复杂介质结构中折射界面的
哈格多恩原理波前成像
徐朝繁1)张先康1)朱金芳2)段永红1) 田晓峰1)潘纪顺1)
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1) 中国地震局地球物理勘探中心, 郑州450002
2) 福建省地震局，福州350003
摘要在城市活断层探测中，浅层结构常常表现为强烈的非均匀性，界面横向强烈起伏，层内速度变化较大，传统的基于平界面均匀层模型的折射资料处理方法不能适用。研究开发能应用于复杂介质结构中折射资料处理的方法就显得十分必要。文中基于惠更斯原理，用波前扩张法对波场作正演计算，根据哈格多恩折射波前成像原理，在leco mt e 算法和Hole 有限差分计算程序的基础上，开发出1 种复杂介质结构中折射资料的处理方法与软件，并用此方法处理了福州城市活断层折射探测试验中在义序完成的2 条折射剖面资料。结果表明: 探测区浅层为3 层结构，分别为盖层、强风化层和基岩。基岩顶界面的埋深约为58～52m ，盖层P 波速度变化较大。
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关键词复杂介质结构活断层探测哈格多恩原理折射波前成像福州
文章编号: 0253 - 4967 (2002) 04 - 0542 - 07 中图分类号: P315 . 2 文献标识码: A
0 引言吃什么对身体好
活断层探测已成为城市规划、重大工程项目、城市防震减灾的重要环节之一，已引起政府部门及工程界的广泛重视，在活断层的探测中，地震方法由于其高精度、高分辨已成为各专业队伍的首选方法。活断层的地震探测主要有反射和折射2 种方法，折射方法在解决一些特殊的地质构造任务时具有独特的作用，它可以补充反射方法资料的不足，使反射方法的地质解释容易进行，如用来追踪浅层界面或没有稳定反射的界面，寻找和追踪断层，研究构造顶部和确定折射层的地质年代等。传统的可应用于小数据量、简单结构模型的折射资料处理方法不能应用于城市活断层探测中的复杂介质结构模型；广义互换法或基于延迟时间的解释方法虽然可以处理非常不规则的折射层，但要求倾角不能太大；波前法在理论上可适用于任意复杂结构模型，但波场正演计算的困难却阻碍了这些方法的实际应用，而有限差分算法可应用于任意复杂结构模型波场的计算。本文用L eco mte 等的有限差分波场计算方法作正演(L eco mte et al . ,2000) ，用初至波建立速度结构模型，在此基础上，用哈格多恩折射波前成像原理( Hagedoo r n ,1959) 重建折射界面，并用此方法对福州城市活断层折射探测试验中在义序完成的2 条折射剖面资料进行处理。
〔收稿日期〕2002 - 09 - 02 收稿,2002 - 10 - 08 改回。
〔基金项目〕国家发展计划委员会高新技术项目( 2001977) 和地震科学联合基金会资助项目( 102022) 共同资助。
中国地震局地球物理勘探中心科技论著RCE G200207 。
1 波场的正演计算
Vidale 基于一阶程函方程的有限差分解，用中心扩张法给出了复杂结构中波场的1 种计算
方法( Vidale ,1988 ,1990) ，但在强速度对比模型中，波场发生奇变( Po d vin et al . ,1991) 。为了解决这一问题，一些学者基于波场的物理特征，提出了若干改进方法( Po d vin et al . ,1991 ; Qin et al . ,1992 ; Aldridge et al . ,1992 ; Hole et al . , 1995 ; Af n imar et al . ,2000 ; L e co mte et al . , 2000) 。在诸多方案中，尤以L e co mte 等的算法最为成功。该算法基于波场的物理特征，全面应用惠更斯原理，不仅克服了最初有限差分算法产生的波场奇变，而且该算法稳定，计算速度快。我们首先对Hole 的有限差分算法程序进行了改进，用L e co mte 计算地震走时的5 个算子代替Hole 计算单个格点地震波到时的公式，然后用简单的2 层模型计算走时，与用几何地震学方法计算的结果进行比较以检验该改进方法的有效性和精度。对于水平平界面均匀层和倾斜平界面均匀层2 种模型，用边长为5 m 的正方形对模型( 模型规模: 10 k m ×6 km) 进行网格化，上、下层的速度比为1∶4～1∶8 ，用几何地震学方法计算的首波走时与用改进的有限差分算法计算的首波走时之差，在水平平界面情况下最大误差为0116 ms ；倾角为5°～40°的倾斜平界面情况下，最大误差为0133 ms ；而用Hole 的算法对这2 种模型进行计算，水平和倾斜平界面情况下最大误差分别达1175 与3171 ms 。由上面的计算可以看出,L eco mte 算法明显优于Hole 程序中所用的走时算法，比较计算结果也表明了改进方法的有效性。
2 哈格多恩原理折射波前成像方法
哈格多恩( Hagedoo r n ,1959) 从理论上已证明，对于相遇观测系统，折射界面位于正向传播
波场走时和反向传播波场走时之和等于互换时间的点上，这就是著名的哈格多恩折射波前成像原理。哈格多恩根据几何地震学原理，给出了1 种用相遇观测系统折射地震资料求取水平均匀层折射界面的几何作图法———加减法。这种方法不能应用于横向变化介质结构, A ldridge 等(1992) 对Vidale (1988) 的有限差分算法进行了改进，给出了复杂结构中折射界面的1 种自动重建方法。本文基于L e co m te 的5 个地震走时算子(L e co mte e t al . ,2000) 对Hole 等( 1995) 的程序进行了改进，用该方法做正演计算，可求出给定模型的正向传播走时场T f 和反向传播走时场T b，根据哈格多恩原理，对于相遇观测系统，折射点位于T f + T b= T r的点上, T r为互换时间，据此可构建折射界面，速度模型用Hole 等(1995) 的反投影反演方法建立，资料处理流程如下:
(1) 将原始记录转换成Pro ma x 所需的sgy 格式。
(2) 用Pro ma x 提供的神经网络初至到时读取方法CCL A( C ascade —C o r relati o n L e ar n in g
自我保护机制A rchit u re) 读取初至波到时。
豁然开朗(3) 用折射波走时曲线的截距时间建立初始模型，然后用初至波走时反演建立速度模型，反演程序为H
ole 的反投影算法反演程序。
(4) 计算正、反向传播走时波场T f 与T b。
(5) 据T f + T b= T r构建折射界面。
(6) 用MA TL A B 成图。
544 地 震 地 质 24 卷 3 福州折射试验剖面资料的处理
3 . 1 观测系统
在福州城市活断层折射探测试验中 ，在义序完成了 2 条折射剖面 ,2 测线近 EW 走向 ，被 1 条宽约 20 m 近 SN 走向的公路分开 ，其观测系统如图 1 所示 。
编号为 SS4 - 1 的 剖 面 长 285 m , 共 布 设 4
个炮 点 , 炮 点 桩 号 分 别 为 15 , 156 , 300 与 585
( Shot 1～4) ，接收范围为 15～300 m 。桩号为 15
( Shot 1) ,300 ( Shot 3) 的 2 炮构成相遇观测系统 ,
记录如图 2a , 2b 所示 。编号为 SS4 - 2 的剖面
云作文长 555 m , 剖 面 布 设 了 9 个 炮 点 , 桩 距 分 别 为
- 155 m , 0 m ,141 m ,285 m 与 552 m ( Shot 5 ～ 9)
赞美竹子的句子的 5 个炮点接收范围为 0 ～ 285 m , 炮点桩号分
别为 0 ,270 ,411 ,552 ( S hot 11～14) 的 4 个炮点 ,
接收范围为 270～550 m 。分别在 0 桩号的 2 炮
(Shot 6 , Shot 11) 和 552 桩 号 的 2 炮 ( Shot 9 ,
图 1 福州城市活断层折射探测 试验剖面 SS 4 - 1 ,SS 4 - 2 的观测系统 Fig. 1 Obr vatio n system of SS 4 - 1 and
SS 4 - 2 t r avers ud in ref r atio n p r o specting
experiment fo r urban active fau lt in Fuzho u Cit y . Shot 14) 构成相遇观测系统 , 记录如图 3a , 3b ,
3c ,3d 所示 。2 个剖面的道间距均为 3 m ,96 道
60 Hz 检波器接收 ，仪器采样率为 0 . 25 ms 。义序 地处郊区 ，在施工中对交通和行人进行了管制 ,
记录质量很好 ，拾得初至波到时 1 080 个 ，用前
述流程对资料进行了处理 。
3 . 2 波前成像结果
图 4 (图版 Ⅰ
) 为 SS4 - 1 测线的初至波前图 。有 3 组初至波 ，分别是盖层直达波 ，来自盖层 底部和基岩顶部的折射波 。图 5 ( 图版 Ⅰ
) 为哈格多恩原理成像图 。盖层 P 波速度从小桩号的 0 . 75 k m/ s 增加到大桩号的 1 . 5 km/ s 。第 2 层和第 3 层为常速层 ，其 P 波速度值分别为 3 . 4 与 5 . 0 km/ s 。盖层厚度从 0 桩号的 22 . 5 m 增加到 285 桩号的 28 m 。图 6 (图版 2) 为初至波走时曲 线拟合图 。由图 6 可以看出 ，除第 1 炮大桩号资料干扰大 、拟合结果较差外 ，其余各段观测走时 与理论走时拟合较好 。
SS4 - 2 测线的哈格多恩原理折射成像结果如图 7 (图版 2) 所示 ，波组与 SS4 - 1 类似 ，分别
为盖层 直 达 波 、盖 层 底 部 和 基 岩 顶 部 折 射 波 , 盖 层 厚 度 从 0 桩 号 的 26 m 增 加 到 552 桩 号 的 30 m , P 波速度在 0～411 桩号间为 1 . 45 k m/ s ，在 411～555 桩号间为 1 . 15 k m/ s ，第 2 层的速度 在 411 桩号前后分别为 2 . 6 与 2 . 0 k m/ s ，第 3 层顶界面速度为 4 . 8 k m/ s ，最终走时拟合情况如 图 8 (图版 2) 所示 。 SS4 - 1 ,SS4 - 2 两测线结果表明 ，该区域浅层为 3 层结构 ，盖层的速度变化较大 ，根据 P 波 速度 ，第 2 层可能为强风化层 ，速度为 2～3 . 4 km/ s 左右 ，第 3 层顶面为花岗岩质的基岩 , P 波速 度为 4 . 8～5 . 0 km/ s 左右 ，其界面最深约为 58 m ，最浅约为 52 m 。
间接胆红素
图2 SS4 - 1 测线部分地震记录剖面
a 炮1 (Shot 1) ;
b 炮3 (Shot 3)
Fig. 2 Cro ss ctio n s of ref r actio n ismic reco rds of t h e SS4 - 1 t r aver.
a) Shot 1 ; b) Shot 3
4 结束语
本文采用L e co m te 的波场计算方法，对Hole 的有限差分算法程序进行了改进。在此基础
上，根据哈格多恩折射波前成像原理，开发出了1 种复杂介质结构中折射资料的处理方法与软件，并用此方法对福州城市活断层折射探测试验中在义序完成的2 条折射剖面资料进行了处理。L e co mte 算法基于波场的物理特征进行波前扩张，克服了Vidale 最初有限差分算法产生的
546 地震地质24 卷
图3 SS4 - 2 测线部分地震记录剖面
a 炮6 (Shot 6) ;
b 炮11 ( Shot 11) ;
c 炮9 (Shot 9) ;
d 炮14 (Shot 14)
Fig. 3 Cro ss ctio n s of ref r actio n ismic reco rd of SS4 - 2 t r aver.
a) Shot 6 ; b) Shot 11 ; c) Shot 9 ; d)Shot 14
波场奇变问题，可适用于任意复杂结构的计算模型，特别适用于尺度小、结构复杂的城市活断层探测中折射波走时场的正演计算。哈格多恩成像方法不但能给出复杂结构中较清晰的折射界面图像，还可估算折射层的地震波速度。本文研究开发的方法把所有初至波均作为有效信息加
