深地震反射剖面探測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

王光文，盧占武*，李文輝，王海燕，程永志，陳 司，蔡 蔚

1 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京 100037

2 自然資源部 深地動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037

0 引 言

深地震反射技術(shù)自問世以來，一直承擔(dān)著探測(cè)地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)的重任，對(duì)于揭示殼內(nèi)構(gòu)造特征起到了關(guān)鍵作用.其方法具有震源能量大、偏移距大、道間距小等優(yōu)點(diǎn)，可以接收來自莫霍面乃至上地幔的反射信號(hào)，經(jīng)過去噪、靜校正、能量恢復(fù)、疊加、偏移等處理后，獲得高精度的成像剖面可用于研究地殼、上地幔的結(jié)構(gòu)特征、造山帶的構(gòu)造格局、深部成礦背景、陸內(nèi)變形機(jī)制等（Brown et al., 1986;Clowes et al., 1999; 高銳等, 2021; Klemperer et al.,1985; 李秋生等, 2020; 王海燕等, 2010; 張興洲等,2015）.深反射地震探測(cè)技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在全球不同地質(zhì)構(gòu)造區(qū)取得了重要認(rèn)識(shí)，也獲得了一些新的發(fā)現(xiàn).如在北美大陸、美國實(shí)施的COCORP計(jì)劃，獲得了內(nèi)華達(dá)山脈—盆嶺省—科羅拉多高原的地震反射剖面，得到了橫穿整個(gè)伸展活動(dòng)區(qū)的地殼及Moho面高精度地震反射資料（Brown et al., 1986; Oliver, 1993）；加拿大實(shí)施的Lihoprobe計(jì)劃在跨越不同地質(zhì)時(shí)期的深地震反射剖面中，發(fā)現(xiàn)主要存在3種類型的Moho界面特征：透明莫霍反射、水平莫霍反射和穿透地幔的反射（Clowes, 1992; Clowes et al., 1999, 2002）.在歐洲大陸，英國實(shí)施的BIRPS計(jì)劃，找到了古老構(gòu)造再活動(dòng)的證據(jù)，獲得了元古宙（1 900 Ma）時(shí)期的板塊邊界圖像（Chadwick et al., 1998; Matthews,1990）；在意大利CROP計(jì)劃中，通過本土和地中海海域布設(shè)的多條深反射剖面，獲得了海陸邊緣深部結(jié)構(gòu)特征（Finetti et al., 2001; Finetti, 2004）.澳大利亞在實(shí)行GlassEarth計(jì)劃時(shí)，由于深反射探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)反射剖面中風(fēng)化層和下伏基巖有了更深的認(rèn)識(shí)，通過剖面可建立針對(duì)礦床預(yù)測(cè)的巖層模型.我國深反射探測(cè)發(fā)展較晚，2008年以前主要是零星的一些反射工作，大約有5 000多千米，在2008年以后，隨著Sinoprobe的實(shí)施，中國大陸到目前為止完成了近12 000 km深反射剖面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過之前50年工作量總和，并且對(duì)于青藏高原的探測(cè)截至2019年底，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已經(jīng)完成深地震反射剖面累計(jì)約5 115 km（高銳等，2021）（圖1），取得了一系列的發(fā)現(xiàn)：如在青藏高原發(fā)現(xiàn)的構(gòu)造疊置現(xiàn)象解釋為喜馬拉雅地殼增厚的新機(jī)制（Gao et al., 2016a）；獲得了青藏高原雅魯藏布江縫合帶的深部特征（Dong X Y et al., 2020; Guo et al., 2017, 2018）；系統(tǒng)總結(jié)了青藏高原及其周緣深地震反射剖面所揭示的大陸碰撞的深部過程（高銳等，2021）.在東北松遼盆地深地震反射剖面結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)了索倫—西拉木倫—長春—延吉縫合線中部古亞洲洋最終關(guān)閉的殘余痕跡，給出了賀根山—黑河縫合線形成的詳細(xì)模型（Fu et al., 2021a,2021b).在華北的深反射探測(cè)中，Zhang等（2014）發(fā)現(xiàn)了中亞造山帶索倫段縫合線下方來自地幔的玄武巖基底，認(rèn)為是碰撞造山過程中發(fā)生了底侵作用，改造了原有的莫霍面形態(tài).華南深反射剖面中，董樹文等（2013）找到了華南隱伏古老造山帶的深部構(gòu)造特征，認(rèn)為是巖漿的底侵作用使大量的幔源物質(zhì)上涌，導(dǎo)致地殼發(fā)生構(gòu)造變形（Dong S et al.,2020）.在成礦帶方面，呂慶田等（2003）在銅陵礦集區(qū)多條深反射剖面中發(fā)現(xiàn)了透明反射區(qū)和弱反射區(qū)，認(rèn)為可能是巖漿作用導(dǎo)致地殼混合巖化，并控制了銅陵礦集區(qū)的物質(zhì)來源；另外，在穿過長江的6條深反射剖面中，發(fā)現(xiàn)“長江深斷裂帶”中存在“鱷魚嘴”構(gòu)造，控制了成礦巖漿巖的分布（呂慶田等，2003）.澳大利亞、加拿大等國也進(jìn)行了較多的深部成礦研究，如：橫跨澳大利亞Olympic Dam礦床的一條深反射剖面，發(fā)現(xiàn)礦集區(qū)下地殼存在一個(gè)明顯的弱波阻抗區(qū)域，推測(cè)可能為巖漿通道，為成礦提供了物源條件（Drummond et al.,2006）；加拿大一條深反射剖面揭示了Sudbury構(gòu)造（為似橢圓形的Sudbury火成雜巖體）深部的非對(duì)稱性，對(duì)找礦具有直接的指導(dǎo)意義（Eaton et al.,2010）.深反射探測(cè)技術(shù)在造山帶、構(gòu)造帶以及成礦帶的成功應(yīng)用，使得這種方法在解決特定地質(zhì)問題中具有越來越重要的作用.

圖1 青藏高原深地震反射剖面探測(cè)工作程度圖（截止2019年底，修改自高銳等，2021）.紅線和黑線由中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所巖石圈團(tuán)隊(duì)為主完成；黃線為INDEPTH項(xiàng)目，由中國地震局完成Fig.1 The deep seismic reflection profile detection in the Qinghai-Tibet Plateau (By the end of 2019, modified from Gao et al.,2021).Red lines and black lines are mainly completed by the lithosphere team of the Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences; Yellow line is INDEPTH project, which is completed by China Earthquake Administration

目前，深地震剖面技術(shù)在解決重大地質(zhì)問題的同時(shí)，也面臨著一些新的挑戰(zhàn)，如：地表地形起伏劇烈，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，儀器精度不夠等.這些挑戰(zhàn)給數(shù)據(jù)采集、處理、解釋帶來一定的難度，給提高探測(cè)精度帶來一定的挑戰(zhàn).近些年隨著高精度儀器的推廣、方法技術(shù)的進(jìn)步，深地震反射剖面逐漸向著探測(cè)范圍更廣、深度更深、精度更高的方向發(fā)展，在野外采集、數(shù)據(jù)處理、成果解釋上都得到了一定改進(jìn)與提升，也有了一些新的應(yīng)用與發(fā)展.本文根據(jù)近些年的研究成果，總結(jié)了深地震反射探測(cè)技術(shù)在不同方面（采集、處理、解釋）的進(jìn)展，包括高精度可控震源采集技術(shù)、線條圖處理技術(shù)、全波形反演技術(shù)等.這些新技術(shù)的出現(xiàn)，不僅給深地震反射剖面探測(cè)帶來了新的生機(jī)，同時(shí)也為解決地質(zhì)問題提供了可靠的技術(shù)支撐.隨著儀器設(shè)備的改進(jìn)、方法技術(shù)的革新，必將使得深地震反射探測(cè)技術(shù)在揭示巖石圈結(jié)構(gòu)、解決深部地質(zhì)構(gòu)造問題方面扮演其他方法不可替代的作用.

1 深反射地震采集技術(shù)進(jìn)展

1.1 組合激發(fā)采集技術(shù)

深反射探測(cè)為了獲得全地殼的精細(xì)結(jié)構(gòu)，在采集參數(shù)上進(jìn)行了不斷的優(yōu)化，包括震源、道間距、覆蓋次數(shù)、采樣率等方面（表1）（盧占武等,2016; Reddy and Rao, 2013; Siddique et al., 2014; 王海燕等, 2010），經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，采集參數(shù)都有了大的改進(jìn)，形成了一套適用性強(qiáng)、采集精度高的組合激發(fā)采集方式.目前，激發(fā)方式采用多種藥量組合的大、中、小炮激發(fā)的方式，相比于最早的Vibroseis震源，提高了不同深度信號(hào)的采集質(zhì)量（Chadwick and Pharaoh, 1998; Finetti et al., 2001;Finetti, 2004）；炮間距從最初134～400 m不等，發(fā)展到現(xiàn)在小炮80～250 m、中炮280～1 000 m、大炮20 000～50 000 m等不同組合的方式；井深從10～15 m，發(fā)展到現(xiàn)在小炮 20～30 m、中炮28～50 m、大炮50～75 m組合井激發(fā)方式；接收道數(shù)從48道、96道、120道、240道、360道等，發(fā)展到現(xiàn)在中小炮720道、大炮1 200道的接收方式，增加了排列長度，使得遠(yuǎn)偏移距的反射信息可被接收到；采樣間隔從4 s、2 s，發(fā)展到現(xiàn)在1 s的采樣間隔，可接收更高頻率的有效信號(hào)；覆蓋次數(shù)從24次、30次、48次、60次、75次等，發(fā)展到現(xiàn)在50～120次的覆蓋次數(shù)（DEKORP Research Group, 1990; Fu et al., 2021a; 高銳等, 2001, 2002; 劉保金等, 2007; 王海燕等, 2017），很好地壓制了噪聲，提高了信噪比；道間距從50 m、60 m、80 m、100 m等，發(fā)展到現(xiàn)在的40 m、50 m道間距采集（Andrew et al., 2004; Drummond and Goleby, 1993;酆少英等, 2020; Fu et al., 2021b; 李洪強(qiáng)等, 2013），提高了采集精度，如盧占武等（2010）通過10 m和40 m不同道距的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)10 m道距可以獲得豐富的礦區(qū)淺層信息，揭露出淺層控礦構(gòu)造及其與深部的聯(lián)系（圖2）.深反射數(shù)據(jù)采集中，大、中、小炮的組合激發(fā)采集方式（圖3）、覆蓋次數(shù)的提高、道距的減小、井深的增加及采樣間隔的減小，提高了資料的采集質(zhì)量，不僅可以有效地壓制干擾波，拓寬有效波的頻帶范圍，還可從淺、中、深等不同層次對(duì)全地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度成像，為研究構(gòu)造演化、碰撞造山、構(gòu)造成礦等提供深部高分辨率地球物理依據(jù)（Gao et al., 2016a, 2016b; Malinowski, 2016; 王海燕等, 2017）.

圖2 不同道距單炮對(duì)比.（a）大炮激發(fā)單炮記錄；（b）變道距排列混合接收的單炮記錄；（c）40 m道距單炮記錄（修改自盧占武等，2010）Fig.2 Comparison of single shot with different track distances.(a) Shot gather of large explosive; (b) Shot gather acquired by viable receiver spacing; (c) Single shot record with 40 m track distance (modified from Lu et al., 2010)

圖3 深反射觀測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of deep reflection observation system

表1 國內(nèi)外主要深地震反射探測(cè)計(jì)劃采集參數(shù)表Table 1 Acquisition parameters of main deep seismic reflection detection plans at domestic and abroad

1.2 高精度可控震源采集技術(shù)

深反射探測(cè)技術(shù)通常采用炸藥震源采集來自地殼底部乃至莫霍面的反射信息，炸藥震源雖然能量大、信號(hào)強(qiáng)，但是野外施工有可能會(huì)存在一定風(fēng)險(xiǎn)，且由于環(huán)保監(jiān)管力度的不斷加大，炸藥審批手續(xù)也越來越繁雜.可控震源作為一種無污染、激發(fā)靈活的震源形式，通過人工控制的震動(dòng)來激發(fā)地震波，不涉及炸藥爆破作業(yè)，是目前震源發(fā)展的新趨勢(shì).可控震源的工作原理是在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)向地下激發(fā)頻率不斷變化的掃描信號(hào)，掃描信號(hào)的振幅、頻率和時(shí)長等參數(shù)根據(jù)勘探需求設(shè)計(jì)，然后利用相關(guān)技術(shù)將原始記錄變換為類炸藥的常規(guī)地震記錄.可控震源基本激發(fā)參數(shù)主要有掃描長度、初始頻率、終止頻率、驅(qū)動(dòng)幅度、斜坡長度與檢波器型號(hào)等，通過設(shè)置合理的激發(fā)參數(shù)，可以提高信號(hào)采集的質(zhì)量.王海波等（2019）應(yīng)用高精度可控震源 EV56，通過 SN7C-10（自然頻率為 10 Hz）、SN5-5（自然頻率為5 Hz）、DSU1（自然頻率為10 Hz）三種不同型號(hào)檢波器記錄，發(fā)現(xiàn)反射疊加剖面淺層信息清晰可見，深層莫霍面反射信息可連續(xù)追蹤，反射剖面質(zhì)量相對(duì)較好，因此通過高精度可控震源激發(fā)可以獲得深層有效反射信息（圖4）.李忠雄等（2017）采用可控震源和井炮激發(fā)，在北羌塘凹陷與中央隆起帶之間的托納木—笙根地區(qū)開展了420 km的高密度高覆蓋寬線地震采集試驗(yàn)，認(rèn)為可控震源高密度高覆蓋采集獲得的資料基本等同于井炮激發(fā)的地震資料，并且獲得了反射同向軸清楚、連續(xù)可用于地質(zhì)構(gòu)造解釋的高精度反射地震剖面.目前，可控震源作為應(yīng)用于深反射采集的新方式，不僅可以應(yīng)用于陸地深反射探測(cè)，而且可以滿足接收來自莫霍乃至上地幔的反射信息，因此，可控震源作為新形式的激發(fā)震源所帶來的優(yōu)勢(shì)，必將使得深反射數(shù)據(jù)采集變得更加靈活、適用性更強(qiáng).

圖4 不同檢波器疊加剖面分析.（a）SN7C-10 檢波器；（b）SN5-5 檢波器；（c）DSU1 檢波器（修改自王海波等，2019）Fig.4 Stack profile analysis of different geophones.(a) SN7C-10 Geophone; (b) SN5-5 Geophone; (c) DSU Geophone (modified from Wang et al., 2019)

1.3 節(jié)點(diǎn)式地震觀測(cè)技術(shù)

近些年，節(jié)點(diǎn)式地震儀依托其成本低、布放簡便、頻帶范圍寬的優(yōu)勢(shì)，開始廣泛用于地震數(shù)據(jù)的采集（Bao et al., 2019; Liu et al., 2017; Roux et al.,2016; Wang and Tian, 2018）.目前，節(jié)點(diǎn)式地震儀的數(shù)據(jù)主要用于背景噪聲成像、接收函數(shù)成像和微動(dòng)（SPAC）成像，進(jìn)行深反射數(shù)據(jù)采集近幾年才被提出，此方式可以減少施工的成本，并獲得頻率更低的反射數(shù)據(jù)，提高中下地殼、莫霍面等深層反射界面的成像精度，為研究深部構(gòu)造特征提供更加有力的證據(jù).目前，任彥宗（2021）利用428XL與Zland-3C節(jié)點(diǎn)地震儀（圖5）共同采集深反射地震數(shù)據(jù)，通過對(duì)比兩種采集儀器深反射剖面結(jié)果，研究了峨眉山大火成巖省內(nèi)帶綠汁江斷裂以西的精細(xì)地殼結(jié)構(gòu)（圖6），從節(jié)點(diǎn)地震儀與常規(guī)有纜地震儀采集獲得的資料對(duì)比看，構(gòu)造面貌呈現(xiàn)一致性，說明節(jié)點(diǎn)地震儀在主動(dòng)源數(shù)據(jù)采集中具有有效性.因此，節(jié)點(diǎn)式地震儀，相對(duì)于常規(guī)的節(jié)點(diǎn)儀，拓寬了頻帶寬度，增強(qiáng)對(duì)低頻信號(hào)的識(shí)別，提高了對(duì)于深層結(jié)構(gòu)的識(shí)別能力.并且在復(fù)雜地表采集時(shí)，具備靈活布設(shè)、施工方便的優(yōu)點(diǎn).節(jié)點(diǎn)式地震儀必將成為深反射數(shù)據(jù)采集發(fā)展的重要方向，有可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)節(jié)點(diǎn)儀器成為深反射數(shù)據(jù)采集的重要工具.

圖5 Z-Land節(jié)點(diǎn)儀與充電架Fig.5 Z-Land node instrument and charging rack

圖6 不同儀器240 m道間距的疊加剖面.（a）有纜地震儀428XL記錄的數(shù)據(jù)；（b）節(jié)點(diǎn)地震儀記錄的數(shù)據(jù)；（c）和（d）分別為圖（a）和（b）的局部放大圖像（修改自任彥宗，2021）Fig.6 Stack profile with 240 m channel spacing of different instruments.(a) Data recorded by cable seismograph 428XL; (b) Data recorded by node seismograph; (c) and (d) are partially enlarged images of figures (a) and (b), respectively (modified from Ren, 2021)

1.4 大炮一次覆蓋技術(shù)

美國內(nèi)華達(dá)州曾進(jìn)行的深反射大藥量激發(fā)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大藥量激發(fā)可以產(chǎn)生高分辨率、高信噪比的地震數(shù)據(jù)，在復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)，相對(duì)于常規(guī)的石油地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)，可明顯提高深反射的成像精度.特別是在青藏高原及周緣地區(qū)，由于地殼較厚，介質(zhì)的非完全彈性突出，地震波衰減較快，而且地形起伏劇烈，近地表速度變化大，地震子波同相軸很難疊加到一起.因此，提高爆破當(dāng)量、并采用深井激發(fā)是采集下地殼反射信息有效途徑之一（Li et al.,2013; 王建民等, 2020）

大炮一次覆蓋技術(shù)就是基于深反射數(shù)據(jù)采集中的大、中炮記錄，通過反射數(shù)據(jù)處理，得到反映地下巖石圈骨架的時(shí)間剖面，例如：在青藏高原東北緣（西秦嶺）的一個(gè)200 kg單炮記錄上，可直接獲得了來自莫霍面的反射波同相軸（Li et al.,2009）；盧占武等（2009）利用多個(gè)數(shù)噸級(jí)大炮，成功穿透青藏高原巨厚地殼，獲得了來自莫霍面的有效反射信號(hào).酆少英等（2020）利用15個(gè)大炮資料進(jìn)行一次覆蓋處理后，揭示了青藏高原側(cè)向碰撞帶巖石圈結(jié)構(gòu)特征（圖7）.Li等（2018）利用穿過雅江縫合線的兩條反射剖面中的大炮記錄，獲得了縫合帶下方較厚的莫霍深度（約是全球地殼平均厚度的2倍），認(rèn)為印度板塊正以不同的角度俯沖到青藏高原下方（圖8）.

圖7 青藏高原側(cè)向碰撞帶深反射剖面（修改自酆少英等，2020）Fig.7 Deep reflection profile of lateral collision zone of Tibetan Plateau (modified from Feng et al., 2020)

圖8 大炮深反射剖面.YZS-A位于雅江縫合線西部，YZS-B位于雅江縫合線東部（修改自Li et al., 2018）Fig.8 Large-shot deep reflection profiles.YZS-A is located in the west of Yarlung Zangbo Suture and YZS-B is located in the east of Yarlung Zangbo Suture (modified from Li et al., 2018)

通過增加井深和藥量形成單次或低次覆蓋剖面，每隔1個(gè)排列長度加放一個(gè)大炮，可以有效獲得莫霍反射信息，這主要得益于大藥量激發(fā)產(chǎn)生的地震波，有足夠的能量下傳至地殼底部甚至上地幔內(nèi)部并返回地表接收器.因此，大炮一次覆蓋技術(shù)不僅能獲得莫霍反射和地幔內(nèi)部反射等關(guān)鍵的深部結(jié)構(gòu)信息，而且，當(dāng)常規(guī)的疊加剖面深層信噪比不令人滿意時(shí)，還可以為中小炮疊加剖面處理提供參考.

2 深反射地震處理方法進(jìn)展

深反射地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展改進(jìn)，目前已經(jīng)形成了一套較為成熟的數(shù)據(jù)處理流程，包括建立觀測(cè)系統(tǒng)、去噪、靜校正、能量恢復(fù)、疊加、偏移等（圖9）.但是隨著數(shù)據(jù)采集難度的增大，采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量信噪比往往較差，因此，針對(duì)特殊的問題，出現(xiàn)了一些新的處理方法.

圖9 深地震反射數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.9 Deep seismic reflection data processing flow chart

2.1 線條圖處理技術(shù)

隨著國內(nèi)外深反射探測(cè)計(jì)劃的實(shí)施，獲得了大量能夠揭示地殼結(jié)構(gòu)特征的高精度反射剖面，但是在后期的處理解釋中，往往會(huì)忽略掉一些信息.為了能夠全面獲得深反射剖面中的有效信號(hào)，線條圖處理技術(shù)在深反射數(shù)據(jù)處理中被提出并利用.該方法通過預(yù)處理、強(qiáng)振幅提取、濾波、目標(biāo)識(shí)別、連續(xù)性計(jì)算等步驟，充分提取深地震反射剖面中的反射信息.同時(shí)，該方法還可以計(jì)算出目標(biāo)的傾角，對(duì)復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行特殊分析.如：李文輝等（2012）通過對(duì)廬樅地區(qū)深地震反射剖面進(jìn)行線條圖處理，識(shí)別出深地震反射資料中的主要構(gòu)造格架信息，其效果較傳統(tǒng)的圖像處理方法而言有顯著改善（圖10）.另外，此種方法忽略了波形特征描述、迭代等步驟，相比于模式識(shí)別更具高效性.

圖10 深地震反射剖面.（a）為原始疊加剖面；（b）線條圖處理（修改自李文輝等，2012）Fig.10 Deep seismic reflection profile.(a) Original stack profile; (b) Line drawing processing (modified from Li et al., 2012)

2.2 全波形反演技術(shù)

深反射地震探測(cè)是研究巖石圈結(jié)構(gòu)、解決深部地質(zhì)問題的重要手段.目前，從深反射地震剖面獲取地下速度結(jié)構(gòu)的方法主要依賴于走時(shí)層析成像，這種方法從理論上限制成像的分辨率.為了實(shí)現(xiàn)利用深反射地震剖面對(duì)上地殼尺度進(jìn)行高精度速度成像的目的，必須利用全波場(chǎng)資料進(jìn)行波形反演，提高成像精度.

目前，全波形反演技術(shù)逐漸被應(yīng)用在深反射速度成像上.如崔永福等（2016）采用一種多尺度時(shí)間域分層全波形反演方法，通過將層析成像和全波形反演獲得的速度模型進(jìn)行疊前深度偏移，發(fā)現(xiàn)全波形反演得到的速度模型可以有效地改善目的層的成像精度，在其研究區(qū)域消除了由于速度不準(zhǔn)造成的火成巖邊緣及以下斷層和破碎帶（圖11橢圓所示）的構(gòu)造假象以及奧陶系以下假低幅度隆起構(gòu)造（圖11箭頭所示）.Davy等（2018）利用全波形反演方法對(duì)西班牙加利西亞地區(qū)深部大陸構(gòu)造邊緣進(jìn)行精細(xì)速度結(jié)構(gòu)成像，相對(duì)于傳統(tǒng)的層析成像，剖面的質(zhì)量有明顯的提高，特別是對(duì)于斷層位置的刻畫，成像效果得到明顯改善，認(rèn)為剖面9 s的位置（黃線）連續(xù)反射同相軸的下方橫向速度變化增大，表明了上地幔蛇綠巖化的特征，這是正斷層與水發(fā)生水合作用的結(jié)果（圖12）.Li等（2021）利用深反射數(shù)據(jù)，通過全波形反演成像，獲得了青藏高原南部穹隆構(gòu)造近地表3 km范圍內(nèi)的縱波速度結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)：Mabjia穹窿下方3 km（自地表）有兩個(gè)高速體，速度高達(dá)6.6 km/s和7.2 km/s，這可能與榴輝巖相或鎂鐵質(zhì)侵入體相關(guān).另外，作者認(rèn)為南北向構(gòu)造擠壓引起中地殼的逆沖疊置增厚和上部地殼的隆起，以及中地殼的逆沖疊置增厚是控制Mabja穹隆形成的主要機(jī)制.孫思宇等（2021）利用反射波波形反演，代替了回折波信息，提高了深層反演質(zhì)量，通過實(shí)際資料測(cè)試，可獲得高分辨率的速度模型，改善深部目的層成像質(zhì)量，有利于目標(biāo)評(píng)價(jià).

圖11 層析成像速度模型.（a）層析成像速度模型；（b）波形反演速度模型；（c）和（d）波形反演速度的疊前深度偏移結(jié)果（修改自崔永福等，2016）Fig.11 Tomographic velocity model.(a) Tomography velocity model; (b) Waveform inversion velocity model; (c) and (d) Prestack depth migration results of waveform inversion velocity (modified from Cui et al., 2016)

圖12 全波形反演結(jié)果對(duì)比.（a）初始速度模型；（b）全波形反演速度模型；（c）反射地震成像；（d）反射地震剖面覆蓋初始速度模型；（e）反射地震剖面覆蓋全波形反演速度模型（修改自Davy et al., 2018）Fig.12 Comparison of full waveform inversion results.(a) Initial velocity model; (b) Full waveform inversion velocity model;(c) Reflection seismic imaging; (d) Reflection seismic profile covering initial velocity model; (e) Reflection seismic profile covering full waveform inversion velocity model (modified from Davy et al., 2018)

通過前人的研究發(fā)現(xiàn)，利用深反射數(shù)據(jù)進(jìn)行全波形反演，可獲得高分辨率的地殼淺部速度結(jié)構(gòu)，一方面可以為深反射靜校正處理、深度域變換提供更高精度的淺表速度.另一方面，可以根據(jù)反演的速度特征，研究包括盆地、造山帶、沉積層的構(gòu)造變化.因此，利用深反射數(shù)據(jù)進(jìn)行全波形反演，在研究淺部構(gòu)造演化中可發(fā)揮重要的作用.

2.3 時(shí)深轉(zhuǎn)換技術(shù)

由于反射剖面接收的深部信息，跨度較大，往往經(jīng)過多個(gè)構(gòu)造單元或者地質(zhì)單元，受到了多種因素的影響，使得速度變化劇烈，因此深反射數(shù)據(jù)處理最終往往只能提供時(shí)間域的剖面，很難提供深度域結(jié)構(gòu)剖面.但是深度域剖面更加能夠直觀地反映構(gòu)造形態(tài)信息，對(duì)于研究碰撞造山、深部成礦、斷裂形態(tài)等具有重要的意義.目前，利用深反射剖面進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換的研究較少，多集中在有測(cè)井約束的時(shí)深轉(zhuǎn)換，或是用于速度變化較小的海洋地層深度域成像研究，如陶天生等（2020）以東海陸架盆地中部某凹陷41口鉆井垂直地震剖面數(shù)據(jù)（VSP）為基礎(chǔ)，構(gòu)建不同的時(shí)深關(guān)系模型，利用三維地震勘探中獲取的層速度資料計(jì)算每口井的時(shí)深對(duì)應(yīng)關(guān)系，探討不同模型在深部地層時(shí)深轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性，建立了研究區(qū)時(shí)深轉(zhuǎn)換的分段擬合模型，提高了深部地層時(shí)深轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確度.汪俊等（2020）利用南海北部陸緣某海域反射剖面，基于多公式擬合的方式對(duì)深反射剖面進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，獲得復(fù)雜沉積區(qū)深度域剖面，認(rèn)為通過公式擬合、地質(zhì)模型約束等手段提高速度模型可靠性相比于疊前深度偏移處理性價(jià)比更高.沉積地層多公式擬合的方式適用范圍更廣，可對(duì)不同構(gòu)造或沉積地層進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換工作（圖13）.相對(duì)于海上而言，陸地上的速度變化更為劇烈，給時(shí)深轉(zhuǎn)換也帶來了一定的難度.楊瑨（2020）通過傳統(tǒng)速度普選取、層析成像和正演模擬，不斷修正和完善速度模型，獲得了地殼尺度范圍內(nèi)的深度域剖面，認(rèn)為松遼盆地基底南向俯沖并可能存在多次俯沖痕跡，同時(shí)在中間出現(xiàn)了較為明顯的成像減弱帶，推測(cè)可能為混雜巖帶或花崗巖侵入.

圖13 深度域和時(shí)間域剖面圖.（a）地震剖面的“時(shí)間-層速度”關(guān)系擬合結(jié)果對(duì)比；（b）地震解釋資料的深度域剖面（修改自汪俊等，2020）Fig.13 Depth and time domain profiles.(a) Comparison of fitting results of "time-layer velocity" relationship of seismic profile;(b) Depth domain profile of seismic interpretation data (modified from Wang et al., 2020)

利用深反射時(shí)間剖面獲得深度域剖面，目前雖然有一些成果研究，但是由于深部速度難以約束，淺部速度變化較大，使得建立的速度模型往往存在不確定性.但是，隨著國內(nèi)外儀器和方法技術(shù)的改進(jìn)與提升，必然會(huì)提高地下速度體的成像精度，這對(duì)于建立可靠的速度模型提供了保障，相信深反射時(shí)深轉(zhuǎn)換今后將成為研究地殼高精度特征的重要手段.

3 深反射數(shù)據(jù)與其他方法聯(lián)合解釋

在進(jìn)行地球物理探測(cè)時(shí)，往往會(huì)因?yàn)檠芯繉?duì)象的不同，采取不同的方法或者是利用不同的地震波，研究不同深度、不同層次的地下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這樣會(huì)損失其他波形記錄的有效信息，使得研究結(jié)果具有局限性、多解性.因此，合理的利用不同的方法或者不同的波形信息，解決同一個(gè)地質(zhì)問題，可以增加結(jié)果的可靠性、唯一性.目前，利用深反射探測(cè)與其他方法聯(lián)合研究地下結(jié)構(gòu)的例子較多，解決了一些重要的地質(zhì)問題（李英康等, 2019; Liu et al.,2021; Thiel et al., 2020; Tian et al., 2021）.

3.1 深反射成像與折射成像聯(lián)合解釋

3.1.1 初至波折射層析與深反射剖面聯(lián)合約束近地表結(jié)構(gòu)

反射波成像主要是利用強(qiáng)波阻抗界面的反射信息，獲得能夠反映地下界面信息的時(shí)間剖面，由于沒有利用速度信息，因此界面不具有深度意義，不能夠反映出反射界面的深度.而折射層析成像通過走時(shí)或者波動(dòng)方程，可以得到縱波速度剖面，根據(jù)速度的變化特征研究斷層、成礦及巖體形態(tài).因此，通過反射成像與折射層析成像聯(lián)合探測(cè)，可以從不同角度對(duì)地殼基底結(jié)構(gòu)形態(tài)、隱伏金屬礦位置以及斷層延伸狀態(tài)進(jìn)行高精度成像研究（鄧小娟等，2019），例如謝樊等（2021）利用橫過中亞造山帶的深反射剖面，通過初至波走時(shí)層析成像獲得了地下3 km范圍內(nèi)的縱波速度結(jié)構(gòu)，并結(jié)合深地震反射剖面，建立了古亞洲洋雙向俯沖與剩余微陸塊碰撞縫合的構(gòu)造模式.秦晶晶等（2020）利用折射、反射成像方法，分析了郯廬斷裂淺部結(jié)構(gòu)特征，認(rèn)為其近地表速度結(jié)構(gòu)（圖14）橫向變化較大，沉積層基本小于200 m，斷裂帶位置顯示為低速凹陷，其最大厚度在600～650 m之間.初至波折射層析成像不僅可以為深反射解釋提供淺部的約束參考，還可以為反射地震資料處理的靜校正量計(jì)算、偏移成像以及時(shí)—深轉(zhuǎn)換等提供速度約束.

圖14 折射與反射綜合解釋圖.（a）射線路徑；（b）折射層析成像圖；（c）和（d）分別為對(duì)應(yīng)的反射剖面圖（修改自秦晶晶等，2020）Fig.14 Comprehensive interpretation of refraction and reflection.(a) Ray path; (b) Refraction tomography;(c) and (d) are the corresponding reflection profiles(modified from Qin et al., 2020)

3.1.2 寬角反射/折射剖面與深反射剖面聯(lián)合解釋地殼結(jié)構(gòu)

寬角反射/折射可接收來自地殼及上地幔的有效地震波場(chǎng)特征，這些不同類型的波列攜帶了大量的信息，存在于Pg、Pn、Pmp等震相中，通過對(duì)震相的拾取，利用走時(shí)層析成像方法，可獲得殼內(nèi)速度結(jié)構(gòu)特征（李文輝等，2021；滕吉文，2021）.寬角反射/折射與深反射探測(cè)均可用于研究地殼及上地幔結(jié)構(gòu)問題，但是所提供的信息不同，寬角反射/折射主要提供速度信息，深反射主要提供界面信息，并且寬角反射探測(cè)精度往往低于深反射探測(cè)，對(duì)于研究深部巖漿活動(dòng)、莫霍變化及上地幔特征等，寬角反射可發(fā)揮重要的作用，但是對(duì)于淺部構(gòu)造、沉積層變化研究，深反射剖面可以提供更高精度的成像.如：Li等（2013）通過利用寬角反射/折射方法對(duì)華北克拉通北緣一條450 km剖面進(jìn)行成像，根據(jù)不同的速度特征探討了不同時(shí)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及巖漿活動(dòng)對(duì)于深部構(gòu)造的改造過程（圖15）；李英康等（2019）通過寬角反射/折射與深地震反射聯(lián)合探測(cè)，建立了跨越四川盆地及其周邊的地殼結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為揚(yáng)子塊體受到了來自青藏高原東緣及江南造山帶的逆沖推覆，這些推覆作用造就了川西—江南造山帶構(gòu)造模式.目前，寬角反射/折射和深反射探測(cè)是公認(rèn)的分辨率最高的兩種深部地球物理探測(cè)手段（滕吉文，2021）.兩者相互約束解釋，對(duì)于深部結(jié)構(gòu)成像可以發(fā)揮至關(guān)重要的作用.

圖15 速度模型解釋圖.北傾的虛線為深反射剖面結(jié)果，上地殼的圓點(diǎn)代表速度等值線（修改自Li et al., 2013）Fig.15 Explanatory diagram of velocity model.The north inclined dotted line is the result of deep reflection profile, and the dots on the upper crust represent velocity isolines (modified from Li et al., 2013)

3.2 深反射成像與面波成像聯(lián)合解釋

面波攜帶了多種信息，包括構(gòu)造、巖石物性、流體等，利用深反射中的面波成像可以獲得淺部速度特征，彌補(bǔ)深反射數(shù)據(jù)對(duì)于淺層結(jié)構(gòu)探測(cè)精度的不足.張輝等（2020）利用深反射數(shù)據(jù)中的面波信號(hào)，通過共檢波點(diǎn)域面波信號(hào)成像新方法，獲得了跨越班公湖—怒江縫合帶淺地表橫波速度結(jié)構(gòu)特征，不僅可以為靜校正、起伏地表疊前深度成像和全波形反演等提供淺層速度結(jié)構(gòu)模型，還可以為深反射地震數(shù)據(jù)處理解釋增加可靠性.趙盼盼等（2020）通過背景噪聲成像獲得了龍門山地區(qū)高角度鏟形構(gòu)造的斷層形態(tài)，與同測(cè)線的深反射剖面對(duì)比，可以很好地吻合，使得解釋的結(jié)果更具可靠性（圖16）.面波成像可用于研究區(qū)域構(gòu)造及速度特征，在深反射剖面上賦予速度等物性信息，對(duì)于研究成礦成藏、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、孕震機(jī)制、斷裂伸展等方面可提供可靠的地球物理信息.

圖16 噪聲層析成像與深地震反射剖面的比較（修改自趙盼盼等，2020）Fig.16 Comparison between ambient noise tomography and deep seismic reflection profile (modified from Zhao et al., 2020)

3.3 深反射數(shù)據(jù)與接收函數(shù)聯(lián)合解釋

接收函數(shù)作為研究深部構(gòu)造的地球物理方法，可以提供地下強(qiáng)反射界面信息，揭示莫霍面、LAB界面、410 km界面、660 km界面等深度及形態(tài)變化信息，對(duì)于研究深部構(gòu)造，物性變化具有較好的參考價(jià)值.但接收函數(shù)對(duì)于中上地殼一些構(gòu)造界面分辨率卻很弱，因此，采用接收函數(shù)與深反射剖面聯(lián)合解釋，可以從淺、中、深不同角度研究地殼至上地幔結(jié)構(gòu)變化特征，兩者相互約束，可對(duì)全地殼范圍內(nèi)進(jìn)行高質(zhì)量成像研究.Tian等（2021）通過跨越青藏高原與鄂爾多斯地塊狹長邊界接收函數(shù)剖面，結(jié)合深反射和重力等資料，發(fā)現(xiàn)隴西上地殼逆沖到鄂爾多斯地塊上，形成了六盤山，下地殼形成了一個(gè)10 km厚的地殼根，認(rèn)為隴西盆地與鄂爾多斯地塊的會(huì)聚，不是使高原變寬，而是使山脈變窄（圖17）.對(duì)于碰撞造山、深部構(gòu)造特征研究接收函數(shù)和深反射聯(lián)合解釋可以起到重要的作用，但是接收函數(shù)由于其探測(cè)精度低于深反射，接收函數(shù)只能在大的構(gòu)造格架中給與深反射剖面解釋提供一定的參考約束.

圖17 深地震反射剖面與接收函數(shù)綜合解釋圖.黑色虛線為速度界面，紅色和藍(lán)色底圖為接收函數(shù)結(jié)果，黑線底圖為深反射疊加剖面，藍(lán)線為寬角得到的莫霍深度（修改自Tian et al., 2021）Fig.17 Comprehensive interpretation of deep seismic reflection profile and receiver function.The black dotted line is the velocity interface, the red and blue base maps are the receiver function results, the black line is the deep reflection stacked profile, and the blue line is the Moho depth obtained from the wide angle (modified from Tian et al., 2021)

3.4 深反射剖面與大地電磁聯(lián)合解釋

大地電磁剖面和深反射剖面聯(lián)合解釋，不僅可以研究地殼和上地幔的地層界面，還可以賦予不同構(gòu)造帶其物質(zhì)狀態(tài)信息.Dong等（2020）通過一條過雅魯藏布江縫合帶的深反射地震剖面，在測(cè)線南部發(fā)現(xiàn)了類似透明反射，并呈高阻的深部特征，認(rèn)為是拉薩地體遭受強(qiáng)烈碰撞擠壓的結(jié)晶基底；剖面北部9 s以上的反射層與岡底斯巖漿帶相對(duì)應(yīng)，呈低阻特征，較好地解釋了此區(qū)域位置的深部巖漿活動(dòng).Thiel等（2020）通過對(duì)澳大利亞中部（Musgrave?。┻M(jìn)行三維大地電磁成像，在大于65 km的地層中發(fā)現(xiàn)了北澳和南澳克拉通與最古老的西澳克拉通碰撞的最初形態(tài)，淺部（20 km）的電性結(jié)構(gòu)代表了馬斯格雷夫造山運(yùn)動(dòng)變形的特征，并且參考深反射剖面對(duì)其淺部構(gòu)造變形有了更好的詮釋（圖18）.大地電磁與深反射剖面聯(lián)合解釋，從不同物理角度相互約束印證，對(duì)深反射所提供的界面信息賦予電阻率特征，在研究構(gòu)造基底、礦產(chǎn)分布、巖漿活動(dòng)等方面發(fā)揮著重要的作用.

圖18 澳大利亞Musgrave省深反射剖面與大地電磁剖面綜合解釋圖.（a）和（b）深反射偏移剖面解釋圖；（c）深反射剖面與大地電磁剖面疊加解釋圖（修改自Thiel et al., 2020）Fig.18 Comprehensive interpretation of deep reflection profile and magnetotelluric profile in Musgrave Province, Australia.(a) and(b) Interpretation of deep reflection migration profile; (c) Superposition interpretation of deep reflection and magnetotelluric profile (modified from Thiel et al., 2020)

4 結(jié) 論

深地震反射技術(shù)作為研究巖石圈精細(xì)結(jié)構(gòu)的重要地球物理手段，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，方法技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且衍生了許多新的處理方法，在解決眾多地質(zhì)問題上發(fā)揮了重要的作用，同時(shí)深反射探測(cè)也面臨了一些新的挑戰(zhàn)，比如地形越來越復(fù)雜，炸藥震源受限等問題.通過總結(jié)近些年深地震反射技術(shù)應(yīng)用成果，得到以下四點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）深地震反射技術(shù)探測(cè)精度高，可通過不同尺度的激發(fā)能量和增加覆蓋次數(shù)，探測(cè)獲得整個(gè)地殼范圍內(nèi)的精細(xì)結(jié)構(gòu).

（2）深地震反射技術(shù)應(yīng)用范圍廣，不僅可以應(yīng)用于造山帶、盆地、斷層等重要地質(zhì)結(jié)構(gòu)深部探測(cè)，了解深部動(dòng)力學(xué)機(jī)制；還可以用于研究深部成礦，探討深源物質(zhì)及深部動(dòng)力對(duì)于成礦的影響.

（3）深地震反射方法技術(shù)成熟，不僅可以獲得高精度反射波時(shí)間剖面，還可以利用單炮原始數(shù)據(jù)進(jìn)行面波成像、折射層析成像、全波形反演成像等不同的速度成像，為研究不同物性界面提供參考約束.

（4）深地震反射探測(cè)目前也面臨著研究區(qū)構(gòu)造地質(zhì)復(fù)雜、儀器精度不夠等實(shí)際問題.但隨著可控震源及節(jié)點(diǎn)式地震儀的應(yīng)用，加上一些新方法技術(shù)的提出，深反射探測(cè)技術(shù)在揭示巖石圈結(jié)構(gòu)、解決深部地質(zhì)構(gòu)造問題方面將會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用.