地震宽角反射/折射方法发展述评

本文从地震宽角反射/折射方法的仪器装备、观测系统、观测实验、震相识别、数据分析等主要技术环节的出现、改进、发展、完善,回顾了该方法的百年发展历史.按照我们的见解,将其发展过程分为萌芽期、诞生期、成长期和发展期.对于早期的追溯,重点放在方法的孕育和诞生起到关键作用的人物和事件上,并且尽可能详细;对后期的回顾,聚焦在方法的技术内容的萌发、出现、改进、应用和重点文献等方面,如,何时出现了剖面方法、相遇和追逐观测、地震宽角反射/折射剖面数据的完备性等,成果表述不作为重点,而且叙述简略.述及了天然地震学、地震折射勘探、地震反射勘探、电子技术、通讯技术、测量技术、计算机技术、计算数学等相关学科的进步,对地震宽角反射/折射方法发展的促进作用.展望未来,宽角反射/折射方法在我国深部探测与矿产资源勘查领域大有可为.以此文致敬追寻科学真理的地学前辈.

利用宽角反射/折射和深反射探测剖面揭示三河—平谷大震区深部结构特征

利用三河—平谷 8.0级大震区实施的深地震反射剖面与宽角反射剖面探测方法获得的结果进行了综合研究和解释 .结果表明 :两种探测方法给出的地壳基本分层是一致的 ,在三河—平谷大震区上地壳的埋深为 2 1～2 3km ,莫霍界面的深度为 36～ 37km ;该地区基底结构起伏变化较大 ,浅部断裂发育 ,在确定的数条断裂构造带中夏垫断裂是一条特征明显、深浅共存的断裂构造带 ;震源区周围差异明显的速度异常结构和特殊而复杂的地质构造环境意味着这些部位是发生大地震的有利部位 ;该地区莫霍界面起伏变化和较厚的反射叠层以及局部复杂的楔形反射带的存在等现象表明 ,该地区地壳结构发生过强烈的挤压、变形 ,同时也反映出岩浆活动对下地壳结构进行了物质的和结构的强烈改造 ,从而构成了该地区复杂的地壳深部结构 ,可将其视为三河—平谷 8.

宽角反射/折射剖面揭示的祁连造山带莫霍面深度

祁连造山带位于青藏高原东北缘,距南侧的喜马拉雅碰撞带前缘1500 km,以一个宽阔的(东西长约1000 km,南北宽200~400 km)、NW走向的造山带的形式被夹持于北侧的河西走廊盆地与南侧的柴达木盆地之间,西侧被NEE走向的阿尔金左行走滑断裂带所截切,北缘以青藏高原北缘断裂带,祁连山北缘断裂带和祁连山东缘断裂带与河西走廊盆地相邻,南东方向与西秦岭造山带相接,东缘与鄂尔多斯地块相邻.记录了新生代以来印度板块和亚洲大陆板块碰撞和青藏高原边缘造山和地壳变形的重要过程.对其地壳深部结构的探测是研究青藏高原隆升和向北扩展,理解印度与欧亚大陆碰撞的大陆内部构造作用的关键手段.自1980年代以来,前人在研究区实施了多条宽角反射/折射剖面,以揭示祁连造山带及周缘的地壳深部结构.本文通过对这些宽角反射/折射剖面的收集汇总和梳理分析,以探讨祁连造山带不同区段下方莫霍面起伏及深度差异,研究结果显示:祁连造山带莫霍面埋深整体自西向东变浅,最深的莫霍面位于北祁连造山带内的哈拉湖附近;结合其他地质与地球物理资料,本文推测莫霍面深度的起伏及变化状态揭示了祁连造山带由西向东不同的地壳缩短方式,其中西段最深的莫霍面可能由大陆俯冲的“底垫作用”所引起;中段的壳内低速体和低阻体反映了该区上下地壳解耦变形,地壳的持续缩短主要靠变形解耦面以上发育的大型逆冲断裂带调节;而莫霍面深度最浅的东段累积应力则主要靠左行走滑的海原断裂和壳内发育的逆冲断裂调节.

洱源-江川宽角地震剖面的地壳反射特征

通过对洱源-江川宽角反射地震资料的叠前偏移处理成像,得到了一个类似于近垂直入射多道地震数据的记录剖面.反射剖面图像与地壳速度结构共同揭示出地壳厚度由剖面西北端(约45km)向东南端(约40km)减薄.在洱源-楚雄西北附近深度约10km处存在一组向东南倾斜的强反射震相,其东南约50km处存在向西北倾斜的强反射震相.易门断裂两侧地壳反射属性具有明显的差异,易门断裂之西北方向深度25～40km处,中下地壳内存在两组强振幅,向东南方向上倾的地震反射同相轴,并被楚雄-建水断裂后期所错断,易门断裂之东南方向上,地壳内反射较为均一,未见特别明显的强间断面反射信息,这个反射结构被解释为印度板块东向俯冲与藏东缘地壳物质东向逃逸综合作用导致下地壳增厚和厚地壳变形的结果.

由宽角反射地震资料重建壳幔反射结构的相似性剖面

针对人工源宽角地震测深中炮点与接收点稀疏的特点 ,利用几何散射理论进行壳幔散射体的相似性剖面成像 ,利用互易性原理计算散射体相似性成像的时间条件 ,研究基于宽角反射地震资料重建壳幔反射结构的相似性成图方法 .其中 ,成像点的时间采用快速、高精度的程函方程求解技术 .利用该方法处理东南陆缘区宽角反射剖面实际资料 ,结果表明 ,较之壳幔反射结构的CDP成图技术 ,相似性成图方法具有提高反射同相轴横向连续性的能力 .

小波变换在地震宽角反折射资料处理中的应用

小波分析方法用于地震宽角反折射资料处理 ,它可将地震信号的分辨率由传统的1 /2— 1 /4λ(波长 )提高到优于 1 /6λ .利用小波分析方法对沙雅—布尔津地震宽角反折射剖面资料进行处理 ,发现天山造山带的壳幔过渡带由 7— 8个高低速相间的薄层构成 ,平均速度较低 ,总厚度约 2 0km .而塔里木盆地北缘与准噶尔盆地的壳幔过渡带不具有这一特点 ,壳幔间主要以一级间断面实现过渡 .天山造山带与准噶尔盆地壳幔过渡带详细结构及其二者之间的差异特征为天山造山带地球动力学“层间插入消减模型”

滇西北地区云县—宁蒗宽角反射/折射剖面结果

位于滇西地区的红河断裂是中国最长的走滑断裂之一,具有很高的地震潜势。为了调查红河断裂的复杂结构,在滇西地区穿过红河深大断裂带完成了1条由云县至宁蒗近SN向长300km的宽角地震反射/折射剖面。结合初至波走时成像及正演建模方法,对该测线观测数据进行了一维、二维分析拟合,获得了该地区沿测线的二维地壳速度结构模型。结果显示：地壳P波平均速度为6.2～6.3km/s,基本呈现为1个均匀的正速度梯度结构,但在中地壳和下地壳不同区域有部分低速异常;沿测线Moho界面埋深存在较大的横向变化,自南向北明显变深,南侧Moho埋深约为45km,北侧Moho埋深可达54km,较之典型的大陆地壳,存在明显的增厚现象;而沿测线中上地壳厚度变化不大,地壳增厚主要缘于下地壳厚度的增加;以红河断裂为界,地壳结构存在明显的横向差异,暗示了红河断裂作为扬子准地台和三江地槽系构造边界的作用;测线穿过区域红河断裂两侧没有明显的Moho埋深变化,结合临近区域的其他研究结果,表明红河断裂在不同区段存在较大的差异。

宽角反射地震波走时模拟的双重网格法

在研究地壳结构的人工源宽角反射地震资料解释中,常规宽角反射波走时和射线路径计算大都假定地壳模型为层状块状均匀介质.为了逼近实际地壳结构模型,要求模型尺度较大,为了提高地震资料解释的可靠性,须减小模型离散单元的尺寸,但同时计算量大大增加,使资料解释的效率较低.为此,本文尝试同时提高宽角反射地震资料解释效率和可靠性的方法,即使用双重网格计算宽角反射地震波走时和射线路径的最小走时树方法.双重网格法在均匀介质内部仅计算大网格节点,在速度变化点、震源点和检波点区域,同时计算小网格节点;在界面边界点使用比介质内部节点更大的子波传播区域.模型计算结果表明,对于大尺度的层状块状均匀介质模型,在保证精度的条件下,本文所提出的双重网格射线追踪方法的计算效率比单网格方法显著提高.

银川盆地岩石圈结构——长观测距宽角反射与折射剖面结果

利用2014年完成的穿过银川盆地人工源宽角反射与折射剖面的3炮长观测距资料,采用基于地震波走时反演方法的Rayinvr算法得到了研究区地壳和上地幔的速度结构.结果表明:研究区地壳厚度为42—48km,莫霍面沿剖面展布形态呈现出东西两侧浅、中部较深的特征,莫霍面最深的区段位于贺兰山下方.P波速度沿剖面随着深度的增加呈正梯度增大,然而在深度约为90—103km的岩石圈地幔中,识别出两组较明显的反射界面,两组界面之间并未发现P波速度随深度而显著增加,表明研究区下方存在与地球平均模型中速度随深度增加而增大不相符的速度结构,推测银川盆地下方岩石圈与软流圈之间可能存在速度过渡带.

多次覆盖的深地震反射剖面炮集产生的单边折射数据的模拟与反演:推导浅层速度结构的方法

地壳尺度多次覆盖的近垂直深地震反射剖面产生大量的单边炮集,因浅层折射波的交互覆盖而产生众多的数据集。我们介绍一种推导浅层速度结构的方法,该方法是通过模拟和反演单边地震折射初至走时数据来实现的。我们将该方法应用于在印度地盾西北新元古代马尔瓦尔盆地进行的炮检距为100m、长12km的剖面上获得的数据集。该方法表明,在描述浅层折射层深度、陡的倾角和速度方面是成功的,即使缺少常规的相遇折射剖面也如此。研究揭示出马尔瓦尔盆地的2层沉积建造、默拉尼火山岩和复杂基底地形,并测量出了所估算模型参数的分辨率和不确定性。发现近道选排的地震截面图在性质上与导出的盆地结构特征相一致。在布格重力剖面上观测到的相对高和低的异常进一步证实了导出的这一速度模型。本文提出的方法对那些只能获得单边、多次覆盖的地震剖面数据集的近海等地区是非常有用的。

用于地学研究的小宽线深反射地震技术

深反射地震方法分辨率高、准确可靠 ,是用于地学研究的一种有效方法技术。本文系统地讨论了一种实用、有效的深反射地震技术—小宽线反射地震技术 ,把该技术应用于东秦岭深反射地震调查中 。

一种宽角圆极化平面反射阵天线单元设计

平面反射阵天线单元的电性能直接决定天线系统技术指标,而常规反射阵单元在大角度照射时工作性能下降,从而难以应用于小焦径比(即大照射角)的紧凑型天线中。针对常规反射阵天线单元宽角性能差的技术难题,提出一种采用匹配层设计的新型反射阵单元。该匹配层将空气中大入射角电磁波转化为介质中的小入射角电磁波,从而改善了单元的宽角工作性能。以一种工作于X频段的金属开口环形反射阵单元为例,采用匹配层设计技术后,天线单元在宽角度范围内的主极化反射率提高,交叉极化反射率下降。

人工源宽角地震实验的谱元法模拟和逆时偏移成像方法研究

人工源宽角反射(折射)地震资料具有偏移距较大、信噪比较低等特点,通常用于地震波走时反演重建地壳速度结构。逆时偏移成像方法作为勘探地震学领域获取地下构造形态的有效手段之一,可以有效弥补走时反演方法的不足。本文针对大偏移距宽角反射(折射)地震实验,利用四边形网格谱元法进行波场模拟,结合了有限元法的灵活性和谱方法的指数收敛性,高效且高精度获取模型合成地震记录,后采用逆时偏移成像方法将合成地震记录偏移归位,获取地壳几何结构,验证了逆时偏移成像方法在宽角地震资料处理及结果解释中的适用性,为后期实际地震资料的偏移成像提供了理论依据和支持。

福州盆地及邻区地壳精细结构的深地震反射与高分辨率折射及宽角反射/折射联合探测研究

福州盆地及其邻区地处中国大陆东南沿海地震带北端.通过在该地区开展了中国第一条高分辨率地震折射、宽角反射/折射和深地震反射联合剖面探测,获得了该地区近地表至Moho面的精细速度结构和几何结构及其深浅构造关系图像.结果表明,该地区地壳厚约32km,具有明显的分层结构特征,可分为上地壳和下地壳2个组成部分.上地壳介质速度为5.9～6.2km/s,在埋深10～15km之间存在厚3～4km的弱低速层(体);下地壳介质速度介于6.3～7.27km/s之间,Moho面上部厚约3km范围内为一个强速度梯度层,速度从6.5km/s增加到Moho面上界面的7.27km/s;福州盆地及其邻区近地表至浅部高角度正断层发育,但规模较小,延深浅,是缓倾正断层上盘发育的次级反向正断层,发震能力有限;而长乐—诏安断裂带至滨海断裂带下部存在着切割上、下地壳分界面和Moho面的高倾角深断裂,具有发生中强以上地震的深部构造环境,是未来产生对福州市有影响地震的震源区.这一成果大大提高了中国东南沿海地震带深部构造的探测精度,在东南沿海地区首次发现上地壳的张性构造及铲式正断层组合特征,并在深浅部构造组合方面首次取得了统一的解释结果,深化了东南沿海地震带的深部动力学过程的认识,同时在深部地震探测方法综合应用方面对其他地区具有借鉴意义.

华北克拉通东部地壳与地幔盖层结构——长观测距深地震测深剖面结果

利用文登—阿拉善左旗长观测距地震宽角反射/折射剖面东段资料,辩识出4组地壳震相和3组地幔盖层震相.采用二维射线追踪走时反演和正演拟合交替计算方法,得到了包括鲁东隆起和华北裂陷盆地在内的地壳和地幔盖层二维速度结构.研究结果表明：华北裂陷盆地基底深达6km以上,研究区壳内界面C1埋深约15km,C2界面深约25km,Moho面平均埋深约35km.上地壳速度6.0~6.1km·s^-1,且横向变化较大;中地壳速度相对均匀约为6.2~6.4km·s^-1;下地壳速度为6.5~7.0km·s^-1,速度梯度较大.地壳平均速度与隆起和坳陷构造相关.研究区岩石圈底界面一般为75~80km,西端接近太行隆起构造时深至90km左右,向西呈明显加深趋势,地壳厚度呈现相同的增厚特征.地幔盖层上部速度8.0~8.2km·s^-1,具明显正梯度特征.岩石圈平均速度在郯庐断裂带附近显著偏低.PmP和PLP震相存在不同程度的复杂性,意味着在本地区Moho界面和岩石圈界面有较为复杂的结构,可能具有一定厚度或过渡带性质.结合其他研究结果认为,地幔盖层和下地壳速度梯度、界面性质差异与华北克拉通破坏相关,意味着破坏是一个渐变、缓慢和不均匀的过程.郯庐断裂带附近的低速应是其为软弱带的证据.

新丰江库区二维P波速度结构——英德一河源一陆河深地震测深剖面探测结果

以新丰江水库为中心完成了一条深地震宽角反射/折射剖面.采用动力学射线追踪方法获得了沿剖面的壳幔二维速度结构图像.结果表明:在新丰江水库东南的大坝峡谷区至河源一带,上地壳基底界面至C_1界面(上地壳上部的底面)之间速度结构存在较明显的纵横向非均匀性,速度以高、低速相间分布为特征.结合近期新丰江库区地方震精确定位结果分析发现,地震分布与这一结构异常区有较好的相关性.推测剖面120 km桩号附近可能存在至少切至上地壳上部的深部断裂.该断裂主要以水平错动为主,且在近地表并不明显,这与新丰江大坝峡谷区分布的北东东向断裂特征具有一致性.研究区基底埋深约1.2～2.5 km,新丰江水库下方基底相对两侧呈现上隆.上地壳下部层速度较为均匀,层厚度无明显变化,上、下地壳分界面埋深20.5～21.5 km.下地壳存在一弱低速层体,莫霍界面由南东向北西呈缓慢加深的趋势,起伏变化不大.埋深约31.0～32.5 km.沿剖面地壳平均速度6.21～6.25 km/s.

广角地震波场特征分析

地震宽角反射/折射方法主要是利用壳内与上地幔顶层的广角反射信息重建地壳上地幔结构,是研究地壳上地幔结构构造最有效的方法之一.同时,宽角地震接收到的超临界角的广角反射信息,相对于临界角之内的反射信息必定存在着随偏移距变化的时移现象.本文通过构建地壳模型采用交错网格有限差分方法合成广角地震记录,并从理论地震图上分别用传统射线方法和考虑时移影响的方法标定了震相走时,分析了广角反射的地震波场特征,揭示了地震资料中的广角效应,继而分析了广角信息存在对接收波场的响应影响.

琼东北及雷州半岛深地震测深剖面Pg波资料处理结果--用地震波前成像和射线数分布分析法

本文用地震波前成像和射线数分布分析法对上世纪80年代在琼东北及雷州半岛地区完成的三条宽角反射/折射地震剖面的Pg波资料进行了处理,得到了三条测线下方的上地壳顶部P波速度结构及基底的空间展布形态特征.结果显示研究区域表现出较复杂的上部地壳结构特征,浅部P波速度结构的高、低速区域分别与地质构造上的一些凸起和凹陷相对应,用射线数分布分析法所显示的基底结构及形态特征与地震剖面穿过区域的地质构造有较好的对应关系,测线穿过的一些断裂下方P波速度结构表现为强烈的横向非均匀性.

华北克拉通地壳结构研究——长观测距地震测深剖面的结果

华北克拉通是当今世界最古老的克拉通之一，其自18亿年前克拉通化之后至早中生代，一直保持相对稳定，并保存有巨厚的太古宙岩石圈根。自中生代以来，华北克拉通东部经历了一系列的构造隆升和伸展运动，东部的岩石圈已经被强烈改造和破坏。近年来，相关研究表明，华北克拉通东部岩石圈地幔不仅减薄了100多千米，而且其物理化学性质也发生了相应的变化，同时，华北克拉通本身具有的稳定性也遭到了破坏。其中，天然地震台阵探测、重力和地球化学等研究在华北克拉通破坏的研究中获得了丰富的成果。华北地区也开展了丰富的人工地震探测。然而，受观测技术的限制，剖面长度通常均小于400 km，有效观测距离一般小于200 km。2009年，中国地震局地球物理勘探中心在国家自然科学重大计划的资助下完成了一条总长1530 km的宽角反射/折射剖面，该剖面是迄今为止唯一一条东西向贯穿华北克拉通的超长距人工源宽角反射/折射地震剖面，最大有效观测距离超过600 km，为华北克拉通的研究提供了良好的数据支持。本研究利用该超长剖面获得的11炮记录，通过带通2～10 Hz带通滤波、走时拾取、互相关到时拾取误差分析等技术，共提取2215个初至波到时和757个PmP反射波走时。

在福建地区进行深地震测深探测爆破孔的探讨

通过项目的对比,对福建地区深部地震探测钻爆技术的应用,提出了有效的解决办法,为以后在类似地层的施工起到了示范作用。