本文研究区位于长江中下游地区的池州—铜陵段,地处华北断块区、扬子断块区与秦岭—大别褶皱带3个构造单元交汇处,是我国重要的铁、铜、金等金属矿富集带(周涛发等,2012)。该区基底为晚元古代变质岩系,上覆巨厚中生代侏罗、白垩纪陆河湖相盆地沉积。中生代以前处于长期隆起并遭受剥蚀状态,到燕山期进入新的地史发展阶段,岩浆作用与成矿作用剧烈。根据重力资料反演计算,区域地壳厚度约为36～42 km,总体变化存在自北向南、自东向西逐渐增厚趋势(汤井田等,2014)。目标区地层出露较好,北部地区地表出露最老地层为志留纪,至第四纪地层均有出露。地层覆盖除中下泥盆统和下石炭统部分缺失外,震旦系至第四系均有发育,地层层序较完整,第四纪沉积层厚度在4.5 km以上(徐晓春等,2014)。受华北断块与扬子断块碰撞作用,区内褶皱变形、断裂作用和岩浆活动频繁(吕庆田等,2002),主要断裂包括NNE方向的郯庐断裂带和NEE向的阳新—常州断裂带(图1)。

2015年10月在安徽铜陵实施的地学“长江计划”,是一项针对长江流域地下结构和应力变化探

图1 地学“长江计划”测线位置图
Fig.1 Survey line of the large-capacity airgun source for seismic exploration

测的大型综合地球科学探测。该试验由国内数家科研院所和机构以及高等院校等团队联合实施,中国地震局地球物理勘探中心承担深反射探测专题。该试验选取长江中下游池州—铜陵段的流动水体(图1),采用大容量气枪震源固定点激发和走航激发相结合的工作方式,沿岸布设反射地震仪全时段接收地震波信号。气枪震源由4支容量为2 000 in³的Bolt L型气枪组合而成,气枪阵列沉放水深12 m。走航激发点点距100～150 m,激发次数1次,激发线长度59.5 km; 固定激发点4个,激发点点距10～20 km,每点连续激发100～150次。地震波接收采用固有频率为10 Hz检波器串(每串12个),沿岸共布设1 802道全排列接收气枪震源信号,道间距30 m。数据采集系统采用法国Sercel公司生产的428XL数字地震仪,采样间隔4 ms。

图2为大容量气枪震源单次激发地震记录。由图可以看出,原始资料信噪比较低。由于受长江航道船舶航行和沿岸生产、生活影响,地震记录中各类干扰波发育,包括固定源干扰、环境噪声、面波、多次反射、折射波和随机干扰等,噪声频带宽(2～80 Hz)、能量强、有效信号识别困难。近炮点地震道初至起跳明显,最大可识别距离约为13 km,部分记录可分辨出局部有效反射波信号。远炮点地震道信号普遍较差,初至识别困难,噪音信号影响地震道整个双程走时(TWT)。双程走时10～11 s可识别局部同向反射波组,推测可能是Moho面在剖面上的反映。

图2 原始单炮记录及信噪比分析时窗
Fig.2 Original single-shot record and the time window of SNR analysis

为研究垂直叠加技术在气枪信号增强、噪声干扰压制方面的效果,试验在航道不同航段设计4个固定激发点,航船进行抛锚定点重复激发。对固定点激发的单炮记录进行垂直叠加,通过试验发现,当叠加次数超过50次,可以有效提高资料信噪比,地震信号能量明显增强,随机干扰压制明显(王宏伟等,2020),最大可识别距离约为39 km。

为精确评价原始单炮记录信噪比在时间和空间的分布情况,本文采用信噪比定量分析技术,分析结果决定后续数据处理流程的制定及参数的选取。其基本原理为:①对时窗数据进行带通滤波; ②基于互相关算法,相邻两道互相关作为有效信号,单道自相关作为总能量,噪音能量为总能量与有效信号能量差; ③信噪比为有效信号与噪音信号的比值。

对同一单炮记录相同偏移距、不同时窗(图2红色时窗)数据进行信噪比分析,分析结果见表1:在浅层(2～5 s)时窗范围内,3个频带的信噪比均大于1,有效信号强于噪音信号; 中深层(5～8 s)和深层(8～12 s)时窗范围内,3个频带的信噪比均小于1,噪音信号强于有效信号。以上表明在相同频率下,浅层和深层信噪比整体高于中深层,优势频带集中在5～40 Hz。

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

对同一单炮记录不同偏移距、不同时窗范围(图2中紫色、绿色、蓝色、黄色时窗)数据进行信噪比分析,分析结果如表2所示:相同频带内,随着偏移距增大,信噪比主要表现为逐渐降低。频率为10～20 Hz时,信噪比由5.0降至2.9。同一时窗下,低频信号占主要成分,信噪比较高,高频信号能量较弱,信噪比较差。

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

合理的观测系统定义是获得高质量成像效果的关键(刘斌等,2015)。本次试验受地形影响,炮检线呈非重合弯线分布,测线两端弯曲度较大,方向偏转近90°,造成炮检中心分布不均且发散严重,整体呈不规则“哑铃”状(图3)。激发点线与接收点线最小偏移距为0.41 km,最大偏移距为50.84 km。大炮检距共中心点主要分布在激发-接收线的中南部区域,绝对值多大于25 km。在激发-接收线附近区域内,共中心点的炮检距绝对值一般小于25 km。

根据炮检分布位置,分别计算深度5、10、25、30 km,反射角30°、45°、60°的共中心点分布,面元分布范围随地层深度和反射角度的增加逐渐增大(秦晶晶等,2020)。常规的二维共中心点叠加,采用在不同单炮记录中选取具有共同炮检中点位置的道,这些道记录的地震波为地下同一点的反射信息,经动校正处理后将各道叠加。二维直线测线,共中心点连线与测线重合,即剖面输出位置。

图3 不同炮检偏移距共中心点分布图
Fig.3 Distribution of common center points of different offsets

由于观测系统为二维非纵测线,炮检关系复杂,激发点线与接收点线均为曲线且互不重合,常规2D处理方法不再适用,因此在对实际观测系统分析的基础上,借鉴3D数据处理方法,采用针对铜陵试验数据特点的弯线面元方法作为处理基础,并对不同面元网格设计进行试验,从叠加效果评判网格的优劣。按照弯线面元划分原则,采用不同的面元网格设计方案(图4):偏移距中点连线(MID)网格及最大覆盖次数(SMA)网格。

图4中使用不同共中心点面元选取方法,得到的剖面输出位置存在一定的差异。主要差异位于测线中南段。在网格尺寸一致的前提下,SMA网格包含的共中心点更多且弯曲度较小,MID网格南部共中心点仅落入网格的1/2,且网格线弯曲度较大。

图4 不同面元网格设计输出剖面位置图
Fig.4 Location of output section line by diffetent bin grids

对根据不同输出剖面线获得的线性叠加效果进行对比:在相同面元网格条件下,SMA输出剖面线叠加结果品质好于MID输出剖面线叠加效果,目标层段(9～11 s)SMA叠加剖面的信噪比、波组连续性和稳定性均优于MID叠加剖面。分析原因是由于SMA较MID方法面元网格中的共中心点数量更多,提高了道集覆盖次数,有效信号能量增强,干扰信号得到压制。为了兼顾地下不同方位角、不同深度的成像效果及叠加剖面的信噪比,最终选择沿其中心点面元最大覆盖次数方向进行资料处理。

图5为利用最大覆盖次数网格得到的叠加剖面及解释图。由图可见:浅部信息在测线两端炮检距较小部位有部分显示,在测线中北部,由于炮检距较大,导致剖面15～45 km存在不同程度缺失,最大缺失位置在31 km处,缺失范围为双程走时TWT 1.5 s内浅地层信息; 3～5 s存在一个反射能量强、可连续追踪的反射波组界面C_R1,界面形态在剖面SW段表现为下凹,NE段表现为上隆。5.5～6.5 s存在一个明显波阻抗界面T_C,T_C界面表现为近水平形态。10～12 s存在一组强反射波组条带,由2～3个反射同向轴组成,在剖面上可连续追踪,整体呈SW向倾斜,时间从11.5 s抬升到约10.0 s,总体抬升约1.5 s。T_C反射波界面在桩号约27 km处出现波组不连续,两侧波阻抗界面存在垂向位移。桩号约24 km处,T_M反射界面也出现一定程度的错断,由此可推断在T_C与T_M界面上存在一个倾向SW的正断层。

图5 反射叠加时间剖面及解释结果
Fig.5 The stacked time section of reflection and its interpretation

已有探测资料显示,该地区上、下地壳分界位于TWT 6.0 s附近(吕庆田等,2015),对应剖面中T_C界面。上地壳反射层密集、同相轴弯曲,显示地层褶皱、形变复杂。下地壳反射震相相对简单,多为反射能量较弱、连续性较差的同相轴线段。T_C界面表现为一个波阻抗明显的条带,介于上下地壳之间。长江中下游地区Moho面深度变化较大,在华北断块深度约34～35 km,向南逐渐变浅,进入扬子断块,Moho面深度约32～34 km(吕庆田等,2003),对应剖面中T_M界面。通过对比,无论是地壳结构划分或Moho面形态及埋藏深度,试验探测结果与前人获得的结论基本一致。