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Method for restoring the orientation of ocean bottom seismometers using distant earthquakes records

本文提出并验证了一种通过利用远震期间海底垂直加速度与底部压力变化之间的线性关系来恢复海洋底部地震计定向的方法，证明了该方法在六个 S-net 站点的有效性、高精度以及对加速度计和速度计的适用性。

原作者： Oleg V. Ponomarev, Sergey V. Kolesov, Michail A. Nosov

发布于 2026-06-16

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原作者： Oleg V. Ponomarev, Sergey V. Kolesov, Michail A. Nosov

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，海底是一个巨大的、黑暗的舞台，科学家们在那里放置了敏感的麦克风（地震计）和压力传感器（类似于水下气压计），用来聆听地球的轰鸣声。但问题在于：当这些沉重的仪器沉入海底时，它们并不总是能完美地垂直站立。它们可能会倾斜、扭转或像在摇晃的小船上喝醉的船员一样歪斜。如果这个“麦克风”是歪着的，它听到的地球声音就会出错，把上下运动与左右晃动混淆在一起。

这篇论文介绍了一种聪明的自纠正技巧，用于在不需要派遣潜水员下去进行修复的情况下，弄清楚这些倾斜仪器的确切方向。

核心思想：“水下电梯”类比

科学家们依赖于一个简单的物理规则，类似于电梯的工作原理。想象你站在一个充满水的玻璃电梯里。

如果电梯向上加速，水会对地板产生更强的向下压力（压力上升）。
如果电梯向下加速，水产生的压力会减小（压力下降）。

这种地板移动的速度与水压变化之间存在着直接且可预测的联系。论文中称之为“强迫振荡”范围——这是一个特定的频率范围，在此范围内，水表现得像是一个随地板移动的固体块，而不是像波浪一样四处晃动。

研究人员意识到：如果我们知道水压改变了多少，并且知道地板移动的速度有多快，我们就可以检查我们的传感器所传达的信息是否真实。

方法论：“影子”搜寻

以下是他们如何利用远处的地震来修正传感器方向的方法：

设置： 他们查看了六个水下观测站（属于 S-net 网络的一部分）在三次大规模地震期间的数据（分别发生在阿拉斯加、奇尼克和日本附近）。这些地震足够强烈，足以让海底在那个特定的“电梯”频率范围内发生震动。
猜谜游戏： 计算机提取了倾斜传感器（标记为 X、Y 和 Z）的原始数据，并开始玩一个“如果……会怎样？”的游戏。
- 它想象将传感器向各个方向倾斜（就像旋转地球仪一样）。
- 对于每一个角度，它都会计算出一个运动的“影子”。
匹配： 对于每一个想象的角度，它会询问：“这个运动的‘影子’是否与水压的变化相匹配？”
- 如果传感器与垂直方向完美对齐，那么运动影子与水压的变化将会完美匹配（就像两个舞者动作完全同步）。
- 如果传感器发生了倾斜，这种匹配就会变得混乱且不同步。
结果： 计算机找到了匹配度最强的特定角度。这个角度告诉了他们相对于仪器的确切垂直方向在哪里。

“两面性”问题

由于该方法在向上推和向下拉时的物理机制是相同的，因此该方法无法区分“正上方”和“正下方”。它找到的是一条线，但它不知道哪一端是天花板，哪一端是地板。然而，对于了解仪器倾斜程度这一目的来说，知道这条线通常已经足够了。

他们的发现

有效性： 当他们将这种新的“水压”方法与另一种仅观察重力恒定作用（类似于木工用的水平仪）的老方法进行比较时，结果几乎完全一致。对于大多数站点，差异小于 1 度——大约只有一支铅笔线条的宽度。
稳健性： 他们在数年间通过三次不同的地震测试了该方法。仪器的倾斜程度似乎并未随时间发生偏移，这对依赖这些仪器的科学家来说是个好消息。
深水问题： 其中一个站点非常深（6 公里）。在那个深度，“电梯效应”需要极其缓慢且深沉的轰鸣才能起作用。他们使用的地震强度还不足以让水在那个深度表现得完美，所以“匹配”过程有些模糊。这就像试图调频一个距离太远的电台站；信号确实存在，但充满了杂音。
“模糊化”信号： 在距离传感器最近的一次地震（能登地震）期间，那些“完美匹配”的线条看起来有些模糊。科学家认为这是因为震动过于剧烈，导致仪器在事件发生期间实际上发生了轻微的晃动或位移，就像拍照时相机在抖动一样。

为什么这很重要

这篇论文最大的成就不仅在于修复了传感器，还在于这种方法可以同时适用于加速度计（测量震动速度）和速度计（测量震动速率）。以前的方法通常只能针对其中一种类型。现在，科学家们拥有了一个通用的“指南针”，无论他们使用的是哪种类型的仪器，都能确保他们的“水下耳朵”是在正确的方向上倾听。

技术摘要：利用远距离地震记录恢复海底地震计方位的方法

问题陈述
安装在海底观测站（如 S-net 网络）中的海底地震计（OBS）经常会出现传感器轴相对于真实垂直方向的对准偏差。这种偏差可能由安装误差或强震动引起的位移导致。虽然现有方法可以基于恒定的重力分量来恢复加速度计的取向（Takagi 等，2019），但这些方法并不具有普适性；它们无法应用于速度计（velocimeters）。此外，强烈的近处地震会改变传感器轴，因此需要稳健的方法来确定仪器坐标系中的垂直方向。

方法论
所提方法通过利用海底垂直加速度（ $a_v$ ）与海底压力变化（ $p$ ）之间的线性物理关系，来确定相对于地震计轴的垂直方向。该关系源自牛顿第二定律，在“强迫振荡”（forced oscillations）的频率范围内（ $f_g < f < f_{ac}$ ）成立，其中 $f_g$ 和 $f_{ac}$ 是取决于水深（ $H$ ）和声速（ $c$ ）的特征频率。其控制方程为：
$p = \rho H \cdot a_v$
其中 $\rho$ 是垂直平均海水密度。

该算法通过互谱分析分为三个阶段进行：

数据准备： 对压力数据进行去趋势处理，以分离动态变化。将三个正交轴（ $x, y, z$ ）的加速度数据进行重采样，以匹配压力数据的采样率。
投影与相干性计算： 该方法生成一组沿任意空间方向（由仰角 $\eta$ [与 $z$ 轴的夹角] 和方位角 $\kappa$ [在 $xy $平面内的角度] 定义）的加速度投影（$ a_{\eta,\kappa}$）。对于每个方向，计算压力变化与投影加速度之间的幅值平方相干性（MSC）。
优化： 在有效频率范围（ $f_g$ 到 $\min(f_{ac}, 0.1\text{Hz})$ ）内计算相干性积分（ $I$ ）。识别出使积分值最大（ $I_{max}$ ）的方向作为垂直轴。该方法使用 Welch 法进行谱估计。

主要贡献

普适性： 与基于重力的方法不同，该方法既适用于加速度计也适用于速度计，因为它依赖于动态信号的相干性而非静态重力分量。
验证框架： 该方法利用三次不同地震事件期间来自六个 S-net 台站的数据进行了严格测试，这三次事件分别为：阿拉斯加湾 $M_w7.9$ （2018年）、奇格尼克 $M_w8.2$ （2021年）和能登 $M_w7.5$ （2024年）。
深度相关分析： 研究明确讨论了水深带来的限制，指出随着水深增加，强迫振荡频率范围向低频移动，因此需要更大震级的地震来有效地激发所需的信号频带。

结果

准确性： 对于测试的六个台站中的四个（位于深度 $\approx 2$ km 处），通过该方法导出的方位角（ $\eta, \kappa$ ）与通过独立的基于重力的方法获得的方位角差异小于 $1^\circ$ 。
一致性： 在 2018 年至 2024 年间，未观察到六个台站传感器方位发生显著变化。
深度限制： 位于 6 km 深度的台站 S6N08 表现出较不明显的相干性峰值和较大的计算角度偏差。作者将其归因于所分析的地震（ $M_w 7.5–8.2$ ）不足以激发该深度所需的完整强迫振荡范围（该深度下的低频边界约为 $0.015$ Hz）。
信号强度效应： 对于发生在网络附近的能登地震，部分台站的相干性图表呈现出“弥散”现象。这表明在强震波经过期间，台站的空间取向发生了动态变化。
歧义性： 该方法仅能确定垂直方向的符号（即它识别的是轴线，但在没有额外假设的情况下无法区分“上”或“下”）。

意义
本文建立了一种可靠的、基于物理的方法，用于利用远距离地震记录校准海底传感器的垂直取向。其主要意义在于能够验证速度计的传感器取向，而这是以往基于重力的技术所缺乏的能力。研究证实，对于中等深度（约 2 km）的台站，远距离大震级地震提供了足够的信号，能够以高精度（ $\le 1^\circ$ ）确定方位。作者指出，该方法的有效性受水深和地震震级的约束，因为更深的台站需要更低频的激发，而目前的地震事件可能未能完全捕捉到这些信号。