Time problems of recorded data in artificial source ocean bottom seismometer exploration and cause analyses
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摘要: 简要概括了国产主动源海底地震仪（OBS）数据处理中常见的时间异常现象，以OBS2020-1测线的实际处理为主并结合了OBS处理中对数据异常校正取得的部分进展为实例，通过检查数据记录格式、计算相邻数据文件间的时间差、对比不同处理方法所得剖面、分析初始时间和采样时间是否异常、使用数据重采样等手段，对OBS时间异常问题进行了分类处理和校正。分析显示，国产OBS在数据记录中普遍存在的时间问题大部分均能解决，通过本文提供的方法可以避免处理不当所导致的OBS地震剖面出现同相轴“断阶”、“倾斜”，甚至“缺失”等现象，确保了有效震相的完整性，有效解决了OBS数据时间异常问题，提高了数据的质量和利用率，为后续开展走时层析成像奠定了良好的基础，并为今后主动源OBS数据处理流程和方法提供了借鉴。
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关键词:
- 海底地震仪（OBS） /
- 时间异常 /
- 震相 /
- 采样间隔 /
- 数据处理
Abstract: Artificial source seismic exploration based on ocean bottom seismometer （OBS） is one of the most effective methods to study the structure of crust and mantle, the seismogenic structure and the submarine mineral resources. In modeling velocity structure, the precise time measurements of recorded data by OBS are the key to ensure the reliability of velocity structure. However, in practical work, OBS placed at the seafloor directly, which is unable to acquire accurate time with the satellite navigation system in time, leads to time error of the recorded data, and its oscillation frequency of the quartz is easily affected by temperature, pressure, instrument properties, etc. Therefore, it is necessary to analyze the reasons of clock errors in the process of data processing to obtain the exact time. The common time errors in Chinese artificial source OBSs data processing were briefly summarized in this study, focusing on the processing of profile OBS2020-1 and combining the other previous correction examples. OBS time problems were classified and corrected through checking the data record format, calculating the time error between the adjacent data files, comparing the difference of profiles obtained by different processing methods, analyzing whether the initial time and sampling time are abnormal, using resample and other methods. The analysis shows that most of the time errors commonly existing in the data records of Chinese OBS can be solved, and the method provided in this paper can avoid “stair” , “incline” , even “missing” of the events in OBS seismic profiles caused by improper handling. It ensures the integrity of the effective seismic phase, and effectively solves the problem of time error of OBS data to improve the quality and utilization of data. This study establishes a good foundation for traveltime tomography, and provides a reference for the processing process and methods of artificial source OBS in the future.-
Keywords:
- ocean bottom seismometer （OBS） /
- time error /
- seismic phase /
- sampling interval /
- data processing
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引言
北京时间2022年6月10日凌晨，我国四川省阿坝州马尔康市先后发生多次地震，其中，0时3分24秒发生MS5.8地震（震中位置：32.27°N，101.819°E；震源深度10 km），随后在1时28分34秒发生MS6.0地震（震中位置：32.25°N，101.819°E；震源深度13 km），此两次地震震中相距2.6 km。在3时27分0秒再次发生MS5.2地震（震中位置：32.24°N，101.849°E；震源深度15 km）。松岗断裂为距震中最近的断裂带。此三次MS＞5.0地震的震中位置基本重合，虽然先后发生，但是发生的时间间隔短、震源深度较浅，且震级差较小，故判定该系列地震属于震群型地震。除上述三次震级相似地震以外，截至6月10日4时，还观测到MS4.1和4.9地震各一次，MS3.4地震一次，MS2.9地震一次。三次MS＞5.0地震是这次震群型地震的主震，后四次地震为本次地震的余震事件。当前，我国获得强震动记录的震群型地震较少，比较典型的超过MS6.0的震群型地震主要有两次，均对当地造成了严重影响。分别为：1951年，中国台湾花莲附近海域一个月内发生四次MS＞7.0地震；1966年，河北邢台15天内发生五次M＞6.0地震。震群型地震中地震的发生间隔短，一旦发生破坏性地震将造成比主震型、孤立型地震更为严重的损失。探究震群型地震的特点，可为日后探索减轻此类地震破坏的措施作准备，因此，研究本次震群具有重要的意义。
本次地震震群中心距离成都市270 km左右，距马尔康市约55 km，距离震群中心最近的乡镇草登乡约6 km。震中5 km范围内，平均海拔在
3600 m以上，处于高原地带，震中20 km范围内居民较少，人口数量少于1万。由于灾区处于高山峡谷地带，地形条件复杂，当地岩体较为松散，地震后发生诸如崩塌、落石、滑坡等次生地质灾害较多，严重威胁着许多居民的生命财产安全（潘毅等，2023）。地震发生时，产生破坏的房屋建筑主要为未设防的石木结构农房，破坏类型主要为整体或局部倒塌、墙体破坏、梁柱破坏和屋盖破坏。除民房受损严重外，地震灾区的道路同样遭到了不同程度的破坏。截至2022年6月10日4时，震中附近强震动台站共获得了此事件中五次MS＞4.0地震的自由场加速度记录44组，其中，51MED，51MES和51HYS等三个台站均记录到了五次MS＞4.0地震的强震动。基于此，本文拟对MS＞4.0地震的地震动的幅值特征以及反应谱之间的相关性进行分析；对三次MS＞5.0地震的地震动的衰减特征进行研究，并对比不同震级地震动衰减的差异性；然后再对五次地震的反应谱、傅里叶谱的异同点进行剖析，以探究震群型地震每次地震间的联系与差异。
1. 宏观震害特点和强震动数据
2022年6月10日四川省马尔康市相继发生MS5.8，MS6.0，MS5.2地震后，中国地震局迅速组织四川省地震局开展震后应急处理工作，进行震后现场灾害调查，统计房屋建筑破坏情况，并应用仪器烈度、余震分布情况等确定了此次MS6.0震群型地震的烈度分布，依照 《 地震烈度图制图规范 》 （国家市场监督管理总局，中国国家标准化管理委员会，2019）编制完成了 《四川马尔康6.0级震群地震烈度图》 （中国地震局，2022），本次震群的等震线长轴呈西北方向，长轴走向与松岗断裂带走势一致。本次震群主要涉及区域包括马尔康市、阿坝县、红原县、壤塘县，最高烈度达到Ⅷ度，距离地震震中6 km的马尔康市草登乡震感最为强烈。
震中附近布设的强震动台站分布如图1所示，截至2022年6月10日4时，台站记录到本次震群事件的自由场加速度记录共44组，其中，MS5.8地震数据13组，MS4.1和MS4.4地震各3组，MS6.0地震17组，MS5.2地震8组。釆用0.1—25 Hz的巴特沃斯带通滤波（李文倩等，2019）对上述加速度记录进行处理并分析。
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图 1 5次地震的震中及其触发的强震动台站分布Figure 1. Map of the epicenters of the five earthquakes and the stations that triggered the strong vibration在此次震群事件中，距离震中100 km以内的强震动台站为51MED，51MES和51HYS，这些台站记录到了震群中每次地震的最大峰值加速度（peak ground acceleration，缩写为PGA）值，三个台站的三分量加速度时程曲线如图2所示。51MED台站距离MS6.0地震震中52.96 km，该台站记录到此次地震的东西、南北和垂直三分量的PGA分别为−42.88 cm/s2，56.19 cm/s2和44.48 cm/s2；东西、南北、垂直三分量的峰值速度（peak ground velocity，缩写为PGV）分别为−1.79 cm/s，−1.47 cm/s和−0.92 cm/s。可以看出，51MED台站观测到MS6.0地震的EW向和NS向的PGA差异较明显，NS向与EW向的PGA之比接近1.3；其PGV之比接近0.8。51MES台距离MS6.0地震震中75.1 km，台站观测到的东西、南北和垂直三分量的PGA分别为−32.83 cm/s2，38.85 cm/s2和−37.46 cm/s2；东西、南北、垂直三分量的PGV分别为0.83 cm/s，−0.67 cm/s和0.73 cm/s。可以看出，水平加速度NS向的PGA大于EW向，PGA之比接近1.2；PGV之比接近0.8。51HYS台距离MS6.0地震震中为78.54 km，东西、南北和垂直三分量的PGA分别为−36.65 cm/s2，−46.77 cm/s2，−18.25 cm/s2；东西、南北和垂直三分量的PGV分别为0.69 cm/s，−0.91 cm/s，−0.48 cm/s。可以看出，水平向加速度的NS向的PGA大于EW向，PGA之比近1.3；PGV之比也接近1.3。
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图 2 台站51MED （a），51MES （b）和51HYS （c）的三分量加速度时程Figure 2. The three-component acceleration time history of stations 51MED （a），51MES （b），and 51HYS （c）2. 持时与时频特征
2.1 持时特征
持时是一项重要的地震动特征，也是开展结构抗震设计与研究时必不可少的地震动三要素之一，以地震动显著持时（Significant持时）较为常用（任叶飞等，2014）。本文分别计算了51MED，51MES和51HYS等三个台站记录到的本次震群中5次地震的5%—75%和5%—95%能量持时，结果列于表1。在5%—75%能量持时，除MS4.1地震外，震中距最近的51MED台站记录的持时均明显短于另外两个台站，符合地震动持时随断层距增加而增长的规律（戴嘉伟等，2015）。
表 1 51MED，51MES和51HYS台站记录的能量持时Table 1. Energy duration recorded by stations 51MED，51MES and 51HYS地震 台站 5%—75%能量持时/s 5%—95%能量持时/s EW向 NS向 UD向 EW向 NS向 UD向 MS5.8 51MED 3.0 3.0 6.1 12.9 12.2 14.2 51MES 7.2 6.7 12.4 12.4 12.5 18.6 51HYS 6.3 5.5 10.8 10.5 9.8 15.0 MS4.1 51MED 10.9 9.8 10.8 24.3 24.1 23.4 51MES 11.6 9.3 13.9 16.5 15.4 19.4 51HYS 10.9 10.6 11.5 16.4 14.9 16.4 MS4.4 51MED 5.4 5.2 8.8 11.3 11.5 13.7 51MES 11.7 8.4 12.3 15.7 12.2 15.8 51HYS 11.5 9.6 11.2 13.5 11.3 13.9 MS6.0 51MED 3.1 4.0 6.4 8.9 8.7 10.7 51MES 11.9 10.1 11.9 16.3 13.9 15.2 51HYS 7.9 7.1 10.8 10.9 10.0 14.4 MS5.2 51MED 8.4 7.9 8.6 14.4 13.5 13.8 51MES 11.7 12.1 16.2 16.2 16.2 21.3 51HYS 11.7 10.6 14.2 14.3 13.3 17.9 2.2 时频特征
在此次震群事件中，震中距最小的51MED台记录到了每次地震中最大的PGA，且在三次MS＞5.0地震中，51MED台NS向记录的PGA值均大于EW向，选取51MED台站NS向的加速度时程记录绘制了地震动的时频分布情况，如图3所示，能量集中情况列于表2。
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图 3 台站51MED记录的五次地震NS向地震动的时频分布Figure 3. The time-frequency distribution of north-south ground motions of five earthquakes in the earthquake swarm recorded at station 51MED表 2 五次地震的能量集中情况Table 2. The energy concentration of the five earthquakesMS 能量主要分布
频段/Hz能量主要分布
时段/s能量集中
频率点/HzMS 能量主要分布
频段/Hz能量主要分布
时段/s能量集中
频率点/Hz4.1 15—20 30—35 18 5.8 13—18 37—40 15 4.4 13—17 30—35 14 6.0 10—20 35—39 14 5.2 13—17 37—45 16 观察对比五次地震的时频分布可以看出，五次地震中的能量分布情况基本相似，且MS4.1，MS4.4，MS5.8，MS6.0地震的大部分能量均在2—3 s内释放。MS5.2地震能量分布较其它四次地震略有不同，能量的主要分布时段较长。通过上述时频分析，可以推测这一系列地震的震源机制相似（崔建文等，2016）。
3. 地震动衰减关系
3.1 峰值加速度衰减关系
不同地区地震动的衰减特征因场地条件、传播路径、震源机制等的不同会存在差异性（肖亮，俞言祥，2022），一条地震动衰减关系通常只适用于某一特定场合（俞言祥，汪素云，2006；雷建成等，2007；韩锡勤等，2010；俞言祥等，2013；俞言祥，2016）。本次震群事件发生在马尔康市，位于我国青藏高原东部，故本文采用俞言祥与五代图中的青藏地区长轴地震动衰减关系，衰减关系模型如下：
$$ {\lg}Y {\text{＝}} a {\text{＋}} bM {\text{＋}} c{\lg} ［ R + d\exp （ eM ） ］ {\text{＋}} \varepsilon \text{，} $$ (1) 式中:Y代表峰值加速度，单位为cm/s2；a，b，c，d，e为回归系数；M为面波震级；R为震中距，单位为km；$ \varepsilon $为标准差。将震群中3次MS＞5.0地震的PGA与衰减曲线对比，结果如图4所示。由图可以看出，3次MS＞5.0地震的PGA大部分高于衰减预测曲线，且分布于预测曲线的±1倍标准差范围内，仅有个别台站记录高于标准差范围，说明俞言祥（2016）提出的青藏地区长轴地震动衰减关系可以较好地预测马尔康地区地震的PGA衰减情况。
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图 4 PGA与青藏地区长轴衰减预测曲线对比Figure 4. Comparison between PGA and major axis attenuation prediction curves in the Qinghai-Xizang region3.2 谱加速度衰减关系
反应谱表征了地震动的特性以及结构响应，长久以来受到专家学者们的重视（霍俊荣，1989）。俞言祥（2016）通过补充部分强震动记录，得到了考虑震级饱和与近场饱和的衰减关系，对长周期反应谱衰减关系进行了修正，得到了当前国内应用最广泛的谱加速度（acceleration response spectrum ，缩写为SA）衰减关系。仍然选取青藏地区长轴的衰减关系，衰减关系模型如下：
$$ \lg {\mathrm{SA}} {\text{＝}} a {\text{＋}} bM {\text{＋}} c\lg ［ R {\text{＋}} d\exp （ eM ） ］ {\text{＋}} \varepsilon \text{，} $$ (2) 式中：SA代表谱加速度值，单位为cm/s2。
计算本次震群型地震中3次MS＞5.0地震的加速度时程得到水平双向谱加速度后，取几何平均数作为水平向谱加速度，选取不同周期（0.2 s，0.5 s，1.0 s）对应的水平向谱加速度与上述青藏地区长轴地震动衰减关系进行对比，如图5所示，观察不同周期点对应的水平向谱加速度SA与预测模型计算结果的差异。
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图 5 周期为0.2 s （a），0.5 s （b）和1.0 s （c）时谱加速度SA与西藏地区长轴地震动衰减关系对比Figure 5. Comparison of the relationship between the acceleration response spectrum value and the attenuation of major axis ground motion in Qinghai−Xizang region when the period is 0.2 s （a），0.5 s （b） and 1.0 s （c），respectively由图5可以看出：当周期T＝0.2 s时，三次MS＞5.0地震的反应谱值大都分布于预测曲线±1倍标准差区间内，少量台站记录的谱加速度值位于标准差区间之外；当T＝0.5 s和T＝1.0 s时，3次MS＞5.0地震的谱加速度值绝大多数都分布于衰减预测曲线和标准差范围，但位于标准差区间之外的谱加速度值的走势与衰减模型相近，仅有少量震中距在150—220 km范围内的台站谱加速度值位于±1倍标准差范围内。整体上看，当T＝0.2 s时，青藏地区长轴的衰减预测模型对于谱加速度的衰减预测情况较好，当T＝0.5 s和T＝1.0 s时，衰减预测模型一定程度上高估了本次震群型地震的谱加速度值。
3.3 峰值速度衰减关系
青藏地区长轴地震动参数衰减模型（俞言祥，2016）如下：
$$ \lg V {\text{＝}} a {\text{＋}} bM {\text{＋}} c\lg ［ R {\text{＋}} d\exp （ eM ） ］ {\text{＋}} \varepsilon \text{，} $$ (3) 式中， V表示将水平双向的峰值速度取几何平均数后的水平向速度，单位为cm/s。
将震中距230 km以内台站所记录的三次MS＞5.0地震的水平向平均峰值速度与速度衰减预测曲线进行对比，结果如图6所示，震中距在50—100 km内的台站记录计算得到的PGV均低于预测值，且在MS5.2和MS5.8地震中，均有两个台站的PGV值分布于标准差区域之外。对于震中距处于100—230 km的台站， 三次地震的PGV值较为均匀地分布在预测曲线两侧，说明采用的青藏地区长轴衰减关系对马尔康系列地震的PGV预测效果较好。
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图 6 三次MS＞5.0地震的水平向峰值速度与青藏区长轴衰减关系对比Figure 6. Comparison of the relationship between peak velocity and attenuation in horizontal directions for three earthquakes above MS5.04. 谱值特征分析与讨论
4.1 谱加速度特征
依据 《 建筑抗震设计规范 》 （GB50011−2010）（中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2010），马尔康市当地的抗震设防烈度为Ⅶ度，按照第二组、Ⅱ类场地，依照规范绘制了阻尼比为5% 时，台站水平向谱加速度与抗震设计反应谱的对比图，如图7所示。在台站51MED的水平双向谱加速度中，卓越周期平台段较短，EW和NS两个方向的峰值加速度周期较为一致，均在0.05 s左右。台站51MES和51HYS的水平双向加速度谱的峰值周期较为一致，均在0.08 s附近。
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图 7 台站51MED，51MES和51HYS的谱加速度与抗震设计谱对比Figure 7. Comparison of acceleration response spectra and seismic design spectra of stations 51MED，51MES，and 51HYS由于震级不大且台站距离震中较远，加速度记录最大的三个台站的水平双向反应谱仅在T＜0.1 s周期段高于当地的Ⅶ度多遇地震设防标准下的设计反应谱，而远低于Ⅶ度罕遇地震设防标准下的设计反应谱，但仍有约20%的石木结构或木结构建筑发生倒塌或严重破坏，造成房屋破坏率较高的原因为当地建筑均为具有地域特色和民俗特征的自建房屋，建造时大多未采取系统的抗震设防措施，导致房屋远未达到当地的抗震设防标准。而按照抗震规范进行设计建造的房屋基本完好，未见明显破坏。
由于5次地震的震中相距较近，震源深度也十分接近，均处于松岗断裂带，触发的台站具有较好的一致性，所以这5次地震动的反应谱之间具有可比性（林国良等，2016）。为探究震群中数次地震加速度反应谱之间的异同点，计算得到了5次地震全部台站记录的加速度反应谱（阻尼比为5%），将所有的反应谱归一化处理之后，按照EW，NS和UD三个方向分别进行平均，得到结果如图8所示。在周期0.1—6.0 s内，无论是水平向还是垂直向，随着地震震级的提高，反应谱的长周期成分占比逐渐增加，MS4.1和MS4.4地震之间差异不明显，在MS＞5.0地震中，可以清晰地观察到长周期成分占比随震级增加而增长。在0.2 s之前的周期段，MS5.2，MS5.8和MS6.0三次地震的三分量归一化平均反应谱具有较高的重合度。
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图 8 5次地震EW向（a）、NS向（b）和UD向（c）的归一化平均反应谱Figure 8. Normalized average response spectra of five earthquakes in the EW （a），NS （b），and UD （c） directions4.2 傅里叶谱特征
傅里叶谱实现了地震动数据从时域到频域的转换，反映了地震动在各个频域范围内的幅值大小和能量分布情况（王运生等，2015；胡小龙等，2019）。图9给出了平滑后的51HYS、51MED和51MES台记录到的五次地震的傅里叶谱。
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图 9 51HYS （a），51MED （b）和51MES （c）台站三分向的傅里叶谱Figure 9. Fourier spectra of stations 51HYS （a），51MED （b） and 51MES （c） in three directions可以发现同一台站、同一方向上的傅里叶谱形状相似，且各台站水平向分量的主要频率均分布于10—20 Hz频段内。竖向分量的主要频率总体上高于水平向分量，且分布情况较水平向有很大差异，除51HYS台站外，其余两个台站竖向分量的主要频率位于20—30 Hz频段内。由于震中距较大，总体上三个台站记录的中低频成分较为丰富。在震中距、场地条件、传播路径近乎相同的情况下，数次地震具有相似的傅里叶谱值特征，反映了震源机制的相似性。
4.3 加速度反应谱相关性分析
台站51HYS，51MED和51MES完整记录到了发生的5次地震，同一台站、同一方向的5次地震的加速度反应谱满足使用皮尔逊（Pearson）相关性分析的条件，对其使用皮尔逊相关性分析，得到的相关性热图如图10所示。
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图 10 51HYS （a），51MED （b）和51MES （c）台站EW （左）、NS （中）和UD （右）向的加速度谱的相关性Figure 10. Correlation of acceleration spectra in EW （left），NS （center），and UD （right） directions at stations 51HYS （a），51MED （b），and 51MES （c）通过进行相关性分析，发现五次地震的加速度反应谱之间的相关系数均达到了0.90以上，为正相关，数值接近于1，说明五次地震的加速度反应谱之间具有非常强的相关性。且相关性分析得到的P值均小于5%，表明五次地震的加速度反应谱的相关性是显著的。
4.4 傅里叶谱谱相关性分析
对51HYS，51MED和51MES台站记录5次地震的傅里叶谱使用皮尔逊相关性分析，得到的相关性热图如图11所示。
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11 台站51HYS （a）和51MED （b）的EW （左）、NS （中）和UD （右）向的傅里叶谱的相关性11. Correlation of Fourier spectrum in EW （left），NS （center），and UD （right） directions at stations 51HYS （a） and 51MED （b）![]()
11 台站51MES （c）的EW （左）、NS （中）和UD （右）向的傅里叶谱的相关性11. Correlation of Fourier spectrum in EW （left），NS （center），and UD （right）directions at stations 51MES （c）同样的，对5次地震傅里叶谱的皮尔逊相关性分析表现出了很高的相关性水平，绝大部分的相关性系数达到了0.90以上，表现出了显著的正相关性。
5. 结论
2022年6月10日四川马尔康震群型地震过程中，分布于震中附近的数个台站记录到5次M＞4.0地震动的时程数据，通过对这些记录进行初步分析与处理，将反应谱、时频分布、傅里叶谱和衰减关系之间相互比较，分析了本次震群型地震中数次地震动的特征，得到如下结论：
1） 时频特征和傅里叶幅值特征体现了5次地震具有相似的能量分布情况和频率成分组成。
2） 由3次MS≥5.0地震的PGA和PGV的衰减关系对比结果可知，俞言祥提出的青藏地区长轴衰减关系可以较好地预测马尔康地区PGA，PGV和SA （0.2），而一定程度上高估了SA （0.5）和SA （1.0）。
3） 相同台站同一方向下谱加速度曲线的形状和峰值周期分别相近，且谱加速度的卓越周期很短，谱加速度值均未超过当地抗震设计谱值。造成房屋损毁的主要原因是当地建筑多为居民自建房，未采取系统的抗震设防措施。
4） MS5.2，MS5.8，MS6.0地震的归一化平均反应谱在T＝0.2 s之前的周期段具有较高的重合度，在T＝0.2 s之后的周期段，随震级的增加，反应谱长周期成分也逐渐增加。
5） 皮尔逊相关性分析表明5次地震的加速度反应谱和傅里叶谱之间具有非常强的相关性，结合时频分析的结果，在震中距、场地条件、传播路径近乎相同的情况下，可以得出5次地震的震源机制相似的特点。在王莹等（2024）的研究中也表明马尔康震群地震总体的震源机制较为一致，与本文呈现的结论相符。
中国地震局工程力学研究所强震动台网中心和四川省地震局为本文提供了强震动观测数据，审稿专家对文章提出了专业的指导，作者在此一并表示感谢。
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图 1 OBS2020-1地震测线分布及区域位置图
红线为放炮测线，绿色圆圈为成功回收且数据质量好的OBS站点，灰色圆圈为丢失或无数据的OBS站点
Figure 1. OBS2020-1 seismic line distribution and studied area
The red line is the shooting line，green circles are OBS stations that are successful recovery and have good data quality， and gray circles are OBS stations with lost or without data
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图 2 OBS27台站使用错误采样率造成异常现象的前后对比
（a） OBS27台站参考配置文件使用错误采样率导致的异常单台地震剖面（垂直分量），折合速度为6.0 km/s；（b） OBS27台站更改为仪器固定采样率得到的正常地震记录剖面（垂直分量），折合速度为6.0 km/s
Figure 2. Comparison of anomalies caused by incorrect sampling rate used by OBS27
（a） Abnormal seismic profile （vertical component） caused by incorrect sampling rate in OBS27 reference configuration file，reduced velocity is 6.0 km/s；（b） The normal seismic profile （vertical component） obtained by fixed sampling rate in OBS27，reduced velocity is 6.0 km/s
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图 3 OBS25（正常）与OBS27（异常）的SAC波形数据对比
（a） OBS25台站正确的放炮时间间隔（90 s）；（b） OBS27使用错误采样率导致的异常放炮时间间隔（225 s）
Figure 3. Comparison of waveforms between OBS25 （normal） and OBS27 （abnormal） in SAC format
（a） The correct shooting time interval （90 s） of OBS25；（b） Abnormal shooting time interval （225 s） of OBS27 caused by using wrong sampling rate
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图 4 OBS20 （正常）与OBS18 （异常）时间异常对比
Δt为观测到时与放炮时间的差值；TPw为计算得到的直达水波理论到时；橙色实线表示SAC格式数据中的直达水波实际到时；橙色箭头表示此信号的气枪放炮时间；橙色虚线表示OBS18台站的直达水波理论到时（a） OBS20近偏移距SAC数据波形；（b） OBS18近偏移距SAC数据波形
Figure 4. Abnormal time comparison between the OBS20 （normal） and OBS18 （abnormal）
Δt is the difference between the observation time and the shooting time；TPw is the calculated theoretical arrival time of the direct water wave. The orange solid line represents the actual arrival time of the direct water wave in SAC format data；the orange arrow indicates the shooting time of the air gun for this signal；the orange dashed line indicates the theoretical arrival time of the direct water wave of OBS18 station （a） SAC format waveform of the OBS20 near offset；（b） SAC format waveform of the OBS18 near offset
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图 5 OBS数据记录文件中相邻文件间的时间差
黑色与灰色线段分别代表预设采样率为100 sps和250 sps时相邻文件间的时间差，红色线段代表非内部时间漂移的时间间隙，上部双斜线表示不连续的时间
Figure 5. Time error between adjacent files in OBSs
The black and gray lines represent a preset sampling frequency of 100 sps and 250 sps，respectively；the red line represents the time gap without internal time drift，and the top double diagonal line represents the discontinuous time
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图 6 不同拼接方法获得的OBS18单台地震剖面
（a，b） 未进行初始时间校正拼接获得的单台地震剖面；（c） 初始时间校正后再拼接获得的正常的单台地震剖面。红色实线标注了数据文件拼接处；红色虚线框表示处理不当可能导致震相“缺失”
Figure 6. Seismic profile of OBS18 obtained by different splicing methods
（a，b） Seismic profiles obtained by splicing without initial time correction；（c） Normal seismic profile obtained by splicing after initial time correction. The red solid line indicates the splice of data files；the dashed red box indicates that the phase may be “missing” due to improper handling
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图 8 OBS07台站单台地震剖面中的同相轴“断阶”
（a） OBS07台站单台地震剖面，图中红色实线表示数据文件拼接处，红框表示图b，c和d的放大；（b） 图a中可辨识出的同相轴“断阶”部分（红色虚线指示了明显的“断阶”）；（c） 图b经校正后同相轴“断阶”现象消失；（d） 图a中难以分辨出的内部时间漂移。红色椭圆标注了文件拼接处即存在“断阶”的位置
Figure 8. The "stair" of the event in the seismic profile of OBS07
（a） Seismic profile of OBS07. The red solid line indicates the splice of data files，and the red box indicates the enlargement of figs. b，c and d；（b） The recognizable “stair” in fig. a，the red dotted line is an obvious “stair”；（c） The “stair” phenomenon shown in fig. b disappears after correction；（d） Internal time drift that is difficult to distinguish in fig. a. The red ellipse marks the position where the document is abnormal，the position where there is a “stair”
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图 9 SAC波形数据中OBS12数据记录中较大的时间间隙
红色虚线标注了相邻文件结束和开始的时间，中间空白处是相邻文件的时间间隙
Figure 9. The larger time gap in waveforms from the OBS12 with SAC format
The red dotted line indicates the end and start time of adjacent files. The space in the middle is the time gap of adjacent files
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图 10 OBS12台站单台地震剖面（垂直分量，折合速度为6.0 km/s）
（a） 减去停止记录后重采样拼接的单台地震剖面，剖面正常清晰；（b） 将SAC格式文件以对钟的头文件为起始时间拼接得到的单台地震剖面（拼接法①），左侧部分震相丢失；（c） 将SAC格式文件以每个文件的初始时间拼接得到的单台地震剖面（拼接法②），剖面正常清晰；（d） 经过时间间隙重采样拼接的单台地震剖面（拼接法③），剖面异常倾斜。红色实线表示数据记录文件的拼接处
Figure 10. Seismic profile of OBS12 （vertical component，reduced velocity is 6.0 km/s）
（a） The seismic profiles spliced by resampling after stopping the recording are normal and clear；（b） The seismic profile （splicing method ①） obtained by splicing SAC format files with the header file of clock as the starting time，and some seismic phases on the left side are lost；（c） The seismic profile obtained by splicing SAC format files with the initial time of each file （splicing method ②） is normal and clear；（d） The seismic profile （splicing method ③） after time gap resampling splicing，the profile is abnormally inclined. The solid red line indicates the splice of the data record file
表 1 OBS2020-1测线主动源海底地震仪仪器参数及数据记录异常分类表
Table 1 Classification of artificial source OBS instrument parameters and data record anomalies for Line OBS2020-1
台站 球号 异常类型
（均包含采样时间异常）相邻文件间的
时间异常范围/s现象 OBS13 A37 固定采样率（250 sps） −0.020—−0.021 使用错误采样率造成，
无法显示有效震相
（例如图2）OBS20 B29 固定采样率（250 sps） 0.017—0.019 OBS27 B40 固定采样率（250 sps） −0.020—−0.021 OBS11 A35 固定采样率（250 sps） −0.019 授时异常 提前0.731 处理不当造成震相
“缺失”或异常“倾斜”
（例如图4和图6）OBS18 K82 授时异常 0.038—0.042
提前0.899OBS01 L94 0.017—0.023 震相清晰连续处的
近偏移距可观察到
小“断阶”（例如
图7和图8）OBS03 L26 0.017—0.023 OBS04 L16 0.023—0.030 OBS06 L96 0.038—0.040 OBS07 N2001 0.083—0.090 OBS08 H56 0.035—0.040 OBS09 L45 0.014—0.019 OBS10 L85-1 0.013—0.018 OBS14 B20-04 0—−0.006 OBS15 L31 0.012—0.019 OBS16 S11new 0.031—0.037 OBS17 L99 0.012—0.018 OBS19 L70 0.043—0.050 OBS21 L85 0.022—0.027 OBS22 L37 0.001—0.007 OBS24 L23 −0.006—−0.011 OBS25 B20-01 0.052—0.057 OBS28 S13 0.063—0.068 OBS29 L98 0.021—0.027 OBS30 L95 0.027—0.032 OBS12 MIC002 采集器暂停工作 0.024—0.028
暂停8.984处理不当造成震相
“缺失”或异常“倾斜”
（例如图9和图10）OBS26 L27 - 故障，仅一个文件 - 
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表 2 OBS数据记录异常现象对比
Table 2 Comparison of OBS data anomalies
异常类型 异常现象 异常原因 鉴别方法 处理方法 记录格式异常 无法识别有效震相 实际采样率与预设
采样率的信息不符对比配置文件中的
采样率与实际采样率采样率更正为
实际采样率初始
时间
异常授时异常 震相时间异常明显，实际走时与理论
走时相差较大GPS授时误差 对比直达水波理论
到时与实际到时根据直达水波
理论到时校正文件名转换异常 同上 文件名写入错误 同上 同上 时钟晶振异常 时钟出现线性漂移，误差随时间而增大 OBS内部时钟
晶振频率影响投放回收时两次
GPS对钟线性分配 采样时间异常 震相清晰连续的近偏移距处可观察到同相轴“断阶”现象 实际采样间隔
非整数毫秒计算相邻文件间的
时间间隙，间隔
稳定在90 ms内将采样间隔更正为
实际值，再重采样
处理采集器
工作
异常采样器
暂停工作处理不当则出现同相轴“断阶”，甚至异常“倾斜”现象 采集器在换文件时暂停工作 计算相邻文件间的
时间间隙，时间
间隙突变若要重采样处理需
先减去采集器停止
工作的时间采样间隔
不稳定无法识别有效震相 时钟晶振频率不稳定，随机异常变化 放炮时间间隔不规律，
与实际等间隔放炮
时间不符无法统一处理
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