太行山南端盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂的構(gòu)造特征

秦晶晶　趙成彬　劉明軍　譚雅麗　左　瑩　劉英英

(中國地震局地球物理勘探中心、鄭州　450002)

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太行山南端盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂的構(gòu)造特征

秦晶晶趙成彬劉明軍譚雅麗左瑩劉英英

(中國地震局地球物理勘探中心、鄭州450002)

盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂是太行山南緣1條規(guī)模較大、切割較深的隱伏活動斷裂。為了查明盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂的位置、性質(zhì)、斷裂構(gòu)造特征及其活動性、跨推測的隱伏斷裂布設(shè)了6條淺層地震測線、通過采用高分辨率地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)和高精度的數(shù)據(jù)處理方法、獲得了清晰的地下結(jié)構(gòu)和斷裂構(gòu)造圖像。結(jié)果表明、盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂是1條走向近EW的第四紀(jì)活動斷裂、且斷裂不同段的構(gòu)造特征是不同的。斷裂中段為S傾的正斷層、控制了濟(jì)源凹陷的北邊界；東段向N傾、是武陟隆起和修武凹陷的分界斷裂。淺層地震剖面揭示的斷裂上斷點埋深為60～70m、錯斷了上更新統(tǒng)下部、推測其活動時代為晚更新世早期。研究結(jié)果為確定盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂的位置及其活動性評價提供了可靠的地震學(xué)資料。

太行山南端盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂武陟斷裂淺層地震剖面

0　引言

研究表明、活動斷裂是產(chǎn)生破壞性地震的主要根源、當(dāng)大地震發(fā)生時、沿斷層線周邊的破壞也最為嚴(yán)重(劉保金等、2002；鄧起東等、2003；徐錫偉等、2006)。如果能查明活動斷層分布的準(zhǔn)確位置以及活動性、并采取相應(yīng)的避讓措施、就有可能減輕地震災(zāi)害損失。目前、在隱伏活斷層探測工作中、淺層反射地震是最常用、最有效的探測方法之一(徐明才等、2005；劉保金等、2007、2008、2009；何正勤等、2007；酆少英等、2010)、該方法具有探測深度大、分辨率高、探測結(jié)果可靠等優(yōu)點。已有資料表明、淺層地震勘探方法在隱伏活動斷層定位以及判定斷層活動性方面可起到重要作用(鄧起東等、2003；柴熾章等、2006)。

位于太行山南端的盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂是1條規(guī)模較大、切割較深的隱伏斷裂、并在第四紀(jì)時期有過強(qiáng)烈活動(潘國營、2006)、其位置的確定和活動性評價直接影響著兩側(cè)的城市規(guī)劃和建設(shè)。為此、在盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂中、東段的新店、高村、小徐崗附近、跨推測的斷裂位置布設(shè)了6條測線、通過高分辨率淺層地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)和高精度的數(shù)據(jù)處理方法、在淺層地震反射剖面上獲得了清晰的淺部結(jié)構(gòu)和斷裂構(gòu)造圖像。本文根據(jù)地震反射剖面并結(jié)合前人鉆孔資料、對盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂中、東段的位置、走向、產(chǎn)狀、空間分布以及斷裂活動性進(jìn)行了分析研究、提高了對該斷裂的認(rèn)識、結(jié)果可以為盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂兩側(cè)的城鎮(zhèn)規(guī)劃和建設(shè)避讓活動斷裂提供基礎(chǔ)資料和地震學(xué)證據(jù)。

1　研究區(qū)地質(zhì)背景及斷裂構(gòu)造概況

研究區(qū)在大地構(gòu)造上屬于華北構(gòu)造區(qū)、基底為太古界—古元界變質(zhì)巖、蓋層由中、新元古界和古生界構(gòu)成、新生代發(fā)生裂陷作用、發(fā)育伸展構(gòu)造。研究區(qū)西北部為太行山隆起區(qū)、東北部為湯陰地塹、區(qū)內(nèi)主體構(gòu)造為濟(jì)源凹陷和武陟隆起。研究區(qū)的斷裂構(gòu)造較為發(fā)育、主要有近EW向、NE向和NW向3組斷裂；其中、近EW向有盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂、鳳凰嶺斷裂和朱營斷裂；NE向有薄壁斷裂、九里山斷裂和馬坊泉斷裂；NW向有平陵斷裂和武陟斷裂。鳳凰嶺斷裂和盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂為控制盆地沉積與剝蝕的主要斷裂、本文就盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂中、東段的淺部構(gòu)造特征進(jìn)行了論述。

盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂位于太行山脈與華北平原的過渡地帶(荊智國等、2000)、該斷裂位于太行山的南端、西起濟(jì)源市西北部山區(qū)、向東經(jīng)交地、盤谷寺、河口、仙神口、柏山、再向東成為隱伏斷裂、直到新鄉(xiāng)南的郎公廟、全長約200km。該斷裂總體走向近EW、以柏山、大高村為界、盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂分為西、中、東3段。西段：柏山以西地區(qū)、斷裂走向EW、傾向S、地表傾角60°～70°、沿山前地帶斷續(xù)出露。在八一水庫溢洪道見斷裂破碎帶、斷層下盤為下古生界、上盤下部被錯斷地層為Q2紅土層、其上覆蓋1層Q3黃土礫石層未見錯斷和變形、表明其新構(gòu)造活動時代為N2—Q2。中段：從柏山到大高村、斷裂走向NWW—EW、傾向S、傾角60°～70°。東段：大高村以東、向東經(jīng)郇封、中和、直到郎公廟、斷裂走向近EW、傾向N、傾角40°～70°、一般為60°左右。

2　淺層反射地震勘探方法

2.1測線位置

在盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂中、東段垂直斷裂走向布設(shè)了6條淺層地震勘探測線(圖1)。其中、SL1測線沿焦作市西的普濟(jì)路布設(shè)、測線方向SN、測線長度3.48km。SL2測線沿著焦作市迎賓路自南向北布設(shè)、其長度為16.77km。SL3測線沿山陽路布設(shè)、測線方向SN、測線長度1.4km。SL4測線沿中原路布設(shè)、測線方向近SN、其長度為8.07km。SL5測線位于修武縣周莊鄉(xiāng)至武陟縣之間的公路上、測線方向SN、其長度為10.16km。SL6測線從武陟縣到修武縣的迎賓大道從南到北布設(shè)、測線方向SN，長度為11.46km。

圖1　測區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和地震測線位置圖Fig. 1　Geological structure and the location of seismic lines.F1 鳳凰嶺斷裂、F2 盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂、F3 濟(jì)源-博愛斷裂、F4 九里山斷裂、F5 馬坊泉斷裂、F6 武陟斷裂、F7 平陵斷裂、F8 朱營斷裂、F9 薄壁斷裂

2.2數(shù)據(jù)采集

本項研究的淺層地震測線沿道路布設(shè)、為克服村莊、建筑物、車輛等的干擾、數(shù)據(jù)采集時使用了美國產(chǎn)M18/612型可控震源進(jìn)行地震波激發(fā)、通過試驗確定的震源掃描頻率為20～180Hz、掃描長度8s。

數(shù)據(jù)采集使用了采樣率高、記錄頻帶寬和能對可控震源進(jìn)行實時相關(guān)處理的德國SUMMIT遙測數(shù)字地震儀。其中SL2測線和SL5測線、采樣間隔0.5ms、記錄長度2s、接收道數(shù)200道、道間距4m、覆蓋次數(shù)20次；其余測線采樣間隔0.5ms、記錄長度2s、接收道數(shù)180道、道間距3m、覆蓋次數(shù)18次、震源間距15m。為壓制低頻干擾、地震波接收使用了4個/串60Hz的檢波器串、采用點組合的方式接收地震波。

2.3資料處理

淺層地震資料處理采用Focus地震反射處理系統(tǒng)軟件。針對測區(qū)原始地震記錄中干擾波的特點、在數(shù)據(jù)處理過程中重點對以下幾個處理模塊反復(fù)進(jìn)行試驗分析。

(1)本區(qū)地震記錄中的面波和聲波干擾波比較發(fā)育、為了壓制干擾波、提高資料的信噪比、采用了時變帶通濾波、二維傾角濾波、扇形FK濾波相結(jié)合的去噪方法濾除地震記錄中的面波、聲波以及其他外界干擾波。

(2)為了消除地形起伏和近地表地層介質(zhì)橫向不均勻?qū)Φ卣鹩涗浀挠绊憽⑻幚碇胁捎谜凵潇o校正和地表一致性剩余靜校正方法對資料進(jìn)行了靜校正處理、并取得了較好的處理效果、使共反射點記錄實現(xiàn)了同相疊加、反射波的橫向連續(xù)性較好。

(3)本區(qū)近地表地層大多為水平層狀介質(zhì)、而Q+N的底界多為起伏變化較大的傾斜界面、這樣在進(jìn)行動校正疊加時、由于共中心點不共反射點、不能形成真正意義上的疊加剖面。處理中采用了傾角時差校正(DMO)技術(shù)、解決了傾角地層反射對疊加成像的影響問題、改善了傾斜地層的疊加剖面質(zhì)量。

圖2　盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂中段SL1—SL4測線的疊加剖面圖Fig. 2　The stack section from seismic line SL1-SL4 in the middle segment of Pangusi-Xinxiang Fault.

(4)地震數(shù)據(jù)經(jīng)水平疊加處理之后、為使反射界面歸位到真正的地下位置、需要進(jìn)行疊后偏移處理。疊后偏移不僅具有繞射波收斂的作用、還能正確地反映反射點的真實位置。處理中采用Omega-X域有限差分偏移技術(shù)、使地震剖面很好地展示了地下構(gòu)造的空間形態(tài)。

3　淺層地震反射剖面特征

已有資料顯示、盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂總體走向近EW、斷裂不同段的構(gòu)造特征不同、據(jù)此將其分為2部分進(jìn)行討論。

3.1斷裂中段的淺層地震剖面特征

斷裂中段由4條淺層地震測線控制(SL1—SL4測線)、圖2 為其淺層反射波疊加時間剖面圖。從圖中可以清楚地看出、4條剖面上的地層界面反射都比較豐富、且各反射層都有較強(qiáng)的反射能量和較好的橫向連續(xù)性。根據(jù)剖面反射波組特征并結(jié)合SL1測線上的ZK1和SL2測線附近的ZK2鉆孔資料(鉆孔位置及其揭露的地層厚度見圖1、2)、在剖面上解釋了多組橫向連續(xù)性較好的強(qiáng)反射同相軸。其中、反射波TQ和TN分別解釋為第四紀(jì)和新近紀(jì)地層的底界、把反射波T01—T02解釋為第四紀(jì)覆蓋層內(nèi)部的地層反射、在TQ反射波之下的新近系內(nèi)部、根據(jù)4條剖面上的反射波組特征、還解釋了2組連續(xù)性較好的強(qiáng)反射波T1—T2。總的看來、剖面經(jīng)過地區(qū)的Q+N底界反射波TN在剖面上均有較大的起伏變化、并在斷裂附近出現(xiàn)新生代厚度的突變。

SL1—SL4測線揭示的斷裂構(gòu)造特征非常清楚、斷裂附近都能看到反射波同相軸的明顯錯斷、以及反射波能量和波組相位的突變、且在斷裂FP1-1—FP4-1的兩側(cè)、Q+N地層厚度差別較大。根據(jù)剖面上的斷點特征及其在平面的位置可以認(rèn)為、4條剖面揭示的斷層FP1-1—FP4-1應(yīng)該是盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂在地震剖面上的反映、斷點參數(shù)見表1。可以看到、盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂中段表現(xiàn)為S傾的正斷層特征、從剖面上能可靠分辨的斷層斷點埋深為65～70m。另外、在盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂以南、淺層地震SL2和SL4測線還揭示了2個向S傾的斷點FP2-2和FP4-2、從斷點位置來看可能是武陟斷裂、其特征與后文描述的SL5和SL6測線上的武陟斷裂特征相近。

表1　SL1—SL4測線的斷點參數(shù)

Table1　Parameter of fault offset points from seismic line SL1-SL4

斷裂名稱斷點編號斷點位置/m視傾向推測的上斷點埋深/m上斷點斷距/m盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂FP1-12585S65～703～5FP2-112608S65～703～5FP3-1882S65～704～6FP4-15714S60～654～6武陟斷裂FP2-29620S75～805～7FP4-23050S70～756～8

圖3　盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂東段SL5—SL6測線的疊加剖面圖Fig. 3　The stack section from seismic line SL5-SL6 in the eastern segment of Pangusi-Xinxiang Fault.

3.2斷裂東段的淺層地震剖面特征

斷裂東段布設(shè)了2條淺層地震測線(圖1 中的SL5和SL6測線)、圖3 給出了2條測線的淺層反射波疊加時間剖面圖。圖上可以識別出多組反射能量較強(qiáng)、橫向連續(xù)較好的地層反射。其中在SL5測線樁號5200～6600m和SL6測線樁號3500～8200m之間、Q+N底界反射波TN出現(xiàn)上隆、且隆起區(qū)南、北兩側(cè)的Q+N地層明顯增厚。隆起區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)的反射波同相軸不連續(xù)、結(jié)合斷點繞射波、反射波能量變化以及地層厚度的突變現(xiàn)象等、分析判斷應(yīng)該是斷裂錯動所致。淺層地震剖面揭示的盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂對應(yīng)于圖3 中的斷點FP5-1和FP6-1、其位置分別位于SL5測線樁號6750m和SL6測線樁號8635m左右?？梢钥吹?、盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂東段為向N傾的正斷層、明顯錯斷了埋深約65m之下的沉積層；斷裂南側(cè)為武陟隆起、其北側(cè)為修武凹陷。在盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂以南、SL5測線還揭示了2條向S傾的正斷層(即圖3 中的FP5-2、FP5-3)、分別位于測線樁號1586m和5284m左右；在SL6測線樁號1300m附近、剖面揭示的斷層FP6-2也向S傾、從這3個斷點在剖面上的特征和所處的平面位置、并結(jié)合SL2和SL4測線上的斷點FP2-2和FP4-2進(jìn)行綜合分析認(rèn)為、SL5和SL6測線上的FP5-2和FP6-2以及SL2測線上的FP2-2、SL4測線上的FP4-2應(yīng)是武陟斷裂在剖面上的反映、而SL5測線上的斷點FP5-3與推測的平陵斷裂有較好的對應(yīng)關(guān)系。表2 給出了SL5和SL6測線揭示的斷點參數(shù)。

表2　SL5和SL6測線的斷點參數(shù)

Table2　Parameter of fault offset points from seismic line SL5 and SL6

斷裂名稱斷點編號斷點位置/m視傾向推測的上斷點埋深/m上斷點斷距/m盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂FP5-1FP6-167508635NN65～7065～684～64～6武陟斷裂FP5-2FP6-215861300SS70～7572～775～75～7平陵斷裂FP5-35284S90～956～8

在盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂東段的SL6測線附近有2個地質(zhì)鉆孔ZK3和ZK4(鉆孔位置和所揭露的地層厚度見圖1，3)。其中、ZK4鉆孔位于武陟隆起上、該鉆孔揭示的Q+N底界埋深為267m、其下為太古代地層。鉆孔ZK3位于SL6測線西南約2km的新生代凹陷內(nèi)、該鉆孔揭露的Q+N地層厚度為774m、其下為二疊紀(jì)地層。根據(jù)淺層地震剖面揭示的武陟斷裂和盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂兩側(cè)的反射波組特征、可以認(rèn)為、武陟斷裂和盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂分別控制了武陟隆起的南、北邊界、而平陵斷裂僅在SL5測線上能被看到、而在其東、西兩側(cè)的測線上均沒有發(fā)現(xiàn)該斷裂的存在、因此、平陵斷裂是發(fā)育在太古代隆起上的1條延伸長度較短、規(guī)模不大的隱伏斷裂。

3.3斷裂活動性的初步分析

通過前面對淺層地震剖面揭示的斷層特征和地層上斷點埋深可以看出、6條淺層地震剖面所揭示的盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂的上斷點均位于60～70m的深度范圍內(nèi)、而武陟斷裂的上斷點埋深均 >70m、平陵斷裂發(fā)育在武陟斷裂和盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂之間的隆起上、其上斷點埋深 >90m。 該區(qū)地質(zhì)和鉆孔資料顯示、6條淺層地震測線經(jīng)過地段的第四系厚度均 >100m、可見淺層地震剖面所揭示的斷層上斷點均延伸到了第四系內(nèi)部、因此、這3條斷裂均是第四紀(jì)以來的隱伏活動斷裂。

在SL6測線NW方向約2.2km處、有1個第四系標(biāo)準(zhǔn)鉆孔BZZK*中國地質(zhì)大學(xué)(北京)、2014、“焦作市活動斷層探測與地震危險性評價”標(biāo)準(zhǔn)鉆孔探測與第四紀(jì)地層剖面的建立成果報告。(位置見圖1)、該鉆孔綜合巖性特征、測年數(shù)據(jù)、孢粉組合和粒度特征等因素來劃分Q2、Q3和Q4的底界面、確定的深度分別為175.2m、63.4m和5.8m。由表1、2 可知、在6條淺層地震剖面上的盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂的斷點中、SL4測線上的FP4-1斷點埋深為60～65m、其他5條測線上的斷層上斷點埋深均為65～70m，即由淺層地震剖面能可靠分辨的斷層上斷點深度均位于Q2、Q3分界面附近?？紤]到地震勘探分辨率的限制，由地震剖面確定的斷層上斷點埋深通常大于斷層的實際上斷點埋深。另外，部分測線的T01同相軸在斷層兩側(cè)附近存在變形。綜合分析認(rèn)為、盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂的中、東段活動時代可能為晚更新世早期。武陟斷裂和平陵斷裂都錯斷了Q2地層、其上斷點埋深均大于盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂、推測活動時代可能為中更新世中—晚期。

研究區(qū)內(nèi)的第四紀(jì)地層厚度在平面上有著較大的變化、從6條淺層地震測線的反射疊加剖面上可被清楚地看到、可以推測本區(qū)Q2、Q3和Q4的底界埋深在不同測線上也是不同的。

4　主要結(jié)論

本項研究通過采用高分辨率地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)和高精度的數(shù)據(jù)處理方法、獲得了太行山南端盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂的位置、性質(zhì)及其空間展布特征。另外、還結(jié)合地質(zhì)鉆孔資料、對斷裂兩側(cè)的新生代地層厚度和斷裂活動性進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示、研究區(qū)的新生代地層厚度明顯受到斷裂的影響與控制、斷裂上升盤新生代地層較薄、斷裂下降盤新生代地層較厚。

盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂是1條走向近EW的第四紀(jì)隱伏活動斷裂、斷裂中段為S傾的正斷層、控制了濟(jì)源凹陷的北邊界；斷裂東段為N傾的正斷層、是武陟隆起和修武凹陷的分界斷裂。盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂的上斷點埋深為60～70m、錯斷了上更新統(tǒng)下部、推測其活動時代為晚更新世早期。在盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂的南側(cè)、淺層地震剖面還揭露了2條NW向斷裂、即武陟斷裂和平陵斷裂、其中、武陟斷裂為武陟隆起的南邊界斷裂、控制了兩側(cè)的地層沉積、其上斷點埋深為70～75m；平陵斷裂發(fā)育在武陟斷裂和盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂之間鼻狀的隱伏隆起上、僅在SL5測線上可看到該斷裂的存在、而在其東、西兩側(cè)的地震測線上均沒有發(fā)現(xiàn)該斷裂的存在、且該斷裂的上斷點埋深為90～95m、因此、平陵斷裂的延伸長度和規(guī)模應(yīng)小于武陟斷裂和盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂、其活動性也比武陟斷裂和盤古寺-新鄉(xiāng)斷裂弱。

地震勘探方法是探測地下結(jié)構(gòu)、確定隱伏斷裂位置的有效技術(shù)手段、但根據(jù)地震剖面還不能確定剖面反射層的地層屬性和地層年代。因此、在地層屬性和地層年代不確定的情況下、僅根據(jù)淺層地震剖面確定的斷層上斷點深度所進(jìn)行的斷裂活動性判定是初步的。為判定斷裂的活動性、特別是斷裂的最新活動時代、還需要結(jié)合跨斷層的鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面探測、探槽開挖等地質(zhì)學(xué)方法。

致謝數(shù)據(jù)采集由中國地震局地球物理勘探中心的30余名技術(shù)人員共同完成、野外探測工作得到了焦作市地震局的大力支持與配合、資料解釋和寫作得到了劉保金研究員的悉心指導(dǎo)、在此一并表示感謝!

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Abstract

Pangusi-Xinxiang Fault is a great-scale、deep-incising buried active fault in the southern margin of the Taihang Mountains. In order to find out the location、characteristics、structure and activities of Pangusi-Xinxiang Fault、shallow reflection profiles with six lines crossing the buried faults were carried out. In this paper、based on the high-resolution seismic data acquisition technology and high-precision processing technology、we obtained clear images of underground structures. The results show that Pangusi-Xinxiang Fault is a near EW-trending Quaternary active fault and its structural features are different in different segment. The middle part of the fault behaves as a south-dipping normal fault and controls the north boundary of Jiyuan sag; The eastern part of the fault is a north-dipping normal fault and a dividing line of Wuzhi uplift and Xiuwu sag. The shallow seismic profiles reveal that the up-breakpoint of the Pangusi-Xinxiang Fault is at depth of 60～70m、which offsets the lower strata of upper Pleistocene. We infer that the activity time of this fault is in the lower strata of late Pleistocene. In this study、not only the location and characteristics of Pangusi-Xinxiang Fault are determined、but also the reliable geological and seismological evidences for the fault activity estimation are provided.

THE STRUCTURAL CHARACTERISTICS OF PANGUSI-XINXIANG FAULT IN THE SOUTHERN MARGIN OF TAIHANG MOUNTAINS

QIN Jing-jingZHAO Cheng-binLIU Ming-junTAN Ya-liZUO YingLIU Ying-ying

(GeophysicalExplorationCenter、ChinaEarthquakeAdministration、Zhengzhou450002、China)

the southern margin of Taihang Mountains、Pangusi-Xinxiang Fault、Wuzhi Fault、the shallow seismic profile

10.3969/j.issn.0253-4967.2016.01.010

2014-06-25收稿、2014-10-08改回。

中國地震重點監(jiān)視防御區(qū)活動斷層探測和焦作市活斷層探測與地震危險性評價項目共同資助。

P315.2

A

0253-4967(2016)01-0131-10

秦晶晶、女、1987年生、2012年于中國礦業(yè)大學(xué)(徐州)獲碩士學(xué)位、工程師、主要從事淺層地震勘探方面的研究和應(yīng)用工作、E-mail: cumtqinjingjing@163.com。