用近垂直方法提取莫霍面——以六盤山深地震反射剖面為例

李洪強，高 銳＊，王海燕，李文輝

1 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京 100037

2 國土資源部深部探測與地球動力學(xué)重點開放實驗室（建），北京 100037

1 引 言

近幾十年來，中外地球科學(xué)家在青藏高原進行了大量的多學(xué)科的綜合地球物理考察［1］，大大深化了對青藏高原本體的認識，相繼提出了青藏高原隆升機制及其對外圍區(qū)域影響的多個端元模型.但是，對青藏高原邊緣的深部探測工作還遠遠不夠.六盤山位于青藏高原東北部邊緣與鄂爾多斯的交界處，是我國北方現(xiàn)今構(gòu)造格局和地勢東西分異的重要界限［2－4］.該地區(qū)構(gòu)造活動強烈、地震活動頻繁，一直受到地學(xué)界的廣泛關(guān)注［5－7］.因此在該地區(qū)開展詳細的地球物理勘探對研究塊體之間深部邊界劃分、相互耦合關(guān)系及深部結(jié)構(gòu)和動力學(xué)過程對塊體間相互運動的作用方式有重要的理論和實際意義，認識和理解鄂爾多斯地區(qū)大陸變形模式以及印度—歐亞大陸碰撞對東部的影響具有重要科學(xué)意義.

目前在該區(qū)已開展的探測工作主要是爆破地震廣角反射／折射探測剖面［7］、大地電磁測深［8］、寬頻帶地震臺陣觀測［5－6］等，但這些地球物理方法一般限于分辨率較低的大尺度研究，難以提供準確的上地幔范圍內(nèi)地塊之間的耦合和接觸變形關(guān)系.而深地震反射技術(shù)已被國際地學(xué)界公認為是研究大陸基底解決深部地質(zhì)問題和探測巖石圈精細結(jié)構(gòu)的有效技術(shù)手段，該方法是在常規(guī)地震反射方法的基礎(chǔ)發(fā)展起來的，兩者原理相同，都是利用不同物性界面產(chǎn)生的彈性波反射同相軸來描述界面、斷裂等地質(zhì)構(gòu)造特征.但深地震反射方法探測深度比常規(guī)地震勘探要大得多，一般記錄長度都在20s以上深反射地震剖面能獲取來自莫霍面和上地幔的反射圖像，揭示巖石圈結(jié)構(gòu)，解決深部地質(zhì)構(gòu)造問題［9－12］.為了進一步研究青藏高原東北緣與鄂爾多斯塊體的相互作用和構(gòu)造變形的深部驅(qū)動機制以及該區(qū)大陸強震的成因，2007年5—7月，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)所組織實施了西起通渭縣，東止于涇川縣，橫過六盤山的深地震反射剖面.

本文主要根據(jù)近垂直反射原理和深部莫霍面反射資料頻率低的特征，運用深地震反射資料的近垂直入射數(shù)據(jù)的低頻信息通過靜校正、資料凈化、共檢波域疊加、疊后信號增強等技術(shù)對莫霍面進行成像.

2 數(shù)據(jù)采集及質(zhì)量分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

深地震反射剖面位于105.3°E—107.5°E、35.0°N—35.4°N，分布在甘肅省平?jīng)鍪芯硟?nèi).深地震反射剖面位置如圖1所示，為了獲得全地殼的反射信息，深地震反射數(shù)據(jù)采集根據(jù)“淺深兼顧、大中小炮結(jié)合”的原則設(shè)計，即針對淺、中、深部不同目的層，采用大、中、小三種藥量的爆破震源激發(fā).野外數(shù)據(jù)采集使用三種不同藥量的炸藥激發(fā)，具體采集參數(shù)如下：小炮炮間距為250m，藥量50kg，道距50m，中間放炮，單邊300道接收，最小偏移距50m，最大偏移距15km；中炮炮間距1km，藥量100kg，采集排列同小炮一致；大炮炮間距約25km，藥量為500kg，道距為50m，單邊1000道接收；小、中炮記錄長度為30s，采樣率是2ms，大炮記錄長度為60s，采樣率為4ms，數(shù)據(jù)采集中同時開展折射／寬角反射工作，折射／寬角反射大炮藥量為1500kg，其中4個折射大炮同時被反射排列接收.本次采集獲得反射數(shù)據(jù)為大炮7個、折射大炮4個、中炮165個、小炮670個.

2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

從深地震反射單炮記錄分析可得，單炮記錄總體能量較強，淺、中、深層波阻信息豐富，品質(zhì)較高；但部分區(qū)域受巨厚黃土和河道鵝卵石層對地震信號的吸收和屏蔽，單炮記錄信噪比低，有效反射很難識別和追蹤，主要分布在測線西側(cè)0～60km（圖1），高品質(zhì)單炮記錄主要分布在六盤山周邊（60～90km）巖石出露的區(qū)域.測線部分區(qū)域小炮上能清晰追蹤Moho面，對測線不同位置小炮頻譜分析發(fā)現(xiàn)，測線東端小炮Moho面附近主頻約在10Hz左右，測線中部小炮Moho面附近主頻在12Hz左右，工區(qū)西部受巨厚黃土塬能量屏蔽影響，Moho面在小炮單炮記錄上難以識別追蹤.沿地震測線分布了7個反射大炮和4個寬角反射＼折射大炮，由于激發(fā)能量較強，深部信噪較高，莫霍面在單炮記錄上可清晰連續(xù)追蹤；如圖2，位于深地震反射測線的東段鄂爾多斯地塊（炮點樁號5041，圖1中150km處）的500kg的反射大炮記錄，記錄的淺、中、深層波阻信息豐富、信噪比高；莫霍面反射波阻在15～16.5s，信噪比較高、連續(xù)性好、波組特征明顯，沿接收排列可清晰連續(xù)追蹤，這從側(cè)面反映了鄂爾多斯地塊莫霍面的連續(xù)性和穩(wěn)定性.

3 深地震反射近垂直數(shù)據(jù)處理

3.1 處理思路

深地震反射采集排列長、測線經(jīng)過區(qū)域地震地質(zhì)條件復(fù)雜，使近炮點、遠炮點地震數(shù)據(jù)在地震波的運動學(xué)和動力學(xué)特性表現(xiàn)出較大的差異.遠離炮點接收的地震記錄傳播距離遠，射線路徑復(fù)雜，含有較豐富的地下地質(zhì)信息，但這些信息相互疊置，難以有效地提取和分離，且有效反射能量弱、抗干擾能力低，資料品質(zhì)差；近炮點接收的地震記錄的射線傳播路徑簡單，地震震相相對單一，便于信息的識別和提取，傳播路徑相似使接收記錄在波形、相位、能量上有較好的連續(xù)性、一致性、相似性，靠近炮點使接收來自地球深部的有效反射能量較強、抗干擾能力高，資料品質(zhì)較好.莫霍面深度遠大于深地震數(shù)據(jù)采集排列的長度，距離炮點較近的檢波點接收的地震記錄可認為是自激自收（近垂直入射），可用于描述該炮點或檢波點相對應(yīng)的深部莫霍面的形態(tài)；通過對地震記錄的自相關(guān)分析表明，檢波點道集的地震信號比炮集信號具有更高的一致性和相似性，更便于信號識別和處理；且沿地震測線檢波點之間距離遠小于炮點間距離，檢波點數(shù)目遠多于炮點數(shù)據(jù)，根據(jù)炮點、檢波點互換原理選擇在檢波域通過近垂直信息對深部莫霍面進行成像.對于參與處理數(shù)據(jù)的偏移距范圍從檢波點的覆蓋次數(shù)和近垂直入射兩個方面考慮，首先基于目標層位的動校正時差小于相應(yīng)層位子波的周期的1／4，當然時差越小，資料處理的分辨率和品質(zhì)也就越高，根據(jù)該區(qū)莫霍面反射在15.5～16.5s左右（雙程走時），莫霍面主頻在10～20Hz左右，參考莫霍面上的平均速度為6500m／s，通過理論計算公式可得參與處理的偏移距范圍是0～6500m，對選定資料進行靜校正、資料凈化、共檢波點加權(quán)疊加、疊后信號增強等處理工作.

3.2 靜校正處理

深地震反射測線經(jīng)過區(qū)域地形起伏大、淺層巖性橫向變化劇烈、低降速帶厚度變化大等因素給該地區(qū)靜校正帶來了較大困難.解決該地區(qū)的靜校正問題是進行資料后續(xù)處理的前提.參考前人［13－16］對該區(qū)域靜校正研究結(jié)果及該區(qū)數(shù)據(jù)的靜校正測試研究表明，偏移距范圍與反演深度和精度有密切的關(guān)系，反演深度隨偏移距的增加而增大，充分利用近偏移距可以獲得精確的淺層速度結(jié)構(gòu)；與全偏移距數(shù)據(jù)反演的結(jié)果相比，只利用中遠偏移距的反演結(jié)果對中深層速度影響不大，對淺層結(jié)果影響較大.為了獲取該區(qū)淺層的準確速度結(jié)構(gòu)，本次反演利用了部分近偏移距排列數(shù)據(jù)參與計算，偏移距范圍10～6000m，圖3顯示了初至波層析反演的射線路徑及密度分布圖像，可看出，穿過面元的射線密度從1～1398多次不等，主要集中分布280～600次之間，局部高達1000多次，在測線邊緣和模型深部，射線穿過次數(shù)較少，尤其在六盤山下，射線穿過深度較淺；圖4為初至波層析反演獲得淺層速度結(jié)構(gòu)圖像，水平方向在0～10km，該地區(qū)高速層出露，低速層缺失，表層速度為2900m／s，在10～50km，低速層出現(xiàn)，速度在1200m／s，層位相對穩(wěn)定，但地形切割嚴重，部分區(qū)域高速層出露，50～110km，該區(qū)位于六盤山上，速度變化劇烈，表層速度3000m／s，110～150km，該區(qū)低速層穩(wěn)定，速度在800m／s，該地區(qū)淺層速度橫向變化劇烈且層位不穩(wěn)定，不能連續(xù)追蹤，在最小速度3500m／s時在全測線上可連續(xù)追蹤，且橫向（空間）變化不大，故選取以3500m／s速度將地震記錄校正到2700m的基準面.應(yīng)用靜校正量后，初至波連續(xù)性、光滑度有了顯著提高.從淺層到深層，有效反射品質(zhì)有了較大改善.

3.3 資料凈化

提高資料的信噪比是數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié).深地震反射測線長、炮點（大炮、中炮、小炮）間距離大、地表起伏劇烈、地震地質(zhì)條件差別大導(dǎo)致資料的品質(zhì)和干擾分布差異較大.故根據(jù)初至波層析獲得速度結(jié)構(gòu)（圖4）結(jié)合表層地震地質(zhì)，將資料分成黃土塬、六盤山前、六盤山上3個區(qū)域分區(qū)去噪.黃土塬區(qū)域主要干擾：面波、高能干擾、隨機噪聲、50Hz工業(yè)干擾；六盤山前主要干擾：面波、線性干擾、隨機噪聲；六盤山噪聲分布和六盤山前相似，但六盤山干擾強度總體相對弱.去噪難點主要在六盤山前資料，山前資料難點是面波和線性干擾，根據(jù)面波速度（1200m／s）和頻率（14Hz）對面波進行多域自適應(yīng)衰減、強能量干擾壓制（50Hz工業(yè)干擾和尖脈沖）、線性干擾多域壓制、f－x隨機噪聲衰減等.

3.4 共檢波點疊加

研究區(qū)莫霍面深度約40～50km，在小的炮檢距范圍內(nèi)，根據(jù)地震波運動學(xué)射線傳播路徑是近垂直的，即自激自收的，通過理論分析計算近垂直入射的偏移距為0～6500m，基于檢波點和炮點的互換原理，檢波點間的距離小于炮點距離，檢波點的數(shù)量遠大于炮點數(shù)量，故在檢波點域中選取近垂直入射數(shù)據(jù)進行分析和疊加，用該疊加道來表示該檢波點位置對應(yīng)深度的莫霍面的構(gòu)造形態(tài).

3.5 疊后增強

為了進一步突出深部的有效反射和莫霍面主要輪廓，對疊加后剖面進行了中值濾波（4－6－18－20）、多項式擬合、FK域能量增強等疊后處理工作，處理結(jié)果如圖5a所示.

4 莫霍面反射特征

莫霍面在深地震反射剖面上表現(xiàn)為密集反射，通常將密集反射的底部認為是莫霍面，將研究區(qū)莫霍面分成三個區(qū)域：六盤山西側(cè) （A），六盤山地區(qū)（B）、六盤山東側(cè)（C），如圖5b所示.

區(qū)域A：0～50km，莫霍面反射形狀呈弧狀，最深處在16.2s左右，最淺處在15.8s左右，莫霍面自西向東逐漸變淺，逐漸抬升趨勢明顯；

區(qū)域B：莫霍面位于50～100km，該區(qū)位于六盤山下，莫霍面不連續(xù)，莫霍面反射弧狀特征明顯，最淺處位于15.8s左右，最深處位于17s左右，呈現(xiàn)匯聚擠壓、明顯縮短的特征；

區(qū)域C從110～150km，分成兩段，西段弧狀反射特征明顯，東段140～150km，該區(qū)覆蓋次數(shù)較低導(dǎo)致反射特征不是很明顯，但仍可連續(xù)追蹤，該區(qū)域反射層變化平緩，自東向西有加深的趨勢.

5 結(jié)論和展望

5.1 結(jié) 論

（1）運用深地震反射的近垂直反射的信息可對六盤山地區(qū)莫霍面進行清晰的構(gòu)造成像，獲得初步的莫霍構(gòu)造形態(tài)；

（2）初步結(jié)果揭示出橫過六盤山莫霍面起伏、斷錯的結(jié)構(gòu)特征；初步認為由于青藏高原東緣和鄂爾多斯地塊在六盤山附近匯聚而導(dǎo)致六盤的隆起，六盤山下由于擠壓作用使莫霍面錯斷，殼內(nèi)縮短特征明顯；

（3）六盤山東側(cè)的鄂爾多斯地塊莫霍面東高西低、變化平緩、結(jié)構(gòu)完整，靠近六盤山前緣莫霍面錯斷，可能與殼內(nèi)走滑作用有關(guān)；

（4）西側(cè)的青藏高原東北緣莫霍面西高東低，靠近六盤山呈現(xiàn)匯聚擠壓、明顯縮短的特征；六盤山復(fù)雜的莫霍面結(jié)構(gòu)，描述了六盤山地殼早期雙向擠壓、晚期山前側(cè)向走滑的構(gòu)造圖像.

5.2 展 望

本文通過六盤山深地震反射數(shù)據(jù)的近垂直的低頻信息對莫霍面進行成像研究，充分利用近垂直反射能量強、信噪比高、可連續(xù)追蹤、信息更可靠等特點；并開展了初步的解釋工作，后續(xù)工作中須結(jié)合中、淺層深反射地震資料和該區(qū)的其他相關(guān)地球物理資料相互約束、相互佐證開展綜合性處理、解釋.致 謝 感謝巖石圈研究中心李秋生研究員、管燁研究員、張季生研究員、賀日政研究員、盧占武副研究員、侯賀晟副研究員、熊小松博士、朱小三博士等長期以來給予的支持和幫助；感謝與匡朝陽教授高工的討論，和給予的支持和鼓勵，感謝三位匿名專家提出的寶貴意見和建議.

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