分体式宽频带海底地震仪的研制、测试和数据质量分析

刘丹, 杨挺,2,3*, 黎伯孟, 吴越楚, 王宜志, 黄信锋,杜浩然, 王建, 陈永顺

1 南方科技大学海洋科学与工程系, 广东深圳 518055 2 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广州 510301 3 上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站, 上海 201600

0 引言

天然地震观测台站在全球的分布是极度不均匀的：陆地台站十分密集，深海大洋几乎是空白, 这在很大程度上制约了地震学基础研究、灾害防御和海底资源探测，也被认为是地震学所面临的重大挑战之一(Lay, 2009; Kohler et al., 2020).

布设沉浮式宽频带海底地震仪(Ocean Bottom Seismograph，OBS)台阵是目前在深海大洋进行地震学研究最常用的方法，这样的科学实验相继在东太平洋海隆(The Melt Seismic Team, 1998)、马里亚纳海沟(Pozgay et al., 2009)、夏威夷(Wolfe et al., 2011)、Lau 盆地(Wei et al., 2017)、卡斯卡迪亚俯冲带(Toomey et al., 2014)、法属留尼旺(Stähler et al., 2016)、太平洋中部(Lin et al., 2016)、大西洋中脊(Rychert et al., 2017)和阿拉斯加俯冲带(Becel et al., 2017)等海底关键构造单元上实施，是理解海洋岩石圈演化、地球内部结构和动力学过程最重要的手段.我国学者也分别在南海(刘晨光等, 2014；Le et al., 2018; Hung et al, 2019, 2021; Tian et al., 2021)、西南印度洋中脊(Li et al., 2015；Yu et al., 2018)、马里亚纳海沟(Zhu et al., 2019；Wan et al., 2017)、雅浦海沟(郑宏等，2020)、莫可兰海沟和苏拉威西海等多个海区开展宽频带OBS台阵观测实验.而且，在最近立项的多个重大科学计划中，如，“东南亚环形俯冲”和“西太多圈层”研究计划，以及酝酿中的印度洋计划，基于天然地震学的海底深部结构探测都是其中不可或缺的内容.

这样的观测方式对于设备提出了很高要求：OBS下沉后要与海底有良好的耦合，各部件在深海环境下需要长时间稳定工作，减小各种噪声的影响，以及可靠的回收系统等.而目前宽频带OBS在上述各个环节都面临或大或小的技术挑战，导致被动源海底地震数据普遍质量不高，这已成为制约海底地震学各项研究的最大障碍.我国海洋地球物理界发展更是迫切需要研发更高性能、能接收高质量数据的观测设备.本文介绍了我们自主研发的分体式宽频带OBS的设计特点、测试状况及其性能分析，以及其数据质量应用于地震学常规方法的效果分析，以期为我国的海洋地球物理领域提供高性能的国产仪器设备.

1 国内外OBS设备研制现状

国际上，绝大部分宽频带OBS都是由研究机构自主研发.全球只有欧洲少数几家商业公司(如，Guralp)提供相关设备，但性能并不理想(刘晨光等, 2014).相反，研究机构自主研制的非商业型OBS却表现优异.以美国为例，2006年前后，美国国家科学基金会(National Science Foundation, NSF)分别资助了WHOI, Scripps 和LDEO三家海洋研究所来独立研发宽频带OBS，各研制单位相互独立，又借鉴合作，三家的OBS性能都有很大程度提高.在Cascadia五年计划中，仪器的回收率接近100%，数据质量也有提升，刚刚完成的ORCA实验，仪器回收率也是100%.最近，美国NSF为了节省开支，又将OBS的研发工作整合集中由WHOI一家来进行(OBS Instrument Center,OBSIC)，应该是技术成熟后的自然选择.但是，与陆地地震仪相比，这些仪器还依然存在高噪声、时钟精度低，数据质量尤其是水平分量的数据质量不高等问题.

中国的海底天然地震观测在仪器设备方面面临着更大困境.因缺少商业产品和其他原因，中国的OBS仪器设备只能依靠自主研发.中国科学院地质与地球物理研究所在OBS研发上进行了开创性工作(如，游庆瑜等，2003; 阮爱国等，2010；郝天珧和游庆瑜，2011)，其研制的I-4C和I-7C型 OBS为我国的主动源和被动源海底地震观测都做出了重要贡献.这种仪器是一个紧凑的单球系统，地震计、数采、电池等主要组件都置于一个耐压球内.这一结构具有诸多优点：体积小、易操控、布放简单、成本低等，非常适合接收人工震源信号的主动源地震学实验.但是对于需要在海底长期布放的、以接收宽频带天然地震信号为目的的被动源地震学研究，这种紧凑型OBS有着很多的不足, 例如，数据频带有限、信噪比较低以及回收系统不稳定等.

国际上宽频带OBS一般都采用分体式的结构，成功的被动源OBS观测计划，如NoMelt, Cascadia Array, PI-LAB，ORCA等，也都是应用这种类型的仪器.所谓分体式结构是指OBS在海底布放后，地震计与仪器主体之间没有机械耦合，只是通过柔性的线缆相连；地震计置于一个相对独立的压力仓内，布放时随整个仪器下沉触底并稳定，才与仪器主体分离和解耦.对于海底天然地震长期观测而言，这种分体式结构具有诸多优势：

(1)可以实现更好海底耦合，减小底流影响.仪器主体因为体积较大，在底流影响下会产生摇摆噪声(tilt noise)，独立的地震计压力仓更容易陷入沉积物中，受到这种噪声的影响较小.

(2)可以使用真正的宽频带地震计.分体式OBS可以采用力平衡反馈式、精密差分电容信号检测的宽频带地震计(常规低频至120 s, 可以低至240 s，甚至360 s)，这种地震计体积较大，紧凑型OBS的有限空间决定了它只能使用电化学地震计，或者其他类型的动圈式地震检波器，不应用扩频技术，无法超越2 s的低频限制，而扩频会降低灵敏度.

(3)可以使用机械式的万向调平系统，实现地震计精准调平.沉浮式OBS需要万向轴来实现调平过程，独立的压力仓不但提供了精密万向轴所需的空间，可实现更大倾斜角度调平，也可以保证其调平不受其他部件的干扰.

(4)减小仪器触底的冲击和影响.分体式OBS在触底时，地震计依然悬在仪器主体上，待主体稳定后，才释放地震计.这样可以减小下沉冲击的影响，实现更好的耦合和调平.

(5)仪器主体拥有更大空间，可以配置更大容量电池、设计更可靠的回收系统.

需要指出，海洋地震观测台站的缺失激发了很多海底地震观测新技术，例如利用海底光纤的超稳激光干涉(Marra et al., 2018)、分布式声学传感(Distributed Acoustic Sensor，DAS)(Lindsey et al., 2019)和偏振监测(Zhan et al., 2021)等.但是，这些新方法目前只能“探测”到地震的发生，不能拾取特定震相的准确到时，也不能获得与震源物理过程相关的波形信息，至少在目前还无法应用于大部分地震学的基础研究.另一种观测方式是浮潜式地震仪(也叫做“Mermaid”)(如，Hello et al., 2011; Sukhovich et al., 2015)，但它只能记录海水中P波，不能记录S波，地震学的多种常规应用都无法实施.而且，还存在高噪声和位置误差等不足.总之，这些新的观测方式可以作为常规海底地震观测的一个补充，但无法取代三分量宽频带OBS.

2 磐鲲的特点及在南海的测试

为了研制分体式宽频带OBS，南方科技大学于2016年建立了OBS实验室，在四年内研发了逐步改进的四代OBS(图1).目前，这一仪器(命名为“磐鲲”)已基本成熟，规模量产超过30台，其各项指标，包括地震计频带宽度、功耗水平、布放时长、工作水深等，都达到了国际同类仪器的相当水平(表1).

表1 磐鲲与国际上主流宽频带海底地震仪技术参数对比Table 1 Comparison of technical parameters between Pankun and international mainstream broadband OBSs

该分体式OBS具有以下特点：

(1)分体式、抗底流的结构.磐鲲采用宽频带OBS的分体式结构：在海底工作时，地震计与OBS主体完全解耦，从而降低底流作用下的摇摆噪声的水平.而且，地震计单元设计成被玻璃微珠浮力材料所包围，加上塑料盖罩进一步消除了底流对地震计的影响(图2a).

图2 OBS磐鲲及其在南海测试(a) 磐鲲的内部结构; (b) 磐鲲的布放； (c) 磐鲲的回收； (d) 磐鲲在南海西北次海盆的测试位置.Fig.2 Pankun OBS and its test in the SCS(a) The internal structure of Pankun; (b) Deploying a Pankun; (c) Recovering a Pankun; (d) Test sites of Pankun OBSs in the northwest sub-basin of the SCS.

(2)地震计自动分离装置.磐鲲可以在投放后的可调时间(可根据海水深度设置，如5 h)内将地震计单元与OBS主体自动分离和解耦，无需等待仪器下沉触底后，再从海面发出分离指令，相比于传统的分体式OBS，这一方案可以有效节省仪器布放时的船时.

(3)采用了宽频带地震计.磐鲲的地震计是Nanometric的Trillium compact 120 s，这是一款陆地临时台阵和宽频带OBS中广泛使用的宽频带地震计(Ringler and Hutt，2010)，其频带宽度能满足绝大部分地震学应用，而且，功耗极低.

(4)高精度、低功耗的数采系统.为了保证磐鲲在海底长期稳定工作，OBS实验室自主研发了精度为32位，功耗小于180 mW的数采系统，整个OBS的总功耗小于400 mW，经配备一次性高能量密度锂亚硫酰氯电池，可以保证磐鲲在海底运行超过15个月.

在磐鲲的研制过程中，至今已进行了10多次的近远海的测试.2019年10月，6台第三代磐鲲布放在南海西北海盆的深水区(水深4000 m左右，图2d)，其中2台(图2d黄色圆形)在同一个航次约一周后就回收了，均记录了有效数据；其余4台在海底布放了7个月后，于2020年5月全部回收.这4台磐鲲，3台(图2d黑色三角形)记录了有效数据，另1台(图2d黑色方形)因为地震计压力仓内一根细缆压在了盖子与仓壁之间，在海底高压作用下被压断，致使这台磐鲲(K04)的数据没有记录.在第四代磐鲲中，压力仓内的接线方式已做了改进，这种状况将不会发生.因此，以下的数据质量分析主要是基于3台磐鲲接收的7个月的连续海底地震观测数据.

在仪器的功耗方面，尽管磐鲲在海底测试只有7个月，但仪器回收后，在实验室进行的长期放电测试表明，其剩余电量还可以保证整个系统工作约9个月，据此判断磐鲲在海底可以连续工作15个月以上.

3 性能分析

3.1 地震计的水平方位的确定

确定沉浮式OBS的地震计在海底的实际方位是一个技术挑战.电子罗盘因受地磁场复杂性及仪器自身部件的影响很难得到准确方位，所以一般需要在仪器回收后利用地震信号来完成这一工作.最可靠的方法是利用低频瑞雷面波质点运动的偏振特性(如，Stachnik et al., 2012; 刘晨光等, 2014)：因为瑞雷波的径向与垂直分量存在90°相位差，其垂直分量的希尔伯特变换与径向分量存在线性关系，通过判断它们之间相关性可以确定地震方位角和仪器水平方位的差别，结合多个地震面波的统计分析来确定仪器的水平方位；同时，这也是检验仪器稳定性和数据质量的一个手段.

在这一工作中，磐鲲记录到的信噪比大于5.0的众多地震瑞雷波被用来确定其水平分量的方位角(详见表2).图3a所示为OBS接收到的瑞雷波相关系数随方位角变化的统计图，其中，横坐标为相关系数，纵坐标为方位角，每个点代表来自一个地震的瑞雷波.可以看到，在相关系数值较小时，各地震确定的方位角呈分散排布，随着相关系数的增大，方位角逐渐呈现一致性.图3b为通过统计方法确定的水平方位角结果以及其误差范围.

图3 利用瑞雷波确定磐鲲K02在海底的水平方位(a) 每个瑞雷波(黑点)垂直分量与径向分量的希尔伯特变换的相关性与水平方位的关系；(b) 由相关系数大于0.9的瑞雷波所确定的地震计北分量的方位角及其误差.Fig.3 Determining the horizontal orientation of OBS K02 at the seafloor with Rayleigh waves(a) Horizontal orientations as a function of the correlation of the Hilbert transform of the vertical component and the radial component for each Rayleigh wave (black dot); (b) The orientation of the north component and its error determined by the Rayleigh waves whose correlation coefficients are greater than 0.9.

表2给出了三台磐鲲的水平方位估计的各个参数，可以看出，与我们前期在南海进行的另一次实验所使用的Guralp OBS相比(刘晨光等, 2014)，这三台磐鲲的水平方位角估计结果都更为集中，误差也更小.这主要是因为磐鲲的地震计频带更宽，低频的瑞雷波的质量更高，可使用的地震事件也更多，因此结果更为准确.

表2 利用瑞雷面波确定三台磐鲲在海底的水平方位及其误差Table 2 Pankun′s horizontal orientations at seafloor and errors determined by Rayleigh waves

3.2 地震计的调平精度

地震计的调平系统是影响宽频带OBS数据质量的一个关键部件.地震计与仪器主体分离后，需要先将其调平，再锁紧以提高耦合，由于地震计压力仓在海底软泥内的不均匀沉降，以及可能的底流影响，会导致调平锁紧后的地震计再次微微倾斜，影响数据质量.为解决这一问题，磐鲲与多数的国际宽频带OBS一样，会定期(如1个月)进行调平架的解锁和重新调平.

若地震计倾斜，其水平分量的能量会“泄漏”到垂直分量，致使水平和垂直分量的信号之间存在相关性.基于这一原理，Crawford和Webb(2000)和Bell 等(2015)发展了一套利用三分量记录来确定地震计倾斜方向和角度、并消除垂直分量上倾斜噪声的方法.通过分析每天的地震数据，可以确定地震计倾斜的时变特征(图4).我们使用Bell等(2015)的方法，由三分量地震记录求得一个转换函数来描述其倾斜特征，并由此来确定OBS地震计的倾斜方位和角度.

图4给出了三台磐鲲地震计在海底的倾斜角度随时间的变化，可以看出，K02和K03在布设初期地震计存在着明显的倾斜角度且存在变化，可能反映了地震计在海底软质沉积层中的不均匀沉降；但在随后的绝大部分时间内倾斜角都稳定在1°左右，处于地震计正常允许的倾斜角度范围之内(一般为2.5°).另一仪器(K08)似乎一直存在明显的倾斜(图4c)，但是，它的水平和垂直分量的能量相关系数一直非常小(小于0.4)，这实际上表明K08的地震计没有倾斜(Bell et al., 2015).

图4 台站K02(a)、K03(b)和K08(c)地震计倾斜的时变特征其中上下图分别为倾斜角度、以及垂直和水平分量的能量相关性随时间的变化.Fig.4 Time-varying characteristics of seismometer tilt at OBSs K02 (a), K03 (b) and K08 (c)The upper and lower panels show the tilt angle and the energy coherence between the vertical and horizontal components,respectively, as a function of Julian day.

这三台OBS的地震计倾斜角度比前期南海实验中的OBS要小得多(Hung et al., 2019), 它们的数据无需进行倾斜校正.这应该与磐鲲的抗底流的结构有关，因为它屏蔽了底流的直接作用(图 2a)，消除了底流引起的地震计倾斜；在沉积物中的不均匀沉降所导致的倾斜则由定时进行的再调平机制消除了，这一结果说明磐鲲的调平装置性能优良.

3.3 磐鲲的时钟精度

因海底没有GPS信号，OBS不能像陆地仪器那样定时获取高精度时间校正，只能依靠其内部时钟.在解决原子钟芯片高功耗问题之前，OBS所使用的普通晶振时钟芯片不可避免存在钟漂.不同类型的时钟芯片的钟漂程度有差异，磐鲲所使用的时钟芯片(Temperature Compensate X′tal(crystal) Oscillator，TCXO)经实验室测试每日钟漂小于5 ms，一般呈现出可校正的线性特征.但在海底，因温度变化等因素，其实际钟漂可能会更复杂.

图5 利用地震到时分析磐鲲的钟漂(a) 各OBS相对于琼中台(QIZ)的相对到时时差随时间的变化； (b) 选取的8个地震及台站位置；(c) 4个地震在各OBS和QIZ的波形及P波初至(短虚线)和预测到时(短实线).Fig.5 Pankun′s clock drifts inferred from the first arrivals of earthquake signals(a) The relative time difference，compared to Qiongzhong Station (QIZ)，as a function of time for each OBS; (b) 8 selected earthquakes and station locations; (c) Waveforms of first arrivals with the picked (short dashed line) and predicted (short solid line) arrivals at 3 OBSs and QIZ for four selected events.

图6 磐鲲OBS在南海记录的不同震级和震中距的地震分布及其三分量波形实例地震波形为原始波形或者经宽频带滤波器(10～100 s)滤波，每个波形中的两个短虚线分别表示P波和S波的预测到时.E1和E4为台阵布设早期地震，故包括短期布放的K06和K07的数据.Fig.6 Selected earthquakes with different magnitudes and epicentral distances and their three-component waveforms recorded by Pankun OBSs in the SCSThe seismic waveforms are the original ones or filtered by a broadband filter (10～100 s). Two short dashed lines in each waveform mark predicted P and S arrivals, respectively. E1 and E4 are events that occurred in the early stage of the deployment. Waveforms at OBSs K06 and K07 are thus also shown.

图7 磐鲲记录的两个地震的三分量地震波形与邻近陆地台站的比较左上图分别给出了地震震中(圆圈)、陆地台站(黑色三角)和OBS(灰色三角)的位置；三个分量(Z，X，Y)的对比图中，灰色波形为陆地台站记录，黑色波形为三台OBS的记录，虚线分别表示了P波和S波的预测到时.Fig.7 Comparison of three-component seismic waveforms of two earthquakes recorded by Pankuns and adjacent land stationsThe upper-left panel shows the locations of the epicenter of earthquake (circle), land stations (black triangles), and OBSs (gray triangles); In the panels of the three components (Z, X, Y), the gray waveforms are from land stations, black from Pankuns, and the predicted P and S arrivals are marked by dashed lines.

图8 磐鲲OBS与其他台站的背景噪声比较(a) 磐鲲OBS(K08)与附近陆地台(QIZ)、海岛台(JOHN)及太平洋OBS 台站(G36D)的位置； (b, c, d) 三分量背景噪声PDF中位数对比.黑色虚线是Peterson(1993)新高噪声模型(NHNM)和新低噪声模型 (NLNM).Fig.8 Comparison of ambient noise between Pankun OBS and other stations(a) Locations of the Pankun OBS (K08) and land station (QIZ), island station (JOHN) and Pacific OBS (G36D) position; (b—d) Comparisons of three-component ambient noise PDFs (median). Black dashed lines are the New High Noise Model (NHNM) and the New Low Noise Model (NLNM) (Peterson, 1993).

图9 磐鲲K02记录到的一个地震瑞雷面波的频散特征(a) 原始垂直分量记录以及经不同窄带滤波后的波形，其中心周期显示在波形之上； (b) 基于频率-时间分析的群速度频散曲线.Fig.9 Dispersion characteristics of a Rayleigh wave recorded by Pankun K02(a) The original vertical component of the Rayleigh wave and the waveforms filtered by different narrow bands, whose center periods are given by the numbers in the right; (b) The group velocity dispersion curve based on the Frequency Time Analysis.

为了评估磐鲲OBS的钟漂，我们利用其接收的大量高质量地震信号进行了如下分析.选择同一方位角、震中距差别不大的8个不同时间发生的地震，滤波至0.05～0.1 Hz，拾取每个OBS台站P波初至的相对时差(Tpick-Tpred)(图5)，其中，Tpick和Tpred分别为拾取的初至到时和基于标准地球模型IASP91的预测到时；分析这一时差相对于附近的陆地台站(QIZ，琼中台)之间的、在OBS布放时间内的变化特征，可以初步判断每个OBS台站的钟漂幅度.如图5a所示，在理想状况下(假定QIZ没有钟漂，且地下结构的影响可以完全排除)，如果没有钟漂，图5a中表示三个OBS的三条曲线应是水平的.而实际上，这三条曲线都有一定起伏，在整个OBS布放期间，K08的钟漂变化很小(<0.5 s)，K02的变化幅度也小于1.0 s，而K03则稍大(<1.8 s).

需要指出，这只是一种粗略的钟漂估计方法，因为每个地震的反方位角和震中距并非完全一致，结构的影响尽管很小，却不能完全消除，拾取的到时也有误差；而且QIZ自身也可能存在钟漂.尽管如此，这样的估计说明，这三台磐鲲的时钟精度要远高于前期我们使用的Guralp OBS(Le et al., 2018).

4 磐鲲的数据质量评估

4.1 地震波形质量

磐鲲在7个月的海底布放时间内记录了大量的地震信号，通过基本处理(带通滤波和信噪比分析)，我们对所记录的地震波形进行了分类和挑选.图6给出了不同震级和震中距的地震震中分布以及典型地震的三分量的波形实例.可以看出，磐鲲记录的地震数据质量较好，对于在地震目录中出现的地震事件，主要震相在原始记录上或经简单宽带滤波(10～100 s)就能清楚分辨且可准确拾取到时，可以应用于绝大部分地震学应用.

一般来说，沉浮式OBS的地震计由于难以实现与海底地层的有效耦合，在底流作用下，水平分量的数据质量较垂直分量要差很多.但是，这次实验磐鲲所接收的三分量波形记录显示，尽管存在长周期的背景噪声，水平分量经简单滤波处理后，主要震相可以清楚识别，其质量可以应用于接收函数和横波分裂等三分量的地震学应用.

为了进一步分析地震数据的质量，我们将OBS的数据与邻近陆地台站的数据做了直接比较，图7所示为磐鲲记录到的两个地震的波形与陆地台站记录的比较，可以看出，它们的质量相当，水平分量受长周期的噪声影响，稍微差一点，但通过简单滤波，与陆地台站基本一致.

4.2 磐鲲的背景噪声水平

除了地震信号外，OBS记录中还包含由很多因素(如洋流、台风、潮汐和长周期重力波等)引起的背景噪声信号，其水平的高低无疑会影响地震数据的质量，同时又反映了OBS在噪声源强度相当时压制这些噪声的性能好坏.功率谱密度(Power Spectral Density，PSD)常用来定量描述地震台站记录到的噪声水平，我们应用McNamara和Buland(2004)的概率密度函数(Probability Density Function，PDF)方法来分析磐鲲(以K08为例，水深3780 m)的背景噪声的PSD，并提取中位值(median)代表其整体噪声水平.此外，为了进行比较，其他有代表性的几个地震台站，包括陆地台站(QIZ)、海岛台站(JOHN)以及另一太平洋OBS(G36D，水深3779.6 m)也应用相同方法做了背景噪声分析(图8).其中，QIZ和JOHN都使用的与磐鲲同时期的数据，G36D使用的是其布设期间一整年的数据.

由图8可知，陆地台站(如QIZ)拥有OBS无法媲美的极低噪声水平，这也是目前国际上主流沉浮式OBS都面临的问题，整体上磐鲲OBS的噪声水平与太平洋OBS及海岛台站相当，但在低频段(>10 s)水平分量噪声比太平洋台站(G36D)低5～10 dB，垂直分量噪声水平甚至略低于海岛台(JOHN)，这可能是因为磐鲲OBS通过其分体式结构，以及抗底流的外形设计将底流对于地震计的影响屏蔽了，提高了其低频部分的信噪比.

4.3 宽频带面波的频散特征

地震面波，尤其是低频面波的数据质量对于洋壳和海洋岩石圈的探测至关重要.与陆地台阵不同，海底OBS台站一般很稀疏，而面波横跨海盆传播，利用它们在宽频带内的频散特征，是获得洋壳和岩石圈，甚至上地幔等不同深度的速度结构信息的重要手段.

因为磐鲲使用的地震计为宽频带地震计，其低频端可至120 s，理应能够得到低频信号的群速度和相速度，但海底因海水运动的低频噪声源很多，会干扰低频地震信号.为了检验磐鲲接收的地震面波宽频带范围内的频散特征，我们对部分地震进行了群速度的频率-时间分析(Frequency Time Analysis).如图9所示，这一地震原始波形经窄带滤波后的瑞雷波在15 s到125 s呈现出明显的频散现象.与前期的Grualp OBS相比，因其地震计频带宽度经扩频到60 s，在65 s左右，其频散曲线快速下坠(刘晨光等, 2014).而磐鲲的宽频带记录使得我们可以获得周期为120 s甚至之后的瑞雷波的群速度(图9)，这一宽频范围内，其群速度及相速度能够用于岩石圈到上地幔约300 km深度范围内的速度结构成像.

此外，因为OBS台站相对稀疏，体波在海洋岩石圈结构成像中分辨率受到很大制约，但是，如果OBS记录到宽频带地震信号，可以利用低频体波的宽大敏感核，通过体波的有限频层析成像方法来反演海洋岩石圈和深部地幔结构(如，Yang et al., 2006, 2009).磐鲲的高质量低频体波记录在这一方面也是有优势的.

5 结论与展望

磐鲲是南方科技大学自主研发的一种接收宽频带海底天然地震信号的设备，除了采用国际宽频带OBS通用的分体式结构以外，磐鲲还具有独特的抗底流设计：在海底记录数据时，地震计被环状浮力材料和塑料盖罩所屏蔽，基本消除了底流对地震计的直接影响；使用一种可靠的装置在仪器触底后自动分离地震计单元和仪器主体，可以节省常规分体式OBS在布放时所需的船时；此外，磐鲲配备了真正的宽频带地震计；而且自主研发的低功耗数采和控制系统保证其在海底工作时间可超过15个月.

磐鲲在南海深海海底长期布放的测试表明，与早期宽频带海底观测实验中的OBS相比，其性能在多个方面有了很大的提升，具体表现在：7个月深海布放回收率达到了100%，水平方位估计更为准确，地震计调平锁紧装置性能优异，其倾斜角度始终处于可忽略的范围之内；此外，磐鲲的时钟精度大大提高.在数据质量方面，对于在地震目录中所有地震事件，在原始记录上或经简单滤波就可以清楚分辨震相和拾取到时；磐鲲的噪声水平整体上与国外OBS相当，但在对于地震学应用非常重要的低频段优于国外OBS；磐鲲记录到宽频带地震信号(低频面波和体波)有利于进行深部岩石圈和上地幔的速度结构成像.

需要指出的是，海洋仪器的长期海底工作稳定性是其性能好坏最重要的指标，需经长期、大规模的测试才能真正得到验证，此次小规模的测试只是证明其基本性能达到了设计的要求，而其长期海底工作稳定性仍需进一步的实验来验证.在2021年底，我们已在西太平洋深海区进行了一次更大规模(22台第四代磐鲲)的被动源台阵布设(台阵命名为SUSTech Array)，预计观测时间将达1年左右.

即使采用了分体式和抗底流的结构，磐鲲OBS的背景噪声依然相对较高，难以与陆地台站相媲美，这也是当前国际上主流沉浮式OBS，以及整个海洋地震学领域所面临的共同挑战.因此，在未来发展方向上，我们拟尝试在以下几项宽频带OBS关键技术上开展研究：设计自埋装置将地震计在OBS下沉触底后，自动浅埋到海底沉积物中，以进一步改善地震计与海底耦合效果；为OBS增加交互功能，从而使OBS能反馈其海底工作状态；使用原子钟来使得OBS获得更高精度授时.这些技术的突破可以有效提高我国沉浮式宽频带OBS设备的性能，也将有利于未来建设海底基准地震台站和海底观测网上的地震观测节点.

致谢海底长期地震观测实验十分不易，感谢国家自然科学基金委设立的科考船船时共享计划，感谢中国科学院南海海洋研究所“实验二号”、广州海洋地质调查局“海洋四号”和“海洋六号”的全体船员在磐鲲多次的南海测试中给予的帮助.感谢美国地震学研究联合会(Incorporated Research Institutions for Seismology, IRIS)提供的国际地震数据.