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热带海洋学报 >

2017 , Vol. 36 >Issue 3: 80 - 85

DOI: https://doi.org/10.11978/2016076

珠江口区域海陆联合三维地震构造探测的数据处理与震相识别*

  • 吕作勇 , 1, 2, 4 ,
  • 丘学林 , 1, 4 ,
  • 叶春明 2 ,
  • 孙金龙 1 ,
  • 段永红 3 ,
  • 吕金水 2
展开
  • 1. 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室(南海海洋研究所), 广东 广州 510301
  • 2. 广东省地震局, 中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室, 广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室, 广东 广州 510070
  • 3. 中国地震局地球物理勘探中心, 河南 郑州, 450002
  • 4. 中国科学院大学, 北京 100049;
通讯作者：丘学林(1964—), 男, 研究员, 博导。E-mail:

作者简介：吕作勇(1984—), 男, 江西省信丰县人, 在读博士, 主要从事地震监测和深部结构研究。E-mail:

收稿日期: 2016-08-11

  要求修回日期: 2016-09-29

  网络出版日期: 2017-06-01

基金资助

地震科技星火计划项目(XH16029Y)

国家自然基金面上项目(41676057、41674092)

广东省局合作项目

收起

Data processing and phase identification of onshore-offshore 3D seismic exploration in Zhujiangkou area*

  • LYU Zuoyong , 1, 2, 4 ,
  • QIU Xuelin , 1, 4 ,
  • YE Chunming 2 ,
  • SUN Jinlong 1 ,
  • DUAN Yonghong 3 ,
  • LYU Jinshui 2
Expand
  • 1. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China
  • 2. Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology, China Earthquake Administration, Key Laboratory of Guangdong Province Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Projects, Earthquake Administration of Guangdong Province, Guangzhou 510070, China
  • 3. Geophysical Exploration Center, China Earthquake Administration, Zhengzhou 450002, China
  • 4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Corresponding author: QIU Xuelin. E-mail:

Received date: 2016-08-11

  Request revised date: 2016-09-29

  Online published: 2017-06-01

Supported by

Science for Earthquake Resilience (XH16029Y)

National Natural Science Foundation of China (41676057, 41674092)

Cooperation Project between Earthquake Bureau and Province of Guangdong

Copyright

热带海洋学报编辑部
Fold

摘要

以海上气枪和陆地人工爆破作为震源, 利用陆地流动地震台站、固定地震台站和海底地震仪(OBS)同步接收信号, 首次在南海北部珠江口区域进行了海陆联合三维地震构造探测。文章详细介绍了此次海陆联测的地震数据采集和观测系统、数据预处理方法和震相识别。固定、流动地震台站和OBS大部分均能较清晰地识别出多种震相, 包括Pg、PcP、PmP、Pn、Sg等深部震相。气枪和人工爆破震源的联合使用以及海陆密集台站的同步接收信号, 有效地提高了海陆过渡带的射线覆盖和交叉程度, 为获取研究区海陆过渡带的地壳精细结构奠定了基础。

关键词： 海陆联测; 三维; 气枪震源; 人工爆破; 海底地震仪; 南海北部

本文引用格式

吕作勇 , 丘学林 , 叶春明 , 孙金龙 , 段永红 , 吕金水 . 珠江口区域海陆联合三维地震构造探测的数据处理与震相识别*[J]. 热带海洋学报, 2017 , 36(3) : 80 -85 . DOI: 10.11978/2016076

Abstract

Using offshore airguns and onshore explosions as seismic sources, along with portable seismic stations, permanent seismic stations and Ocean Bottom Seismometer (OBS) as a synchronously receiving array, a onshore-offshore 3D seismic exploration experiment was carried out for the first time in the Zhujiangkou area of the northern South China Sea. This paper introduces in detail the seismic data acquisition, observation system, data preprocessing method, and phase identification. A variety of seismic phases, including Pg, PcP, PmP, Pn, and Sg, can be clearly identified in most data collected by the permanent, portable seismic stations and OBS. Jointly using airgun and explosion sources, and dense stations receiving seismic signals simultaneously both on land and at sea, it can highly improve the ray coverage and cross overlap beneath the onshore-offshore transitional belt, which lays a foundation for obtaining fine crustal structure beneath such onshore-offshore area.

Key words： onshore-offshore seismic exploration; 3D; airgun; explosion; ocean bottom seismometer; northern South China Sea

南海北部陆缘是华南大陆与南海海盆的分界区域, 在该陆缘上发育了一系列NEE、NE、NW向相互切割的断裂构造带, 其中NEE—NE走向的滨海断裂带至今仍然具有较强的地震活动性, 是东南沿海地区的著名地震带(陈恩民 等, 1984; 刘以宣 等, 1994)。历史上该地震带曾发生过4次7级以上地震, 最大震级为1604年发生的泉州外海8级地震(魏柏林 等, 2001)。珠江口区域从陆到海主体为NE—SW向构造, 其上叠加有NW—SE向构造, 区内活动断裂、断块构造发育, 并呈现差异升降运动, 发育有珠三角断陷区、宝安断隆区、高鹤断隆区等, 形成断陷、断隆相间的构造格局(钟建强 等, 1996, 钟贻军 等, 2003), 这些构造的深部情况, 都需要一个三维地震探测来查明。利用气枪震源进行海陆联合深地震探测是目前获取海陆过渡带地壳精细结构的一种非常有效的方法(丘学林 等, 2003a)。近年来, 在南海北部陆缘开展了许多的海陆联测工作(丘学林 等, 2003a、2003b、2007; 赵明辉 等, 2004a; 夏少红 等, 2008; 曹敬贺 等, 2014), 探测结果显示滨海断裂带为贯穿地壳的低速带。然而, 由于台站以及气枪震源主要分布在靠海一侧, 导致靠陆地一侧的地震射线覆盖和交叉程度较差, 而且这些深地震探测都是二维探测实验, 只能获得沿测线的地壳结构模型, 未能全面查明滨海断裂带的三维空间特征。因此, 2015年广东省地震局与中国科学院南海海洋研究所、中国地震局地球物理勘探中心合作, 在珠江口区域实施了海陆联合三维地震构造探测, 以开展海陆过渡带和滨海断裂带的深部结构研究。本文主要介绍和总结该次海陆联测的观测系统、数据采集、数据预处理和震相识别。

1 数据采集

三维地震构造探测采用海上气枪和陆地炸药激发震源的深地震联合探测方法, 在珠江口区域布设密集分布的海底地震仪(OBS)和陆上流动地震台, 并利用现有固定地震台站, 共同组成信号接收台网, 辅以贯穿研究区的地震测深剖面, 进而获取高密度的海陆联测地震数据(图1)。
Fig. 1 Location map of 3D deep seismic survey lines, stations and active sources in Zhujiangkou area

图1 珠江口区域海陆联合三维地震构造探测的测线、台站和主动源分布^图中带白点的粉色三角和黑色三角、带黑点的圆圈为下文用到的站点,站点代码分别为B06、NAA和OBS42

本次海陆联测实验, 陆地布设的流动台站数为64个, 固定地震台站数为52个, 海域布设的OBS数为53个。陆地布设了3条台站间距约2.5km的人工爆破测深剖面, 共进行了6次人工爆破(表1), 其中北西向的L1、L2测线长度约350km, 陆上部分的测线台站分别为80个和85个, 海域部分的OBS站位分别是11个和9个, 北东向的L3测线长度约250km, 测线台站90个。北西向测线向海域延伸的一侧, 加密布设了间距约为10km的OBS站点, 其他海域OBS站点的间距约为20km。气枪震源由4支1500LL型Bolt气枪组成, 枪震总容量为6000in3, 共激发12425炮, 放炮测线总长约2500km, 这套气枪震源能量大、激发的地震波低频成分多、传播距离远、穿透深度大, 曾在南海北部和华北水库的应用中得到证实, 非常适合用于深部地壳结构的探测和研究(陈颙 等, 2007; 丘学林 等, 2007)。
Tab. 1 Explosion parameters

表1 人工爆破参数表

编号 爆破时刻 经度 纬度 高程/m 药量/kg
SP3 2015-6-11 02:20:16.088 114°15′22.824″ 22°46′17.112″ 130 1992
SP5 2015-6-12 02:00:14.678 112°32′11.652″ 23°13′51.204″ 51 2496
SP2 2015-6-12 02:20:16.183 113°03′34.524″ 22°14′24.504″ -10 1992
SP6 2015-6-13 02:10:14.435 113°40′2.532″ 23°44′41.460″ 241 2496
SP5X 2015-6-19 02:10:13.645 112°50′9.816″ 22°50′59.136″ 67 1008
SP6X 2015-6-21 02:00:14.478 113°53′43.764″ 23°18′52.272″ 124 1008
根据上述测线、站点和炮点的分布估算, 本次实验的探测面积约为87500km2, 呈NW—SE展布, 其中长轴方向(NW—SE)垂直海陆过渡带, 长约350km, 短轴方向平行海陆过渡带, 长约250km。三维探测的水平网格大小约10~40km, 在探测区的西北部及海陆过渡带无法布设台站的区域的网格间距较大(如图1)。
研究区海陆过渡带存在滨海断裂带, 该断裂带呈NEE向, 大致沿30~50m水深线展布。海域OBS布设区域的水深是往南海海盆的方向逐渐变深, OBS布设水深约30~90m。加密的测线L1和L2是垂直于滨海断裂带, 测线L3是平行于该断裂带, 而三维探测则对研究区形成全面覆盖, 这都有利于查明滨海断裂带的构造特征。
本次海陆联测实验动用大量陆上流动台站和海上密集炮点, 结合陆上爆破震源和海上OBS台站, 海区和陆区布设的所有接收台站同步接收人工爆破和气枪震源激发的信号, 其观测系统有如下特点: 1) 面上网格和线上密集的台站分布相结合; 2) 三维区域结构和二维精细结构研究相结合; 3) 陆上和海上震源相结合; 4) 陆上台站和海上台站相结合; 5) 固定台站与流动台站相结合。如此完善和大规模的海陆联合观测系统, 在国内还属首次, 在国外也鲜有实例。图2给出了该次海陆联测沿NW—SE方向(垂直海岸方向和构造走向)的观测系统示意图, 可以看到, 陆上密集流动台站和海上密集气枪炮点相辅相成, 使得除了在陆区和海区各自有很好的数据覆盖, 在缺少台站和震源的海陆过渡带也有较好的射线交叉。
Fig. 2 Diagram of onshore-offshore observation system

图2 海陆联测观测系统示意图

2 数据预处理

本次探测的数据处理主要参照赵明辉等(2004b)给出的方法和步骤。由于深部结构探测的成本和实施方案等因素的限制, 在海域和陆地深地震探测中往往使用不同的方案。通常情况下, 在陆地我们可以布设密集的接收台站(如间距小于1km), 却不能设置密集的震源, 而在海域则可以使用密集的气枪震源, 却无法投放密集的OBS。因此, 在数据处理时, 首先把海陆布设的各种仪器记录的数据都转成SAC格式, 然后再根据不同震源信号的特点分别进行处理, 使之转化为国际通用的SEGY格式的数据。人工爆破的信号根据爆破的时刻, 把能够有效记录人工爆破信号的台站的数据抽取为共炮点道集数据, 而气枪震源的信号则根据导航数据, 把每个OBS站点的数据抽取为共接收点道集数据。根据地震勘探的互易性原理, 上述获得的两种数据是等价的, 最终我们把陆地和海域的两种震源的信号的数据都转化为地震软件处理包SU (Cohen et al, 1995)的格式文件。陆地爆破和气枪震源的联合使用以及海陆密集的台站的同步接收信号, 大大地提高了海陆过渡带的射线覆盖和交叉程度, 实现了海陆两种震源探测数据的同步处理, 为获取海陆过渡带的地壳精细结构奠定了基础。
利用上述方法, 我们把陆地人工爆破和海域气枪震源的信号都进行了处理, 获得了相应的地震记录剖面图。为了提高数据信噪比, 在数据预处理时, 还进行了带通滤波处理, 其中人工爆破记录的滤波范围为3~9Hz, 气枪信号记录的滤波范围为4~8Hz。

3 震相识别

在获得各个台站或爆破的地震记录剖面图的基础上, 对地震记录进行了初步的震相识别。下面介绍了几个不同类型台站记录的人工爆破或气枪信号的震相识别情况。
图3给出了L2测线上的SP3爆破的地震记录剖面图, 右侧为海域OBS记录, 左侧为陆地台站记录。在图3左侧, 可以清楚看到Pg震相, 偏移距从几乎0延伸到-75km, 视速度为6.0km•s-1或略低。PmP震相分布于左侧-60 ~ -150km之间, 能量强、震相连续, 视速度从9.1km•s-1逐渐减小到6.0km•s-1。左侧远端偏移距-120 ~ -150km之间, 依稀有Pn的迹象, 视速度约8.1km•s-1。爆破点左右两侧能够看到清楚的一组震相, 左侧能够追踪至-30km, 视速度约3.5km•s-1, 右侧追踪至20km, 视速度约3.8km•s-1, 猜测可能是Sg震相, 与廖其林 等(1988)辨认的Sg震相特征相似。在右半段远偏移距, 稀疏分布有OBS记录的数据道, 虽然噪声较大, 震相较难追踪, 但仍能隐约辨认出Pg和PmP震相。右侧偏移距20~75km有较大的数据空白区, 这里是海陆过渡带, 难以布设流动台和OBS, 气枪震源和炸药震源也难以作业和施工。
Fig. 3 Seismic record section of SP3 explosion on L2, reduced velocity is 6km•s-1

图3 L2测线上的SP3爆破的地震记录剖面图, 折合速度为6km•s-1^图中红线为震相拾取示意线

图4给出了L2测线海域OBS42台站的地震记录剖面图。图4中可以看到明显的直达Pg和PmP震相, 左侧偏移距-10 ~ -30km可能有PcP震相。Pg震相在左侧偏移距0 ~ -30km能够连续追踪, 视速度较稳定, 为6.0km•s-1; 在右侧偏移距0~15km, 视速度仍稳定为6.0km•s-1; 而在偏移距15~30km时, Pg震相视速度变为小于6.0km•s-1, 其折合走时明显变大; 偏移距30~100km, Pg震相视速度又恢复为6.0km•s-1左右。PmP震相只在右侧偏移距53~88km能够清晰的连续追踪, 视速度从9.0km•s-1减小到约6.0km•s-1。
Fig. 4 Seismic record section of marine station OBS42, reduced velocity is 6km•s-1

图4 海域OBS42台站的地震记录剖面图, 折合速度为6km•s-1^图中红线为震相拾取示意线

图5给出L2测线附近的陆地固定地震台站NAA记录的气枪信号的剖面图。图5中能看到清晰的直达Pg和PmP震相, Pn震相较模糊。Pg震相在偏移距25~130km能够连续追踪, 在偏移距小于65km时, 视速度稳定为6.0km•s-1; 而偏移距在65~80km之间时, 视速度变为小于6.0km•s-1, 且折合走时明显变大; 直到偏移距大于80km之后, Pg震相视速度经历先变大后减小的微小起伏之后, 最终稳定为6.0km•s-1左右。PmP震相在偏移距60~130km能够连续追踪, 视速度由9.0km•s-1减小为约6.0km•s-1。Pn震相在偏移距140~160km处, 刚好与Pg和PmP震相分离, 似乎能够辨认出。
Fig. 5 Seismic record section of permanent seismic station NAA, reduced velocity is 6km•s-1

图5 固定地震台站NAA的地震记录剖面图, 折合速度为6km•s-1^图中红线为震相拾取示意线

图6给出了L1测线附近的陆地流动台站B06记录的气枪信号的剖面图。图6中能够清晰地看到PmP震相, 而Pg、Pn震相较弱, 但还是能够识别出来。Pg震相在偏移距55~80km存在, 视速度为6.0km•s-1。PmP震相在偏移距55~175km都能够清晰的连续追踪, 视速度由8.0km•s-1减小为约6.0km•s-1。偏移距130~170km之间依稀能够追踪Pn震相, 视速度较为稳定, 约为8.3km•s-1。
Fig. 6 Seismic record section of portable seismic station B06, reduced velocity is 6km•s-1

图6 流动地震台站B06的地震记录剖面图, 折合速度为6km•s-1^图中红线为震相拾取示意线

4 结语

通过对珠江口区域海陆联合三维地震构造探测数据的初步处理和分析, 本文获得了以下几点认识:
1) 本次海陆联测数据记录质量较好, 能够较清晰地识别出Pg、PmP震相, 部分台站可辨认出PcP、Pn和Sg震相。陆地地震台站和OBS都有清晰的气枪信号, 而人工爆破信号在陆地地震台站的记录质量较好。
2) 部分台站的数据记录质量受环境噪声水平影响较大。珠江口区域工业发达、交通繁忙, 造成环境噪声水平普遍较高, 因此在陆地布设流动地震台站时要做好降噪处理, 海域OBS投放时也要保证OBS基座与海底有较好的耦合。
3) 人工爆破和气枪震源的联合使用以及海陆密集台站的同步接收信号, 能够有效提高海陆过渡带的射线覆盖和交叉程度, 为获取研究区海陆过渡带的地壳精细结构奠定了基础。
本文主要介绍这次实验的初步成果, 并且只显示了沿纵向测线的地震剖面, 后期工作还需要充分利用非纵测线的震相和走时, 在一个三维的结构模型中进行正反演的走时拟合, 分析不同方位和不同深度的射线分布和覆盖密度, 讨论三维分块结构的分辨率和可信度, 最终获得解释合理的三维地质构造模型。

The authors have declared that no competing interests exist.

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