2024年应用二维反演法对萨哈林岛（俄罗斯）深地震折射剖面资料的再解释

V.B.Piip

（Department of Geology,Moscow State University,119899 Vorobyovy Gory,Moscow,Russia）

摘要　作者在国立莫斯科大学用二维非均匀模型对南萨哈林岛及其周边地区的9条深地震折射测线资料进行了再解释。地震测深工作是由地球物理研究所和萨哈林综合研究所于1963年至1964年期间完成的。在本研究中，我们利用齐次函数法的计算机技术对折射走时曲线进行了反演。齐次函数法是一种将折射走时曲线转换为速度场的简单二维自动反演技术。利用该技术计算出的地震测深断面可包含每个测点的速度值及速度梯度值、速度层界面、倾斜与陡峭断层、褶皱带以及其它地质特征。9条地震测线的长度由250km至750km不等。获得的断面精细结构的深度为30～60km。再解释后得到的地震测深断面与早期的解释结果仅在主要界面的深度和平均速度值方面是一致的。新的研究结果证明，已知的活动俯冲带正在向海洋方向“回卷”（roll back）这一构造模型。在南萨哈林岛的地震测深断面及速度平面图上可以识别出残余的海洋板块和俯冲带的残片。认为在活动的Kuril岛弧背后有俯冲带的残片存在。上述地震测深断面的解释结果是在没有任何假设与初始模型的前提下，完全根据观测的地震数据得出的。

关键词　地震　折射　二维反演　俯冲带　萨哈林岛

1　南萨哈林岛的俯冲带残片

在国际地球物理年之后的一段时间内，在南萨哈林岛沿9条剖面开展了详细的地震测深工作（图1）。其中最详细的放炮观测系统之一就是横跨南萨哈林岛的剖面19（图2）。早期的地震资料解释结果发表于1971年[1]。在本研究中，我们采用齐次函数近似的二维反演方法对当时接收到的折射初至波进行了反演。有关该反演方法的详细介绍可见文献[2,3]以及本文的下一节“解释方法”。

现在，让我们来着重讨论利用上述方法得到的地震测深断面结果（图3）。沿纬向分布的剖面19穿越了南萨哈林岛的蛇绿岩出露区。该断面的主要特征是发现了俯冲带的残片。海洋下地壳和地幔向西倾斜20°，其深度由鄂霍次克深海平原的10km向西急剧加深至剖面中部的20km，形成一组覆盖层。海洋板块在这里倾斜，同时在断面的上部还可以识别出向上仰冲的海洋板块。而在30～50km的深度上，残留洋块再度出现20°左右的西倾。断面西部为具有层状结构的大陆地壳和地幔。地壳厚度约35km。由本测区内另外两条沿径向分布、并与本剖面基本垂直相交的地震测深剖面——剖面18和剖面20的解释结果，可以证实剖面19的上述地震断面特征。

图1　南萨哈林岛的地震剖面位置图

地震测深工作时间：1963～1964年

图2　横跨南萨哈林岛剖面19的折射走时曲线放炮观测系统

图3　穿越南萨哈林岛剖面19的地震测深断面图及其地质解释

该断面的主要特征是在断面东部发现俯冲带的残片，速度等值线的间隔为0.2km/s

剖面20是沿着萨哈林岛的东海岸布设的（图4）。由地震测深断面图可见俯冲的海洋板块残迹。海洋板块的残片位于断面中部，包括了逆冲断层以及海洋地壳和地幔块体。海洋地幔逆冲、抬升至10km左右的深度，推测这就是地表出露的蛇绿岩的来源。在断面290～330km处可见残留的增生块体。地震断面图的一个显著特征是具有高速度值（约10km/s）和高速度梯度值，表明残余的海洋板块急剧抬升。这些残余块体似乎是侵入或嵌入大陆岩石圈，并被若干条断层所切割。在断面图的北段同样可见异常地壳，残余的俯冲海洋板块向南倾斜15°，也可以看到增生柱的现象。

剖面18位于萨哈林岛的西海岸。在该地震测深断面图中部的一个小范围内，速度值急剧增大，速度梯度值发生了明显变化，残余的海洋板块也清晰可辨（图5）。从总体上看，这里属于大陆型的岩石圈，地壳厚度约40Km。

我们绘制了8km、22km、32km不同深度上的速度平面图，这三个深度分别对应于结晶基底的平均深度、下地壳的顶部埋深以及莫霍面的平均深度，这些图件很好地反映了残余的海洋板块在整个测区的分布情况（图6、7、8）。在构制上述速度平面图时，用到了9条地震测深剖面的所有数据。这些图件类似于该区结晶基底、下地壳顶部及莫霍面深度上的地质构造略图。因为速度值沿着这些界面未发生明显变化，同时由于速度值是随深度、也就是说随着地质年龄的增加而增大的，因而在这些图件中，低速区反映了坳陷区、而高速区反映了隆起区的特征。将上述速度平面图与地震测深横断面结合起来分析，可以得出这样的结论：在南萨哈林岛地区的两个区段内存在着俯冲板块的残片。北段平行于萨哈林岛的东海岸，至捷尔佩尼耶湾（Terpeniya）海角以北；南段位于斯沃博德内（Svobodny）海角至Poyasok地峡之间。

从8km深度的速度平面图上可见残余的海沟及仰冲块体（图6）。值得注意的是，仰冲块体的位置与地表地质资料非常吻合，其证据是因蛇绿岩杂岩在这里出露。由22km深度的速度平面图，根据相对的高速度值，可识别出残余俯冲带的两个分支（图7）。

在32km深度的速度平面图上（图8），残余的海洋板块始于鄂霍次克深海平原，穿过Poyasok地峡，直至萨哈林岛的西海岸，形成舌状体。在这一深度上，俯冲带的北支可能不再存在，也可能俯冲带的两个分支汇合在一起。

根据各条地震测深断面的观测结果，我们可以得出该区俯冲板块的综合解释模型，如图9所示。凹形俯冲带与不同的垂直剖面相交，从而导致各条断面上的复杂结构。

2　解释方法

对地表记录的折射波走时曲线进行二维反演通常可以采用以下两种方法：一种是利用曲射线的层析成像法，另一种是射线追踪的模型化方法。这两种方法存在的共同问题是：①由于改正量小，都需要建立较好的初始模型；②为了达到局部近似，必须将模型划分为足够多的单元，使之与实际观测资料相吻合。

本文所采用的利用齐次函数法对折射走时曲线进行二维反演不存在上述问题。该技术是由国立莫斯科大学提出并发展起来的，其基本原理是用两个坐标上的齐次函数对实际的速度场进行局部近似[2]。近似函数（两个坐标上的齐次函数）能够描述非均匀的地震介质性质，包括地震界面和无限的波速梯度值。利用齐次函数对断面进行局部近似，可以计算出沿断面的任何速度分布。齐次函数法非常适合于对地质层状介质进行近似。

图4　位于萨哈林岛东海岸剖面20的地震测深断面图及其地质解释

可将该断面划分为南、北两段。由于断面的主体部分具有高速度值及高梯度值，因而认为存在俯冲的海洋板块残片。速度等值线的间隔为0.2km/s。其它图例同图3

图5　位于萨哈林岛西海岸的剖面18中段的地震测深断面图及其地质解释

该断面的中央出现了残余的俯冲板块。图中的点线为早期解释的莫霍面。其它图例同图3。等值线的间隔为0.2km/s

图6　8km深度的速度平面图

该图类似于南萨哈林岛结晶基底的构造略图。图中Tr、Ob、F分别表示残余海沟、残余俯冲带的仰冲块体以及转换断层的位置

图7　22km深度的速度平面图

点线表示以高速值为特征的残余俯冲板块

图8　32km深度（莫霍面平均深度）上的速度平面图

由图可见残余的俯冲板块（速度值大于8.0km/s）

二维地震运动学反演问题可通过齐次函数由下面的公式来表述：

第30届国际地质大会论文集　第20卷　地球物理

其中：x、y是断面的笛卡儿坐标系，单位为km；在反演过程中可计算出速度函数（1）式中的其它参数；m是齐次函数的次数（任何实数值）；c是在剖面上定义局部极坐标原点位置的参数（计算是在极坐标中进行的）；Φ＝arctan[y/（x+c）]是极角；f（φ）是极角的任何增量函数。

对于介质波速为函数（1）形式的程函方程，研究表明：走时曲线与地震射线均可利用该类介质内的相似性关系加以描述。利用这些相似性关系沿地震剖面每一对逆走时曲线来定义局部极坐标与近似齐次函数的次数。同时还可以证明，介质（1）的二维地震正问题与反问题均可转换为波速仅为极角之函数的地震介质的一维问题。这一转换可以在计算（1）式中的函数f（φ）之前完成。于是近似于实际速度分布的任何次数双坐标齐次函数，从而可由地震剖面实际走时曲线系统的任一对逆走时曲线计算出来。地震曲射线簇也可以在上述判定过程中得到。这样求得的每一个齐次函数都反映了局部速度场。上述解法是稳定的，因而有可能在共剖面平面上用叠加局部速度场的方法来构制最终的速度断面。误差控制用不同局部速度场的相邻点上的速度值差异来评估。

图9　南萨哈林岛俯冲板块残片的推测三维立体模型

图中表示了地震测深断面的垂直平面位置

应用上述方法编制了二维反演程序“GODOGRAF”，并且已对不同地区的多条折射剖面资料进行了反演解释，涉及广泛的应用范围（工程、矿产、石油、深地震测深等）[4]。该程序是一个解释折射资料的通用程序。值得指出的是：该方法不需要建立初始模型，因而所获得的断面解释结果是客观真实的。在使用该反演程序时，地震折射剖面的放炮观测系统可以是任意的（至少应有两个炮点上的走时曲线）。为了对放炮观测系统进行补充和插值，需要在折射走时曲线与折射时间剖面之间做一些特殊的变换。走时曲线可用下面的坐标系来表示：

第30届国际地质大会论文集　第20卷　地球物理

其中：x1是接收点的坐标，x2是炮点坐标，l是接收点与炮点之间的距离。可绘制出l的等值线图。“GODOGRAF”程序既可以用于对早期的数据做再解释，又可以用来对不完整的观测系统所采集的数据进行处理。

地震测深断面由速度等值线构成。等值线的间隔为常数。因此等值线之间的距离与模型的速度梯度值成反比。这意味着可以自动计算出断面的另一个附加参数——速度梯度值。这一参数表述了速度的垂向变化和侧向变化。在地震测深断面上，构造边界和断层往往表现为等值线的密集带或等值线密度及形态的急剧变化带。因此，我们从断面图上不但能够识别出不同的地质层，还能够识别出倾斜断层、褶皱构造以及局部的速度异常。

上述解释方法的原理和具体算法已发表于80～90年代[2,3]。

我们曾经多次用求正问题的解来检验上述方法得到的反演结果，例如文献[4]。借助于射线追踪法，利用“GODOGRAF”程序，将矩形网格上的二维速度场作为输入数据，即可计算出通过断面的射线路径和走时曲线。计算得到的时间与实际走时非常一致。很多计算实例表明，均方根残差符合测时校正的范围。

3　结论

（1）利用二维反演方法——齐次函数法，对早期的地震折射资料进行了再解释，结果表明南萨哈林岛具有复杂的深部构造特征；

（2）在活动的Kuril岛弧背后，南萨哈林岛的地震测深断面上，发现有俯冲带的残片和残余的海洋板块存在。

（江涛译，许云校）

参考文献

[1]　S.M.Zverev and Y.V.Tulina（Eds.）.Deep Seismic Sounding of the Earth Crust of Sakhalin-Hokkaido seaside zone（in Russian）.Moscow,Nauka,1971.

[2]　V.B.Piip.New methods of interpreting of seismic time fields in media with variable velocities.Moscow University Geology Bulletin,1984,3:86～95.

[3]　V.B.Piip.Local reconstruction of seismic cross section on the refractive wave data on the base homogeneous function.（in Russian）.Fizika Zemli,1991,10:24～32.

[4]　V.B.Piip and E.A.Efimova.Karst and near-surface structure on the base of a new refraction interpretation.6th international IAEG Congress/1990 Balkermia,Rotterdam,1990,1303:1005～1008,1990．

俄罗斯对于世界上来说比较知名的城市：

莫斯科——俄罗斯首都，世界知名城市。

圣彼得堡——俄罗斯曾经的皇都，世界知名城市。

莫斯科周边金环上的一些小城市也很棒。

新西伯利亚 ——俄罗斯远东第一大城市，俄罗斯的科学城。

叶卡捷琳堡——俄罗斯欧洲与亚洲交汇处的旅游城市，名字来源于女皇叶卡捷琳娜。

喀山——列宁曾经就读于喀山大学。

索契——俄罗斯南部旅游度假胜地。

符拉迪沃斯托克（海参崴）——远东第二大城市，俄罗斯东部出海口，世界知名旅游城市。

乌兰乌德—伊尔库茨克——紧靠着世界知名淡水湖-贝加尔湖的两座城市。

莫斯科Moscow

圣彼德堡St.Petersburg

哈巴罗夫斯克市

阿穆尔共青城

海参崴市（符拉迪沃斯托克）

纳霍德卡市

南萨哈林斯克市

科尔萨克夫

布拉戈维申斯克市

顿河畔罗斯托夫Ростов-на-Дону

萨马拉Самара

伏尔加格勒Волгоград

叶卡捷琳堡Екатеринбург

库尔斯克Курск

下诺夫哥罗德Нижний Новгород

托木斯克Томск

新西伯利亚Новосибирск

车里亚宾斯克Челябинск

伊热夫斯克Ижевск

梁赞Рязань

乌里扬诺夫斯克Ульяновск

赤塔Чита

乌兰乌德Улаан-Удэ

哈巴罗夫斯克Хабаровск

符拉迪沃斯托克Владивосток

乌苏里斯克Уссуриск

布拉戈维申斯克Благовещенск