首都圈上地壳高精度三维P波速度模型——基于石油地震叠加速度和人工地震测深剖面

杨 峰，黄金莉

1 中国地震局地球物理研究所，北京 100081

2 中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院，北京 100083

3 中国地震局地震预测研究所，北京 100036

1 引 言

首都圈地区位于华北活动地块北部，是我国政治、经济和文化中心，同时也是我国东部地震活动相对频繁、地震灾害较为严重的地区，该区一直列在我国地震灾害重点防御区的首位，且中国地震局正在这里建立地震预报实验场．首都圈地区既有基岩广泛出露的太行山和燕山隆起区，也有新生代较厚的沉积盆地，且在盆地内又依次展布着黄骅坳陷、沧县隆起和冀中坳陷的隆坳相间区域，形成了起伏急剧的基底界面，地壳结构十分复杂（图1）．不少学者利用天然地震资料研究了该区的地壳结构［1－3］，其结果虽然可以较好地反映隆坳相间区的相对速度差异，但由于分辨率受到诸多因素的限制，得到的上地壳绝对速度的数值在沉积盆地内与实际情况还相差较大，而人工地震测深的结果虽然有比较高的精度［4－8］，又只能得到剖面下方的二维速度结构．

图1 首都圈地区构造背景图灰度背景表示地表地形；黑色曲线勾画区域：①冀中坳陷，②沧县隆起，③黄骅坳陷；白色曲线代表海岸线和省界．Fig．1 Geological background of Chinese capital regionThe gray background shows topography．Regions encompassed by black curved lines：①Jizhong depression；②Cangxian uplift；③Huanghua depression．White curved lines denote coastlines and boundaries between provinces．

目前首都圈强地面运动模拟所采用的地壳结构模型大多是基于地质、钻孔、浅层地震勘探、人工地震测深和区域地震层析成像结果而建立的［9－14］，这些模型由于所用资料的限制，在近地表几公里深度范围的上地壳精度不高，特别是对沉积层的刻画还不够细致，而强地面运动模拟得到的波形是否与实际产生的地震波吻合，最为关键的是看所用速度模型与真实速度模型是否接近，尤其是浅部沉积层对地震波形影响较大［9］，因为模拟结果表明沉积盆地内的低速松散沉积物对地震波有着显著的放大作用，且会造成其持续时间的延长，从而使震害明显加重［15］．所以查清该区浅层上地壳特别是沉积盆地内的精细结构，对于防震减灾具有十分重要的意义．

在高精度三维速度模型的构建上，美国南加州地区树立了很好的模式．南加州地震数据中心（SCEDC）综合利用区域地质、工程钻孔、人工地震测深、石油地震勘探和测井，以及重力等多种资料构建了南加州几个主要盆地区的沉积层模型，并结合地震层析成像获得的地壳、上地幔三维结构模型，建立了南加州地区高精度三维参考速度模型［16－19］，该模型已在强地面运动模拟、地震精定位和速度结构反演等方面得到了广泛的应用，并取得了较好的效果［20－22］．

多年来，首都圈地区不仅建立了较为密集的区域数字地震台网、布设了多条人工地震测深剖面，而且石油系统也在该区积累了丰富的地震勘探资料，这些资料具有较高的探测精度，为控制浅部1～6km深度范围内沉积层的细结构提供了良好的资料条件．但到目前为止，这些资料还未在建立首都圈地壳结构模型中应用．本次研究收集了首都圈地区部分石油地震勘探叠加速度资料、人工地震测深剖面解释结果，采用专业地质建模软件构建了首都圈地区上地壳三维P波速度模型，并对该模型所揭示的浅层结构特征进行了解释讨论．

2 资料及处理

本次研究所用资料包括石油地震勘探中的叠加速度和人工地震测深剖面解释结果，我们将资料收集的重点放在盆地区（图2），这样有利于查清盆地区沉积层细结构．数据处理分为三个部分：（1）对地震叠加速度资料进行常规处理得到各测点下速度随深度变化的速度曲线；（2）对人工地震测深二维速度结构图作数字化处理，由此获得各剖面下方离散化的速度数据；（3）建立研究区的三维网格体系，由上述处理所得到的速度数据构建该区上地壳三维速度模型．

图2 本次研究应用的人工地震测深剖面和地震叠加速度测点的位置灰色直线代表人工地震测深剖面，（1），（2），…，（9）为剖面序号；黑色圆点代表地震叠加速度测点；黑色虚线方框示出了本文的研究区（115．50°E—117．6°E，38．40°N—40．75°N）；黑色曲线勾画区域：①冀中坳陷，②沧县隆起，③黄骅坳陷；灰色曲线代表海岸线和省界．Fig．2 The locations of DSS profiles and seismic stack velocity survey points used in this studyGray lines show the locations of DSS profiles and（1），（2），…，（9）denote serial numbers of these profiles．Black dots denote seismic stack velocity survey points．The black dashed frame shows the present study region （115．50°E—117．6°E，38．40°N—40．75°N）．Regions encompassed by black curved lines：①Jizhong depression；②Cangxian uplift；③Huanghua depression．Gray curved lines denote coastlines and boundaries between provinces．

2．1 叠加速度资料及处理

我们在全国地质资料馆收集了华北油田、大港油田等单位在冀中坳陷和黄骅坳陷地区往年的地震勘探成果报告，从中得到不同探区的叠加速度资料，另外还从石油系统获得了少量探测点上宝贵的叠加速度新资料．本次研究共计收集了40个测点的地震叠加速度资料，每个测点上的数据均由一系列的双程垂直反射时间（t0）和相对应的叠加速度（Va）构成，测点的位置见图2，可以看到这些测点主要集中在华北裂陷盆地的黄骅和冀中坳陷内，沧县隆起内也有少量分布，这为理清盆地区特别是盆地坳陷区的沉积层细结构创造了较好的数据条件．采用常规处理叠加速度的方法：在水平层状介质的假设条件下，叠加速度（Va）与均方根速度（VR）等同［23］，即有：

其中，n为层数；然后，将每一层的均方根速度（VR，n）代入DIX 公式中可以计算出时间域的层速度［23］：

其中，Vn是第n层的速度，VR，n和VR，n－1为第n层和n－1层的均方根速度，t0，n和t0，n－1为第n层和n－1层的双程垂直反射时间；最后，再依据计算的层速度（Vn）和每一层的双程垂直反射时 间（t0，n）即可 求得层厚度（Hn）：

利用如上计算得到的层速度（Vn）和层厚度（Hn）就可进一步获得各测点下方速度随深度变化的曲线．图3给出了3个具有代表性的测点下的速度曲线，它们分别位于冀中坳陷、沧县隆起和黄骅坳陷内．从图3可见，冀中坳陷和黄骅坳陷下的速度总体呈随深度稳步增加的趋势（图3中灰色和黑色曲线），而沧县隆起下的速度则是在2km 和3km 深度附近两次突增至近5．0km/s后才逐渐平稳增加（图3中深灰色虚线），表明隆起区与坳陷区的速度结构有较大的差异．经上述处理得到的速度曲线主要用于盆地区沉积层速度模型的构建．

图3 三个典型测点下的速度曲线测点1位于冀中坳陷内，速度曲线由灰色曲线表示；测点2位于沧县隆起内，速度曲线由深灰色虚线表示；测点3位于黄骅坳陷内，速度曲线由黑色曲线表示；测点具体位置见图2．Fig．3 Velocity curves at three representative survey pointsThe point 1lies in Jizhong depression and its velocity curve is shown by gray curved line．The point 2lies in Cangxian uplift and its velocity curve is shown by dark gray dashed line．The point 3lies in Huanghua depression and its velocity curve is shown by black curved line．Specific locations of these threepoints are shown in Fig．2．

2．2 人工地震测深资料与处理

首都圈地区是我国人工深地震测线最密集的区域，目前已发表了大量详实、可靠的研究成果．考虑到人工地震测深资料的结果在地壳浅部也有相对较高的精度，我们从已发表的文献中挑选了图件清晰可靠的9条剖面的解释结果［4－8，24－27］．剖面的名称及起始点列如表1中，同时在图2中给出了剖面位置．我们利用地理信息系统MapInfo软件的矢量化功能，对上述9条地震测深剖面中的速度等值线进行数字化处理，获得了各条剖面下方不同深度点的P波速度．

表1 用于构建首都圈地区上地壳三维P波速度模型的人工地震测深剖面Table 1 The DSS profiles used to build up the 3DP－wave velocity model of the upper crust under the Chinese capital region

2．3 速度模型的构建

由上两节数据处理得到的剖面下方离散点的速度数据和各测点的速度曲线，采用专业地质建模软件GOCAD 可以构建首都圈地区上地壳三维速度模型．该软件拥有完善的三维模拟和可视化功能，且建模效率和可靠性均较高，能够满足本次对复杂构造建模的要求．根据收集的叠加速度资料和人工地震测深剖面的分布情况，本文以（115．50°E—117．6°E，38．40°N—40．75°N）为研究区（如图2 中虚线框所示），该区域也是首都圈地震预报实验场重点建设的区域．在构建模型前，为了检验两种不同来源的速度资料的相容性，我们挑选了部分距离人工地震测线较近的石油地震勘探测点下的速度曲线与之进行比较，发现两者所反映的速度变化的趋势是一致的，但是石油资料在浅层反映的速度可能更精细些，两类数据之间不存在冲突．

构建速度模型时，我们先从基础地理信息数据中提取研究区的地表高程数据，以地表高程面作为速度模型的顶面，根据前人的研究结果华北裂陷盆地基底埋深达10km［28］，因此我们将10km 深度界面作为模型的底面；然后在顶、底界面之间设置经度、纬度和深度方向的网格节点，形成195×281×119的三维网格体系，使得网格节点距在水平方向上为1km，在垂直方向上为0．1km．构建好三维网格体系后，采用“算数平均”方法将前面2．1节、2．2节得到的速度数据赋值到网格节点上；然后，采用GOCAD 软件的核心技术——离散光滑插值方法对网格节点上的速度值进行约束［29］．该方法能够使相邻节点间的属性平滑过渡，并能够将插值计算的结果同原数据点再次匹配，保证了插值结果只与输入数据和模型的网格化有关，确保了模型的可靠性．经过100次迭代计算后，获得了研究区10km 深度内的上地壳三维P波速度模型．

3 结果解释

从图2可见，本文收集的石油地震叠加速度和人工地震测深剖面资料在华北盆地区有着较好的覆盖，而北部的燕山隆起区和西部的太行山隆起区内测线则相对较少，因此，模型的精确性和可靠性在盆地区应高于隆起区．图4给出了从构建的模型中截取的不同深度上的P 波速度结构平面图．0km 和1km深度上的速度图像基本上反映了地表的速度结构特征（图4（a，b）），从图中可以看到与地表地形（图1）起伏变化密切相关，华北裂陷盆地内显示出明显的沉积盖层的低速特征，P 波速度约为1．5～4．5km/s，而在北部的燕山隆起区和西部的太行山隆起区内则速度相对较高，P波速度分别约为3．8 ～5．8km/s和5．5～6．5km/s，与这两个地区基岩直接出露于地表或埋深较浅的特征相符；而太行山和燕山隆起区之间的延怀盆地，则显示出小范围的低速（图4a），由此可见0km 和1km 深度上的速度图像较细致地刻画了地表地质构造、地形及岩性的特征．

在2～4km 深度的速度图上（图4（c—e）），太行山、燕山隆起区下的速度变化平缓，华北裂陷盆地内的坳陷区和隆起区则呈现明显不同的速度结构特征：冀中坳陷、黄骅坳陷内速度约为2．2～4．2km/s，显示出新生代沉积构造的特征；沧县隆起速度相对较高，约为4．5～6．3km/s，显示为古老的岩层构造；从整体看，盆地内的速度结构可看作是两个大的低速坳陷中间夹着一个高速的隆起，这与段永红等［28］的研究结果相似．此外，沿冀中坳陷的北缘，速度横向变化约4．0～5．0km/s（图4（c，d）），清晰地勾画了盆地边缘的形态．随着深度的增加，整个研究区下的速度逐渐变大，黄骅坳陷下的低速特征逐渐变得模糊不清，冀中坳陷下的低速范围也逐渐变小（图4（f—i））．

图5是截取的P波速度结构剖面图，这些剖面穿过不同构造部位和叠加速度资料较集中的区域（见剖面位置图5i），为了较清楚地揭示华北盆地沉积层复杂的结构特征，我们在盆地区截取了较多剖面并在图上标出了速度等值线．从横穿华北裂陷盆地的剖面（图5（a—c））可见，盆地内沧县隆起与东西两侧黄骅、冀中坳陷下的速度结构差异显著；坳陷区被巨厚的沉积层所覆盖，盖层速度在冀中坳陷下约为1．5～5．0km/s（图5（a—c，f，h）），在黄骅坳陷下约为1．7～5．0km/s（图5（a—c，e）），且坳陷区的速度随深度逐渐增加；而沧县隆起区的沉积盖层较薄，只有1～2km，速度约2．0～5．3km/s（图5（a—c））．位于盆山过渡带的张渤断陷带其盖层厚度介于两者之间，速度较盆地内有所变大（图5d），且位于太行山隆起区的一些小型沉积盆地如：延怀盆地、顺义盆地等也展现出与周边不同的速度结构特征（图5（c，d，g））．

4 讨 论

本研究基于石油地震叠加速度资料和人工地震测深剖面解释结果构建了研究区上地壳三维P 波速度模型，模型揭示了浅层地壳一些重要的速度结构特征，与人工地震测深的结果比较说明其对于沉积盆地的刻画更精细．

4．1 华北裂陷盆地区结晶基底结构特征

本次研究由于使用了华北盆地内较多的石油地震资料，因而得到的模型能够较细致地刻画结晶基底面的起伏．嘉世旭等［8］的研究给出冀中和黄骅坳陷的基底界面速度为5．6～6．0km/s，沧县隆起为5．9～6．0km/s；依据这一结果，我们分别选择5．6km/s和6．0km/s的速度等值线勾画结晶基底界面，发现两者所反映的基底深度在坳陷区最大相差可达近3km，在隆起区最大相差约0．5km；但是大多数的研究基本都是以6．0km/s的速度界面讨论结晶基底面的起伏变化［5，7，28］，因此，本文选择以6．0km/s的速度等值线来勾画结晶基底界面最大可能达到的深度．

本文模型显示冀中坳陷结晶基底在任丘、文安以南地区达到最深，约9～10km（图5（a，f）），在霸县凹陷下约6～7km（图5（b，f）），永清凹陷达到7km（图5（f，h）），武清凹陷下方为7～8km（图5（c，h）），沿构造走向整体呈西南深、东北浅的趋势（图5（f，h））；黄骅坳陷的基底埋深约8～9km，沿构造走向起伏变化平缓（图5（a—c，e））．沧县隆起下的基底埋深在沧州、青县地区最浅，尚不足2km（图5a），沿北东方向逐渐加深至4km 以下（图5（b，c））．

总体来说，华北裂陷盆地内部的结晶基底起伏变化剧烈，横向非均匀性明显（图5（a—c）），反映出盆地内部不同次级构造单元的差异沉降和中、新生代以来强烈的拉张构造运动．

4．2 张渤断陷带、太行山和燕山隆起区结晶基底结构特征

张渤断陷带下的基底埋深沿北西向的构造走向从东到西逐渐变浅，三河震区和顺义盆地下方较深，可达5km 以下（图5（d，g）），而位于山间的延怀盆地下仅为1km 深（图5（c，d））．太行山隆起下的基底埋深可从地表延伸至2km 深（图5（c，g）），燕山隆起区下则约为2．5km 深（图5g），相对较浅的基底埋深体现出隆起区新生代以来的抬升构造运动．

4．3 与人工地震测深结果的比较

本次研究首次将石油地震叠加速度资料用于首都圈地区上地壳速度模型的构建，为了检验本模型对上地壳速度结构刻画的细致程度，我们将该模型与以往人工地震测深的结果进行比较（图6）．所选测深剖面穿过了叠加速度资料较集中的区域，横跨了盆地坳陷区和隆起区（剖面位置见图2中的9号测线），且速度等值线连续、清晰［8］．为了方便比较，我们采用近似的速度色标，并给出了相同量值的速度等值线．总体来看，两者所展示的速度横向变化的趋势大体相同，但由于本文使用了探测精度更高的石油叠加速度资料，获得的模型对浅部5～6km 深度范围以上沉积层速度结构的刻画更为细致（图6）；尤其在黄骅坳陷内，本文的结果几乎完全是基于叠加速度（图2），其精细程度明显优于人工地震测深的结果（图6a），突显出石油资料在沉积层速度模型构建中的重要作用．

图6 P波速度剖面对比图（a）从本文模型中截取的P波速度剖面图；（b）人工地震测深P波速度剖面图［8］；各图下方给出了P波速度的色标，剖面位置见图2．Fig．6 Comparison of P－wave velocity cross section（a）P－wave velocity cross section revealed form present model．（b）P－wave velocity cross section of DSS ［8］．P－wave velocity scales are shown at the bottom，respectively．The location of the cross section is shown in Fig．2．

5 结 论

本文首次利用石油地震叠加速度资料和人工地震测深剖面的解释结果，采用专业地质建模软件构建了首都圈地区（115．50°E—117．60°E，38．40°N—40．75°N）范围内10km 深度以上高精度的地壳三维P波速度模型，取得以下认识：

（1）近地表的速度图像较细致地刻画了地表地质构造、地形及岩性的特征，盆地区显示出明显的沉积盖层的低速特征，P波速度约为1．5～4．5km/s，隆起区内的速度则相对较高，P 波速度约为3．8～6．5km/s，与该区基岩直接出露于地表或埋深较浅的特征相符；

（2）华北裂陷盆地内的坳陷区与隆起区呈现出明显不同的速度结构特征，盖层速度在冀中坳陷下约为1．5～5．0km/s，黄骅坳陷下约为1．7～5．0km/s，沧县隆起下的盖层速度则相对较高，约为2．0～5．3km/s，得到的绝对速度数值与实际情况的较为接近；盆地区整体表现为两个大的低速坳陷（冀中坳陷和黄骅坳陷）中间夹一个高速的隆起（沧县隆起）；

（3）华北裂陷盆地内的结晶基底埋深变化大，冀中坳陷和黄骅坳陷下较深，最深处分别可达10km和9km，沧县隆起下相对较浅，约2～4km，剧烈的基底起伏反映出盆地内部不同次级构造单元的差异沉降和中、新生代以来强烈的拉张构造运动；

（4）张渤断陷带下的基底埋深沿构造走向从东到西逐渐变浅，顺义盆地下方可达5km 以下，而延怀盆地下则仅为1km 深；

（5）相较于盆地区，太行山、燕山隆起区的结晶基底浅，体现出隆起区新生代以来的抬升构造运动；

（6）与人工地震测深的结果相比，石油勘探叠加速度资料的利用使本文获得的模型对盆地区浅部5～6km深度内沉积层的刻画更为精细．

本文构建的上地壳速度模型可为在首都圈地区开展沉积层细结构的研究提供参考，并有望在强地面运动模拟和地震精定位等相关领域的研究中发挥作用．

致 谢 本次研究从石油部门收集到了首都圈地区的部分石油地震勘探叠加速度资料，两位匿名审稿专家对本文提出了有益的建议，在此一并表示感谢！

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