论与应用》对多年实践积累的海底地震（OBS）勘测相关技术进行了总结，对教科书中的一些相关的地震波基础理论作了解释性推导。本书于2018 年出版后，得到了业内人士的好评，特别是受到了青年科技人员和学生的欢迎，并获得了海洋科学优秀图书奖。

然而我们发现书中还存在诸多的疏漏之处，对此我们深感不安，通过这次再版来修订错误或弥补漏洞。同时根据多方的反馈意见，新修订版增加了两部分内容：孔凡圣博士完善了地壳和地幔各向异性的成因机制（9.4.2节），撰写了分层各向异性深度探测方法（9.6 节）；于志腾博士撰写了微震定位和应用（9.8 节）。

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本书是笔者和课题组的同事、学生及外单位合作者多年工作的阶段性总结，欢迎读者联系我们，反馈宝贵意见或其他有关事项。本书作者的单位原称为“国家海洋局第二海洋研究所”，现已改名为“自然资源部第二海洋研究所”，特此说明。

阮爱国

E-mail: ruanag@sio.org.cn

2020 年8 月8 日

本文摘编自《海底地震勘测理论与应用》（阮爱国等编著. 2 版. 北京：科学出版社，2020.11）一书“再版说明”，有删减，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-066995-7

责任编辑：孟美岑陈姣姣

本书对多年实践积累的海底地震（OBS）勘测相关技术进行了总结，对教科书中的一些相关的地震波基础理论作了解释性推导。全书共分9 章，介绍了海洋地壳的特点、弹性本构关系和弹性波基本解与广义反射透射理论、地震波传播和分界面上的反射及透射、OBS 基本结构和信号特点、OBS海上作业实用技术和数据处理技术、2-D 和3-D 反演建模方法、横波和多次波的应用、天然地震的OBS 接收函数和各向异性反演方法等。在主要章节中以OBS 技术应用的大量实例，展示了在南海、西南印度洋中脊等地取得的研究成果。

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人们关于地球内部结构的认识主要来自地震观测，其他方法起辅助和佐证作用。因为地球是一个半径达6370 km 左右的巨型实体球，人根本无法进入。地球从外向里，分为地表、地壳、地幔、地核，每一层还可做更精细的划分，如地幔中的软流层。这些知识主要是根据地震波传播的一些现象和规律获得的，而其他方法难以达到地球内部的深处。例如，钻探方法，最深也只有10 km 左右，连地球的表皮都钻不透（地壳平均厚35 km）。地震波在地球内部的传播，可以为地表观测站带来其内部各种分层界面和内部弹性结构（主要由速度来表达）的信息，称为震相。通过分析、计算各种震相的传播路径、旅行时间及波动振幅的衰减可以反推地球的内部结构和物质变化。

然而，地球是一个复杂的系统，只知道一个平均的地球结构还不能满足人们的好奇心和各种科学研究的需求。要想知道某一区域更详细的结构，就需要做更细致的观测和研究，用地震方法给地球做CT 就是这个目的。就像现代化的医院一样，用医学CT 或核磁共振仪产生射线，对人体进行扫描，获得影像，从而确定身体某个部位是否有异常。利用地震射线做CT，又称为地震层析成像，既可利用地球本身不断发生的天然地震，也可用人工方法产生地震波（核爆、炸药、机械振动），后者因为能量有限，价格昂贵，更适用于一个小区域或工程场地的层析成像。

不巧的是，地球表面的三分之二是海洋，而地震观测台站主要分布在陆地和零星的海岛，所以如何对海洋下面的地球深部结构做CT 是个难题，特别是要克服上覆几百米至几千米的海水层造成的障碍。目前有两个办法：一是利用陆地台站观测到的经过海洋区域的地震波，特别是长波长的面波震相，但分辨率较差；二是在想了解其细致深部结构的海区，临时布设地震台进行观测。就后者而言，需解决的问题有：什么样的地震观测仪适用于海洋？使用什么样的震源？如何布设和回收地震仪？为此，已经想出了各种办法，其中的“海底地震仪”是目前研究海底深部构造最常用的工具。

海底地震仪（ocean bottom seismometer，OBS）是将检波器直接放置在海底的一种地震观测系统，既可用于天然地震的观测（宽频带OBS），也可用于人工源地震探测（宽频带和短周期OBS 均可）。

与传统的船载拖曳式多道地震系统相比，其主要特点包括：一是直接与海底接触，所以除了可以记录P 波以外，还可以记录S 波（对于人工源，震源仍在水面上，所以S 波均为地层内部的转换波）；二是OBS 除了用于小偏移距的反射地震调查外，主要用于大偏移距的广角反射/折射调查和天然地震观测，用于探测地壳深部和地幔结构；三是观测环境噪声低、精度高、信号分辨率高。

OBS 人工源的做法是：首先，将一定数量的OBS按一定间距沿测线（2-D）和台阵（3-D）进行投放。其次，沿测线以气枪为震源进行炸测。向下传播的地震波通过海底面、沉积层、地壳各分层和莫霍面及地幔内部的反射和折射后，再向上传播被各个OBS 记录；对回收的OBS 原始记录进行各种校正，如OBS位置、炮点坐标、时间漂移、滤波等。最后，根据地震学理论，用射线追踪的正、反演技术，获得海洋下面的深部地壳和地幔速度结构。对单一测线获得2-D 结构，对台阵则获得3-D 结构。天然地震观测不需要专门的地震船和气枪，只是将一定数量的OBS 投放到预定的海底坐标点位，观测一定时间（越长越好），记录海底本身的微震和发生在全球各地的大震。对经过滤波等处理后的记录，根据地震学理论，用各种方法研究OBS下方的地壳、岩石圈或更深的地幔和地核的速度结构。常用的有微震的定位和投影、远震接收函数反演、S 波各向异性反演、噪声反演等。

▲ 自动反演方法过程

（a）初始模型；（b）参数化模型；（c）最终模型。纵轴放大倍数V.E.=5

我国的OBS 工作已经历了一个较长的发展过程。早先，我国内地只有中国科学院南海海洋研究所、中国科学院海洋研究所曾开展过OBS 工作，但都是通过参与国际合作项目或与台湾地区合作，没有实际操作OBS 的经历。中国科学院地质与地球物理研究所从20 世纪90 年代开始研制OBS，并在南海东沙等地率先开展了人工源试验，设备最终获得成功并定型于2010 年前后，为我国OBS 的发展起到了重要的支撑作用。

笔者于2006年率国家海洋局第二海洋研究所（现自然资源部第二海洋研究所）海底地震与深部构造课题组和中国科学院南海海洋研究所丘学林研究员的课题组合作，在中国南海大陆架工作中，引进德国GeoPro 公司研发的15 套短周期OBS，在南海北部陆缘完成了三条总长约1200 km 的长距离广角地震剖面，这是我国首次自主完成的正式的OBS 探查项目。随后，在国家973 项目和国家自然科学基金项目的支持下，国家海洋局第二海洋研究所（现自然资源部第二海洋研究所）与中国科学院地质地球物理研究所和南海海洋研究所合作，在南海北部边缘、南沙海域、中央海盆和礼乐滩等地完成了多条广角地震剖面和3-D 地震探测台阵。2010 年国家海洋局第二海洋研究所（现自然资源部第二海洋研究所）牵头，与中国科学院南海海洋研究所、北京大学和法国巴黎地球物理研究所（IPGP）合作，在我国首次发现热液喷口的超慢速西南印度洋中脊开展了深部结构3-D 层析成像调查，取得了丰硕成果。除了以上单位外，目前国内开展OBS 调查与研究的单位越来越多，如国家海洋局第一海洋研究所（现自然资源部第一海洋研究所）、中国科学院海洋研究所、中国地质调查局青岛海洋地质研究所、福建省地震局、同济大学、广州海洋地质调查局等，调查区域为中国南海、东海、台湾海峡、马尼拉海沟、马里亚纳海沟、西南印度洋中脊、南极普里兹湾和非洲莫桑比克海峡。特别是汪品先院士主持的国家自然科学基金委员会重大研究计划“南海深海过程演变”在南海开展了全方位的OBS 调查。

▲ 2010 年南海西南次海盆3-D 调查使用的国产I-4C 型宽频带OBS 装配完成后科考队员合影

多年的实践为我国的海底地震调查与科研工作积累了许多宝贵的经验，同时也发现了一些问题。特别是与其他海洋地球物理调查手段相比，海底地震调查还没有建立行业或专项标准，也没有一本较全面的教材可供借鉴或用于人员培训，大都是各行其是，在项目验收时没有具体的质量标准或技术指标或参数来对调查资料进行评定。另外，OBS在中国还是一项较新的技术，使用的单位日渐广泛，但也存在各种技术难题，导致设备损失严重，特别是近年在南海的工作。

《海底地震勘测理论与应用》（阮爱国等编著. 北京：科学出版社，2018.6）一书的编写就是基于上述考虑，将我们团队多年来积累的、被证明是比较好的OBS 相关技术进行总结，包括海上作业、数据处理和反演建模，与大家分享，同时也是抛砖引玉之作，以便得到业内专家的指导。从20 世纪80年代读大学算起，笔者从事地震科研工作已有30 多年，常需要查阅地震波和弹性理论教科书的某些具体原理、公式，往往感到十分麻烦，因为众多的专业书籍或是长篇大论，或是不作推导地引用，或是基础理论的重复（如弹性动力学方程的推导），想要得到一个简明解答而不可得。为此，本书根据笔者的亲身体验和对前人著作的学习笔记，对一些工作中经常遇到的公式进行了引用、解释和推导，以方便读者。

本书是笔者和课题组的同事、学生及外单位合作者多年工作的阶段性总结，书中的疏漏之处在所难免，诚心希望读者予以指教和批评。愿本书的读者和我们一起努力，为我国的海底地震和深部构造学科的发展做出更大的贡献。

阮爱国

2018 年1 月18 日