基于多次覆盖技术的近垂直深地震反射方法是探测研究地壳精细结构和构造的有效手段.当由于地形地物、近地表条件等诸多因素的限制，难以在剖面上实施大量的地震波激发时，多次覆盖技术的应用就会受到限制.一些学者根据反射波地震勘探的特点，在一些无法实施多次覆盖技术的地区，采用大能量地震波激发、短接收剖面和单次覆盖深地震反射方法，探测研究地壳深部结构取得了好的效果^[1~3].如：Klemperer等^[1](1986)采用单次覆盖深地震反射技术获得了内达华州深达莫霍面的地壳结构图像.Fuis等^[2](1995)采用100 m 的道间距和8km 的炮间距，获得了双程到时12s以上的单次覆盖反射数据，揭示了加雷克斯和北极阿拉斯加地壳尺度的地下结构和构造图像.Kawamura 等^[3](2003)在日本东部的中央构造线上，利用12km 长的剖面、50 m 的道间距和位于测线两端的2 个炮点，以单次覆盖记录模式，揭示了日本东部中央构造线的地壳深部结构，并获得了清楚的莫霍面反射信息.这些实例表明，在一些难以实施多次覆盖深地震反射剖面探测的地区，单次覆盖反射方法也可用于地壳深部结构和构造的探测.

2006年，作者在1679 年三河—平谷8.0 级地震区完成了1 条长度24km 的单次覆盖反射试验剖面.该项试验采用30m 的道间距和炮间距12km的3个炮点，获得了非常清楚的莫霍面反射图像和该区地壳结构的基本特征，发现了错断上、下地壳分界面和莫霍面的深断裂.考虑到单次覆盖深地震反射方法难以对剖面浅部的地下结构和构造进行成像，试验中还采用浅层地震P 波和SH 波多次覆盖反射方法以及初至波层析成像技术，对研究区的近地表结构和构造进行了研究，从而取得了研究区近地表断裂的交切关系、断裂活动性以及深、浅构造特征.研究结果不仅可进一步加深对该区地壳结构和断裂活动性的认识，而且，研究中所采用的方法技术对类似地区的深、浅构造探测也有借鉴意义.

三河—平谷8.0级大震区位于北京东部华北沉降带与燕山隆起区相交会的平原区(图 1).在地质构造单元上位于华北裂陷盆地东北端与北西向张家口—蓬莱断裂带的复合、交会部位，是新构造运动强烈的地区^[4].新构造时期以来，在区域伸展构造环境的影响和作用下，区内断裂相应产生了不同规模的引张正断(层)活动，即在两条或两条以上断裂的联合控制作用下，发育了一些不对称的地堑式构造沉积盆地.这些盆地往往是一侧的主边界断裂一直持续活动到第四纪晚期，从而造成盆地沉积中心偏于主控边界活动断裂一侧，盆地形态类似箕形.第四纪地层在研究区有广泛的分布，且受断裂构造控制十分明显.区内第四纪沉积层厚度一般为300~400m，而在夏垫断裂东侧的大厂盆地内，其厚度达600~700m^[5].

研究区的断裂分布为以NNE 至NE 向的断裂为主和部分NWW 向的断裂，NWW 向的断裂主要有南口—孙河断裂和二十里长山断裂带，NE 向断裂主要有小汤山—东北旺断裂、黄庄—高丽营断裂、顺义—良乡断裂、通县—南苑断裂和夏垫断裂.其中，夏垫断裂为研究区内规模较大的一条第四纪活动断裂，已有研究表明，夏垫断裂两侧第四纪下更新统夏垫组的垂直位移达319 m，中更新统翟里组的垂直位移达139 m，上更新统军营组垂直位移达15m^[6];1679年的三河—平谷8.0级地震是夏垫断裂最新一次地表破裂型地震事件，在地表形成了一条西起东柳河屯、经夏垫镇北、东止东兴庄，长约10km的地震断层陡坎^{[7, 8]}.

本项研究的单次覆盖深地震反射试验剖面横跨NE 向的夏垫断裂布设，剖面方向为NW-SE 向，其NW 端点位于高楼乡孤山营，东南端点位于皇庄镇，剖面长度为24km(图 1中的TEST).浅层地震P波和SH 波反射剖面横跨三河—平谷地震断层陡坎布设，其长度分别为10km 和1.1km(图 1中的PP和SH).

图 1

Fig. 1

图 1 研究区地质构造和地震反射剖面位置 ①延庆一怀来盆地北缘断裂；②南口山前断裂；③南口一孙河断裂；④小汤山一东北旺断裂；⑤黄庄一髙丽营断裂；⑥顺义一良乡断裂；⑦通县一南苑断裂；⑧夏垫断裂；⑨香河断裂；⑩宝坻断裂. Fig. 1 Geological features and location of seismic reflection profiles in research region ① North marginal fautt of Yanqing-IIuailai basin；② Frontal fault of Nankou mountain；③ Nankou-Sunhe fault；④ Xiaotangshan-Dongbeiwang fault；⑤ Iluangzhuang-Gaoliying fault；⑥ Shunyi-Liangxiang fault；⑦ Tongxian-Nanyuan fault；⑧ Xiadian fault；⑨ Xianghe fault；⑩ Baodi fault.

为获得不同尺度、不同精度要求的探测资料，本项研究的深、浅地震剖面探测采用了不同的方法技术与探测参数(见表 1).深地震反射剖面的观测系统采用了非常规设计，在24km 长的剖面上，我们设计了3个炮点(图 1中的S1、S2、S3)和801 个道间距为30m 的接收点，以获得来自地壳内部的深反射数据.

表 1(Table 1)

表 1 浅地震剖面观测系统参数 Table 1 Spread geometry of the deep and shallow seismic profiles

表 1 浅地震剖面观测系统参数 Table 1 Spread geometry of the deep and shallow seismic profiles

采用单次覆盖反射方法探测地壳深部结构和构造，关键是在获得的单炮地震记录上能可靠地识别来自地壳深部的有效反射信息.为此，我们在现场地震波激发和接收试验的基础上，采用了深孔(50m)、大药量(150kg)激发方式.为尽可能避免外界干扰对单炮记录信噪比的影响，数据采集时采取了挖坑埋置检波器和深夜进行地震波激发和接收的措施，从而保证了高信噪比地震记录的取得.图 2 给出了获得的共炮点地震记录.为压制干扰、突出来自地壳深处的界面反射，绘图时采用了4.0s的AGC(自动增益控制)时窗和10~75Hz的带通滤波.可以看到，3炮地震记录都有很好的质量，来自地壳深处的反射波组T_C、T_M 和初至折射波均非常清楚，这为剖面浅部的速度结构成像和深部反射界面成像提供了良好的前提.

已有研究表明，夏垫断裂是研究区内一条重要的第四纪隐伏活动断裂^[4~8].为了获得该断裂的近地表构造图像，以便分析研究断裂活动性和深、浅构造关系，在浅层地震剖面探测时，分别采用了浅层地震P波和SH 波反射方法以及多次覆盖观测系统.

本项研究的深、浅地震反射资料处理采用FOCUS地震反射处理系统.其数据处理方法主要包括，时变带通滤波、二维倾角滤波、时变谱白化、正常时差校正(NMO)、共中心点(CMP)叠加、剩余静校正和叠后剖面去噪等.

地震波速度对获得良好的反射剖面图像至关重要.我们知道，基于CMP 道集的速度分析方法不适用于共炮点道集，因此，利用仅有的3炮地震记录难以得到可用的NMO 速度.在对本项研究的深地震反射资料进行动校正时，使用了与本剖面近于重合的深地震宽角反射/折射剖面速度资料^{[9, 10]}.而对浅层地震反射资料进行动校正时，使用了速度扫描和速度谱分析方法得到的速度.

观察图 2 的共炮点地震记录可以发现，在TWT3.0s以浅的远炮点记录道上，几乎没有可用的有效反射.显然，仅利用获得的3炮地震记录是不能对剖面浅部的地下结构和构造进行分析和解释的.为了获得剖面浅部的速度结构和构造轮廓，我们利用3炮地震记录上的初至波信息，采用基于非线性折射波旅行时算法^[11]的层析成像软件(GeogigaDW Tomo)，反演得到了剖面浅部的速度结构分布.其数据处理流程主要包括初至波到时拾取、初始速度模型建立、多次迭代反演、显示反演的速度结构图像、层析质量控制、改进拾取的初至波到时、多次迭代反演.

图 2

Fig. 2

图 2 深地震反射共炮点地震记录 Fig. 2 The common-shot gathers of deep seismic reflection

图 3给出了4次和10次迭代的初至波走时拟合结果以及初至波射线路径图.由图 3a和图 3b可以看到，层析成像方法在迭代的早期，趋于更精确地拟合近炮点的走时数据，而在反演的后期，使得大炮检距的初至波走时有较好的拟合.对本次试验的初至波到时经过10次迭代之后，反演模型的理论走时曲线与实际的初至波走时曲线拟合较好，此时的反演模型作为最终结果.在图 3c的初至波射线路径图上，初至波射线的最大穿透深度约为3200m，为了模型计算和结果显示的需要，定义初始模型的最大深度为4000m.由于测线上的炮数较少，射线的分布很不均匀，在S1和S3炮点、S2 和S3 炮点之间，射线较为密集；而在炮点附近，射线相对稀疏.

图 3

Fig. 3

图 3 初至波观测走时（红线）和计算走时（蓝线）拟合结果以及射线路径图 Fig. 3 Fitting result between the observed travel-time (red line) and the calculated travel-time (blue line) as well as the ray path

图 4为本项研究获得的剖面浅部速度结构和单次覆盖深地震反射剖面图.该结果较清楚地显示出了三河—平谷地震区的地下结构和构造情况.从初至波层析成像结果(图 4a)可以看出，研究区的浅部结构是非常复杂的，速度结构总体呈现出明显的纵向分层和横向分块特征，且各层具有不同的速度梯度结构.近地表层的速度横向变化较为平缓，深度400~500m 以下，速度的变化较为强烈，且在横向上具有高、低速相间的速度分布特点.

图 4

Fig. 4

图 4 初至波成像速度结构（a)和单次覆盖反射剖面（b) Fig. 4 Velocity structure obtained by first arrival wave tomographic imaging (a) and single-fold reflection section (b)

单次覆盖深地震反射剖面(图 4b)揭示了研究区地壳结构的基本特征.由图可以看出，在TWT2s以下，从剖面上可看到三组反射特征较为清楚的反射波T_g、T_C 和T_M ，其中，反射波T_g 被解释为来自结晶基底的一组反射，该反射波在剖面上起伏变化较大，横向上可被连续追踪.剖面桩号7~8km 左右，基底面被断裂切割，地层显得比较破碎.根据T_g反射波的到时和该界面以上的地震波平均速度，得到通县隆起上的基底埋深为4.5km，大厂盆地内其深度约为7~8km，这与本区深地震反射剖面和宽角反射/折射剖面揭示的基底形态和埋深相吻合^{[9, 12]}.上、下地壳分界面反射波T_C 出现在TWT7s左右，其埋深约20~21km.已有研究表明^{[13, 14]}，上、下地壳分界面在华北地区的地壳结构中是一个具有普遍意义的反射界面，有着特定的地质含义，它将脆性的上地壳与相对塑性的下地壳区分开来，并在上、下地壳之间起着传递形变和解耦的作用.剖面揭示的壳幔过渡带反射T_M 表现为一套小尺度的、彼此近于平行的反射段所组成的叠层反射结构，它在剖面上约在TWT10s左右开始出现，对应顶界面深度约为31~32km;壳幔过渡带在纵向上的持续时间约为1~1.2s，对应壳幔过渡带厚度约3~3.6km，其底界对应于莫霍面的位置，其深度约为34~35km.壳幔过渡带反射在剖面上比较清晰，横向上可被连续追踪，在三河—平谷地震区的下方，壳幔过渡带反射波的能量明显变弱，且两侧的界面产状和反射特征明显不同.

夏垫断裂F1 位于单次覆盖深地震反射剖面桩号7km 左右，在剖面浅部的速度结构图上，该断裂为高速隆起区和低速凹陷区的分界.在单次覆盖反射剖面上，该断裂在TWT3.0s(深约4.5~5km)左右，切割了基底面反射波T_g，向下延伸至TWT6.0~6.5s(深约18~20km)左右.剖面桩号6~9km 之间，可以看到上、下地壳分界面反射T_C 和壳幔过渡带反射T_M 的反射能量明显减弱，在该区间内没有较明显的、横向可被连续追踪的反射波同相轴.另外，在弱反射区的两侧，反射波T_C 和T_M 的产状、埋深以及下地壳反射性质也有明显不同，在弱反射区的NW 侧，反射波T_C 和T_M 在剖面上向东倾伏；而在弱反射区的SE 侧，所有的下地壳反射均向NW倾，而且，T_C 和T_M 的埋深也明显比NW 侧要深，表明弱反射区两侧的上下地壳分界面和Moho面存在着垂直落差.上述现象表明，在相应位置处应存在有一条切割上、下地壳分界和莫霍面的深断裂，该深断裂向上可能延伸至上地壳，并可能与剖面浅部的夏垫断裂相联系.单次覆盖反射剖面所揭示的地壳深部结构和构造特征，与本区已有的多次覆盖深地震反射剖面结果^[12]有着较好的一致性.

从单次覆盖深地震反射剖面(图 4b)尽管可以看到研究区的地壳结构和深部构造形态，但在TWT2.0s以浅的部分，却没能获得可用的有效反射信息.为了获得剖面浅部的地质结构和断裂的近地表构造图像，在单次覆盖反射试验剖面桩号3.2~13.2km 之间，完成了1条长度10km 的浅层地震P波反射剖面.

图 5为获得的浅层P 波反射叠加时间剖面图.由图可以看出，测线经过地段的浅部地层界面反射波非常丰富.根据本区地质和钻孔资料^{[5, 6]}，把T_Q1反射波解释为第四纪覆盖层的底界，它在断层下盘的埋深为370m;而断裂上盘的埋深为699m.反射波T_N、T_E 和T_Mz分别解释为来自新近纪、古近纪和中生代的底界面反射.

图 5

Fig. 5

图 5 跨夏垫断裂的浅层P波地震反射叠加时间剖面 Fig. 5 Stacked time section of shallow seismic P wave reflection across Xiadian fautt

浅层地震P 波反射剖面揭示的断裂构造特征非常清楚.在剖面桩号约6750m 左右，从剖面上可看到有2条倾向SE 的断裂存在，即剖面上的F1 和F₂.这2条断裂错断了剖面上所有的地层界面反射波，并以不同的倾角向剖面深处延伸.由特征来看，断裂F₁ 与单次覆盖深地震反射剖面揭示的断裂F1应为同一条断裂，向下可能与错断上下地壳分界面和莫霍面的地壳深断裂相连，向上延伸至近地表.断裂F₂ 在剖面浅部被断裂F₁ 所截，表明早期形成的缓倾角的铲形正断层F₂ 现今可能已停止活动，并被较新的陡倾角断裂F1 所替代.那么，断裂F₁ 和F₂在剖面浅部是怎样交切的?其活动性又如何呢?显然，从图 5的浅层地震P波反射剖面上还无法得知.

为了获得断裂F₁ 和F₂ 的近地表特征、断裂交切关系及其活动性，与浅层地震P 波反射剖面重合，跨断裂又完成了一条长度1100m 的浅层SH 波反射剖面.图 6为获得的浅层SH 波反射叠加时间剖面图.可以看到，该剖面所揭示的第四纪地层反射、界面起伏变化形态、断裂构造特征及其交切关系均非常清楚.根据夏垫断裂上升盘的夏4^# 钻孔资料^[6]和获得的剖面横波平均速度，把剖面上的T_Q3反射波解释为晚更新世的底界，反射波T_Q1解释为第四纪覆盖层的底界.

图 6

Fig. 6

图 6 跨夏垫断裂的浅层SH波地震反射叠加时间剖面 Fig. 6 Stacked time section of shallow seismic SH wave reflection across Xiadian fault

浅层地震SH 波反射剖面揭示的断裂F₁ 位于该剖面桩号约550m 处，其位置与地表的断层陡坎相对应.断裂F1 错断了剖面上的所有反射同相轴，且随着深度的增加，其断距逐渐增大.深度6~8 m左右(T₀ 反射面)，其断距约为1~2m;深度45m左右(TQ3反射面)，断距约为10~12 m;至深度约340~350 m 左右(TQ1 反射面)，推测其断距大于100m，显示出该断层具有明显的生长断层特征.断层F₂ 在剖面上的特征也非常清楚，但倾角相对较缓，大约在深度180~190m 左右被断层F1 错截，向下以铲形正断层方式向剖面深处延伸.

为进一步确定断裂F1 的位置及其活动性，跨断裂F₁ 完成了1条长度80m 的钻孔联合探测剖面1).该剖面由8个深度50~60m、间距4~80m 的钻孔组成.钻孔联合地质剖面揭示，全新统底界和上更新统底界均出现错断，其他一些标志明显的地层也发生有垂直位错.其中，全新统底界的垂直位移是1.5m，上更新统底界的垂直位错为12m.在上更新统内部，淤泥层的垂直位错为4.5m，灰黄色地层与灰黑色地层的界限垂直位错为6 m.反映出该断裂自上而下垂直位移量增加的趋势，其活动时代为全新世.

本次在三河—平谷8.0级地震区进行的单次覆盖深地震反射试验是成功的.研究中采用单次覆盖深地震反射方法，获得了三河—平谷8.0级地震区的地壳深部结构；利用浅层地震P 波反射和初至波层析成像方法得到了剖面浅部的速度结构分布及断裂特征，从而把研究区的深、浅部结构联系到了一起.跨夏垫断裂的高分辨率浅层SH 波反射剖面结果与跨断裂的钻孔联合探测剖面结果也取得了较好的一致性.结果表明，夏垫断裂为全新世活动断层，该断层在上更新统底界的垂直位错约为12m，全新统底界的垂直位错为1.5m.

综合本次探测结果和已有研究资料^{[4, 5, 7, 9, 12, 15]}分析，认为陡倾角的夏垫断裂F1 为大厂第四纪隐伏盆地和通县隆起的边界断裂，是1679年三河—平谷8.0级地震的地震断层，属新构造变动的产物.该断裂在剖面上以较陡的倾角向下延伸，并切割了缓倾角的断裂F₂ 和结晶基底，大约在深度20~21km的上、下地壳分界面附近，逐渐转换为一个具有一定宽度的反射能量突变带，并向下延伸至莫霍面.这种深、浅共存的断裂构造体系是控制该区地震孕育和发生的重要因素，也是三河—平谷8.0级地震的深、浅构造背景.

本项研究表明，在无法实施多次覆盖深地震反射剖面探测的地区，单次覆盖反射方法作为一种辅助手段，可用来刻画研究区的地壳深部结构和构造.但由于该方法无法采用CMP 多次叠加技术压制干扰波，因此，该方法的有效应用必须以获得高信噪比的原始单炮地震记录为前提，而且，为保证足够的横向分辨率，探测时还需要使用足够小的空间采样间隔.图 7给出了对图 4的单次覆盖反射剖面每10道抽取1道的显示结果(TWT6s以下的部分)，对比图 4可以发现，当空间采样间隔增大到300m 时，将不能可靠分辨主要的深层反射.

图 7

Fig. 7

图 7 道间距300 m的单次覆盖反射剖面 Fig. 7 Single-fold reflection section corresponding to 300m station interval

“密集点距、稀疏炮距"单次覆盖地震反射方法的应用在很大程度上依赖于研究区的工作环境、近地表条件和深部结构.当外界干扰噪声较小、激发和接收条件较好时，采用单次覆盖反射方法对地壳深部结构进行成像具有方便、快捷、经济的特点.而当各种干扰波较为发育、地下构造复杂时，采用基于CMP多次覆盖技术的深地震反射方法是非常必要的.