“汶川地震断裂带科学钻探(WFSD)"是我国首次，也是世界上最快回应大地震并通过科学钻探研究地震断裂和地震机理的一项庞大的科学钻探计划^{[1， 2]}，对于揭示控制龙门山断裂带活动的关键因素，揭示5·12地震的成因具有重大意义.在WFSD科学钻探工程中，孔内观测固然是最主要的工作，但是孔区地球物理资料也不可或缺.国外科学钻探研究已明确了深部地质反射体标定的重要作用^[3~5]，而国内科学钻探CCSDP 孔区实施的反射地震调查^{[6， 7]}，则直接证明了反射地震方法可为深部构造和岩体的研究提供丰富且极具研究价值的地质信息；另一方面，围绕区域活断层几何形态和大地震机理研究的纵波反射地震探测，如台湾集集大地震等^{[8， 9]}，表明了应用反射法研究重大发震构造的方法有效性.

龙门山褶皱冲断带是世界上最陡峭的大陆断崖陡坡带之一，其地质演化过程、形成模式、强震发生机理等若干地学基本问题还存在很多争议，其中一个重要原因就是缺乏可靠、且有足够分辨率的表征深部结构的地球物理信息^[10~12].特别是在灌县-安县断裂带以西，限于恶劣的自然环境条件及复杂的深部地质构造，人工反射地震方法一直未能获得较可靠的反射地震资料.5·12 汶川地震大规模的破裂活动进一步恶化了地表条件^[13]，因而，如何在极端恶劣的地震地质条件下实施横穿龙门山的地震反射系列探测，采取什么样的观测方法提供丰富的反射体以供“汶川地震断裂带科学钻探(WFSD)"孔标定，如何实现龙门山断裂带深部岩体、高陡构造或者破碎带的清晰反射成像，并最终为揭示汶川地震主孕育断裂带浅、中、深部结构和构造属性提供可靠的地球物理学依据，是过科学钻WFSD-1孔二维反射地震观测方法研究需要重点回答的几个问题.

研究区位于龙门山中段都江堰和彭州市境内(图 1)，北西起自彭灌古褶带火成岩区，横穿前山逆掩推覆构造带，南东止于山前隐蔽带，三者分别为映秀-北川断裂带和灌县-安县断裂带所分隔.映秀断裂以西，松潘-甘孜褶皱带以东主要出露以岩浆岩为主的巨厚彭灌杂岩体^[14]；逆掩推覆构造带内出露的岩性多为石灰岩，地层垂向上可分为两大系统:三叠系须家河组地层和二叠系滑覆体组成的上部冲断系统(具有明显的地层重复现象)和泥盆系、石炭系、二叠系以及下三叠统地层构成的原地系统^[10].山前隐蔽带沉积了川西盆地典型的中生界白垩系至新元古界南华系地层.

图 1

Fig. 1

图 1 WFSD-1孔区地质及地震剖面位置图(据1:20万灌县幅地质图) Fig. 1 Geotectonic map and location of seismic reflection profiles around WFSD-1

WFSD-1孔区断裂构造以多个由西北向南东依次叠覆的逆冲、推覆和滑覆构造带为特征，并由映秀-北川断裂和彭灌断裂两大主要断裂带组成，总体上断面均呈犁形，倾向北西，但均不是单一断层，由一系列断裂组合成群，并且非平行向下延伸，多数学者认为地表陡倾，在地下一定深度上变缓，最终汇聚于不同的滑脱面上^{[15， 16]}.主断裂带附近往往形成很宽的构造破碎带，但映秀-北川断裂和灌县-安县断裂的构造岩类型又有明显不同，前者以韧性剪切变形为主，而后者则呈现脆性变化特点.断裂带附近地层往往褶皱变形强烈，紧闭的破背斜和断背斜发育；远离断裂带，褶皱构造相对完整、开阔.此外，地表还发育有懒板凳飞来峰^[17].与以上形成鲜明对比的是，山前隐蔽带及其以东地区构造相对简单，在研究区范围内以鸭子河半背斜和山前隐伏断裂为主，后者错断三叠纪、侏罗纪、白垩纪地层，并向下约8~10km 左右止于三叠系底部的膏岩滑脱层.

科学钻WFSD-1的成功实施，为映秀-北川断裂的反射地震探测提供了一个新的、理想且可靠的地球物理学依据.它于585.75 m 钻遇了映秀-北川主断裂界面，发现了超过20 m 的黑色断层泥和20余条产状不同、规模不等厚度达100余米的古地震断裂带^[2]，随后于693.37m 进入三叠系上统须家河组地层；根据WFSD-1 孔综合地球物理测井资料，彭灌杂岩纵波速度约5.0~5.5km/s, 断层泥、断裂破碎带岩石纵波速度多在3.2~3.4km/s, 且密度差异超过0.2g/cm³，其与上部杂岩体相比波阻抗明显降低，两者之间存在一个从地下深部一直延伸至地表的强反射界面，会形成强反射.而能否抓住这一特征，最终实现该阻抗界面的浅、中、深不同层次的高分辨率清晰地震成像对于研究映秀-北川断裂至关重要.另外，区内不同深度广泛分布有底砾岩、煤层、膏泥岩层、泥质岩与泥灰岩层等众多速度界面和构造滑脱面，这些沉积岩与非沉积岩间、沉积岩内部不同岩性地层、断裂带内破碎、充水岩石与相对完整岩石之间都可能存在可利用的波阻抗界面，均为反射地震探测的对象.

龙门山映秀-北川断裂以东地区的地震勘探经验和孔区的野外试验表明，研究区存在突出的低信噪比问题和复杂波场的成像现象^{[18， 19]}，表现在:(1)激发和接收条件的严重不一致性问题:震后地表岩石的严重破碎、裂隙发育，出露岩性复杂，包括坡积物、卵砾、火成岩、石灰岩、砂泥岩等，激发、接收条件的高度不一致性将导致炮集间、炮集内各道和不同时间的接收信号在能量、频率、相位、衰减特性等的显著差异；(2)静校正问题:地表高程、低降速带横向速度、厚度的变化等地球物理因素形成的相邻道间反射信号的静态时差，会导致野外单炮记录上反射波双曲线形态发生高度扭曲；(3)强干扰:人工及余震干扰、强面波、多次波、侧面反射等；(4)能量屏蔽问题:厚层火成岩与灰岩等高阻抗岩体、多期强逆冲推覆作用形成的上覆高速地层造成的下传能量弱及强屏蔽作用；(5)复杂异常波场问题:非层状介质的散射，复杂断块的断面反射、断点绕射，高陡地层等由赋存形态、构造发育程度和岩性变化等因素形成的复杂异常波场及其导致的深度和空间方向的分辨率问题.

对于以上问题，应该从地表和地下两个关键点入手解决:一方面可通过观测路线的科学设计和适宜的野外技术措施，降低静校正难度的同时尽可能提高原始数据的信噪比；另一方面可依据对地下地质结构的认识，建立地质地球物理模型并进行观测参数的全波场正演模拟计算，以增强反射地震法对复杂地质目标的分辨能力和成像的可靠性.近年来基于既定目标体的观测理论研究和实践也充分证明了这一方法的实用性^[20~23].

虽然从地震波理论出发，任何空间位置的激发和接收都可以提供与地球内部介质波速有关的信息^[6]，而且近年来地震处理和解释技术也有了长足的进步，但不可否认的是，在龙门山地区仍有一些反射信息不能被现有技术识别或可识别但无法利用.因而在保证安全的前提下，研究和实施切合研究区地震地质条件、现实的处理、解释技术水平以及研究目标的二维反射地震观测方法非常重要.

龙门山山前断褶带地形起伏激烈，地貌复杂、植被茂密.尤其是大地震后不久，地处核心破坏区的 WFSD-1孔区地表充斥着大量的滑塌体和碎石堆积，而且地形高陡处的浅表层岩体仍处于严重的失稳状态(图 2)，如沿袭传统直测线观测，必然经过龙门山大山段，炸药激发可能引起的局部甚至大面积岩体活动，对现场大量的施工人员和仪器设备造成极大的安全风险.另外，川西龙门山山前盆地石油勘探实践表明^[24]，龙门山出露火成岩和碳酸盐岩的大山段反射波场复杂，数据采集过程中存在的激发和接收问题以及后续资料处理中突出的静校正和速度分析等技术难题很难克服，因此，必须科学设计观测路线.

图 2

Fig. 2

图 2 高陡大山区的地表条件 Fig. 2 Complex surface condition in high-steep mountain

弯线观测法在我国黄土塬和西部山区等具有极低信噪比特点的地震勘探技术领域有广泛的应用.该方法的突出优点是可以改善激发和接收条件，从而提高观测原始数据的信噪比和反射成像的可靠性，缺点是会降低小幅局部构造的探测精度.对于 WFSD-1孔区反射地震探测来说，小幅构造不是重点，相对宏观、大尺度的地学目标调查才是核心，因而采集的关键问题还是信噪比.当信噪比不能保证时，即使资料频率再高、频带再宽也难以分辨地下构造^[24].所以，弯曲测线观测是非常必要的(图 3).

图 3

Fig. 3

图 3 WFSD-1孔区地表模形及测线位置 Fig. 3 Geomorphology model and seismic profile location

从技术和安全角度出发，在类似龙门山这样的复杂地区，实施震后二维地震测线的设计应重点考虑以下几个方面:

(1) 尽可能避开龙门山及前缘大山区，选择高程变化缓慢、含水性较好的沟谷地段；必须经过的局部危险区域，可在激发孔深、组合方式、药型药量等参数的充分野外试验基础上，结合浅表层岩性以及岩体的实际破坏情况，确定合理的安全规避距离并灵活变更测线位置；

(2) 选择第四系砂砾卵石覆盖层松散层、地震崩滑堆积物、河滩卵石不甚发育或厚度较小的地段；靠近有完整岩体局部或零星出露，激发、接收条件相对较好的区域；

(3) 由于震后地面建筑、交通大面积损毁，沟谷带灾后重建工作方兴未艾，测线设计应最大限度地远离人文干扰等强噪声源；

(4) 路线设计必须以WFSD-1 孔为中心，优先保证映秀-北川断裂地表出露位置以西核心区域(5km范围内)的有利激发接收条件，尽量满足孔区附近地下地质体可能形成的复杂波场信息的反射成像要求.

(5) 弯线角度应缓慢变化，最大允许拐角最好通过模拟正演计算来确定，并且测线方向尽可能与主断裂走向保持较大的交角.

本次探测的核心目标是表征WFSD-1 孔附近映秀-北川断裂带浅中深部结构特征的反射体，并提供该孔完钻深度以浅的高精度反射体以供研究.鉴于龙门山地区深部复杂的地层及地质结构，有必要从理论上，或者说完全解决了信噪比等问题的假设前提下，研究实现映秀-北川断裂带的浅、中、深部不同层次反射波成像的观测方法参数.为此，本次观测总结了前人对龙门山中段地层及构造样式提出的认识^{[25， 26]}，重点针对科学钻WFSD-1孔区附近映秀-北川断裂区(其他地区作了简化)建立了地震地质模型(图 4).利用全波场波动方程正演模拟方法，对主要影响研究区地震资料分辨率和信噪比的观测方式、覆盖次数、道距和最大炮检距等主要参数进行了理论计算和分析.

图 4

Fig. 4

图 4 WFSD-1孔区二维地震地质模型 ⓐ映秀一北川断裂带激发点；ⓑ飞来峰激发点；ⓒ山前隐蔽带激发点. Fig. 4 2D seismic-geology model around WFSD-1 ⓐ Shot point of Yingxiu-Beichuan fault； ⓑ Shot point of Lanbandeng klippe； ⓒ Shot point of concealed zone .

从映秀-北川断裂上盘、飞来峰顶部和逆掩断裂上盘不同位置激发、18km 全排列接收的单炮模拟记录上看(图 5)，反射波场在炮检距超过8km 以后，开始变得复杂，反之在炮检距为8km 之前，记录的波场相对简单(不考虑具体构造相对复杂程度).因而实际采集中最大炮检距应不大于8km, 以降低不必要的波场复杂性和提高单炮数据的信噪比.

图 5

Fig. 5

图 5 映秀一北川断裂带(a)、灌县一安县断裂带(b)、山前隐蔽带(c)模拟记录(18 km排列长度) Fig. 5 Simulated records of Yingxiu-Beichuan Faults(a) ，Guanxian-Anxian Faults(b) and concealed zone(c) (long array with 18 km)

在道距、最大炮检距一定的情况下，通过不同激发方式(中间、非对称、端点)、不同覆盖次数(20、30、40次)的正演模拟对比发现，在无外界噪声的情况下，40次覆盖的中间或非对称观测获得的剖面上，波组层次性强，成像清晰、构造单元之间的接触关系清楚，异常波和噪声水平低，剖面质量明显优于同样激发方式下的20次覆盖剖面和40次覆盖的端点激发剖面，尤其是浅部地质体的成像效果差异明显.

由于空间采样率的高低对于高陡构造的成像质量影响十分显著，对产状较缓的地层成像差异不大.因而还需要针对道距的影响(10、20、40 m)进行模拟分析.采样模拟结果表明，映秀-北川断裂面形成的反射波，因40 m 道距采样不足产生了严重的空间假频，且无法通过叠加和偏移手段去除，导致其在理论剖面上无法识别；20 m 道距的剖面稍好，而采用10m 道距后，明显提高了空间采样密度和剖面的横向分辨率，可实现对映秀-北川断裂浅中深部反射的清晰成像.

理论模拟计算分析得到的有益认识是，即使在不考虑野外激发和接收条件变化的情况下，或者说即使野外获得高信噪比、高分辨率原始单炮数据的条件下，如果观测方法和参数选择不合理，如接收道距，最大炮检距和覆盖次数等参数，也不会真实反映地震波场在复杂块状介质中传播情况，不可能得到龙门山高陡构造清晰的反射图像；同时也说明，采用中间或非对称观测方式，8km 的最大炮检距、10m空间采样和40次有效覆盖等参数的高密度空间采集方法，在理论上可以保证映秀-北川断裂浅、中、深不同层次地质体清晰成像.但是，即便考虑了地形变化的全波场正演，也无法完全模拟研究区尤其是映秀-北川断裂附近激发和接收条件的复杂变化特征.尤其是在覆盖次数等重点参数的选择上，还须充分进行野外试验，结合不同区域试验记录可达到的平均信噪比水平，在数据采集中进行相应的参数调整工作.在构造相对简单、岩层倾角较缓的地段可适当降低要求.

2009年4~6 月，在对研究区地表条件和低降速带结构作了充分调查和系统野外试验的基础上，综合考虑了数据采集、处理和解释等方面的影响因素，WFSD-1孔区二维地震使用900道ARIES遥测地震仪，历时两个月完成了长度为18.3km 的反射地震数据的采集工作.采用的基本观测参数为，激发:基岩，首选含水新鲜基岩中激发，井深16 m, 药量12~16kg；接收:10 m 道距，10 Hz低频检波器接收；仪器:采样间隔1 ms, 采样长度10s；观测系统:以映秀-北川断裂以东1000 m 的火烧山为界，西段的极低信噪比区域采用非对称800 道接收，50m炮点间距；而东段则采用非对称640 道接收，100m 炮点间距；设计最大覆盖次数分别为80 和32次.

WFSD-1孔区位于汶川地震核心破坏区，周围的危险地段和村庄等地表障碍物对于映秀-北川断裂带附近反射地震观测系统的属性和数据质量影响很大，因此有必要在上述基本观测方法和参数的基础上重点就该段进行精细的技术参数调整.在激发因素方面，应坚持采用深井大药量、分区分带逐点优化激发条件(岩性、岩石的完整性、含水性等)的方法，并优选成孔设备和成孔方式，重点保证原始单炮的信噪比；在观测参数方面，所有的具体技术措施均应突出针对映秀-北川断裂带的高密度、高强度的观测技术思路.如在WFSD-1孔附近800m 的有利激发区域内，通过加密炮点距的方法(50 m 调整至20~30m)，大大提高了该段剖面的覆盖次数，使得深部最大覆盖次数增至100次以上，WFSD-1先导孔终孔深度附近也达到了40次以上，切实保证该段剖面的有效观测.另外，二维地震野外施工中还要注意确保检波器埋设位置、埋置方法的正确性和高精度的测量，整个野外观测过程中还需辅以全面的质量监控手段，才可保证探测质量.

图 6为地震野外采集回放的原始数据记录(0~5s).从沟谷杂岩区(图 6a)、大山石灰岩区(图 6b)和侏罗系砂泥岩区(图 6c)激发的典型单炮记录上可以发现，虽然原始数据信噪比总体较低，但仍可肉眼识别清晰的地震反射.相对而言，映秀-北川断裂带上方杂岩区沟谷内激发的资料信噪比较高，可分辨局部、不连续的反射能量；测线东南端构造和地层条件良好，信噪比最高；而中部飞来峰所处的大山无水段，浅、中层地层产状变化剧烈，且地表多为破碎、裂隙、溶洞发育的厚层石灰岩，信噪比最低.总的来看，由于采用了科学的采集参数设计方法和优化措施，保证了原始资料的信噪比水平，为剖面成像奠定了较好的数据基础.

图 6

Fig. 6

图 6 不同区域的典型单炮数据(自动增益时窗500 ms, 滤波10-15-60-65) (a)杂岩区；(b)石灰岩区；(c)砂泥岩区. Fig. 6 Typical origin records of different area (AGC window 500 ms, filter 10-15-60-65) (a) Igneous rock area； (b) Limestone area； (c) Sand-shale rock area.

但不可否认的是，原始资料中除受强能量的面波、折射、侧面波及次生干扰外，人文背景干扰也比较明显.尤其是浅部反射波双曲线形态高度扭曲，其与各类干扰波混合在一起，难以区分；另外含水性，裂隙、溶洞、表层岩石破碎现象，坡积物、河道堆积、卵砾等地表激发、接收条件的高度不一致性，还导致了三个区域上炮集间、炮集内各道和不同时间上接收的信号表现出显著的能量、频率、相位、衰减等特征差异，必须通过后期资料处理工作来加以消除和改善.

地震数据处理过程中，除开展静校正、叠前去噪、大偏移距动校正、振幅处理以及不同偏移方法试验之外，速度分析研究工作尤其重要.需要通过大范围、多轮次针对目标的高密度速度扫描和分析，在全区速度控制的基础上对断裂带附近的速度结构进行精细的分析.这样，一方面可以明显地改善剖面的质量，另一方面还能够利用速度异常和稳定性等特征来辅助构造和地层的定性解释.事实上，本次处理在映秀-北川断裂带延伸范围内发现了明显的地层速度倒转现象，速度异常界面在时间轴上由西向东逐渐变浅，明显的变化范围为800ms~2s, 与WSFD-1孔所揭示的，映秀-北川断裂面下厚层断层泥、构造破碎带发育可能形成的低速异常特征相对应.另外由于研究区浅部岩石的岩性、波速不均匀，剩余静校正也是一项重要环节.

图 7为本次观测获得的初步处理剖面.根据1∶20万灌县幅地质图，CDP1063、1928 和2700 分别对应映秀-北川断裂、通济场断裂和关口断裂的地表出露位置，CDP1260-1760对应懒板凳飞来峰.图中还标示了WFSD-1孔在测线上的投影位置.该剖面直观地反映了包括映秀-北川、灌县-安县断裂带和山前隐蔽带在内，浅、中、深地质体和构造格架较清晰的地震反射.

图 7

Fig. 7

图 7 初步处理的叠后偏移剖面 Fig. 7 Post-stacking migration section after preliminary data processing

映秀-北川断裂带 对应CDP8-1100 剖面段.该段在1.2s以浅发育一套大角度倾斜的多相位强反射波组，从左侧一直延伸至CDP1063 附近，且越往浅部越陡，推断为彭灌杂岩体底界面的地震响应.从反射特征上看，基本上以该波组为界，上部反射体连续性极差，多呈蚯蚓状，极不规律，具有火成岩非层状介质反射的典型特征.界面下方反射波组则呈现出明显的层状介质特性；从地震波速度角度分析，界面上下的速度存在明显的倒转现象，上部成像速度大于5000m/s, 下部则在4000m/s以下，揭示了界面上下岩性的巨大差异；另外，根据WFSD-1钻孔资料和初步标定结果，钻孔所揭露的彭灌杂岩底界在剖面上的投影位置与该波组的发育时间吻合.综合以上三方面因素，按5000m/s的速度推算，测线上彭灌杂岩体的最大厚度仅约3km 左右.另外一个发现是，在该段剖面上，不仅在1.4~1.6s、1.8~2.2s发育有两套明显向上拱起的反射波组，而且在3.3s、3.6~3.8s、4.4~4.6s附近也发育有多套缓倾角层状反射体，产状与浅部相比明显变缓，与火成岩或岩浆岩的反射特征迥异.但这些波组反映的是沉积岩系还是变质岩系，分属哪个年代等还有待研究和确认.

灌县-安县断裂带 灌县-安县断裂带在本区的东部边界为关口断裂，其两侧反射波呈现显著的突变特征，东侧反射波组平缓，构造简单；而西侧地震剖面则呈空白或杂乱反射，从图 7 剖面上难以确定其浅部地层的准确构造样式；但在1.8s时间以下，反射波相对连续稳定.因而，灌县-安县断裂带地层垂向上具有明显的双层反射结构，以三叠系中统雷口坡组地层为界，上部为叠瓦状冲断系统，地层多次重复，下部为原地系统，构造平缓.有研究者将关口断裂的形成归结为深部构造三角楔插入过程中顶部反向逆冲断层上盘地层褶皱诱发而成的褶皱调节断层^[25]，从而导致其东部地层的弱应变特性.但是龙门山中段地层沉降隆升史^[27]和构造演化史的研究^{[10， 11]}表明，燕山期龙门山山前存在一个明显的伸展沉降期.因而不排除以下可能性:即在燕山期内，以关口断裂为界，扬子板块向西的俯冲作用，使灌县-安县断裂带在三叠系中统雷口坡组膏岩层滑脱面以上，形成一系列短期断坳，从而为喜山期强烈隆升推覆、须家河组二、三段地层的多次复重、构造变形以及飞来峰滑覆体的形成提供了空间，最终使关口断裂在研究区成为龙门山中段强烈隆升和推覆作用的边界.

龙门山山前隐蔽带 地表对应CDP 大于2600的剖面段，剖面上白垩系及以下各组地震反射特征清楚，横向稳定，最深的反射体可达5s以下.根据剖面成果还可以确定，龙门山山前隐蔽带的边界断裂彭县隐伏断裂以西还发育有一条规模较大的隐伏断裂构造.

反射地震剖面为下一步的地学研究工作提供了较为丰富和可靠的地球物理依据，同时也提出了一些新问题，尤其是映秀-北川断裂带部分，尚待新证据的发现和更深入的研究.

(1) 在震后建筑、交通等人文环境遭受极大破坏，复杂的天气、陡峭地形和破裂、破碎、滑塌等极其复杂的工作环境和地质条件下，成功实施了WFSD工程首条二维反射地震探测；

(2) 以映秀-北川断裂带为重点目标，建立了 WFSD-1孔区地震地质模型，利用全波场波动方程进行了正演模拟计算和分析.结合野外试验成果，明确了以映秀-北川断裂带浅、中、深部复杂反射体探测为目标的高密度空间采样的观测方法.

(3) 通过方法实践，为龙门山区反射地震探测应采用的基本观测思路、方法参数和现场技术措施提供了参考依据.

(4) 首次获得了反映龙门山中段山前断褶带的清晰地震反射剖面，并发现了映秀-北川断裂带地表出露位置以西5km 范围内浅中深多层次的丰富反射体.初步推断彭灌杂岩厚度约3km；1.2s以下的中深部反射体明显具有层状沉积岩或变质岩的特征；灌县-安县断裂带地层呈明显的双层结构；山前隐蔽带沉积体系完整.

(5) 在孔区附近800m 范围内，采用了10m 道距，20~30m 炮点距的密集观测方法，为WFSD-1孔完钻深度以浅反射体的高精度标定提供了可靠的原始数据.

(6) 反射地震结果表明，横穿龙门山地震反射剖面系列探测是“汶川地震断裂带科学钻探(WFSD)"工程中的一项重要研究内容.

全体野外采集人员冒着极大的危险在震后恶劣自然条件下开展了野外地震采集试验工作，获得了高质量的第一手资料.另外，中国地质大学(北京)曾校丰教授、中国煤田地质总局方正教授、郑兆兴高工也提供了宝贵的建言和支持，在此致以衷心感谢.