《海底地震勘測理論與應用》對多年實踐積累的海底地震（OBS）勘測相關技術進行了總結，對教科書中的一些相關的地震波基礎理論作了解釋性推導。本書於2018 年出版後，得到了業內人士的好評，特別是受到了青年科技人員和學生的歡迎，並獲得了海洋科學優秀圖書獎。
然而我們發現書中還存在諸多的疏漏之處，對此我們深感不安，通過這次再版來修訂錯誤或彌補漏洞。同時根據多方的反饋意見，新修訂版增加了兩部分內容：孔凡聖博士完善了地殼和地幔各向異性的成因機制（9.4.2節），撰寫了分層各向異性深度探測方法（9.6 節）；於志騰博士撰寫了微震定位和應用（9.8 節）。
本書是筆者和課題組的同事、學生及外單位合作者多年工作的階段性總結，歡迎讀者聯繫我們，反饋寶貴意見或其他有關事項。本書作者的單位原稱為「國家海洋局第二海洋研究所」， 現已改名為「自然資源部第二海洋研究所」，特此說明。
阮愛國
E-mail: ruanag@sio.org.cn
2020 年8 月8 日
本文摘編自《海底地震勘測理論與應用》（阮愛國等編著. 2 版. 北京：科學出版社，2020.11）一書「再版說明」，有刪減，標題為編者所加。
ISBN 978-7-03-066995-7
責任編輯：孟美岑 陳姣姣
本書對多年實踐積累的海底地震（OBS）勘測相關技術進行了總結，對教科書中的一些相關的地震波基礎理論作了解釋性推導。全書共分9 章，介紹了海洋地殼的特點、彈性本構關係和彈性波基本解與廣義反射透射理論、地震波傳播和分界面上的反射及透射、OBS 基本結構和信號特點、OBS海上作業實用技術和數據處理技術、2-D 和3-D 反演建模方法、橫波和多次波的應用、天然地震的OBS 接收函數和各向異性反演方法等。在主要章節中以OBS 技術應用的大量實例，展示了在南海、西南印度洋中脊等地取得的研究成果。
人們關於地球內部結構的認識主要來自地震觀測，其他方法起輔助和佐證作用。因為地球是一個半徑達6370 km 左右的巨型實體球，人根本無法進入。地球從外向裡，分為地表、地殼、地幔、地核，每一層還可做更精細的劃分，如地幔中的軟流層。這些知識主要是根據地震波傳播的一些現象和規律獲得的，而其他方法難以達到地球內部的深處。例如，鑽探方法，最深也只有10 km 左右，連地球的表皮都鑽不透（地殼平均厚35 km）。地震波在地球內部的傳播，可以為地表觀測站帶來其內部各種分層界面和內部彈性結構（主要由速度來表達）的信息，稱為震相。通過分析、計算各種震相的傳播路徑、旅行時間及波動振幅的衰減可以反推地球的內部結構和物質變化。
然而，地球是一個複雜的系統，只知道一個平均的地球結構還不能滿足人們的好奇心和各種科學研究的需求。要想知道某一區域更詳細的結構，就需要做更細緻的觀測和研究，用地震方法給地球做CT 就是這個目的。就像現代化的醫院一樣，用醫學CT 或核磁共振儀產生射線，對人體進行掃描，獲得影像，從而確定身體某個部位是否有異常。利用地震射線做CT，又稱為地震層析成像，既可利用地球本身不斷發生的天然地震，也可用人工方法產生地震波（核爆、炸藥、機械振動），後者因為能量有限，價格昂貴，更適用於一個小區域或工程場地的層析成像。
不巧的是，地球表面的三分之二是海洋，而地震觀測臺站主要分布在陸地和零星的海島，所以如何對海洋下面的地球深部結構做CT 是個難題，特別是要克服上覆幾百米至幾千米的海水層造成的障礙。目前有兩個辦法：一是利用陸地臺站觀測到的經過海洋區域的地震波，特別是長波長的面波震相，但解析度較差；二是在想了解其細緻深部結構的海區，臨時布設地震臺進行觀測。就後者而言，需解決的問題有：什麼樣的地震觀測儀適用於海洋？使用什麼樣的震源？如何布設和回收地震儀？為此，已經想出了各種辦法，其中的「海底地震儀」是目前研究海底深部構造最常用的工具。
海底地震儀（ocean bottom seismometer，OBS）是將檢波器直接放置在海底的一種地震觀測系統，既可用於天然地震的觀測（寬頻帶OBS），也可用於人工源地震探測（寬頻帶和短周期OBS 均可）。
與傳統的船載拖曳式多道地震系統相比，其主要特點包括：一是直接與海底接觸，所以除了可以記錄P 波以外，還可以記錄S 波（對於人工源，震源仍在水面上，所以S 波均為地層內部的轉換波）；二是OBS 除了用於小偏移距的反射地震調查外，主要用於大偏移距的廣角反射/折射調查和天然地震觀測，用於探測地殼深部和地幔結構；三是觀測環境噪聲低、精度高、信號解析度高。
OBS 人工源的做法是：首先，將一定數量的OBS按一定間距沿測線（2-D）和臺陣（3-D）進行投放。其次，沿測線以氣槍為震源進行炸測。向下傳播的地震波通過海底面、沉積層、地殼各分層和莫霍面及地幔內部的反射和折射後，再向上傳播被各個OBS 記錄；對回收的OBS 原始記錄進行各種校正，如OBS位置、炮點坐標、時間漂移、濾波等。最後，根據地震學理論，用射線追蹤的正、反演技術，獲得海洋下面的深部地殼和地幔速度結構。對單一測線獲得2-D 結構，對臺陣則獲得3-D 結構。天然地震觀測不需要專門的地震船和氣槍，只是將一定數量的OBS 投放到預定的海底坐標點位，觀測一定時間（越長越好），記錄海底本身的微震和發生在全球各地的大震。對經過濾波等處理後的記錄，根據地震學理論，用各種方法研究OBS下方的地殼、巖石圈或更深的地幔和地核的速度結構。常用的有微震的定位和投影、遠震接收函數反演、S 波各向異性反演、噪聲反演等。
▲ 自動反演方法過程
（a）初始模型；（b）參數化模型；（c）最終模型。縱軸放大倍數V.E.=5
我國的OBS 工作已經歷了一個較長的發展過程。早先，我國內地只有中國科學院南海海洋研究所、中國科學院海洋研究所曾開展過OBS 工作，但都是通過參與國際合作項目或與臺灣地區合作，沒有實際操作OBS 的經歷。中國科學院地質與地球物理研究所從20 世紀90 年代開始研製OBS，並在南海東沙等地率先開展了人工源試驗，設備最終獲得成功並定型於2010 年前後，為我國OBS 的發展起到了重要的支撐作用。
筆者於2006年率國家海洋局第二海洋研究所（現自然資源部第二海洋研究所）海底地震與深部構造課題組和中國科學院南海海洋研究所丘學林研究員的課題組合作，在中國南海大陸架工作中，引進德國GeoPro 公司研發的15 套短周期OBS，在南海北部陸緣完成了三條總長約1200 km 的長距離廣角地震剖面，這是我國首次自主完成的正式的OBS 探查項目。隨後，在國家973 項目和國家自然科學基金項目的支持下，國家海洋局第二海洋研究所（現自然資源部第二海洋研究所）與中國科學院地質地球物理研究所和南海海洋研究所合作，在南海北部邊緣、南沙海域、中央海盆和禮樂灘等地完成了多條廣角地震剖面和3-D 地震探測臺陣。2010 年國家海洋局第二海洋研究所（現自然資源部第二海洋研究所）牽頭，與中國科學院南海海洋研究所、北京大學和法國巴黎地球物理研究所（IPGP）合作，在我國首次發現熱液噴口的超慢速西南印度洋中脊開展了深部結構3-D 層析成像調查，取得了豐碩成果。除了以上單位外，目前國內開展OBS 調查與研究的單位越來越多，如國家海洋局第一海洋研究所（現自然資源部第一海洋研究所）、中國科學院海洋研究所、中國地質調查局青島海洋地質研究所、福建省地震局、同濟大學、廣州海洋地質調查局等，調查區域為中國南海、東海、臺灣海峽、馬尼拉海溝、馬裡亞納海溝、西南印度洋中脊、南極普裡茲灣和非洲莫三比克海峽。特別是汪品先院士主持的國家自然科學基金委員會重大研究計劃「南海深海過程演變」在南海開展了全方位的OBS 調查。
▲ 2010 年南海西南次海盆3-D 調查使用的國產I-4C 型寬頻帶OBS 裝配完成後科考隊員合影
多年的實踐為我國的海底地震調查與科研工作積累了許多寶貴的經驗，同時也發現了一些問題。特別是與其他海洋地球物理調查手段相比，海底地震調查還沒有建立行業或專項標準，也沒有一本較全面的教材可供借鑑或用於人員培訓，大都是各行其是，在項目驗收時沒有具體的質量標準或技術指標或參數來對調查資料進行評定。另外，OBS在中國還是一項較新的技術，使用的單位日漸廣泛，但也存在各種技術難題，導致設備損失嚴重，特別是近年在南海的工作。
《海底地震勘測理論與應用》（阮愛國等編著. 北京：科學出版社，2018.6）一書的編寫就是基於上述考慮，將我們團隊多年來積累的、被證明是比較好的OBS 相關技術進行總結，包括海上作業、數據處理和反演建模，與大家分享，同時也是拋磚引玉之作，以便得到業內專家的指導。從20 世紀80年代讀大學算起，筆者從事地震科研工作已有30 多年，常需要查閱地震波和彈性理論教科書的某些具體原理、公式，往往感到十分麻煩，因為眾多的專業書籍或是長篇大論，或是不作推導地引用，或是基礎理論的重複（如彈性動力學方程的推導），想要得到一個簡明解答而不可得。為此，本書根據筆者的親身體驗和對前人著作的學習筆記，對一些工作中經常遇到的公式進行了引用、解釋和推導，以方便讀者。
本書是筆者和課題組的同事、學生及外單位合作者多年工作的階段性總結，書中的疏漏之處在所難免，誠心希望讀者予以指教和批評。願本書的讀者和我們一起努力，為我國的海底地震和深部構造學科的發展做出更大的貢獻。
阮愛國
2018 年1 月18 日
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信息來源: 科學出版社
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?《海洋環境分析監測技術》中科院煙臺海岸帶所陳令新研究院等編著
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