2014, Vol. 29
2. 中国地质科学院地质研究所, 北京 100037
, GAO Rui1,2
, WANG Hai-yan1,2, LI Wen-hui1,2, LU Zhan-wu1,2, HOU He-sheng1,2, Xiong Xiao-song1,2
2. Lithosphere Research Center, Institute of Geology, CAGS, Beijing 100037, China
秦岭不仅是我国三大主要构造单元(扬子地体、华北地体、青藏高原)的和两大造山带(中央造山带、南北构造带)的交汇部位，也是华北地震带和南北地震带的交汇部位，对该区域的研究是理解中国大陆内部的历史构造演化和现今构造活动及地震活动的关键部位，但这里古今各期次构造活动痕迹相互叠加和多种构造块体间的相互作用决定了该区域是我国最复杂、研究难度最大的区域.高精度的地壳和岩石圈结构资料是深入理解当前大陆构造的基本问题和构造活动机理的基本依据(张国伟等，2001；Zhang et al.，1995；王宗起等，2009；Meng and Zhang,1999; 安美建等，2012；李三忠等，2003；高山等，1999).仅从地表地质观测是无法准确厘定和划分构造单元的，因为地表断裂倾向并不代表深部断裂的倾向与延伸.只有进行区域的地球物理研究，才能对构造属性准确的鉴别，构造单元的划分才有足够的科学依据(杨文采，2009)；当前该区已开展的地球物理探测主要有大地电磁测深(程顺有等，2003；李立，2003；蒋洪堪等，1990；管志宁等，1991)、宽频带地震台阵观测(安美建等，2012)、宽角折射(董颐珍，1997)，这些地球物理观测方法仅限于分辨率较低的大尺度研究,难以提供精确的上地幔范围内地块之间的耦合和接触变形关系，而深地震反射技术是国际地学界公认的研究大陆基底解决深部地质问题和探测岩石圈精细结构的高分辨率技术手段，可提供可信的反射体几何模式和丰富的地质信息(杨文采，2009),该区的深地震反射测线主要分布在东秦岭(袁学诚等，1994；徐明才等，2000)和南部的大巴山(董树文等，2005)，而大巴山和南秦岭之间还没有一条深地震反射测线穿过，为了揭示大巴山逆冲推覆带和南秦岭的岩石圈结构, 解决深部地质构造问题，在深部探测专项支持下，中国地质科学院地质所在2013年4~9月开展了跨越秦岭的深地震反射的采集工作.本文主要采用秦岭深地震反射5个超级大炮资料并根据近垂直原理处理单次覆盖剖面确定沿地震测线的莫霍面形态及深度，初步揭示扬子地体与秦岭造山带的地壳下部和上地幔结构.
秦岭深地震反射南线位于大巴山逆冲推覆带以北，商丹缝合带之南；测线南端同大巴山深地震反射测线相交，南端始于紫阳，经过汉阴，止于宁陕.为了约束深地震反射测线的整体深部构造形态，为资料后续处理、解释提供质控.沿深地震测线设计采集超级大炮(激发药量大于500 kg)5炮；大炮间距50 km，采用单边放炮1000道接收，检波点道距40 m，中，数据采样率为4 ms，记录长度60 s.
大炮炮点分布如图1所示，红色星号代表炮点，数字表示炮点桩号，红色线段代表深地震反射测线；炮点1845在紫阳境内500 kg激发，该炮点位于反射大炮测线最南端，距大巴山深地震反射测线15 km；炮点2329位于凤凰山和紫阳之间1500 kg激发的大炮；炮点2749在凤凰山南麓500 kg激发，炮点3039位于汉阴北1500 kg激发，炮点4382位于商丹缝合带附近1500 kg激发.深地震反射大炮记录分析可得(如图2、图3)，记录初至波起振干脆、清晰，记录能量较强，浅、中、深层波阻信息丰富，与中、小炮资料对比发现，大炮深部资料信噪比远高于中、小炮，频带范围更宽.炮点3039莫霍面近垂直反射TWT(双程旅行时)在14.6 s左右(图2)，根据国际通用的深地震剖面时深换算速度6 km/s, 炮点附近莫霍面深度为43.8 km，去除静校正最终基准面影响 2 km，炮点附近莫霍面距离海平面约41.8 km; 莫霍面反射频率范围6~15 Hz，随着传播距离的增大，地震波到时逐渐增大，在最大炮检波距45 km，莫霍面反射的TWT在15.8 s左右.炮点4382的莫霍面近垂直反射的TWT在14.2 s左右，该处莫霍面距离海平面约40.6 km,在最大炮检距(40 km)，莫霍面反射的TWT在15.3 s左右，为消除偏移距对双程旅行(TWT)时的影响，参考该区前人的深地震测深资料成果，该区莫霍面地震波传播速度在6~7 km/s的范围内，根据反射波旅行时公式计算校正时差在200~300 ms范围内，则4382炮在最大偏移距的莫霍面反射的TWT在15~15.1 s范围内，远大于近垂直反射的TWT 14.2 s，说明在该炮点对应的接收排列范围内，莫霍面自北向南逐渐加深.炮点3039和4382两个高信噪比的单炮可以描述3039~4382范围内莫霍面的大体构造形态，为了获得更加精细、连续整条测线的深部构造形态，对整条测线的5个深地震反射大炮根据近垂直反射原理进行联合处理(静校正、去噪、速度提取、时差校正等)形成覆盖整条测线反应深部构造特征的单次覆盖剖面.
 | 图 1秦岭深地震反射南线大炮位置图，红色线段表示地震测线, 红色五角星表示炮点位置,数字表示炮点桩号 Fig.1Location of deep seismic reflection profile, Red line represent seismic line,the star represent the shot position |
 | 图 2炮点为3039的深地震反射大炮(静校正、去噪、振幅补偿后的单炮)， 横坐标表示接收点到炮点的距离，纵坐标表示双程旅行时，五角星表示炮点位置 Fig.2Shot 3039 with charge 1500 kg(after the process of static 、denoise、amplitude recovery)X-axis indicates the distance from shot point to receiver, Y-axis indicates the two ways time and the red star indicates the location of shot point |
 | 图 3秦岭深地震反射南线大炮位置图，红色线段表示地震测线, 红色五角星表示炮点位置,数字表示炮点桩号 Fig.3Location of deep seismic reflection profile, Red line represent seismic line,the star represent the shot position |
多次覆盖技术是通过对地下反射点重复多次观测来削弱或压制干扰波、提高有效信号的信噪比；深地震反射大炮大的激发能量使反射资料的抗干扰能力强、信噪比较高，没有必要通过多次覆盖来提高资料的信噪比.莫霍面并不是一个简单的阻抗界面，是具有一定厚度的物性参数变化的带，很难对多次覆盖技术资料实现同相叠加；而当前深地震反射数据处理主要根据多次覆盖的思路用统一的流程、参数无差别的对待大、中、小炮，只考虑大、中、小炮的信号的相似性，忽略大、中、小炮有效反射在能量、频率、相位差异，导致一些大炮单炮上的高信噪比、连续性好的反射在常规处理剖面的上不能恰当的体现.大炮数据大的静校正量和干扰噪音严重制约了深部资料的品质和后续处理，大炮的静校正和噪音压制是单次剖面处理的关键.对深地震测线的5个反射大炮进行针对性的静校正、去噪、速度求取、共反射点面元排布获得沿测线的反映深部构造特征的单次覆盖图像.
大炮炮点空间分布稀疏，个别单炮存在炮偏(相对静校正量)，仅通过大炮数据解决静校正问题很难实现；小炮和大炮是共检波点接收的,在地表一致性假设的前提下，具有共同的检波点静校正量，大炮的检波点静校正量可通过小炮资料求取,采用小炮数据进行静校正计算，测线经过区域地形切割严重，高程静校需要风化层速度横向变化小；折射静校正需要存在稳定的高速层界面，很难满足研究区的静校正要求，考虑到层析方法不受速度横向变化和稳定高速层界面的影响的限制，采用非线性折射波旅行时层析静校正方法(Zhang and Toksöz,1998)，较好的解决了研究区的静校正问题；参考前人(林依华等,2003; 熊翥,2000; 李家康和余钦范，2001)对该地区静校正研究结果及数据的静校正测试表明，偏移距范围与反演深度和精度有密切关系，反演深度随偏移距增加而增大，充分利用近偏移距可以获得高精度的浅层速度结构；与全偏移距数据反演的结果相比，中远偏移距的反演结果对中深层速度影响不大，对浅层结果影响较大.为了获取研究区浅层的精细速度结构，反演选取近偏移距数据计算，测试后选取偏移距范围为10~7000 m，层析网格20 m(横向)×10 m(垂向)，最终迭代收敛误差15 ms .图4为层析获得的射线路径和密度图，穿过模型面元的射线从1~5000次不等，主要集中分布380到800次之间，局部网格高达5000次，在测线边缘和模型深部，射线穿过次数较少，尤其在凤凰山(40~60 km)和测线最北端(120~140 km)为海拔较高的山体、表层基岩出露，速度较高导致该区射线打入深度较浅.图5为初至波层析反演获得浅层速度结构图像，水平方向在0~20 km,该区域高速层出露,低速带缺失,表层速度在3000 m/s左右；在20~50 km,厚度较薄的低速带出现,速度在2000 m/s左右,层位厚度横向变化较大,地形切割严重,部分区域高速层出露；50~65 km,该区位于凤凰山上,速度变化剧烈,表层速度3000 m/s，65~75 km,结合地表地质资料及层析速度结构表明，该区处于汉阴盆地中，该区低速层稳定,速度在2000 m/s，最深处的沉积厚度达600 m；75~150 km，表层地形切割严重，速度横向变化剧烈、基岩初露，速度在2800~3800 m/s之间.最小速度4000 m/s的层位在整条测线上可连续追踪，且横向(空间)变化较小，故选取4000 m/s(替换速度)速度将地震记录校正到2000 m的基准面，即先将激发和接收的地形面按层析获得的速度结构向下延拓到速度为4000 m/s的这个面，然后用速度为4000 m/s的速度向上填充到2000 m的水平面.将计算所得检波点静校正运用到大炮的检波点上，考虑到大炮数据存在较大的炮偏(相对于小炮)，对炮点应用高程静校正，即以4000 m/s的替换速度从地形面校正到2000 m的水平面上；最终实现炮点和检波点在同一水平面上激发和接收来消除低速带地震波传播旅行时的影响,应用静校正量后，如图2和图3为应用静校正量后的单炮.浅层初至波的一致性有了较大的改善，深部有效反射同相轴更加光滑，信噪比有了显著的改善.
 | 图 4炮点为4382的深地震反射大炮(静校正、去噪、振幅补偿后的单炮) 横坐标表示接收点到炮点的距离，纵坐标表示双程旅行时，五角星表示炮点位置 Fig.4Shot with charge 1500 kg(after the process of static、denoise、amplitude recovery)X-axis indicates the distance from shot point to receiver, Y-axis indicates the two ways time and the red star indicates the location of shot point |
 | 图 5深地震反射剖面初至波层析浅层速度结构(横坐标表示公里数，纵坐标表示海拔，色标表示速度大小) Fig.5Shallow structure of velocity from tomography, X-axis indicates distance, Y-axis indicates elevation |
单次覆盖剖面没经过叠加处理，资料的抗干扰能力弱，单炮数据上的干扰噪音可能引起单次剖面的假构造，大炮资料干扰波须认真剔除.原始大炮上的干扰波主要为低频干扰(1~2 Hz)、异常振幅、面波、线性干扰、50 Hz工业干扰、雷击现象引起的电磁感应噪声；深层有效反射的主频在6~15 Hz，和面波主频有重叠；首先对单炮数据进异常振幅分频压制大值，自适面波衰减压制面波；对线性干扰根据干扰波和有效波在视速度、位置、能量上的差异，在T-X域采用倾斜叠加的方法向前、向后线性叠加确定线性干扰的视速度范围，将其识别出的线性干扰从原始数据中减去；对低频和50 Hz工业干扰通过低截频和高截频滤波进行消除；电磁感应噪声主要有山中地形起伏和湿度大引起，在单炮上表现为宽频带、强振幅、尖脉冲、水平分布的特点，很难通过频率等去噪方法压制，选用手工编辑的方式剔除；去噪处理后，深部有效反射信号凸显出来，信噪比有了显著的提高.
考虑到大炮的共反射点面元的覆盖次数较低，不能通过反射点面元内道相关速度谱求得均方根速度，考虑到大炮和小炮的速度结构具有一定的相似性，运用小炮求取的叠加速度按一定的速度间隔(50 m/s)对反射点面元动校正，按共反射点面元排布，拾取连续性最好的速度定义为该空间位置的速度.将获得速度在时间、空间域进行内插，应用该速度场对研究区的大炮数据进行动校正，获得该反射点自激自收的用于描述该反射点深部反射信息的记录.
秦岭深地震反射部分共反射点面元的覆盖次数大于1，为了获得单次覆盖剖面，对CDP面元中选取离炮点最近的地震道，对动校正后的CDP面元按空间位置进行排序，形成反映测线深部构造特征的单次覆盖剖面.
为突出深部有效反射，对单次覆盖剖面进行了中值滤波(4-6-18-20)，叠后随机噪声衰减，能量动平衡处理，获得的单次覆盖剖面如图6-A所示.
莫霍面在深地震反射剖面表现部密集反射，通常将密集反射的底部认为是莫霍面.大炮单次覆盖剖面如图6-A所示，该深地震反射剖面和大巴山深地震反射剖面是相交的，大炮剖面最南端距离大巴山深地震剖面15 km，在秦岭和大巴山深地震反射的交点处，大巴山深地震反射剖面的莫霍面反射TWT在15.5 s(Dong et al.,2013)，而大炮剖面(图6-B)上CDP 4000处16 s发现阻抗界面，向北延伸到CDP 5400，并逐步加深，对应反射的TWT在18.5 s，该阻抗界面在原始单炮2329和2739单炮上能看到信噪比较高的反射震相,该处位于凤凰山下，初步认为是扬子地块向北俯冲的证据；在凤凰山CDP 5000发现TWT在16.2 s,自此向北莫霍面变化平缓，逐渐抬升，在测线最北端莫霍面反射TWT在14.2 S.从测线最南端到凤凰山附近，莫霍面逐渐加深，测线最北段到凤凰山附近莫霍面北浅南深，自北向南逐渐加深.
 | 图 6-A秦岭深地震反射大炮单次覆盖剖面和高程；6-B 深部构造解释 Fig.6-ASingle fold profile from big shot in Qinling and elevation； 6-B the Moho structure from interpretation |
(1)秦岭深地震反射大炮获得高信噪比的深部反射信息，为后续精细提供深部的构造约束，静校正、去噪、速度求取CDP面元分选等相应的一套组合处理技术对研究该区单次剖面的处理是有效的；
(2)运用秦岭深地震反射大炮的信息获得该地区单次覆盖剖面，对下地壳和上地幔造进行清晰成像，获得初步的深部构造形态；
(3)从凤凰山－测线最北端，莫霍面连续追踪、变化平 缓、逐渐抬升，自凤凰山向南莫霍面反射模糊，不能连续追踪；
(4)测线最南端到凤凰山下发现地幔反射震相，初步认为是扬子地块向北俯冲的证据.
本文通过秦岭深地震反射大炮对莫霍面进行成像研究，充分利用深地震反射大炮能量强、信噪高、深部反射可连续追踪、信息更可靠等特点进行成像研究；并开展了初步的深部构造解释，后续工作中须结合中、浅层深反射地震资料和该区的其它相关地球物理资料相互约束、相互佐证开展综合性处理、解释.
致 谢 感谢岩石圈研究中心李秋生研究员、管烨研究员、张季生研究员、贺日政研究员等长期以来给予的支持和帮助；感谢与匡朝阳教授高工的讨论，和给予的支持和鼓励.
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