用近垂直方法提取莫霍面——以六盘山深地震反射剖面为例

李洪强，高 锐＊，王海燕，李文辉

1 中国地质科学院地质研究所，北京 100037

2 国土资源部深部探测与地球动力学重点开放实验室（建），北京 100037

1 引 言

近几十年来，中外地球科学家在青藏高原进行了大量的多学科的综合地球物理考察［1］，大大深化了对青藏高原本体的认识，相继提出了青藏高原隆升机制及其对外围区域影响的多个端元模型.但是，对青藏高原边缘的深部探测工作还远远不够.六盘山位于青藏高原东北部边缘与鄂尔多斯的交界处，是我国北方现今构造格局和地势东西分异的重要界限［2－4］.该地区构造活动强烈、地震活动频繁，一直受到地学界的广泛关注［5－7］.因此在该地区开展详细的地球物理勘探对研究块体之间深部边界划分、相互耦合关系及深部结构和动力学过程对块体间相互运动的作用方式有重要的理论和实际意义，认识和理解鄂尔多斯地区大陆变形模式以及印度—欧亚大陆碰撞对东部的影响具有重要科学意义.

目前在该区已开展的探测工作主要是爆破地震广角反射／折射探测剖面［7］、大地电磁测深［8］、宽频带地震台阵观测［5－6］等，但这些地球物理方法一般限于分辨率较低的大尺度研究，难以提供准确的上地幔范围内地块之间的耦合和接触变形关系.而深地震反射技术已被国际地学界公认为是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有效技术手段，该方法是在常规地震反射方法的基础发展起来的，两者原理相同，都是利用不同物性界面产生的弹性波反射同相轴来描述界面、断裂等地质构造特征.但深地震反射方法探测深度比常规地震勘探要大得多，一般记录长度都在20s以上深反射地震剖面能获取来自莫霍面和上地幔的反射图像，揭示岩石圈结构，解决深部地质构造问题［9－12］.为了进一步研究青藏高原东北缘与鄂尔多斯块体的相互作用和构造变形的深部驱动机制以及该区大陆强震的成因，2007年5—7月，中国地质科学院地质所组织实施了西起通渭县，东止于泾川县，横过六盘山的深地震反射剖面.

本文主要根据近垂直反射原理和深部莫霍面反射资料频率低的特征，运用深地震反射资料的近垂直入射数据的低频信息通过静校正、资料净化、共检波域叠加、叠后信号增强等技术对莫霍面进行成像.

2 数据采集及质量分析

2.1 数据采集

深地震反射剖面位于105.3°E—107.5°E、35.0°N—35.4°N，分布在甘肃省平凉市境内.深地震反射剖面位置如图1所示，为了获得全地壳的反射信息，深地震反射数据采集根据“浅深兼顾、大中小炮结合”的原则设计，即针对浅、中、深部不同目的层，采用大、中、小三种药量的爆破震源激发.野外数据采集使用三种不同药量的炸药激发，具体采集参数如下：小炮炮间距为250m，药量50kg，道距50m，中间放炮，单边300道接收，最小偏移距50m，最大偏移距15km；中炮炮间距1km，药量100kg，采集排列同小炮一致；大炮炮间距约25km，药量为500kg，道距为50m，单边1000道接收；小、中炮记录长度为30s，采样率是2ms，大炮记录长度为60s，采样率为4ms，数据采集中同时开展折射／宽角反射工作，折射／宽角反射大炮药量为1500kg，其中4个折射大炮同时被反射排列接收.本次采集获得反射数据为大炮7个、折射大炮4个、中炮165个、小炮670个.

2.2 数据质量分析

从深地震反射单炮记录分析可得，单炮记录总体能量较强，浅、中、深层波阻信息丰富，品质较高；但部分区域受巨厚黄土和河道鹅卵石层对地震信号的吸收和屏蔽，单炮记录信噪比低，有效反射很难识别和追踪，主要分布在测线西侧0～60km（图1），高品质单炮记录主要分布在六盘山周边（60～90km）岩石出露的区域.测线部分区域小炮上能清晰追踪Moho面，对测线不同位置小炮频谱分析发现，测线东端小炮Moho面附近主频约在10Hz左右，测线中部小炮Moho面附近主频在12Hz左右，工区西部受巨厚黄土塬能量屏蔽影响，Moho面在小炮单炮记录上难以识别追踪.沿地震测线分布了7个反射大炮和4个宽角反射＼折射大炮，由于激发能量较强，深部信噪较高，莫霍面在单炮记录上可清晰连续追踪；如图2，位于深地震反射测线的东段鄂尔多斯地块（炮点桩号5041，图1中150km处）的500kg的反射大炮记录，记录的浅、中、深层波阻信息丰富、信噪比高；莫霍面反射波阻在15～16.5s，信噪比较高、连续性好、波组特征明显，沿接收排列可清晰连续追踪，这从侧面反映了鄂尔多斯地块莫霍面的连续性和稳定性.

3 深地震反射近垂直数据处理

3.1 处理思路

深地震反射采集排列长、测线经过区域地震地质条件复杂，使近炮点、远炮点地震数据在地震波的运动学和动力学特性表现出较大的差异.远离炮点接收的地震记录传播距离远，射线路径复杂，含有较丰富的地下地质信息，但这些信息相互叠置，难以有效地提取和分离，且有效反射能量弱、抗干扰能力低，资料品质差；近炮点接收的地震记录的射线传播路径简单，地震震相相对单一，便于信息的识别和提取，传播路径相似使接收记录在波形、相位、能量上有较好的连续性、一致性、相似性，靠近炮点使接收来自地球深部的有效反射能量较强、抗干扰能力高，资料品质较好.莫霍面深度远大于深地震数据采集排列的长度，距离炮点较近的检波点接收的地震记录可认为是自激自收（近垂直入射），可用于描述该炮点或检波点相对应的深部莫霍面的形态；通过对地震记录的自相关分析表明，检波点道集的地震信号比炮集信号具有更高的一致性和相似性，更便于信号识别和处理；且沿地震测线检波点之间距离远小于炮点间距离，检波点数目远多于炮点数据，根据炮点、检波点互换原理选择在检波域通过近垂直信息对深部莫霍面进行成像.对于参与处理数据的偏移距范围从检波点的覆盖次数和近垂直入射两个方面考虑，首先基于目标层位的动校正时差小于相应层位子波的周期的1／4，当然时差越小，资料处理的分辨率和品质也就越高，根据该区莫霍面反射在15.5～16.5s左右（双程走时），莫霍面主频在10～20Hz左右，参考莫霍面上的平均速度为6500m／s，通过理论计算公式可得参与处理的偏移距范围是0～6500m，对选定资料进行静校正、资料净化、共检波点加权叠加、叠后信号增强等处理工作.

3.2 静校正处理

深地震反射测线经过区域地形起伏大、浅层岩性横向变化剧烈、低降速带厚度变化大等因素给该地区静校正带来了较大困难.解决该地区的静校正问题是进行资料后续处理的前提.参考前人［13－16］对该区域静校正研究结果及该区数据的静校正测试研究表明，偏移距范围与反演深度和精度有密切的关系，反演深度随偏移距的增加而增大，充分利用近偏移距可以获得精确的浅层速度结构；与全偏移距数据反演的结果相比，只利用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.为了获取该区浅层的准确速度结构，本次反演利用了部分近偏移距排列数据参与计算，偏移距范围10～6000m，图3显示了初至波层析反演的射线路径及密度分布图像，可看出，穿过面元的射线密度从1～1398多次不等，主要集中分布280～600次之间，局部高达1000多次，在测线边缘和模型深部，射线穿过次数较少，尤其在六盘山下，射线穿过深度较浅；图4为初至波层析反演获得浅层速度结构图像，水平方向在0～10km，该地区高速层出露，低速层缺失，表层速度为2900m／s，在10～50km，低速层出现，速度在1200m／s，层位相对稳定，但地形切割严重，部分区域高速层出露，50～110km，该区位于六盘山上，速度变化剧烈，表层速度3000m／s，110～150km，该区低速层稳定，速度在800m／s，该地区浅层速度横向变化剧烈且层位不稳定，不能连续追踪，在最小速度3500m／s时在全测线上可连续追踪，且横向（空间）变化不大，故选取以3500m／s速度将地震记录校正到2700m的基准面.应用静校正量后，初至波连续性、光滑度有了显著提高.从浅层到深层，有效反射品质有了较大改善.

3.3 资料净化

提高资料的信噪比是数据处理的重要环节.深地震反射测线长、炮点（大炮、中炮、小炮）间距离大、地表起伏剧烈、地震地质条件差别大导致资料的品质和干扰分布差异较大.故根据初至波层析获得速度结构（图4）结合表层地震地质，将资料分成黄土塬、六盘山前、六盘山上3个区域分区去噪.黄土塬区域主要干扰：面波、高能干扰、随机噪声、50Hz工业干扰；六盘山前主要干扰：面波、线性干扰、随机噪声；六盘山噪声分布和六盘山前相似，但六盘山干扰强度总体相对弱.去噪难点主要在六盘山前资料，山前资料难点是面波和线性干扰，根据面波速度（1200m／s）和频率（14Hz）对面波进行多域自适应衰减、强能量干扰压制（50Hz工业干扰和尖脉冲）、线性干扰多域压制、f－x随机噪声衰减等.

3.4 共检波点叠加

研究区莫霍面深度约40～50km，在小的炮检距范围内，根据地震波运动学射线传播路径是近垂直的，即自激自收的，通过理论分析计算近垂直入射的偏移距为0～6500m，基于检波点和炮点的互换原理，检波点间的距离小于炮点距离，检波点的数量远大于炮点数量，故在检波点域中选取近垂直入射数据进行分析和叠加，用该叠加道来表示该检波点位置对应深度的莫霍面的构造形态.

3.5 叠后增强

为了进一步突出深部的有效反射和莫霍面主要轮廓，对叠加后剖面进行了中值滤波（4－6－18－20）、多项式拟合、FK域能量增强等叠后处理工作，处理结果如图5a所示.

4 莫霍面反射特征

莫霍面在深地震反射剖面上表现为密集反射，通常将密集反射的底部认为是莫霍面，将研究区莫霍面分成三个区域：六盘山西侧 （A），六盘山地区（B）、六盘山东侧（C），如图5b所示.

区域A：0～50km，莫霍面反射形状呈弧状，最深处在16.2s左右，最浅处在15.8s左右，莫霍面自西向东逐渐变浅，逐渐抬升趋势明显；

区域B：莫霍面位于50～100km，该区位于六盘山下，莫霍面不连续，莫霍面反射弧状特征明显，最浅处位于15.8s左右，最深处位于17s左右，呈现汇聚挤压、明显缩短的特征；

区域C从110～150km，分成两段，西段弧状反射特征明显，东段140～150km，该区覆盖次数较低导致反射特征不是很明显，但仍可连续追踪，该区域反射层变化平缓，自东向西有加深的趋势.

5 结论和展望

5.1 结 论

（1）运用深地震反射的近垂直反射的信息可对六盘山地区莫霍面进行清晰的构造成像，获得初步的莫霍构造形态；

（2）初步结果揭示出横过六盘山莫霍面起伏、断错的结构特征；初步认为由于青藏高原东缘和鄂尔多斯地块在六盘山附近汇聚而导致六盘的隆起，六盘山下由于挤压作用使莫霍面错断，壳内缩短特征明显；

（3）六盘山东侧的鄂尔多斯地块莫霍面东高西低、变化平缓、结构完整，靠近六盘山前缘莫霍面错断，可能与壳内走滑作用有关；

（4）西侧的青藏高原东北缘莫霍面西高东低，靠近六盘山呈现汇聚挤压、明显缩短的特征；六盘山复杂的莫霍面结构，描述了六盘山地壳早期双向挤压、晚期山前侧向走滑的构造图像.

5.2 展 望

本文通过六盘山深地震反射数据的近垂直的低频信息对莫霍面进行成像研究，充分利用近垂直反射能量强、信噪比高、可连续追踪、信息更可靠等特点；并开展了初步的解释工作，后续工作中须结合中、浅层深反射地震资料和该区的其他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、卢占武副研究员、侯贺晟副研究员、熊小松博士、朱小三博士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，感谢三位匿名专家提出的宝贵意见和建议.

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