标定大陆科学钻探孔区地震反射体

在中国大陆科学钻探孔区 (江苏省东海县南部 )进行了系统的地球物理调查 ,包括二维地震测网和专门的地震剖面 ,大地电磁法和位场方法等 .地震调查表明 ,在超高压变质岩出露区上地壳充满了反射体 ,包括倾斜反射体与上拱的反射弧 .本文介绍大陆科学钻探先行研究中地震调查的成果 .根据大陆科学钻探预先导孔的岩芯和测井资料、井旁VSP和数值模拟结果证实 ,高波速的榴辉岩体、破碎断裂带和大型韧性剪切带都可引起倾斜的地震反射 ,而上拱的弧形反射体则是由近似直立的榴辉岩体和其中的破碎带的综合反映 .由于地壳深部广泛分布着经受变质的岩石 ,上述研究结果对标定地壳中的反射地震信号具有一定意义     

标定大际科学钻探孔区地震反射体

在中国大陆科学钻探孔区（江苏省东海县南部）进行了系统的地球物理调查，包括二维地震测网和专门的地震剖面，大地电磁法和位场方法等，地震调查表明，在超高压变质岩出露区上地壳充满了反射体，包括倾斜反射体与上拱的反射弧，本文介绍了大陆科学钻探先行研究中地震调查的成果，根据在陆科学钻探预先导孔的岩芯和测井资料，井旁VSP和数值模拟结果证实，高波速的榴辉岩体，破碎断裂带和大型韧性剪切带都可引起倾斜的地震反射，而上拱的弧形反射体则是由近似直立的榴辉岩体和其中的破碎带的综合反映，由于地壳深部广泛分布着经受变质的岩石，上述研究结果对标定地壳中的反射地震信号具有一定意义。     

苏鲁超高压变质带岩石圈的地震组构

苏鲁超高压变质带上地壳以片麻岩为主体, 地表出露超高压变质岩片. 近年来在此带中进行大陆科学钻探, 并进行了以反射地震为主导的地球物理调查. 通过研究地球物理资料和钻孔岩芯等直接证据的相关性, 有可能标定出现在地壳中的地震反射体, 了解它们的内部组构. 同时, 在大陆科学钻探孔区附近有两座第四纪火山, 对其中包体的成分分析和波速计算也提供了中下地壳和岩石圈地幔组构的信息. 经岩心和测井资料标定, 大陆科学钻探孔区的地震反射体可由变质带内岩性变化、韧性剪切复合岩套和现代断裂破碎带引起. 其中, 韧性剪切作用产生的侧向位移与拆离造成了上百米厚的互层带(韧性剪切复合岩套), 它们由糜棱岩化岩石和经剪切错动产生的榴辉岩片互层组成, 形成了产生区域性强反射的主要机制. 苏鲁超高压变质带的上地壳由超高压变质岩片与下方片麻岩层组成. 超高压变质岩片以高波速、高密度和高电阻率为特征, 构造复杂, 厚度一般不超过11 km; 下方片麻岩层波速渐趋于正常. 苏鲁超高压变质带的中下地壳具有正常的波速与泊松比, 由火山岩包体分析可知, 中地壳含有大量的片麻岩, 下地壳主要由酸性麻粒岩和基性麻粒岩组成. 岩石圈地幔主要由尖晶石二辉橄榄岩、方辉橄榄岩和二辉岩组成, 具有分层结构, 反映了中国东部中生代岩石圈减薄作用. 不同成因的地震组构可能是不同时代地球动力学作用的产物. 例如, 超高压变质岩片和韧性剪切复合岩套反映了三叠纪的碰撞造山作用及超高压变质作用, 而正常的中下地壳波速结构反映了中新生代地壳的拉张与伸展. 通过反射体的细致标定与火山岩包体验证了的地震组构, 可以找到地震反射体的成因及其与地球动力学作用的关系, 为地球动力学作用过程的恢复提供新的依据.     

中国大陆科学钻探孔区的垂直地震剖面调查

苏鲁超高压变质带的研究对了解发生在地幔深处的大陆动力学作用具有重要意义.近年来在此带中进行了大陆科学钻探和以深反射地震为主导的详细的综合地球物理调查,为研究超高压变质带地壳上地幔组构提供了难得的基础资料.根据大陆科学钻探工程的安排,在钻探取心,测井和地面三维地震观测的同时,还在5000 m的钻孔中用三分量数字检波器,对地表激发传播到井中的地震波场作垂直地震剖面（VSP）观测,目的是将传感器放在钻孔内,近距离、高精度和高分辨率地观测井周围由于超高压变质带的构造特征和岩石岩性特征引起的波场变化.通过零偏移距和非零偏移距VSP调查,我们首次在超高压变质带取得了深度达5000 m的精细的横波速度和泊松比等地球物理属性数据,作出了钻井岩心柱、测井、VSP纵波速度、横波速度和纵横波速度比、VSP上行波和地面地震资料的桥式综合对比图,使不同尺度的地质和地球物理调查资料互相连接在一起. 零偏和非零偏VSP观测可以标定主孔地质剖面各深度地质体的地震反射特性、井旁地震剖面上各个同相轴的地质属性,并对井旁局部地质构造作精细成像.由此观测取得的横波速度资料,成为建立孔区横波速度模型主要的资料来源,这种模型也是地面多波观测数据处理不可缺少的.因此,建议在进行大陆科学钻探时尽可能安排VSP地震调查.     

中国东部的多重拱弧地震构造*

对大陆科学钻探孔区小尺度拱弧反射的标定表明, 由于地壳中存在基性岩体或其他侵入体是常见的现象, 上拱弧形反射是常见的, 并不都属于多重地震拱弧构造. 多重地震拱弧构造由多个上拱弧形反射组成, 至少有两个拱弧反射同时在上地壳和下地壳出现. 在上地壳弧形反射体附近有侵入体伴生, 这些侵入体(其中包体除外)的稀土元素分布无明显的负铕异常. 根据典型地震剖面的分析, 目前至少可识别出以下3种类型的多重地震拱弧构造, 第1种类型为简单的垂直组合型, 出现在中新生代裂谷带两侧, 可能是向上侵位的通道不通畅时幔源岩浆由下向上的逐步分异的产物. 第2种称为弥漫型的多重岩浆拱弧构造, 一般位于中新生代的裂谷盆地中, 由于盆地的多次扩张伴随着玄武岩浆的侵位, 形成了许多拱弧反射体. 第3种称为花束型的多重地震拱弧构造离裂谷区较远, 与幔源玄武岩浆的快速渗入上地壳有关     

上地壳副片麻岩的反射属性

通过对中国大陆科学钻探主孔地质及地震反射资料的综合研究, 发现孔区正、副片麻岩的密度与纵波速度相差无几, 但具有不同的反射特性. 地震强反射集与副片麻岩套的空间分布吻合, 暗示变质岩地壳中副片麻岩也有可能引起骨片状强反射集. 副片麻岩的纵波速度与正片麻岩无明显差别, 但横波速度较低, 速度比V_p/sV_s高. 它部分地继承了沉积岩源岩的分层结构和构造, 因此具有很强的非均质性和各向异性, 可能是引起地壳中强反射集的主要原因. 副片麻岩低横波速度表明抗剪切强度弱, 在构造运动中易形成裂缝而增加其孔隙度和渗透性, 有可能成为低渗的地壳气体储层. 由于地壳变质基底中的副片麻岩可产生地震反射集, 在一定条件下可用反射地震法圈定.     

中国大陆科学钻探孔区的数字三分量反射地震调查

本文将简要介绍在大陆科学钻探孔区进行数字三分量地震勘探试验数据采集处理技术,以及取得的初步成果. 鉴于结晶岩地区波场的复杂性,在剖面调查之前要先进行波场特征调查,才能确定三分量地震调查观测系统采集参数.数据处理中与水平分量处理有关的三个困难环节包括静校正、速度分析与动校叠加,必须有所创新.在大陆科学钻探工程中,三分量数字地震调查之所以放在终孔后才进行,主要是因为三分量地震解释要以钻孔资料和VSP成果为基础.如果没有岩芯物性测定资料或VSP纵横波速度计算曲线,横波速度剖面模式就难以建立,水平分量数据处理和解释就难以进行.与单分量地震调查相比,水平分量采集处理提供了转换波信息,可反映独特的很有意义的地质信息.在三分量数字地震调查X分量深度叠加剖面左半边深度2600～3400 m区段出现密集的水平反射层,与Z分量反射剖面和变质岩片倾向不一致.对比主孔气体异常曲线可知,这些水平反射是地层中流体含量升高的反映.     

华北地壳上地幔结构及其大地震深部构造成因

华北克拉通是中国大陆东部的一个重要的大地构造单元.20世纪60~70年代,华北地区发生了一系列强烈地震.近半个世纪以来,中国地震学家对华北地区地壳上地幔结构开展了大量的探测和研究,在地壳上地幔结构以及与强烈地震相关的深部构造环境等重大地球科学问题上取得了显著的进展.华北大震区的深地震剖面探测显示了地壳上部铲式正断层和低角度的滑脱构造与震源下方贯通下地壳直至莫霍面的高角度深断裂共存的复杂构造图像.地震层析成像揭示,华北大震大多都发生在高速与低速区的过渡带上,而唐山地震区中-下地壳存在明显的低速异常.震源区下方的低速异常带,地壳深浅构造不一致,高角度超壳深断裂,上地幔顶部速度偏低,以及莫霍界面局部隆起等,是华北伸展构造区深部孕震环境的共同特征,表明华北岩石圈结构具有高度不均匀性.华北克拉通现今的强烈地震活动性以及偏低的下地壳速度,显著区别于世界上其他稳定克拉通.所有这些都是华北克拉通破坏的重要证据.尽管深地震探测和地震层析成像研究大大丰富了深部构造和孕震环境的知识,一些深层次的问题需要进一步的研究.     

苏鲁超高压变质带北部地球物理调查（1）─-深反射地震

苏鲁超高压变质带是世界上研究陆一陆碰撞俯冲和壳幔作用的最佳地质场所之一．为了解超高压变质带岩石的形成、折返和相应的动力学过程,必须了解该区的地壳和浅地幔构造．本文介绍了该区北部的地质情况和进行深反射地震调查取得的成果,包括（１）在五莲─青岛断裂南侧超高压变质岩片向北倾斜,呈现叠复组构,反映岩片的折返;（２）根据地震资料推测在１４６Ｍａ前后胶南地块的隆升一伸展构造内幕;（３）超高压变质岩片厚约１２ｋｍ,由于含有大量相辉岩透镜体,地震波速高达６．８─７．３ｋｍ／ｓ;（４）莫霍面附近有许多楔形反射体,反映陆一陆碰撞;（５）石门地区７ｋｍ深处存在高波速的强反射体,可作为在该区进行大陆科学钻探的候选场址．     

苏鲁超高压变质带北部地球物理调查(1)─—深反射地震

苏鲁超高压变质带是世界上研究陆一陆碰撞俯冲和壳幔作用的最佳地质场所之一．为了解超高压变质带岩石的形成、折返和相应的动力学过程,必须了解该区的地壳和浅地幔构造．本文介绍了该区北部的地质情况和进行深反射地震调查取得的成果,包括（１）在五莲─青岛断裂南侧超高压变质岩片向北倾斜,呈现叠复组构,反映岩片的折返;（２）根据地震资料推测在１４６Ｍａ前后胶南地块的隆升一伸展构造内幕;（３）超高压变质岩片厚约１２ｋｍ,由于含有大量相辉岩透镜体,地震波速高达６．８─７．３ｋｍ／ｓ;（４）莫霍面附近有许多楔形反射体,反映陆一陆碰撞;（５）石门地区７ｋｍ深处存在高波速的强反射体,可作为在该区进行大陆科学钻探的候选场址．     

利用瑞利激光雷达和无线电探空仪观测数据对武汉上空重力波特性的研究

本文利用武汉大学的瑞利激光雷达的瑞利散射回波数据(30～65 km)来研究武汉地区上空(305°N，1144°E)〖JP〗重力波的活动规律和统计特性.通过对2003年12月到2005年3月观测的200 h数据反演的密度进行处理分析，得到了重力波的一些个例特征，并提取垂直波长为2 km以上的重力波进行统计分析.结果表明，最可几的垂直波长是3～4 km和17～20 km，重力波振幅的月平均值在冬季有较大值，夏季值较小.与武汉2004年无线电探空仪的密度扰动提取到的重力波做比较，发现与瑞利激光雷达得到的重力波振幅的月平均值有很强的相关性，也是冬季值比较大，夏季值比较小.通过无线电探空仪的风场数据，本文还得到了急流的季节变化规律、最大风剪切年变化规律，发现急流和最大风剪切与激光雷达的重力波统计结果有很强的相关性.     

线形区域的主辅线反射地震调查方法

本文提出主辅线反射地震法, 它由一条主测线和1～2条辅测线共同组成一个反射地震观测系统,其中辅线位于主线的一侧或两侧,大致与主线平行,只在辅线上观测而不放炮.这种系统的成本仅比原常规单线增加20%左右,但是,它却可以同时取得三方面的调查成果：(1)主线常规反射地震剖面,(2)主线与辅线之间区域的表层地震波速层析图,(3)主线与辅线之中线上的反射地震剖面.用比地震剖面略高的费用,主辅线反射地震实现了了解线形区域下方侧向可对比的地质构造变化的目标, 对线形区域的调查尤其适用,而且在中国大陆科学深钻孔区完成的主辅线反射地震调查证实了这一论断.这次主辅线反射地震法调查说明科学深钻孔区地下3000～3600m 深度还可能有规模较大的榴辉岩体存在, 现有金红石矿体储量有可能扩大若干倍.同时,主辅线反射地震法调查提供了一个后备孔位,它是将来扩大矿区储量的首选勘探孔位.     

A three-dimensional model of the Baltic Shield crust from data of deep seismic studies

A 3-D velocity structure of the crust has been constructed for almost the entire Baltic Shield area from data of extensive deep seismic studies on the shield. The construction involved a revision of all primary data (record sections and observed traveltime curves) obtained in this region over 50 years of research. Comparative analysis of wave fields revealed that three reference reflectors traceable throughout the shield area are K1 (a boundary velocity of 6.4–6.5 km/s), K2 (～6.8 km/s), and the mantle surface M (8.0–8.2 km/s). The resulting 3-D velocity structure is represented in the form of structural maps of these surfaces and a velocity distribution scheme in the upper crust. Using this general basic model, seismic cross sections are constructed by means of mathematical modeling along all profiles. They showed that, in addition to the main layers and reflectors above the K1 boundary, a lower velocity layer is traceable almost everywhere and the majority of deep faults flatten out toward this layer. On the whole, lateral variations in the velocity structure of the crust are small up to a depth of 40 km. The variations are most significant in the M topography: its average depth being 40–45 km, two deep (down to 50–60 km) depressions exist in southern Finland and the Baltic region. The origin of this depression filled with high velocity (7.2–7.4 km/s) rocks remains unclear.     

苏鲁超高压变质带北部地球物理调查(Ⅱ)——非地震方法

在北苏鲁超高压变质带(UHPM)上开展了深反射地震的同时,进行了大地电磁、地磁、放射性测量和重磁编图.本文介绍用这些方法取得的结果.两条区域性的地球物理剖面总长126km,经过二维反演取得了电阻率和磁性体剖面.结果表明:(1)大地电磁等综合地球物理资料与深反射地震剖面的推断结果基本一致,同样反映了UHPM岩块的俯冲折返与后期的隆升.(2)非地震地球物理资料不仅为地震解释提供约束,还可以提供地热流上涌、断裂和磁性体分布等更多的信息.(3)新发现莒南-海州北北西向断裂,对研究本区构造演化有重要意义.(4)根据地热流上涌、侵入体多和高波速体埋藏较深等特征,认为在本区进行科学钻探不够理想.     

Seismic response to natural gas anomalies in crystalline rocks

According to the geological and seismic reflection data of the Chinese Continental Scientific Drilling (CCSD) main-hole (MH), and the anomalies of CH4, CO2, and He are correlated to the three-component seismic reflectors, especially in horizontal component profiles. However, the seismic response is dif-ficult to be explained as the porosity of crystalline rocks is only about 1% in well section where the gas anomalies occur. Seismic velocity measurement of the MH cores indicated that compared with wa-ter-saturated rock samples, seismic velocity (especially the S-wave) could be distinctly decreased by gas contained in tiny cracks despite of the low porosity, and then notable seismic response could be induced in gas-filled crystalline rocks. It could be predicated that if the porosity of certain rocks in the middle crust rose due to water-rock interaction and had natural gas filled, then there would be more probability for natural gas in top of the mid-crust to fill in the crystalline rocks with increased porosity. In such case, based on the decrease of Swave velocity in crystalline rocks, seismic method could be applied in the future to explore natural gas reservoirs in the middle crust.     

Natural gas origins of large and medium-scale gas fields in China sedimentary basins

The integrated study of the geological and seismic reflection data from the drilling area of CCSD has discovered that the density and the P-wave velocity of orthogneiss are almost the same as that of the paragneiss in the area; but the orthogneiss and the paragneiss hold different reflection attributes. The strong seismic reflector packes coinciding spatially with the paragneiss suites have implied that the paragneiss buried in the metamorphic crust itself can cause bone-like seismic reflector sets. The P-wave velocity of paragneiss shows little apparent difference with that of the orthogneiss; but its transverse wave velocity is lower, with the Vp/Vs ratios being high. The paragneiss has partially inherited the layering structures and textures of the protolithe of sedimentary rocks, hence shows strong heterogeneity and anisotropy, that is why the paragneiss are able to produce the bone-like reflectors in the upper crust. The low transverse wave velocity of paragneiss often means weak shear resistance, which will further cause cracks or fractures in the rock, consequentially increase its porosity and permeability during tectonic movements, and form the paragneiss reservoirs of low-permeability zones for gases uplifted from the deeper crust. Because the paragneiss in the crustal metamorphic basement can cause the seismic reflectors, seismic reflection sections are able to provide information about the paragneiss under certain prerequisites.     

大陆科学钻探的现状及展望

１．大陆科学钻探是国际岩石圈动力学计划的重要组成部分，是当代地球科学的重大前沿之一，是一项划时代意义的地学高科技系统工程。大陆科学钻探不仅具有直接揭示地壳内部组成、结构、构造、流变学、流体作用、热历史，应力及应变机制以及重塑地壳与岩石圈动力学的重大理论意义，并且具有充分利用地下资源、减灾及保护环境的实际经济价值．２．大陆科学钻探在世界范围内实施３０年来已取得巨大进展，解决深部水资源、深部流体资源、深部地热资源、壳幔过渡、岩石圈动力学及变形、地球历史、生物圈及环境变化、地应力、地下强磁区、矿床成因以及盆地演化、碳氢化合物成因与迁移等科学问题已成为世界性地质目标。３．作为地质大国，面临地球科学新挑战以及２１世纪资源、减灾及环境的需求，填补中国大陆科学钻探的空白已成为当务之急。４．根据需用科学钻探解决的中国关键性深部地质问题，提出选址原则及十大选区（域），并对中国大陆科学钻探的战略目标提出切合国情的建议。