海底地震勘测理论与应用

　　《海底地震勘测理论与应用》：
　　海洋地壳（简称洋壳，下同）是海洋岩石圈的重要组成部分，洋壳厚度一般为5～15km（White et al.，1992；任建业，2008），具有三层结构特征（图1-1）。洋壳传统模型的表层是喷发的枕状玄武岩和席状流，下面是席状岩墙，下地壳的组成是辉长岩，来自于岩浆的结晶。地震结构通常也是以层状结构来表述，层2A 是表层几百米厚的低速层（层1 是位于玄武岩地壳上的沉积层，速度和厚度的区域性差别相当大）；层2B 是一个过渡区域，此处P 波速度向下迅速增加，层3 的垂直速度梯度较小，具有较高的P 波波速，为6.5～7.0km/s。大量的调查表明，地震层与岩石圈层并不是严格对应的，地震层主要受控于孔隙度。中地壳至下地壳（层3），同时包含了岩墙和辉长岩体（Forsyth，2011）。
　　图1-1 所展示的是不同学者提出的各种标准洋壳结构模式，模型1（Shor et al.，1970）和模型5（Kennett，1982）没有中间层，模型2、3（Woollard，1975）和模型4（Parsons and Sclater，1977）是具有中间层的太平洋构造模式，层3 被进一步划分为层3A 和层3B。在模型3、4 和5 中，将层2 进一步划分为层2A 和层2B，现在一般认为层2 的进一步划分（分为2 个部分或是3 个部分）是较为合理的（Houtz and Ewing，1976）。由于沉积层的厚度和速度存在很大的区域性变化，在不考虑沉积层厚度的情况下，根据图1-1 所给出的模式可知，洋壳厚度在6～7km，速度值存在一定的差异。但对洋壳结构的深入研究发现，由于洋壳所处的地理位置不同、形成阶段不同，洋壳结构特征存在着很大的差异，传统的标准模式已经不能完全概括洋壳的特点，本章将从大洋中脊、深海盆和大陆边缘这个次序，介绍洋壳结构及其主要特点。
　　图1-1 各种标准洋壳的结构模式
　　图中的数字代表P波速度，单位为km/s
　　1.2 洋中脊
　　洋中脊是遍布全球海底的巨型隆起构造，根据板块构造理论，由于地幔对流，岩浆在洋中脊处上涌形成新洋壳，然后向两边扩张，所以洋中脊也称大洋扩张中心，是地球系统的重要组成单元。洋中脊的发现源于19 世纪美国水文学家Matthew Fontaine Maury对深海声学方法的发展，通过新的技术方法得到了第一张北大西洋水深变化图（Maury，1967）。1872～1876 年英国“H.M.S.挑战者”号的环球科考是对洋中脊第一次系统的调查（Thomson，1877）。长期大量的科学考察最终确定了洋中脊贯穿于全球洋底，长度超过65000km（图1-2）（Searle，2013）。
　　图1-2 全球地形与洋中脊分布图（Searle，2013）
　　图中粗黑线代表洋中脊，边缘海盆洋中脊此处省略。AAR.American-Antarctic Ridge；ASC. Azores Spreading Centre；CaR.Carlsberg Ridge；ChR. Chile Rise；CIR. Central Indian Ridge；CN. Cocos-Nazca Spreading Centre；EPR. East Pacific Rise（north and south）；Ex. Explorer Ridge；GA. Gulf of Aden；GoR. Gorda Ridge；GaR. Gakkel Ridge；JF. Juan de Fuca Ridge；KR.Kolbeinsey Ridge；LS. Laptev Sea Rift；MAR. Mid-Atlantic Ridge（north and south）；MR. Mohns Ridge；PAR. Pacific-Antarctic Rise；RR. Reykjanes Ridge；RS. Red Sea；SEIR. Southeast Indian Ridge；SWIR. Southwest Indian Ridge
　　边缘海盆的扩张中心具有大洋中脊类似的功能，通常也将其归类为洋中脊（Searle，2013）。板块分离的速度从几毫米每年到160mm/a，在过去的某些时间段内存在更快的速度（Müller et al.，2008）。如表1-1，根据扩张速率可以将洋中脊划分为超快速扩张洋中脊、快速扩张洋中脊、中速扩张洋中脊、慢速扩张洋中脊和超慢速扩张洋中脊。
　　表1-1 洋中脊分类（Searle，2013）
　　洋中脊通常会被转换断层和叠加洋脊错开或分段。地震波的传播为我们提供了探测洋中脊结构特征最为直接的方法之一。地震波速、地震波的各向异性受温度、组成、岩浆存在的影响。精细尺度的地壳和上地幔结构的层析成像，主要来自于主动源地震试验，如主动源海底地震仪探测，拖在船后的长排列水听器。大尺度和更深部的地幔结构，主要通过使用海底或陆地台站所记录的一段时间内的（几个月或几年）的远震信息来探测（Forsyth，2011）。
　　洋中脊的地壳结构相对于标准洋壳，不仅厚度显著减小（轴部厚度仅为2km 或者更小），而且还在轴部年轻洋壳的地震速度剖面上发现了低速洋壳和异常的壳幔混合层。低速洋壳层P 波速度约为5.0km/s，位于海底之下几百米至几千米，该低速区域与中脊轴部之下岩浆房局部熔融的高温岩有关，壳幔混合层的Pn（沿上地幔顶部莫霍面传播的折射波）速度为7.2～7.8km/s，高于洋壳底而低于上地幔的波速度。出现异常上地幔的中脊底下的莫霍面难以识别，Pn 速度一般为7.9～8.1km/s，Pn 速度小于或等于7.8km/s的上地幔层称为异常上地幔（Minshull，2002；吴时国和喻普之，2006）。
　　洋中脊在不同海域也有不同的表现，如慢速扩张的大西洋中脊轴部部分地段缺失层3，层2 直接上覆于异常地幔之上。虽然层2较厚，但因完全缺失层3，整个地壳厚度明显减薄。快速扩张的东太平洋海隆和其他一些洋中脊地段虽然有层3 覆盖于异常上地幔之上，但因层3 较薄和层1 的缺失或极薄，整个地壳厚度还是比较薄的（吴时国和喻普之，2006）。
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《海底地震勘测理论与应用》对多年实践积累的海底地震（OBS）勘测相关技术进行了总结，对教科《海底地震勘测理论与应用》的一些相关的地震波基础理论作了解释性推导。《海底地震勘测理论与应用》共分9章，介绍了海洋地壳的特点、弹性本构关系和弹性波基本解与广义反射透射理论、地震波传播和分界面上的反射及透射、OBS基本结构和信号特点、OBS海上作业实用技术和数据处理技术、2-D和3-D反演建模方法、横波和多次波的应用、天然地震的OBS接收函数和各向异性反演方法等。在主要章节中以OBS技术应用的大量实例，展示了在南海、西南印度洋中脊等地取得的研究成果。

目录
前言
第1章 海洋地壳结构的主要特点 1
1.1 标准洋壳 1
1.2 洋中脊 2
1.2.1 超快速和快速扩张洋中脊 3
1.2.2 中速扩张洋中脊 5
1.2.3 慢速扩张洋中脊 6
1.2.4 超慢速扩张洋中脊 9
1.3 深海盆地 11
1.3.1 正常洋壳 11
1.3.2 异常洋壳 13
1.4 大陆边缘 15
1.4.1 主动大陆边缘 15
1.4.2 被动大陆边缘 16
参考文献 18
第2章 弹性力学常用方程 24
2.1 弹性本构关系及常用方程 24
2.1.1 本构关系 24
2.1.2 各向同性线弹性常用方程 27
2.1.3 线弹性运动方程 28
2.2 弹性动力学方程的解 31
2.2.1 波动方程的基本解 31
2.2.2 标量亥姆霍兹方程的分解（柱坐标） 33
2.2.3 矢量亥姆霍兹方程的分解（柱坐标） 33
2.2.4 弹性动力学方程的本征矢量解（柱坐标） 36
2.3 水平层状介质的传输矩阵 36
2.3.1 均匀介质中微分方程的建立 37
2.3.2 均匀介质中上下行波分解（只讨论P-SV波） 40
2.3.3 边界条件和震源影响 42
2.4 弹性波传播矩阵 43
2.4.1 传播矩阵 43
2.4.2 半空间的响应 43
2.5 广义反射和透射矩阵 45
2.5.1 反射和透射 45
2.5.2 来自一个自由面下部区域的反射 47
2.5.3 层状叠加介质的反射和透射系数 47
2.5.4 自由面反射系数的组合关系 48
2.5.5 层状均匀介质的递推 48
2.6 水平分层介质的反射透射系数递推和地表位移 49
2.6.1 反射透射系数递推公式 49
2.6.2 表面源矢量的响应 51
2.6.3 上覆一个流体层 52
2.6.4 表面源附近的表面反射 52
参考文献 53
第3章 弹性波的传播 54
3.1 层状介质走时方程 54
3.1.1 反射震相 54
3.1.2 折射震相 55
3.1.3 OBS折合时间剖面实例 56
3.1.4 折射波出射点距离的估计 57
3.2 分界面上的反射与折射 58
3.2.1 波动方程的解 58
3.2.2 分界面上的反射和折射系数 64
3.2.3 与Aki和Richards（1980）公式的对比 66
3.3 分界面上P波入射时的能量分配 68
3.3.1 P波入射势函数的能量分配（以张量形式推导） 68
3.3.2 P波入射位移的能量分配 72
3.3.3 数值计算 73
3.4 佐普里兹方程 75
3.4.1 佐普里兹方程推导 75
3.4.2 反射系数的近似线性表达 76
参考文献 77
第4章 海底地震仪特性和海上作业技术 78
4.1 海底地震仪特性 78
4.1.1 设计原则 78
4.1.2 OBS结构和技术指标 78
4.2 德国GeoPro短周期OBS的主要性能 81
4.3 国产I-4C型宽频带OBS性能指标 83
4.4 OBS的海上作业技术 84
4.4.1 主要技术指标 85
4.4.2 调查设备 85
4.4.3 海上勘测 86
4.4.4 数据的初步整理 88
4.4.5 OBS资料的解释 89
4.5 OBS信号特点 90
4.5.1 气枪作业激发的信号 90
4.5.2 噪声特征及影响 92
4.5.3 天然地震记录 94
4.5.4 小结 96
参考文献 96
第5章 OBS数据处理 98
5.1 数据格式转换 98
5.1.1 操作系统及预备工作 98
5.1.2 将原始数据转换成sac格式 98
5.1.3 将sac格式转为segy格式 98
5.1.4 将segy格式转为su格式 99
5.2 时间和位置校正 99
5.2.1 放炮时间和位置校正 99
5.2.2 OBS位置校正 100
5.2.3 OBS时钟漂移校正 102
5.2.4 增益恢复、滤波及预测反褶积处理 102
5.2.5 水深静校正 103
5.3 OBS天然地震的数据处理 103
5.3.1 OBS水平分量方位校正 103
5.3.2 其他处理 104
参考文献 104
第6章 OBS的2-D剖面反演建模 106
6.1 震相识别与拾取 106
6.2 初始模型的建立 108
6.2.1 一般原则 108
6.2.2 利用已有反射地震剖面和水深测量数据 108
6.3 使用WARRPI进行初至波层析成像 110
6.4 使用RAYINVR进行速度结构成像 112
6.5 海底广角地震反演实例——南海礼乐滩OBS剖面 112
6.5.1 正演迭代算法获取的地壳模型 114
6.5.2 自动反演方法获取的模型 116
6.5.3 由反演模型对多道地震剖面进行时深转换获得的地壳结构 118
6.5.4 地壳模型对比分析 120
6.5.5 礼乐滩地壳结构特征及意义 121
参考文献 123
第7章 OBS的3-D地震层析成像 125
7.1 方法原理 125
7.2 西南印度洋中脊3-D层析成像 126
7.2.1 初始模型 126
7.2.2 层析成像结果 127
7.2.3 模型评估 137
7.3 讨论 143
7.3.1 与全球超慢速扩张洋中脊地壳结构对比 143
7.3.2 关于洋壳厚度 145
7.3.3 热液喷口与构造关系 149
参考文献 150
第8章 横波与多次波的应用 154
8.1 转换横波的识别 154
8.1.1 两种转换模式 154
8.1.2 震相拾取 155
8.2 S 波的反演建模 157
8.2.1 走时模拟及反演 157
8.2.2 模型不确定性分析 157
8.3 由S波结构讨论南海共轭问题 160
8.3.1 礼乐滩及附近海盆的地壳结构特征 160
8.3.2 礼乐滩与中沙块体互为共轭 160
8.4 多次波的应用 161
8.4.1 多次波概念 161
8.4.2 多次波应用实例 161
参考文献 167
第9章 海底天然地震的观测与研究方法 169
9.1 接收函数 169
9.1.1 基本概念 169
9.1.2 基本原理 171
9.1.3 几种典型地壳模型的接收函数数值模拟 174
9.2 OBS接收函数：地壳-岩石圈结构反演 181
9.2.1 数据处理方法 181
9.2.2 OBS实测接收函数的求取 182
9.2.3 S波速度结构反演 184
9.2.4 结果和讨论 185
9.2.5 模型评估及H-K叠加检验 186
9.3 OBS接收函数：MTZ厚度反演 187
9.3.1 求取MTZ厚度的速度谱叠加方法 188
9.3.2 西南印度洋中脊实例 190
9.4 地壳和地幔的各向异性 191
9.4.1 基本认识 191
9.4.2 主要利用的震相 192
9.5 弱各向异性理论 194
9.5.1 本征值及本征矢量 194
9.5.2 各向异性界面上Pn的速度 195
9.5.3 各向异性界面上Sn的速度 196
9.5.4 Pn各向异性分析方法 198
9.5.5 SKS各向异性分析方法 200
9.5.6 ScS的分裂参数计算 202
9.6 OBS各向异性研究实例 203
参考文献 209