0 引言

深地震反射剖面是精细探测大陆地壳结构的有效技术^[1]，被全球学者用来揭露大陆地壳构造变形样式和地球动力学过程^[2-5]。中国学者使用深地震反射剖面探测造山带和盆地的地壳结构，获得了重要科学发现^[6-8]，并在探测技术上有所发展，特别是运用大炮技术揭示了青藏高原巨厚地壳Moho结构^[8-9]以及中国其他造山带下地壳结构与Moho横向变化特征^[10-12]。

相对于传统的石油地震反射剖面，深地震反射剖面大炮技术采集信息属于近垂直反射范围^[13]。其技术特点是利用大药量震源(药量100~500 kg，最高可达2 000 kg)，通过深井激发和长排列接收获取贯穿整个地壳、Moho乃至岩石圈地幔的反射结构^[10]。通过大炮技术得到的深部反射波组的连续性更好、信噪比更高，并且单个大炮近垂直反射数据受地壳横向变化影响小，因而不需要经过复杂的数据处理就可以快速地获得较为准确的信息^{[11, 14]}。如果沿探测剖面部署覆盖全剖面的多个大炮进行数据采集，我们就可以得到真实反映下地壳和Moho结构的反射地震图像，构建深部结构框架，并可为后续的中小炮数据处理提供重要约束。

中亚造山带东段作为全球显生宙陆壳增生与改造最显著的地区之一，自显生宙以来总体上经历了古亚洲洋、蒙古-鄂霍茨克洋和古太平洋板块等三大构造域的地质演化事件^[15-18]。其特殊的构造背景与形成演化过程吸引着国内外众多地质学家们开展相关研究，并针对地块起源^[19-20]、地块缝合位置^{[15, 21-23]}、地块缝合时间^{[22, 24-26]}以及古亚洲洋俯冲极性^[27-28]等取得众多研究成果。其中，关于古亚洲洋消亡的方式历来争议颇多：一种观点认为，古亚洲洋沿着黑河-贺根山缝合带消亡^[29-32]；另一种观点认为，华北板块和西伯利亚板块沿着西拉木伦缝合带拼合，使其成为古亚洲洋消亡的最终缝合带^{[15, 22-23, 25, 33-34]}。显然，不同观点认识提出了不同的大地构造格局，影响着东北亚地区地质演化的研究。

本文选用横过中亚造山带东段(奈曼旗-东乌珠穆沁旗)的深地震反射剖面中24个大炮资料和2个中炮资料，经过预处理、静校正、噪音压制、振幅补偿和动校正等方法的数据处理，得到全测线大炮单次剖面，精细揭示了下地壳结构、Moho深度与横向变化特征。研究成果有助于识别古大洋板块俯冲的方式，为重建古亚洲洋消亡极性与增生造山深部过程，特别是上述争议问题的解决提供重要的证据。

为了更好地揭示中亚造山带东段古亚洲洋的演化，2016年与2018年中国地质科学院地质研究所跨越中亚造山带东段西拉木伦缝合带和贺根山缝合带，完成了2条深地震反射剖面，2条剖面首尾衔接。测线南北端经纬度分别为：121.0°E，42.9°N；117.7°E，45.6°N。剖面满覆盖长度达400 km(图 1)。

构造背景据文献[35]。 图 1 研究区测线及大炮位置图 Fig. 1 Map of the location of profile and large dynamite shots in the study area

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野外观测采用法国SERCEL公司生产的428XL仪器，800~1 000道接收，道距50 m，覆盖次数为100次。采用爆破炸药震源，深井激发。为了获取全地壳及岩石圈地幔的有效信息，采取多尺度药量的小、中、大炮组合激发，浅、中、深层兼顾原则进行数据采集。采集参数表(表 1)显示，大炮比中小炮具有更大的药量和更长的接收排列，有利于获取下地壳及更深部信息。

深地震反射剖面方法由石油地震勘探方法发展而来，二者基本原理相同，但在激发条件、激发能量、探测深度以及偏移距长度等方面存在较大差异，深地震反射剖面方法相比于常规石油地震勘探方法在数据处理方面既有继承又有特色。二者虽然计算原理类似，但由于处理目标不同，分析思路也各异。深地震反射剖面大炮数据处理的原则是在保持数据资料真实性的前提下，提高深部资料的信噪比。在原始资料分析的基础上，对大炮单炮数据进行必要的、无过多修饰性的处理，快速获取大炮单次剖面，得到沿线深部结构框架。未经叠加和修饰处理得到的单次剖面为深部构造的研究提供更加真实可靠的信息，也为中浅层处理提供约束。

为了使沿测线深部单次覆盖完整，本研究选取剖面上24个深地震反射大炮(200、480、2 000 kg)和2个中炮(96 kg)一并进行有针对性的数据处理，以期获取研究区高信噪比的下地壳、Moho反射信息。由于野外放炮条件限制，采集时个别单炮的位置会进行适应性调整，炮点沿测线的位置见图 1。

本研究剖面长，地质地貌变化大。北部的2018年测线以波状高平原沉积和低山丘陵花岗岩相间分布，中部地处大兴安岭南段以山地为主，间歇出露后造山岩浆活动。南部的2016年测线地势相对较平，沉积岩覆盖。激发条件的变化影响着原始单炮资料的质量，尤其对资料的信噪比影响较大。考虑到深反射剖面这些特点，本文对不同位置的每个大炮采用了相适应的处理方法与参数。本研究处理流程及主要参数详见表 2。

与石油地震不同的是，大炮单次剖面为了保持数据的真实性，没有将数据在CDP道集中进行同向叠加。因此，只进行了校正地形起伏影响的长波长静校正，没有做石油地震上有利于实现CDP道集上同向叠加而进行的高频静校正。这不仅不影响有效波波组的判断，而且使单次剖面更加真实。

进行长波长静校正时，分别用高程静校正法和层析静校正法进行测试。以炮点桩号4323的大炮为例，图 2a为大炮原始单炮记录，初至波明显存在抖动现象，反射波组也存在不光滑现象，静校正问题较为明显。图 2b、c分别为高程静校正和层析静校正的结果。通过对比发现，层析静校正单炮上初至光滑，反射同相轴连续性更好。因此，全测线统一选用层析静校正。

a. 原始单炮记录；b. 高程静校正结果；c. 层析静校正结果。红框圈定初至波，黄框圈定反射波。 图 2 静校正前后对比 Fig. 2 Comparison before and after static correction

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深反射资料的特点是深部面波、线性干扰波影响大，如何在保护低频有效信号情况下压制低频面波和高频线性干扰波是提高深部资料信噪比的关键。从整个研究区的单炮记录来看，干扰波主要存在面波、线性干扰波、工业电干扰以及各种异常振幅噪音等(图 3a)，影响有效信息拾取。面波能量强、分布于近偏移距的范围内，采用乱序随机噪音压制的方法衰减面波干扰。线性干扰波频率高、范围宽，与有效波频率相近; 但线性干扰波具有恒定的速度，可以根据有效波和线性干扰波的能量与速度差异使用减去法对其进行压制。工业电干扰具有恒定的频率(50 Hz)，可以考虑用单频波衰减的方法对其进行压制。压制其他随机噪音的主体思路是利用异常振幅衰减方法分频、分时窗地在共炮点域不同门槛值范围内对其能量进行压制，至有效波振幅水平，以便于后续处理。

a.原始单炮; b.静校正及纵向振幅补偿后的单炮; c.压制噪音及横向振幅补偿后的单炮; d.动校正后的单炮。上、中、下图药量分别为200, 480, 2 000 kg。 图 3 典型大炮单炮处理过程示意图 Fig. 3 Diagrams of typical single large dynamite shot processing

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压制噪音之前先进行纵向上的振幅补偿，在此采用时间指数函数增益的方法。由于大炮探测深度大，根据本剖面特点，通过实验，确定增益因子为1.5。纵向振幅补偿后，浅、中、深层能量达到了均衡，深部无论有效波还是干扰波都得以追踪(图 3b)。

由于本次剖面较长，炮与炮间隔较远，若选用石油地震处理中常用的地表一致性振幅补偿则无法达到较好的横向振幅补偿效果。此剖面处理时采用自动增益控制的方法，为地震道增加一个滑动窗自动增益控制，将每一个滑动窗内的振幅增益或减小到平均水平，达到空间能量均衡的目的，保证了单次剖面上炮与炮之间能量的一致性与同相轴连续可追性(图 3c)。

动校正的目的是校正由于炮检距不同而造成的走时差，直观地就是将反射双曲线校正为直线。本剖面处理时针对大炮资料近垂直反射的特点，专门进行了长偏移距剖面的动校正，在大炮单炮上通过曲线拟合法提取深部速度，并参考中小炮处理的速度选取浅层速度，使每炮动校正处理速度选取更为合适。炮检距较大时，动校正会产生拉伸作用，引起远炮检距浅部波形发生畸变，使同相轴趋于低频，应选择合理参数对其切除(图 3d)。经过动校正处理后获得大炮单炮剖面数据集，把每炮剖面数据按空间位置进行横向排列，重复的道集数据进行取舍，得到全测线的大炮单次剖面(图 4)。

图 4 大炮单次剖面(上)及初步解释(下) Fig. 4 Large dynamite shots single profile (up) and preliminary interpretation (down)

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大炮单次剖面(图 4)的纵向坐标为反射波双程走时，单位为s，纵向深度表示到20 s(约60 km，按地壳平均速度6.00 km/s估算)。横向坐标为炮点桩号及距离，横向长度约450 km。剖面纵横比近似为1∶1。

从剖面上可以看出，地震波组特征明显，下地壳结构清晰。Moho深度位于双程走时12 s左右，约36 km深处，近于平坦展布，两侧盆地略浅，剖面中部局部略深，横向可以连续追踪。

下地壳结构呈现出南北对称的双向倾斜结构，即剖面南边(炮点桩号2468-4323区间)的下地壳(6 s以下)呈现出总体向南部倾斜的连续反射，剖面北边(炮点桩号5489-10470区间)的下地壳总体向北部倾斜，有些下地壳反射穿过Moho到达上地幔顶部，如西拉木伦缝合带和贺根山缝合带下方。在剖面中段的下地壳多处出现块状弧状反射体(如炮点桩号2468-4896，4986-5489, 以及5942-7936下方)，反射体底部较平，顶部上拱。

深地震反射剖面大炮单次剖面切开了地壳和岩石圈地幔顶部，呈现出下地壳和岩石圈地幔顶部的精细几何结构。如何认识大炮单次剖面呈现出的地壳结构几何特征，尤其是下地壳连续倾斜的反射特征？全球2个实例为我们提供了解释依据。加拿大岩石圈探测计划(Lithoprobe)发表的，以深地震反射剖面方法为基础编制的横过北美大陆岩石圈地学断面^[36]，揭示了一个重要的事实，即下地壳倾斜反射记录了早期板块俯冲的极性。横过雅鲁藏布江缝合带的深地震反射剖面^{[8, 37]}揭示，伴随印度板块向北俯冲，印度下地壳也向北倾斜俯冲，穿越Moho进入了地幔。

根据前人对北美地区揭露古老板块的反射结构以及较新的印度板块与亚洲板块碰撞俯冲行为的反射结构，结合中亚造山带中段地区已有的地质构造观测成果^{[16, 32]}，我们有理由认为，在西拉木伦缝合带和贺根山缝合带下地壳倾斜的连续反射，应为古亚洲洋板块消亡的遗迹。因而，下地壳南倾和北倾的连续反射记录了古亚洲洋板块向南和向北消亡的痕迹，两者共同构成了双向俯冲。上述下地壳连续的倾斜反射特征表明，古亚洲洋板块消亡的方式是南北双向的俯冲，贺根山缝合带与西拉木伦缝合带是古亚洲洋板块消亡的双缝合带，但是可能不是同时发生，向北俯冲的规模要大一些。

反射剖面中段两条缝合带之间的几处块状弧状反射体可能是洋内残余微陆块拼接形成，在板块汇聚过程中遭受了挤压，基底的顶部发生上拱形变和构造叠置。

Moho位于双程走时12 s附近，近于水平展布，相对平缓的Moho为后期伸展作用均衡的结果，这应与中亚造山带东段中生代以来的造山后伸展作用密切相关^{[21-22, 35]}。

本研究对横过中亚造山带东段(奈曼旗-东乌珠穆沁旗)的深地震反射剖面大炮资料的数据处理，得到反映中亚造山带东段下地壳及Moho精细结构的大炮单次剖面，初步认识如下：

1) 大炮资料信噪比高，抗干扰能力强，未经过多修饰性处理的大炮单次剖面就可以真实地反映下地壳及Moho的构造格架。同时可以对中、浅层的处理进行约束。

2) 大炮资料处理应尽可能保持数据真实性。通过多次对比试验，根据本剖面的实际特点，选择合理的处理方法与处理参数。本文选取适合研究区的静校正方法，从能量、频率和速度等多角度去噪，测试多种振幅补偿的方法，进行了动校正处理。按每炮空间位置进行横向排列与数据取舍得到全测线大炮单次剖面，相比于叠加剖面保留了有效的单炮地震信息，结果更加真实。

3) 大炮数据单次剖面，揭露出中亚造山带东段下地壳及Moho的精细结构，刻画了古亚洲洋消亡与中亚造山带增生造山的深部过程：古亚洲洋板块消亡的方式是南北双向的俯冲，西拉木伦缝合带与贺根山缝合带是古亚洲洋消亡的双向缝合带，西拉木伦缝合带下方古亚洲洋板块以向南消亡为主，而贺根山缝合带下方古亚洲洋板块以向北消亡为主。在两条缝合带之间下地壳呈现出几处大规模的块状弧状反射体，推测是大洋中的残余微地块后期拼合体。Moho位于双程走时12 s附近，近于水平展布。相对平缓的Moho记录了地壳的后期伸展，这可能与中亚造山带东段出现的造山后伸展作用有关。

致谢: 吉林大学周建波教授、张兴洲教授在成文过程中给予了宝贵建议，本研究野外采集工作由中石化地球物理公司华东分公司完成，特此致谢。