王宏偉，田曉峰，酆少英，秦晶晶，譚雅麗，魏學強

(中國地震局地球物理勘探中心，河南 鄭州 450002)

0 引言

反射地震探測技術(shù)作為地球物理學家研究地球的主要手段之一，被廣泛應用于盆地、造山帶巖石圈的構(gòu)造演化，地球動力學過程研究，地震孕育和發(fā)生的深、淺構(gòu)造環(huán)境探測，地震活動監(jiān)測等領(lǐng)域(酆少英等，2015；劉保金等，2017；高銳等，2006；王偉濤等，2009)。為了獲取整個地殼、Moho面乃至上地幔的反射圖像，反射地震探測通常采用炸藥震源進行人工地震波激發(fā)，但炸藥震源對環(huán)境破壞嚴重、信號可重復性低、人工操作危險，在使用中受到越來越多的限制(顧廟元等，2016)。因此，研發(fā)可替代炸藥震源并滿足環(huán)保、高效、安全的新型人工震源是當前地震勘探領(lǐng)域的迫切需求。

氣槍震源作為地震勘探震源最早應用于煤礦領(lǐng)域，主要以高壓大容量單槍為主(陳浩林等，2008)。隨著氣槍理論和陣列技術(shù)的不斷發(fā)展，氣槍震源逐漸發(fā)展成為一種重復性好、綠色環(huán)保、信號穩(wěn)定的人工激發(fā)源(楊微等，2013；王偉濤等，2017)，并在海洋油氣勘探中獲得顯著成效(吳志強等，2013；李緒宣等，2016)。近年來，氣槍震源激發(fā)技術(shù)逐漸被引入到陸內(nèi)區(qū)域尺度地下結(jié)構(gòu)探測領(lǐng)域，多用于減輕自然資源災害和地下介質(zhì)變化監(jiān)測(王寶善等，2011；Wang，2018)。陳颙等(2017)利用氣槍震源在云南賓川、新疆呼圖壁和甘肅張掖進行地震信號激發(fā)，在5 000次信號疊加后，最遠追蹤距離約1 300 km，最大探測深度達到60 km。林建民等(2008)通過分析河北上關(guān)湖大容量氣槍觀測數(shù)據(jù)，成功提取Pg、Pc和Pn信號，正演獲得探測區(qū)殼幔速度結(jié)構(gòu)。蘇金波等(2015)對北天山地區(qū)的氣槍信號振幅隨距離衰減關(guān)系和介質(zhì)衰減特征進行研究，結(jié)果顯示，與天然地震相同頻率的氣槍震源P波振幅的衰減比S波快，相同頻率下，氣槍震源擬合得出的和值均比天然地震得出的值高。邱學林等(2007)在南海北部進行大容量氣槍震源的海陸聯(lián)測試驗，首次利用陸上固定地震臺站記錄到遠距離氣槍信號，證實了使用固定地震臺網(wǎng)進行高精度三維地殼結(jié)構(gòu)探測和研究的可能。楊微等(2016)在井下5 m深度激發(fā)氣槍震源，單次激發(fā)產(chǎn)生的能量最遠傳播距離約9 km，經(jīng)過100次疊加和濾波，在25 km處可檢測到清晰氣槍信號。王寶善等(2021)利用城市光纖接收賓川氣槍震源信號，多次激發(fā)后在地震記錄中可觀測到清晰目標信號。本文在長江中下游池州—銅陵段利用大容量氣槍震源陸上流動水體激發(fā)產(chǎn)生的反射地震波來研究地殼結(jié)構(gòu)，該研究不同于海上氣槍探測與陸內(nèi)非流動水域探測，是一種新方法的嘗試。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況及試驗概述

1.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

本文研究區(qū)位于長江中下游地區(qū)的池州—銅陵段，地處華北斷塊區(qū)、揚子斷塊區(qū)與秦嶺—大別褶皺帶3個構(gòu)造單元交匯處，是我國重要的鐵、銅、金等金屬礦富集帶(周濤發(fā)等，2012)。該區(qū)基底為晚元古代變質(zhì)巖系，上覆巨厚中生代侏羅、白堊紀陸河湖相盆地沉積。中生代以前處于長期隆起并遭受剝蝕狀態(tài)，到燕山期進入新的地史發(fā)展階段，巖漿作用與成礦作用劇烈。根據(jù)重力資料反演計算，區(qū)域地殼厚度約為36～42 km，總體變化存在自北向南、自東向西逐漸增厚趨勢(湯井田等，2014)。目標區(qū)地層出露較好，北部地區(qū)地表出露最老地層為志留紀，至第四紀地層均有出露。地層覆蓋除中下泥盆統(tǒng)和下石炭統(tǒng)部分缺失外，震旦系至第四系均有發(fā)育，地層層序較完整，第四紀沉積層厚度在4.5 km以上(徐曉春等，2014)。受華北斷塊與揚子斷塊碰撞作用，區(qū)內(nèi)褶皺變形、斷裂作用和巖漿活動頻繁(呂慶田等，2002)，主要斷裂包括NNE方向的郯廬斷裂帶和NEE向的陽新—常州斷裂帶(圖1)。

圖1 地學“長江計劃”測線位置圖Fig.1 Survey line of the large-capacity airgun source for seismic exploration

1.2 試驗概述

2015年10月在安徽銅陵實施的地學“長江計劃”，是一項針對長江流域地下結(jié)構(gòu)和應力變化探測的大型綜合地球科學探測。該試驗由國內(nèi)數(shù)家科研院所和機構(gòu)以及高等院校等團隊聯(lián)合實施，中國地震局地球物理勘探中心承擔深反射探測專題。該試驗選取長江中下游池州—銅陵段的流動水體(圖1)，采用大容量氣槍震源固定點激發(fā)和走航激發(fā)相結(jié)合的工作方式，沿岸布設(shè)反射地震儀全時段接收地震波信號。氣槍震源由4支容量為2 000 in的Bolt L型氣槍組合而成，氣槍陣列沉放水深12 m。走航激發(fā)點點距100～150 m，激發(fā)次數(shù)1次，激發(fā)線長度59.5 km；固定激發(fā)點4個，激發(fā)點點距10～20 km，每點連續(xù)激發(fā)100～150次。地震波接收采用固有頻率為10 Hz檢波器串(每串12個)，沿岸共布設(shè)1 802道全排列接收氣槍震源信號，道間距30 m。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用法國Sercel公司生產(chǎn)的428XL數(shù)字地震儀，采樣間隔4 ms。

2 試驗系統(tǒng)與數(shù)據(jù)分析

2.1 單炮數(shù)據(jù)分析

圖2為大容量氣槍震源單次激發(fā)地震記錄。由圖可以看出，原始資料信噪比較低。由于受長江航道船舶航行和沿岸生產(chǎn)、生活影響，地震記錄中各類干擾波發(fā)育，包括固定源干擾、環(huán)境噪聲、面波、多次反射、折射波和隨機干擾等，噪聲頻帶寬(2～80 Hz)、能量強、有效信號識別困難。近炮點地震道初至起跳明顯，最大可識別距離約為13 km，部分記錄可分辨出局部有效反射波信號。遠炮點地震道信號普遍較差，初至識別困難，噪音信號影響地震道整個雙程走時(TWT)。雙程走時10～11 s可識別局部同向反射波組，推測可能是Moho面在剖面上的反映。

圖2 原始單炮記錄及信噪比分析時窗Fig.2 Original single-shot record and the time window of SNR analysis

為研究垂直疊加技術(shù)在氣槍信號增強、噪聲干擾壓制方面的效果，試驗在航道不同航段設(shè)計4個固定激發(fā)點，航船進行拋錨定點重復激發(fā)。對固定點激發(fā)的單炮記錄進行垂直疊加，通過試驗發(fā)現(xiàn)，當疊加次數(shù)超過50次，可以有效提高資料信噪比，地震信號能量明顯增強，隨機干擾壓制明顯(王宏偉等，2020)，最大可識別距離約為39 km。

為精確評價原始單炮記錄信噪比在時間和空間的分布情況，本文采用信噪比定量分析技術(shù)，分析結(jié)果決定后續(xù)數(shù)據(jù)處理流程的制定及參數(shù)的選取。其基本原理為：①對時窗數(shù)據(jù)進行帶通濾波；②基于互相關(guān)算法，相鄰兩道互相關(guān)作為有效信號，單道自相關(guān)作為總能量，噪音能量為總能量與有效信號能量差；③信噪比為有效信號與噪音信號的比值。

對同一單炮記錄相同偏移距、不同時窗(圖2紅色時窗)數(shù)據(jù)進行信噪比分析，分析結(jié)果見表1：在淺層(2～5 s)時窗范圍內(nèi)，3個頻帶的信噪比均大于1，有效信號強于噪音信號；中深層(5～8 s)和深層(8～12 s)時窗范圍內(nèi)，3個頻帶的信噪比均小于1，噪音信號強于有效信號。以上表明在相同頻率下，淺層和深層信噪比整體高于中深層，優(yōu)勢頻帶集中在5～40 Hz。

表1 相同偏移距、不同時窗信噪比Tab.1 The SNR of the same offset and different time windows

對同一單炮記錄不同偏移距、不同時窗范圍(圖2中紫色、綠色、藍色、黃色時窗)數(shù)據(jù)進行信噪比分析，分析結(jié)果如表2所示：相同頻帶內(nèi)，隨著偏移距增大，信噪比主要表現(xiàn)為逐漸降低。頻率為10～20 Hz時，信噪比由5.0降至2.9。同一時窗下，低頻信號占主要成分，信噪比較高，高頻信號能量較弱，信噪比較差。

表2 不同偏移距、不同時窗信噪比Tab.2 The SNR of the different offsets and different time windows

2.2 觀測系統(tǒng)分析

合理的觀測系統(tǒng)定義是獲得高質(zhì)量成像效果的關(guān)鍵(劉斌等，2015)。本次試驗受地形影響，炮檢線呈非重合彎線分布，測線兩端彎曲度較大，方向偏轉(zhuǎn)近90°，造成炮檢中心分布不均且發(fā)散嚴重，整體呈不規(guī)則“啞鈴”狀(圖3)。激發(fā)點線與接收點線最小偏移距為0.41 km，最大偏移距為50.84 km。大炮檢距共中心點主要分布在激發(fā)-接收線的中南部區(qū)域，絕對值多大于25 km。在激發(fā)-接收線附近區(qū)域內(nèi)，共中心點的炮檢距絕對值一般小于25 km。

圖3 不同炮檢偏移距共中心點分布圖Fig.3 Distribution of common center points of different offsets

根據(jù)炮檢分布位置，分別計算深度5、10、25、30 km，反射角30°、45°、60°的共中心點分布，面元分布范圍隨地層深度和反射角度的增加逐漸增大(秦晶晶等，2020)。常規(guī)的二維共中心點疊加，采用在不同單炮記錄中選取具有共同炮檢中點位置的道，這些道記錄的地震波為地下同一點的反射信息，經(jīng)動校正處理后將各道疊加。二維直線測線，共中心點連線與測線重合，即剖面輸出位置。

由于觀測系統(tǒng)為二維非縱測線，炮檢關(guān)系復雜，激發(fā)點線與接收點線均為曲線且互不重合，常規(guī)2D處理方法不再適用，因此在對實際觀測系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，借鑒3D數(shù)據(jù)處理方法，采用針對銅陵試驗數(shù)據(jù)特點的彎線面元方法作為處理基礎(chǔ)，并對不同面元網(wǎng)格設(shè)計進行試驗，從疊加效果評判網(wǎng)格的優(yōu)劣。按照彎線面元劃分原則，采用不同的面元網(wǎng)格設(shè)計方案(圖4)：偏移距中點連線(MID)網(wǎng)格及最大覆蓋次數(shù)(SMA)網(wǎng)格。

(a)MID網(wǎng)格 (b)SMA網(wǎng)格圖4 不同面元網(wǎng)格設(shè)計輸出剖面位置圖Fig.4 Location of output section line by diffetent bin grids

圖4中使用不同共中心點面元選取方法，得到的剖面輸出位置存在一定的差異。主要差異位于測線中南段。在網(wǎng)格尺寸一致的前提下，SMA網(wǎng)格包含的共中心點更多且彎曲度較小，MID網(wǎng)格南部共中心點僅落入網(wǎng)格的1/2，且網(wǎng)格線彎曲度較大。

對根據(jù)不同輸出剖面線獲得的線性疊加效果進行對比：在相同面元網(wǎng)格條件下，SMA輸出剖面線疊加結(jié)果品質(zhì)好于MID輸出剖面線疊加效果，目標層段(9～11 s)SMA疊加剖面的信噪比、波組連續(xù)性和穩(wěn)定性均優(yōu)于MID疊加剖面。分析原因是由于SMA較MID方法面元網(wǎng)格中的共中心點數(shù)量更多，提高了道集覆蓋次數(shù)，有效信號能量增強，干擾信號得到壓制。為了兼顧地下不同方位角、不同深度的成像效果及疊加剖面的信噪比，最終選擇沿其中心點面元最大覆蓋次數(shù)方向進行資料處理。

2.3 疊加剖面分析

圖5為利用最大覆蓋次數(shù)網(wǎng)格得到的疊加剖面及解釋圖。由圖可見：淺部信息在測線兩端炮檢距較小部位有部分顯示，在測線中北部，由于炮檢距較大，導致剖面15～45 km存在不同程度缺失，最大缺失位置在31 km處，缺失范圍為雙程走時TWT 1.5 s內(nèi)淺地層信息；3～5 s存在一個反射能量強、可連續(xù)追蹤的反射波組界面C，界面形態(tài)在剖面SW段表現(xiàn)為下凹，NE段表現(xiàn)為上隆。5.5～6.5 s存在一個明顯波阻抗界面T，T界面表現(xiàn)為近水平形態(tài)。10～12 s存在一組強反射波組條帶，由2～3個反射同向軸組成，在剖面上可連續(xù)追蹤，整體呈SW向傾斜，時間從11.5 s抬升到約10.0 s，總體抬升約1.5 s。T反射波界面在樁號約27 km處出現(xiàn)波組不連續(xù)，兩側(cè)波阻抗界面存在垂向位移。樁號約24 km處，T反射界面也出現(xiàn)一定程度的錯斷，由此可推斷在T與T界面上存在一個傾向SW的正斷層。

圖5 反射疊加時間剖面及解釋結(jié)果Fig.5 The stacked time section of reflection and its interpretation

已有探測資料顯示，該地區(qū)上、下地殼分界位于TWT 6.0 s附近(呂慶田等，2015)，對應剖面中T界面。上地殼反射層密集、同相軸彎曲，顯示地層褶皺、形變復雜。下地殼反射震相相對簡單，多為反射能量較弱、連續(xù)性較差的同相軸線段。T界面表現(xiàn)為一個波阻抗明顯的條帶，介于上下地殼之間。長江中下游地區(qū)Moho面深度變化較大，在華北斷塊深度約34～35 km，向南逐漸變淺，進入揚子斷塊，Moho面深度約32～34 km(呂慶田等，2003)，對應剖面中T界面。通過對比，無論是地殼結(jié)構(gòu)劃分或Moho面形態(tài)及埋藏深度，試驗探測結(jié)果與前人獲得的結(jié)論基本一致。

3 討論與結(jié)論

本文利用大容量氣槍震源陸上流動水體激發(fā)產(chǎn)生的反射地震波來研究地殼結(jié)構(gòu)，該研究不同于海上氣槍探測與陸內(nèi)非流動水域探測(王寶善等，2016)，是一種新方法的嘗試。大容量氣槍作為人工震源，進行地下結(jié)構(gòu)反射地震探測，探測結(jié)果不僅與氣槍容量、組合形式、沉放深度密切相關(guān)(李緒宣等，2012)，同時受觀測系統(tǒng)、處理方法共同約束。研究采用的氣槍震源為4支容量為2 000 in的Bolt L型大容量氣槍，沉放水深12 m。受氣槍能量限制及河道周邊噪聲環(huán)境影響，單次激發(fā)產(chǎn)生的地震記錄信噪比普遍偏低，大偏移距與中、深層的信噪通常在1.0以下。初至信號最大傳播距離約為13 km，經(jīng)多次垂直疊加，能夠有效壓制隨機干擾，有效信號最大接收距離明顯提高(Wang，2010)，初至波傳播距離提高至39 km，最大探測深度達到36 km(酆少英等，2020)。

受航道及堤岸形態(tài)的限制，本次采集觀測系統(tǒng)復雜，造成共中心點發(fā)散嚴重。數(shù)據(jù)處理中，采用多種彎線輸出剖面線的方法，根據(jù)共中心點的分布范圍和炮檢距大小的分布，設(shè)計不同面元網(wǎng)格。通過試驗剖面對比，最終采用最大覆蓋次數(shù)網(wǎng)格作為輸出剖面線，提高面元疊加次數(shù)，限制低信噪比的大炮檢距波場參與疊加，改善彎線面元共中心點離散度，能夠獲得較好成像結(jié)果。

疊加剖面分層明顯，存在3個明顯反射波組界面，各界面形態(tài)各異，且界面兩側(cè)反射波組特征差異較大。TWT 3～5 s位置存在一個明顯波阻抗界面C表現(xiàn)為南凹北隆形態(tài)，TWT 5.5～6.5 s位置為上下地殼分界面T，T界面表現(xiàn)為近水平形態(tài)分布，TWT 10～12 s位置為莫霍面，表現(xiàn)為向北逐漸變淺趨勢，與已有探測結(jié)果基本吻合。

根據(jù)以上研究結(jié)果本文主要獲得以下結(jié)論：

(1)本文研究通過大容量氣槍震源激發(fā)得到了反映測線經(jīng)過地區(qū)的反射地震疊加剖面，剖面反射信息豐富，地殼結(jié)構(gòu)和內(nèi)部構(gòu)造特征明顯，莫霍面反射圖像清晰，達到探測目的。野外施工中，氣槍震源相較于炸藥震源具有安全、可靠、重復性好、無污染的特性，充分說明利用大容量氣槍震源進行陸內(nèi)反射地震探測的可行性。

(2)氣槍震源被用于陸內(nèi)流動水體激發(fā)時，應選擇噪聲干擾小的河段施工。若干擾信號無法避免，則通過多次垂直疊加，能夠改善地震記錄信噪比，提高氣槍震源探測距離和探測深度。

(3)氣槍震源陸內(nèi)流動水域激發(fā)、陸上探測方法，在設(shè)計觀測系統(tǒng)時，對測線覆蓋范圍及次數(shù)進行論證，在保證勘探目標的前提下，測線優(yōu)先選取彎曲度小、炮檢距小位置。受航道影響造成中心點發(fā)散的，數(shù)據(jù)處理無法按常規(guī)的2D共中心點疊加方法，按照共中心點面元定義，取一定范圍內(nèi)共中心點道集疊加為該點反射信號參與數(shù)據(jù)處理，能夠提高剖面質(zhì)量。

項目野外地震數(shù)據(jù)采集由中國地震局地球物理勘探中心和中石化石油工程有限公司華北分公司共同完成；數(shù)據(jù)處理得到長安大學孫淵教授的幫助；兩位匿名審稿專家為本文提出寶貴意見，在此一并表示感謝。