内蒙古阿拉善高放废物地质处置预选场址地处内陆高原，属于阿拉善地块。地震勘探工作区位于沙拉扎构造带。更具体的地质研究成果表明：地震测区位于华北板块西北缘陆缘区褶皱系上的宗乃山-沙拉扎山晚古生代陆壳基底火山弧褶皱带南侧，靠近属于陆弧碰撞带的查干楚鲁-霍尔森晚古生代弧后盆地褶皱带^[1]。

测区地质构造纲要图、区内出露地层和主要构造形迹、地质单元划分等方面的研究成果和测线精确位置见文献[2]。

1 工作方法

由于要以埋深极浅的大型花岗岩体作为探测目标，并且测区地表崎岖、地貌横向变化显著、地下构造没有可参考的地球物理研究成果，因此，本研究采用多次覆盖反射波法地震探测与初至波旅行时层析反演相结合的工作方法。

多次覆盖反射波法不但有利于压制干扰、提高地震资料的信噪比，而且具有反射波成像剖面对于地下构造直观形象的特点^[3]。初至波旅行时层析反演是利用地震记录中的初至波旅行时信息重建近地表速度分布的重要技术。地震初至波是指从炮点出发经过介质最先到达接收点的地震波，通常具有能量强、可追踪性好、波的识别和旅行时拾取方便、可靠等优点^[4]。其工作流程可概括为：拾取地震波初至获得观测走时；把地下介质划分为由一系列网格定义的初始慢度模型，通过射线追踪方法获得射线路径、理论走时；对比观测走时和理论走时，如果残差较大则改动慢度模型；重复上述操作直到满足给定的收敛条件为止。可见，准确、高效的射线追踪算法是层析反演计算过程中的关键。对此本研究采用了基于多模板快速步进(multi-stencils fast marching, MSFM)的波前重构射线追踪算法。该算法具有高效率、高精度、对于任意复杂模型无条件稳定的优点^[5]。基于MSFM射线追踪算法的初至波旅行时层析反演技术，是本研究针对西部地震勘探、高放废物地质处置库选址地震勘探中经常要面临的复杂地表工区近地表速度建模问题而研发的针对性解决措施。

近地表速度的准确性将直接影响静校正，以及后续速度分析、叠加、偏移成像等诸多处理环节的质量，对于地表条件复杂的工作区更是如此。在本次探测过程中，首先利用基于MSFM射线追踪算法的初至波旅行时层析反演方法建立准确、精细的近地表速度模型；进而利用所获得的速度建模成果解决对于陆上复杂地表工区地震勘探至关重要的层析静校正问题；然后利用经过合理静校正后的地震道集数据进行速度分析、叠加、偏移成像等后续处理。经过对比，本文方法能够有效提高CMP道集上反射波的同相性，提高数据信噪比，改善最终地震成像剖面的质量。除此之外，所获得的近地表速度建模成果还可以作为地震解释工作时的重要参考资料。

2 地震数据采集与处理

本次地震探测详细的数据采集参数、观测系统、典型原始野外记录见文献[2]。在数据处理环节，考虑到与沉积环境开展的地震探测工作的不同^[6]，针对本次研究所遇到的崎岖地表工作区近地表速度建模与层析静校正问题、近地表强散射干扰波压制问题、高陡复杂地下构造偏移成像问题，本文在常规高分辨反射波法地震数据处理流程的基础上，增补、调整了一些有针对性的解决措施，具体包括：1)利用基于MSFM射线追踪算法的初至波旅行时层析反演技术建立准确精细的近地表速度模型，并利用所获得的速度模型成果进行层析静校正；2)利用改进的矢量分解压噪方法^[7]在叠前滤除地震散射波；3)结合资料特征选用目前技术上较为成熟的Omega-X域有限差分偏移算法(Omega-X finite difference migration)进行地下高陡复杂构造偏移成像^[8]。本次研究关键数据处理技术的应用实效见文献[2]。

3 地震探测成果解释

花岗岩体地震探测成果的地质解释研究比较匮乏^[9-11]。首先应分析花岗岩类高速火成岩体地震反射特征与沉积环境地震反射特征的不同。通常情况下，由于火成岩的速度远高于其沉积围岩，因此岩体外部几何形态和顶界面所形成的反射往往具有强振幅、同相轴连续性好等特点；岩体内部反射情况复杂，常呈空白反射或杂乱反射，表现为低频、断续、蝌蚪状或似蚯蚓状等；在边界接触关系上，厚度大的岩体侧翼沉积常有上超现象，与上覆地层呈不整合接触，或者与周边围岩存在明显的切割关系。

3.1 塔木素1线

图 1为根据塔木素1线的近地表速度剖面(图 1(a))和反射波时间偏移剖面(图 1(b))作出的地震解释剖面图。由图 1(a)可以看出，在塔木素1线控制范围内，近地表地震波速度总体呈现出由浅到深逐渐增加的变化特征，横向上存在局部速度异常。在深度约50 m以上，地震波速度大约从1 000 m/s逐渐增加至3 000 m/s。在深度约50 m以下，绝大多数地段的地震波速大于3 500 m/s。显然，近地表较低的波速与岩层风化和盖层展布有密切关系。从图 1(b)可以看出，反射剖面浅部存在由2~3个反射波同相轴组成的强反射波组，而且其在横向上的起伏变化形态与图 1(a)所反映的高速体顶面特征相一致。推测其为来自花岗岩体稳定部分顶界的界面反射，顶界面上方为基岩风化层和盖层。在强反射波组下方，地震剖面整体呈现出无规律的弱反射或空白反射特征，这可能反映了较为致密的岩体单元。分析认为，较为致密的岩体虽然表面波阻抗较大，但内部的波阻抗差却很小，因此在地震剖面上形成了弱能量的杂乱反射或无反射现象。

根据反射波组特征和近地表速度分布，在剖面4 599 m桩号的下方解释了一条向南倾的逆冲断层FP1。由探测成果可见，FP1向上错断了前述对应岩体稳定部分顶界反射的强反射波组，并且断层两侧的波场特征是不同的：在FP1南侧剖面图像以空白反射为主，北侧则出现了较多的低频、断续、似蚯蚓状反射结构。地震剖面上反射波场的这种特征变化反映了岩体内部结构的差异。结合地质资料、FP1所处的空间位置、其所错断的界面埋深以及地震剖面所反映出的FP1断层性质，推断其应为伊和·额尔崩断层在塔木素1线地震剖面上的反映。根据地震剖面，FP1为逆断层，在剖面上向南倾，视倾角约为57°，其可分辨的上断点在地面上的垂直投影点位于测线桩号4 599 m附近，上断点埋深小于36 m，并有继续向上延伸出露地表的可能，在该深度上其垂直断距约为3~5 m。

在叠加剖面上7 112 m桩号的下方及其下相应位置存在1组特征明显的断面波，在偏移剖面上断面波得到归位，图 2为这一现象的局部放大图，结合波场特征在剖面上解释了1条向南倾的断层FP3。根据FP3浅部附近的反射波组形态和塔木素1线近地表速度反演结果，推断还应有1条向北倾的断层FP2存在，向下终止于FP3。FP2和FP3控制了其间的第四纪沉积。在FP2、FP3两侧，剖面反射图像表现为基岩反射特征。在近地表速度剖面(图 1(a))6 100~7 100 m桩号之间表现为低速异常，在低速异常区两侧可观察到明显的速度突变，与FP3相对应的位置上方还可观察到速度反转现象。通过反射波剖面和近地表速度剖面的对比分析可以认为，对于断层FP2、FP3的判定可靠程度较高。根据地震勘探成果，FP2为正断层，视倾角约为40°，其可分辨的上断点在地面上的垂直投影点位于测线桩号6 090 m附近，埋深应小于20 m，在该深度上其垂直断距为2~4 m。FP3可分辨的上断点在地面上的垂直投影点位于测线桩号7 112 m附近，上断点埋深为35~40 m，在该深度上其垂直断距为4~7 m，视倾角约为35°。该断层表现出了上正下逆的性质，推测这与本区经历了不同应力环境下的多期构造运动有关。根据FP2、FP3所处的空间位置、其所错断的界面埋深以及剖面波组特征认为，FP3应为控制海子·阿德尔根韧性剪切带东南边界的边界控制性断裂；FP2则控制了浅部第四纪凹陷的南侧边界，其向下归并到FP3上。

除了所解释的断裂构造以外，反射波成像剖面上TWT 500 ms以下还可识别出一些上、下叠置的弧状反射结构，如图 1(b)中R1、R2、R3所示。推测这些弧状反射结构来自岩体内部小型的、具有丘形反射外形的局部构造体。

3.2 塔木素2线

图 3为根据塔木素2线近地表速度剖面(图 3(a))和反射波时间偏移剖面(图 3(b))作出的地震解释剖面图。图 3(a)上约4 240 m桩号的两侧地震波速度分布表现出明显的差别，以南地震波速度相对偏低，以小于3 000 m/s的分布为主，并且横向变化特征明显，存在局部高速异常和特征鲜明的速度分界; 以北除了与岩层风化和盖层展布有关的近地表较低的速度分布以外，约50 m以下地震波速度稳定地大于3 500 m/s，并且在横向上较大范围内非常稳定。在4 240 m桩号下方可观察到一个清晰的高速体边界。在图 3(b)上4 240 m桩号附近下方可以识别出1个两侧波场特征差异明显的不整合界面，以AU3标示。AU3界面以南反射波组丰富，相邻的反射波之间多呈平行或亚平行结构，表现出典型的沉积环境反射特征；AU3界面以北反射波数目突然减少，浅部存在由2个反射波同相轴组成的在横向上连续性较好的强反射波组，在强反射波组下方剖面上绝大部分反射波的能量较弱，并且表现为杂乱、似蚯蚓状等火成岩体地震反射特征。除此之外还可观察到南侧能量较强的反射波在AU3界面附近突然中断消失等现象。综合上述特征和AU3所处的空间位置、区域构造研究成果推断，其应为分隔了目标花岗岩体与测区东南部中新生代盆地的目标岩体边界。分析认为AU3界面以北剖面浅部的强反射波组应为来自基岩风化层底界，也即岩体稳定部分顶界的界面反射。强反射波组下方反射波能量相对较弱的现象与岩体顶界的屏蔽作用以及较为致密的岩体单元内部波阻抗差较小等因素有关。

在AU3界面以南反映中新生代盆地内部的地震成像剖面部分，根据波场特征并参考近地表速度分布解释了2个不整合界面和2个断点，分别以AU1、AU2和FP4、FP5标示。

可以看到，中新生代盆地内部局部范围内相邻的反射波之间多呈彼此近平行的展布形态，反映出局部相邻的地层具有相似的产状特征。但在标示出的AU1、AU2界面两侧，上覆与下伏的反射波组存在明显交角，反映出界面两侧上覆地层与下伏地层的产状不一致，以一定的角度相交。这种现象是角度不整合构造关系在地震剖面上的典型反映。同时，该测线的近地表速度成像结果(图 3(a))也显示与AU1、AU2相对应的位置存在特征明显的速度分界。参照测区区域构造研究成果，在塔木素2线南端附近，近北东向呈条带状分布在呼和·诺尔公-扎盖图一带的中下侏罗统芨芨沟组地层(J_1-2j)，与其南北两侧相邻的地层之间均为不整合接触。该地层向北不整合覆于中二叠世石英闪长岩(P₂δο)之上，向南被下白垩统巴音戈壁组地层(K₁b)不整合覆盖。根据地震测线位置，推测在地震剖面上呈现出的角度不整合构造关系与上述老地层的空间展布有关。如前所述，反映目标岩体边界的AU3界面对应中下侏罗统芨芨沟组地层(J_1-2j)与中二叠世石英闪长岩(P₂δο)之间的不整合接触；AU2界面对应中下侏罗统芨芨沟组地层(J_1-2j)与其上覆的下白垩统巴音戈壁组地层(K₁b)之间的不整合接触。AU1界面则反映了地表广泛分布的第四系上更新统洪积物(Q_p3^pl)与其覆盖的老地层间的不整合接触关系。可以观察到，由于受老地层出露地表和断层的影响，AU1界面呈不连续展布。

在AU3界面以南1 617 m桩号下方，双程走时约175 ms，可观察到反射波同相轴错断的现象，在其附近的相应位置还存在同相轴扭曲、位错、产状突变等迹象，据此认为应有1个位于中新生代盆地内部的断层存在(FP5)。根据断层两侧的反射波组特征推断，该断层为受挤压应力作用而形成的逆断层，断层面整体上向南倾。其可分辨的上断点埋深约为178~183 m，在该深度上其垂直断距为10~15 m，视倾角约为63°。此外，根据FP5上断点附近的波组形态，推断还应有1条向北倾斜、向下终止于FP5的次级断层存在，以FP4标示。在FP4两侧同样存在反射波同相轴中断、扭曲、错断等现象。根据反射剖面特征，判断该断层同样为受挤压应力作用而形成的逆断层。其可分辨的上断点在地面上的垂直投影点位于测线桩号1 164 m附近，埋深约为125 m，在该深度上其垂直断距为5~10 m，视倾角约为49°。

在塔木素2线北端，根据反射波剖面特征、断层判别依据并结合近地表速度成像结果，共解释了2个断点(FP6、FP7)。可以看到，在速度剖面上15 534~16 440 m之间存在明显的低速异常，低速异常区内部还可观察到速度反转现象。在反射波剖面上16 440 m桩号附近的下方反射波同相轴存在明显的位错，其下方的反射波组在相应位置也表现出了异常现象。据此解释了1条向南倾的断层，以FP7标示。根据FP7浅部附近的反射波组形态和速度分布图像，推断还应有1条规模较小、向北倾斜、向下终止于FP7的次级断层存在，以FP6标示。可以看出，FP6、FP7所处位置分别对应着速度剖面上低速异常区的2个边界，并且在图 3(a)上FP6、FP7之间可观察到的速度反转现象与反射波剖面(图 3(b))上“Y”字形断层之间的反射波场形态之间有着良好的对应关系。综上可以认为，对于FP6、FP7的判定是可靠的。根据地震探测成果，FP6应为正断层，其可分辨的上断点在地面上的垂直投影点位于测线桩号15 534 m附近，埋深小于32 m，并有继续向上延伸出露地表的可能，在该深度上其垂直断距为3~6 m，视倾角约为35°。FP7可分辨的上断点在地面的垂直投影点位于测线桩号16 440 m附近，埋深约为19 m，在该深度上其垂直断距为2~3 m，视倾角约为33°，根据反射剖面特征判断该断层具有上正下逆的性质。由研究区地质构造纲要图可知，塔木素2线北端穿过了被第四系覆盖的伊和图克木白垩纪盆地的西南角。根据FP6、FP7所处的空间位置、展布形态、所错断的地层界面埋深以及近地表速度分布，推断其对应着第四纪覆盖层以下伊和图克木白垩纪盆地西南角的2个边界。

在AU3界面以北，FP6、FP7以南，风化层或盖层以下岩体稳定部分的顶界在反射波成像剖面上清晰可辨。其在横向上的起伏变化形态、连续性特征与浅层速度剖面所反映的高速体顶面特征相一致。若进一步对岩体顶界反射进行横向上的追踪并与区域构造研究成果进行对比可以发现，顶界反射连续性的变化与区域构造图上不同岩性出露区之间的分界存在良好的对应关系。考虑到当前进行的人工地震勘探工作与前人进行区域地质调查填图工作在研究尺度方面的差异，可以认为通过对地震剖面上岩体顶界面强反射波组连续性的追踪所提供的岩性分界依据，在测线经过位置上具有更高的精确度。在顶界面强反射波组的下方，根据局部波场特征可以识别出一些延伸较短的倾斜反射结构(图 3中Ⅰ1~Ⅰ4)。这些倾斜反射结构可能与岩体内部裂隙或破裂面的存在有关。在双程走时(TWT)750~1 100 ms之间，对应于1.7~2.4 km深度，可识别出1组横向上连续性较好、可追踪性较强的弧状反射波组，在图 3中以R1标示。推测该组弧状反射波反映了岩体在形成或形成之后的过程中受到过挤压应力环境的作用。

4 结语

1) 岩体内部的小型断层、裂隙在反射波成像剖面上的展布形态与其在近地表速度剖面上的形态特征之间具有良好的对应关系，可以认为在复杂地表地区针对顶界面埋深浅甚至直接出露于地表的大型高速岩体进行地震勘探，采用反射波法界面成像和初至波速度成像相结合的工作方法可以获得精度高、可对比性强、可靠性好的勘探成果。

2) 塔木素2线上的AU3界面是本文所重点关注的、分隔了目标岩体与其南侧中新生代盆地的目标岩体边界，地震勘探成果清楚地揭示出了这一岩体分界特征。综合地震探测剖面和该区地质资料可以判定，AU3分隔了其北侧的中二叠世石英闪长岩(P₂δο)和其南侧的中下侏罗统芨芨沟组地层(J_1-2j)。

3) 《放射性废物地质处置库选址安全导则(HAD401/06)》中规定“主岩应有足够的深度与延伸范围。选址应避开能为放射性核素迁移提供快速通道的断裂破碎带。”内蒙古阿拉善高放废物地质处置库选址中的地震勘探研究成果表明：①目标岩体具有足够的深度和延伸范围；②目标岩体内部有小型断裂构造存在，它们的位置、性质、产状和向深部的延伸情况已查明，因此避开岩体内部的小型断裂构造是针对目标岩体选择合适位置作为高放废物地质处置库的前提。