深地震測深在國內(nèi)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀研究

宋向輝 田曉峰 王帥軍 劉寶峰 馬策軍

1 中國地震局地球物理勘探中心，鄭州市文化路75號，450002 2 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京市學(xué)院路29號，100083

深地震測深(deep seismic sounding, DSS)又稱為人工地震測深或?qū)捊欠瓷?折射地震，是利用人工震源激發(fā)的地震波研究巖石圈深部速度結(jié)構(gòu)與界面起伏的探測方法[1]。該技術(shù)的目標(biāo)是通過構(gòu)建地殼一維與二維速度結(jié)構(gòu)，對不同地塊的結(jié)構(gòu)差異進(jìn)行研究。由于該方法可將地質(zhì)模型與地球物理結(jié)構(gòu)很好地結(jié)合起來，因此迅速在國外得到應(yīng)用，部分國家和地區(qū)已布設(shè)大量DSS測線用于研究地殼結(jié)構(gòu)，構(gòu)建區(qū)域三維地殼速度結(jié)構(gòu)模型，并通過SERA(seismology and earthquake engineering research infrastructure alliance for Europe)項(xiàng)目匯總歐洲國家多年來的DSS數(shù)據(jù)和成果。目前，深地震測深已經(jīng)成為研究100 km深度以內(nèi)大陸地殼、上地幔以及15～25 km以內(nèi)海洋殼幔精細(xì)結(jié)構(gòu)的重要方法。

我國人工地震測深工作起始于20世紀(jì)50年代末對青海柴達(dá)木盆地的深部構(gòu)造背景進(jìn)行探測以尋找石油；隨后為了進(jìn)行區(qū)域地震烈度綜合評判和強(qiáng)震區(qū)地震構(gòu)造特征研究，在局部地區(qū)開展人工地震測深實(shí)驗(yàn)。1971年國家地震局組建后，人工地震測深工作得到快速發(fā)展，在華北、川滇、西北、南北地震帶等重點(diǎn)區(qū)域先后開展了大量地震測深工程。此外，中國科學(xué)院、中國地質(zhì)科學(xué)院等單位在青藏高原、攀西、秦巴等地區(qū)也完成了大量人工地震測深工作。20世紀(jì)90年代以來，為了探測海洋石油和天然氣水合物資源，中國科學(xué)院、中國地質(zhì)調(diào)查局等單位在大陸邊緣和南海、渤海、黃海以及東海海域開展大量深地震測深工作，促進(jìn)了我國海洋地震測深工作的飛速發(fā)展。但是前人對國內(nèi)深地震測深工作進(jìn)展的綜述多聚焦于地震測深成果的綜合分析與動力學(xué)解釋[2-7]，而對該技術(shù)的資料處理方法及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用關(guān)注較少。

本文通過論文關(guān)鍵詞搜索以及共現(xiàn)分析方法，對深地震測深處理方法在國內(nèi)的發(fā)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行研究，通過對深地震測深、人工地震測深、寬角反射/折射、廣角反射等關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索，并對與其出現(xiàn)在同一文獻(xiàn)中的其他關(guān)鍵詞進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，討論當(dāng)前該方法在國內(nèi)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀。文獻(xiàn)統(tǒng)計與可視化分析主要通過中國知網(wǎng)(CNKI)和Web of Science完成，分別對中國知網(wǎng)1985～2020年和Web of Science數(shù)據(jù)庫1990～2020年間的關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索，搜索對象包括期刊、會議論文、論文集等，并對搜索結(jié)果進(jìn)行檢查，篩除不相關(guān)的短訊、會議介紹、投稿須知等，然后對所選文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計和可視化分析。

1 深地震測深資料處理方法

深地震測深的研究目標(biāo)主要是地殼和上地幔的精細(xì)結(jié)構(gòu)，其結(jié)果往往以二維地殼速度結(jié)構(gòu)的形式進(jìn)行展示，研究重點(diǎn)是地殼結(jié)構(gòu)的橫向均質(zhì)性與深淺構(gòu)造關(guān)系。

深地震測深資料的處理大多采用有限差分方法構(gòu)建基底結(jié)構(gòu)，然后通過射線追蹤方法，由走時擬合正演或反演方法對初始模型進(jìn)行調(diào)整，最終獲得二維地殼速度結(jié)構(gòu)(圖1)。正演擬合方法主要通過Seis83程序包實(shí)現(xiàn)，該軟件采用試錯法對速度模型進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，最終使理論走時與觀測走時達(dá)到最佳擬合。但正演方法費(fèi)時費(fèi)力，要求解釋者具有豐富的資料處理經(jīng)驗(yàn)，處理結(jié)果也由于解釋者水平的不同而存在較大差異，且正演方法無法有效評價模型的可靠性以及給出模型的分辨率和不確定性等信息。目前反演方法應(yīng)用較多，主要是基于射線追蹤理論，利用基于正則化的最小二乘法等，通過多次迭代使觀測走時與理論走時達(dá)到最佳擬合，常用的處理軟件包括Fast、Rayinvr、Warrpi、Tomo2D以及Jive3D。但反演中初始模型的建立以及反演參數(shù)的選擇對反演結(jié)果影響較大，需要反復(fù)試驗(yàn)參數(shù)以提高反演結(jié)果的質(zhì)量。為克服傳統(tǒng)正則化反演對模型以及反演參數(shù)的依賴，Ryberg等[8]提出非線性的貝葉斯反演方法，該方法采用馬爾科夫鏈蒙特卡洛方式生成多個符合觀測數(shù)據(jù)的速度模型，然后通過改進(jìn)的平均算法生成最終的速度模型。該方法無需利用先驗(yàn)信息對初始模型進(jìn)行約束，也無需對反演參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，利用折射波走時就能獲得滿意的反演結(jié)果。

圖1 二維動力學(xué)射線追蹤與走時擬合

由于二維地震測深剖面探測區(qū)域的局限性，目前三維地震測深正發(fā)展成為研究重點(diǎn)。三維地殼速度模型可以利用爆破點(diǎn)周圍臺站記錄到的走時資料，通過三維走時層析成像方法反演得到[9]；也可以在二維測線資料密集的區(qū)域，例如華北和川滇地區(qū)等，采用克里金或地質(zhì)統(tǒng)計插值的方法將不均勻分布的二維地殼結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為三維模型[3,5]。但由于人工地震測線往往分布稀疏且不均勻，直接插值構(gòu)建三維地殼模型無法很好地達(dá)到逼近真實(shí)地層結(jié)構(gòu)的目的，因此需要多種改進(jìn)的手段以提高插值模型的可靠性。目前基于人工地震測深的三維模型構(gòu)建主要是采用克里金方法進(jìn)行插值，其能夠最大限度地利用各種地質(zhì)信息，確定采樣點(diǎn)的影響范圍以及權(quán)重系數(shù)，從而賦予待插值點(diǎn)更切合地質(zhì)實(shí)際的和更精確的估計值；同時，對于數(shù)據(jù)稀疏與空白區(qū)域，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施改善插值效果，提高模型的可靠性。

2 深地震測深結(jié)果的應(yīng)用

利用地震測深資料進(jìn)行動力學(xué)解釋主要集中在地殼增厚機(jī)制、動力學(xué)演化過程、地震活動性以及巖漿底侵作用等方面。此外，隨著海陸聯(lián)測以及海洋地震測深工作的發(fā)展，針對大陸邊緣的研究逐漸增多，對海陸地殼結(jié)構(gòu)和海洋資源的勘探意義重大。

2.1 地震構(gòu)造探查中的應(yīng)用

深地震測深在揭示震源及鄰區(qū)的深部地殼結(jié)構(gòu)特征、研究地震發(fā)生的深部構(gòu)造環(huán)境和孕震機(jī)制方面發(fā)揮著重要作用。利用人工地震測深所探測到的精細(xì)殼幔結(jié)構(gòu)，部分學(xué)者對一些強(qiáng)震區(qū)域的地震深部構(gòu)造背景和震源機(jī)制進(jìn)行解剖。東昆侖8.1級地震區(qū)的深部構(gòu)造探測結(jié)果顯示，殼內(nèi)低速層是孕育大地震所需的“立交橋”式局部環(huán)境必不可少的條件；汶川地震區(qū)的深地震測深構(gòu)造解析結(jié)果表明，切割莫霍面的殼幔韌性剪切帶向中上地殼擴(kuò)展會導(dǎo)致應(yīng)力的高度集中與能量的快速釋放，從而引起汶川特大地震的發(fā)生；蘆山7.0級地震區(qū)的速度結(jié)構(gòu)模型表明，殼內(nèi)滑脫面和低速體與震源位置存在對應(yīng)關(guān)系。王椿鏞等[10]對華北強(qiáng)震區(qū)的深地震測深結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)大地震的孕育與中下地殼低速異常、上地幔頂部速度偏低、莫霍面局部隆起以及深淺構(gòu)造不一致等密切相關(guān)，為華北地區(qū)的地震構(gòu)造背景分析提供了借鑒。

目前利用地震測深殼幔結(jié)構(gòu)對單一地震發(fā)震構(gòu)造進(jìn)行研究的工作較多，而討論區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)特征與地震分布和地震活動性的研究相對較少。青藏高原東北緣地區(qū)的人工地震測深結(jié)果顯示，該地區(qū)中強(qiáng)地震多發(fā)生在地殼厚度急劇變化的拐彎處以及中地殼頂部存在低速層的區(qū)域內(nèi)。Teng等[6]對國內(nèi)不同區(qū)域的震源深度特征進(jìn)行研究，并結(jié)合莫霍面深度和地殼速度，討論了地震活動性與地殼結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系。從前人關(guān)于區(qū)域殼幔結(jié)構(gòu)與地震帶和板內(nèi)地震成因的討論可知，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)區(qū)域地震測深成果的總結(jié)，構(gòu)建區(qū)域殼幔速度結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)其與地震分布規(guī)律的研究。

此外，人工地震測深方法在水庫地震研究中的應(yīng)用值得關(guān)注。印度首次在水庫誘發(fā)地震的深部構(gòu)造研究中采用深地震測深技術(shù)，為研究1967-12-10 Koyna地區(qū)6.3級水庫誘發(fā)地震提供了深部速度結(jié)構(gòu)的支撐。為研究我國新豐江水庫1962年6.1級誘發(fā)地震，中國地震局地球物理勘探中心于2009年采用人工地震測深方法對水庫深部地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)存在與地震分布對應(yīng)良好的速度結(jié)構(gòu)異常區(qū)，為了解水庫誘發(fā)地震的深部構(gòu)造背景奠定了基礎(chǔ)[11]。

2.2 礦產(chǎn)資源勘查中的應(yīng)用

地殼、上地幔速度結(jié)構(gòu)對礦產(chǎn)能源的形成具有一定控制作用，利用地震測深得到的地殼結(jié)構(gòu)對礦產(chǎn)資源的形成與分布規(guī)律等進(jìn)行研究，是深地震測深成果應(yīng)用的一個重要方向。近年來，為研究成礦帶深部結(jié)構(gòu)特征，總結(jié)成礦規(guī)律，已布設(shè)穿過多個成礦帶的深地震測深剖面，包括長江中下游成礦帶、大興安嶺成礦帶、秦嶺成礦帶、岡底斯成礦帶、遼東-吉南成礦帶、天山造山帶、武夷成礦帶、阿爾泰成礦帶等。

深地震測深方法得到的地殼速度結(jié)構(gòu)，如地殼分層結(jié)構(gòu)、地殼厚度、低速體、莫霍面等均與礦產(chǎn)資源密切相關(guān)，為揭示區(qū)域成礦背景和動力學(xué)模式提供了依據(jù)[12]。因此通過對上述關(guān)鍵詞與礦產(chǎn)資源進(jìn)行合并搜索，可得到深地震測深成果與礦產(chǎn)資源的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(圖2)。從圖中可以看出，目前地震測深成果在地?zé)豳Y源中的應(yīng)用主要集中在福建和青藏高原地區(qū)。滕吉文等[13]認(rèn)為，福建漳州盆地殼幔結(jié)構(gòu)特殊，殼內(nèi)透鏡狀低速體可能為潛在的干熱巖，盆地邊緣的深大斷裂則為深部熱能運(yùn)移的通道。而青藏高原中地殼廣泛發(fā)育的低速層可能為部分熔融的巖漿囊，從而形成規(guī)模宏大的地?zé)釒А?/p>

圖2 地殼速度結(jié)構(gòu)與礦產(chǎn)資源關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

深地震測深結(jié)果在固體礦產(chǎn)勘查中也發(fā)揮著重要作用。地殼厚度與成礦帶和金屬礦產(chǎn)的分布往往具有一定的對應(yīng)關(guān)系[14]，以內(nèi)蒙古地區(qū)為例，地殼減薄區(qū)為鉻、鎳礦發(fā)育區(qū)，而地殼增厚區(qū)則為矽卡巖型和熱液型內(nèi)生金屬礦床分布區(qū)，地殼厚度的陡變帶由于往往存在巖石圈斷裂，一般是金屬礦產(chǎn)最為有利的成礦地帶。華南地區(qū)的地殼厚度與金屬礦床也存在類似的對應(yīng)關(guān)系：在莫霍面隆起區(qū)域，幔源物質(zhì)在成礦過程中起主導(dǎo)作用，主要形成以銅、鐵為主的金屬礦床；而在地幔坳陷區(qū)以及地殼厚度陡變的區(qū)域，則形成鎢、錫、金、銀、鉛、鋅等多金屬礦床，反映殼幔之間強(qiáng)烈的相互作用過程。此外，地殼厚度和地表高程與金礦床之間也具有密切的對應(yīng)關(guān)系，地殼厚度為35 km、地表高程為200 m左右的區(qū)域?yàn)榻鸬V床產(chǎn)出的有利區(qū)[15]。

深地震測深結(jié)果可為CO2等天然氣藏的識別提供依據(jù)。中國東部盆地內(nèi)CO2氣藏范圍與盆地中地殼的低速層范圍往往較為一致，推測其可能為晚期地幔釋放巖漿和富含CO2流體的中轉(zhuǎn)積聚區(qū)。據(jù)此，前人認(rèn)為在發(fā)育深大斷裂的鏡像盆地內(nèi)，殼內(nèi)低速體是大型天然氣藏的重要指示。

此外，部分學(xué)者應(yīng)用低速體、地殼結(jié)構(gòu)等進(jìn)行動力學(xué)和成礦背景研究。彭聰?shù)萚16]根據(jù)全國大量的深地震測深成果，結(jié)合中國大陸主要成礦域，對地殼速度結(jié)構(gòu)與成礦作用的關(guān)系進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為高速的下地殼反映了幔源物質(zhì)上升的底侵作用，一般產(chǎn)出鎳礦床；“墻式”S波低速帶反映了地殼的部分熔融，是深部成礦的有利地帶，對應(yīng)殼幔源成礦的鐵、銅多金屬成礦帶。

由此可見，深地震測深方法獲得的地殼速度與地殼厚度數(shù)據(jù)對于礦產(chǎn)資源勘查具有重要作用。但前人所采用的地殼厚度數(shù)據(jù)并不十分準(zhǔn)確，大多是通過重力反演等方法得到。而地震測深方法可以給出更為精確的地殼厚度數(shù)據(jù)，利用全國范圍內(nèi)大量的人工地震測深成果，通過地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的插值方法，可得到高精度的全省/全國地殼厚度數(shù)據(jù)，例如華北地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)模型HBCrust1.0、川滇地殼結(jié)構(gòu)模型V1.0等。因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)深地震測深成果的總結(jié)，提供可供社會應(yīng)用的成果產(chǎn)品，從而更好地發(fā)揮地震測深數(shù)據(jù)在礦產(chǎn)資源勘查方面的作用。

2.3 海洋深部探測中的應(yīng)用

隨著天然氣水合物和海洋油氣等資源重要性的日益凸顯，以及維護(hù)我國海洋權(quán)益，為海洋劃界提供科技支持，深地震測深工作在海洋深部結(jié)構(gòu)探測中得到快速發(fā)展。尤其是2003年中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所成功研制完全自主知識產(chǎn)權(quán)的OBS海底地震儀，極大促進(jìn)了我國海洋測深工作的發(fā)展。在當(dāng)前海洋深部結(jié)構(gòu)探測中，主要采用OBS海底地震儀開展廣角地震觀測，對海洋地殼結(jié)構(gòu)、速度結(jié)構(gòu)以及莫霍面形態(tài)等進(jìn)行研究。

目前海洋地震測深測線大多位于海陸過渡帶的大陸邊緣等區(qū)域。近年來完成的地震測深測線有南海南部陸緣測線OBS973-1/2/3、北部陸緣測線OBS2006-1/3、東北部陸緣測線OBS-2012、東部陸緣測線T1和T2、珠江口海陸聯(lián)測OBS2010，渤海灣測線OBS2010、2011、渤海灣東南部測線OBS-2013、南黃海OBS-2013SYS海陸聯(lián)測、中韓合作的橫貫黃海的廣角剖面，以及橫穿整個東海陸架至沖繩海槽的廣角地震等測線。

地震測深數(shù)據(jù)采集主要使用OBS，由于海洋測深中OBS檢波器布設(shè)與回收較為困難，因此儀器數(shù)量較少，約為20～40臺，臺間距普遍較大，一般為10～30 km左右。海洋地震測深的震源為氣槍震源，采用重復(fù)激發(fā)方式以增強(qiáng)信號。海洋測深資料處理與陸地測深資料處理類似，包括預(yù)處理、震相識別與模型構(gòu)建，識別的震相包括直達(dá)水波Pw、沉積層震相Ps、基底折射震相Pg、莫霍面反射震相PmP、上地幔頂部折射震相Pn等。

海洋地震測深成果在陸緣構(gòu)造、沉積盆地結(jié)構(gòu)、天然氣水合物研究等方面都具有重要意義，主要是利用地殼厚度、莫霍面等結(jié)果進(jìn)行相關(guān)討論與研究。郝天珧等[17]基于海洋地震測深結(jié)果對中國海莫霍面深度進(jìn)行反演，結(jié)果表明不同區(qū)域地殼性質(zhì)與構(gòu)造演化過程存在差異；祁江豪等[18]基于海陸聯(lián)測深地震測深資料獲得盆地速度結(jié)構(gòu)，認(rèn)為膠萊盆地可向南黃海方向延伸至連云港-石島斷裂附近，在南黃海區(qū)域內(nèi)的盆地凹陷具有較好的油氣前景；Zhao等[19]利用渤海灣海陸聯(lián)測得到殼幔速度結(jié)構(gòu)，并對蘇魯造山帶與華北、揚(yáng)子板塊的相互作用關(guān)系進(jìn)行討論，認(rèn)為揚(yáng)子板塊向華北板塊俯沖導(dǎo)致蘇魯造山帶的隆升；Xia等[20]利用海陸聯(lián)測資料對南澳7.5級大地震震源區(qū)的三維地殼速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為海陸交互帶的開發(fā)與建設(shè)提供了重要的地質(zhì)支撐。

需要指出的是，海陸地震聯(lián)測對于海陸對比、研究海陸過渡帶的深部結(jié)構(gòu)等具有重要意義，是解決當(dāng)今海洋地質(zhì)問題的關(guān)鍵。陸地觀測炸藥震源激發(fā)能量強(qiáng)，地震信號傳播距離遠(yuǎn)，而且觀測點(diǎn)距小、分辨率高；氣槍震源綠色環(huán)保，可重復(fù)激發(fā)，易產(chǎn)生S波，有助于進(jìn)行泊松比計算和地殼成分的討論。因此，在后續(xù)測深工作中，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮兩種模式的激發(fā)和觀測優(yōu)勢，實(shí)行海陸聯(lián)合觀測，填補(bǔ)海陸過渡帶地震測深的研究空白。

3 結(jié) 語

中國地震局提出“透明地殼”“解剖地震”“韌性城鄉(xiāng)”等項(xiàng)目，中國地質(zhì)科學(xué)院推出“深地資源勘查開采”重點(diǎn)專項(xiàng)，這些都是為解決“向地球深部進(jìn)軍”這一戰(zhàn)略科技問題所成立的科技專項(xiàng)，為深地震測深工作的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇。

但與此同時，深地震測深工作目前也面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。一方面，隨著環(huán)保的要求，深地震測深所需要的炸藥震源正逐漸受到限制，爆破手續(xù)審批工作也較為繁瑣。另一方面，地震測深大多只能提供二維地殼速度結(jié)構(gòu)，難以滿足目前對于三維結(jié)構(gòu)的需求，因此正逐漸被快速發(fā)展的密集地震臺陣流動觀測技術(shù)所替代。此外，深地震測深成果的應(yīng)用還不夠充分，對于地殼結(jié)構(gòu)與區(qū)域地震分布規(guī)律之間的研究還存在不足，地震測深成果在礦產(chǎn)資源勘查中的應(yīng)用價值也未能充分發(fā)揮。

針對炸藥震源面臨的困境，陳颙等[21]指出應(yīng)加強(qiáng)氣槍等新型綠色震源在地殼結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用，而且氣槍資料能夠解決傳統(tǒng)炸藥震源難以產(chǎn)生S波的缺陷，有利于對地殼S波速度結(jié)構(gòu)及泊松比等進(jìn)行研究。深地震反射與折射連同震源、同機(jī)聯(lián)合采集技術(shù)的突破，為兩種資料的優(yōu)勢互補(bǔ)和聯(lián)合處理提供了可能。深地震測深資料在加強(qiáng)處理方法研究之外，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)同其他技術(shù)的聯(lián)合處理，如深反射聯(lián)合成像、被動源地震聯(lián)合成像等，提高成像的精度與維度，構(gòu)建更適應(yīng)需求的三維地殼結(jié)構(gòu)。此外，深地震測深方法除在巖石圈結(jié)構(gòu)、地震構(gòu)造探查與地球動力學(xué)研究中發(fā)揮作用之外，還應(yīng)加強(qiáng)在深部礦產(chǎn)與海洋資源勘探開發(fā)中的應(yīng)用。需要指出的是，深地震測深資料的數(shù)據(jù)庫相對較少，僅國土資源部“中國巖石圈三維結(jié)構(gòu)專項(xiàng)計劃”建成了深地震測深數(shù)據(jù)庫，包含11條地學(xué)斷面以及寬角反射/折射剖面，表明該方面工作未得到充分重視，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)已有資料的整理建庫工作，使其更容易被其他學(xué)科應(yīng)用，這對提升地震測深資料的解釋水平也會有很大幫助。