OBS廣角地震探測中二次反射Pg震相特征及在地殼結構成像中的作用

萬奎元，曹敬賀，夏少紅，孫金龍*，黃海波，徐輝龍

1 中國科學院邊緣海地質重點實驗室，中國科學院南海海洋研究所，廣州　510301 2 中國科學院大學，北京　100049

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OBS廣角地震探測中二次反射Pg震相特征及在地殼結構成像中的作用

萬奎元1,2，曹敬賀1，夏少紅1，孫金龍1*，黃海波1，徐輝龍1

1 中國科學院邊緣海地質重點實驗室，中國科學院南海海洋研究所，廣州510301 2 中國科學院大學，北京100049

在海底地震儀(OBS，Ocean Bottom Seismometer)廣角地震探測中，經?？梢砸姷侥芰亢軓?、連續性很好的多次波震相，但對于如何確定這些多次波的屬性以及怎樣充分利用它們來約束地下的結構特征，至今還缺乏詳細的研究.本文利用南海北部已獲取的OBS探測數據，對與地殼折射Pg震相近乎平行并緊隨其后的二次反射Pg震相進行了系統分析研究，發現在實測OBS地震記錄剖面上，二次反射Pg震相具有連續、清晰、可追蹤偏移距較遠(約60 km以上)等特點，其地震波形和粒子運動軌跡與初至Pg震相相似，但二次反射Pg震相波形最大振幅值和粒子震動能量明顯比初至Pg震相大.通過理論模型模擬以及對實測地震剖面三種不同反射層路徑的走時計算，確定了二次反射Pg震相主要來自沉積層的反射.在此基礎上，對二次反射Pg震相在地殼結構成像中的作用進行分析，發現加入二次反射Pg震相前后，由于反射震相的增加，沉積層界面的約束程度得到極大的提高；另外，通過對理論模型和實測剖面OBS2010地殼結構進行加入二次反射Pg震相前后的分辨率測試，結果發現加入二次反射Pg震相數據后，由于射線密度的增加，沉積層和上地殼結構的成像分辨率有顯著改善.

海底地震儀(OBS)；二次反射Pg震相；廣角地震探測；地殼結構；成像分辨率

We firstly identify the secondary Pg phase from synthetic seismogram sections and record waveforms,then calculate and analyze particle motions of primary Pg and secondary Pg phases through the azimuth angle rotation.With this knowledge,we determine the propagation path by the theoretical model simulation and calculation of measured data from the P wave travel forward modeling method based on the RAYINVR.Furthermore,we use the theoretical model and the actual model of OBS2010 to show the role of the crustal structure imaging.

The secondary Pg phase is roughly parallel to and follows closely the primary Pg phase,and is continuous and clear with strong amplitude.An obvious vibration is observed behind the vibration of the primary Pg with stronger amplitude,which is supposed to be generated by the secondary Pg phase.On the basis of particle motions,the secondary Pg phase belongs to the P-wave seismic phase.The travel-time fits of the possible propagation path based on the test data give three different results:(1)The2value is 14.921 when the reflective layer is water and sediment.(2)The2value is 193.264 when the reflective layer is only water.And (3)the2value is 1.786 when the reflective layer is merely sediment.

Theoretical investigation and data tests lead to following conclusions:(1)The secondary Pg phase is actually a P-wave.(2)The secondary Pg phase is mainly from the reflection between the sediments.(3)This wave greatly increases the constraint to the basement.And (4)it can be used to improve the imaging resolution of the sediments and the upper crust.

1　引言

海底地震儀(OBS)廣角地震探測作為研究海洋殼幔結構與構造特征的重要手段，在大陸邊緣 (Czuba et al.,2004；Ito et al.,2009；Lester et al.,2014；Mjelde et al.,2008)與洋中脊(Bohnhoff and Makris,2004；Minshull et al.,2006；Zhao et al.,2013)的研究中發揮了極其重要的作用.目前OBS廣角地震探測主要使用初至的折射和反射震相來研究海底的殼幔結構，然而，在已獲取的OBS地震記錄剖面上，經常能夠發現能量強、震相連續且傳播距離較遠的多次波震相，對于這些多次波至今仍缺乏充分的認識和應用 (Jin and Wang,2012；Osen et al.,1999；Wang et al.,2012；Weglein,1999).事實上，多次波的應用是海洋探測的重要內容，消除多次波或利用多次波等問題是目前提高海洋地震探測能力的討論主題之一.

多次波也是由和初至波相同的震源信號所產生，只是在媒介中有不同的傳播路徑 (Dash et al.,2009).因此，多次波震相也是地殼真實結構的反映，而且在某種情況下包含了一些初至波所沒有的結構信息 (Berkhout and Verschuur,2006；Verschuur and Berkhout,2011).很多學者已經逐漸地意識到多次波的重要性(Dash et al.,2009；Xia et al.,2010；楊愷和郭朝斌,2012)，如果能夠充分地利用豐富的多次波信號，將會彌補OBS站位間距大、初至波數量少等不足，對提高地殼內部結構的成像精度大有裨益.Meléndez(2014)用數值模擬方法對多次波的成因進行了探討，指出在某些情況下多次波信號比初至波信號強，震相可追蹤的偏移距大于初至波，并認為多次波提供了一些初至波沒有的信息.楊愷和郭朝斌(2012)通過對陸上地震信號多次反射折射波的研究，確定了多次反射折射波具有先反射后折射的特征.Wang等(2012)在南海用OBS多次波數據對淺層成像范圍進行了有效的改善.Grad(2012)利用水體多次波對北大西洋區域水體不同層位速度進行了更精確的劃分.Berkhout和Verschuur(2006)則把多次波轉化成初至波來提高地殼結構的成像精度.Brown和Guitton(2005)提出一種初至波和多次波聯合成像的方法，結合初至波和多次波的信息來提高地震信號的保真度.這些研究推動了多次波在地震成像中的應用，但是對于來自OBS廣角地震剖面上的多次波特征和在地殼結構成像中的應用，還缺乏詳細的分析和研究.因此，為了彌補上述不足，并系統認識和充分挖掘OBS廣角地震剖面上的多次波信息，本文選取了南海東北部臺灣淺灘海域、北部珠江口海域以及西北次海盆等區域所布設的三條OBS廣角地震探測測線(圖1)，對三條OBS地震剖面上的二次反射Pg震相進行了系統分析和研究，對比分析了初至Pg和二次反射Pg震相的波形和粒子運動軌跡特征，并計算二次反射Pg震相傳播路徑，通過成像結果對比分析了二次反射Pg震相對約束沉積層界面深度以及提高地殼成像精度上的作用.

圖2　OBS綜合地震記錄剖面(折合速度6 km·s-1)(a)測線2012第10臺站；(b)測線2006第11臺站.“Pg”，“Secondary Pg”為實際觀測震相(Pw：直達水波).Fig.2　Seismic record section of OBS with reduced velocity of 6 km·s-1(a)10th station of survey line 2012;(b)11th station of survey line 2006.“Pg” and “Secondary Pg” mark the observed seismic phase (Pw:direct wave).

圖3　測線OBS2012中OBS09(a)和OBS10(b)記錄地震波形及拾取到的初至Pg與二次反射Pg震相(a1)，(a2)分別為OBS09臺接收到的第1301炮和1316炮波形數據；(b1)，(b2)分別為OBS10臺接收到的第1264炮和1303炮波形數據.Fig.3　Recorded seismic waveforms and picked up primary Pg and secondary Pg along seismic profile OBS2012.(a)Station OBS09.(b)Station OBS10(a1)and (a2)are waveform data produced by the 1301th shot and 1316th shot of OBS09.(b1)and (b2)are waveform data produced by 1264th shot and 1303th shot of OBS10.

2　二次反射Pg震相特征分析

夏少紅(2009)，Xia等(2010)對與地殼折射Pg震相近乎平行并緊隨其后的一組震相分析后認為是多次反射Pg震相.在對大量OBS數據進行帶通濾波(3～15 Hz)后發現，多次反射Pg震相普遍發育，尤其是二次反射Pg震相最引人注目(圖2).本文主要對典型的二次反射Pg震相進行分析.

為了進一步認識二次反射Pg震相的特征，在OBS地震波形記錄上也對其進行了識別并拾取了清晰的初至Pg和二次反射Pg到時.圖3顯示了測線OBS2012中OBS09、OBS10兩個不同地震臺站所記錄到的波形數據和拾取到的初至Pg和二次反射Pg震相的到時位置.從地震波形上識別兩震相的過程中，首先用炮點時間、炮點偏移距以及震相的折合走時(本文折合速度取6 km·s-1)計算其理論預測走時數據，然后在地震波形上找到其對應的位置并反復對比兩震相地震波形特征以保證拾取的準確度.從圖3中發現二次反射Pg震相的最大振幅值明顯比初至Pg震相大，到時滯后約1.5～2.5 s.這與在地震剖面(圖2a)上觀測到的特征相吻合.

另外，通過旋轉OBS記錄到的方位角對OBS09和OBS10兩個臺站初至Pg震相和二次反射Pg震相的粒子運動軌跡也進行了對比分析.從初至Pg震相和二次反射Pg震相的粒子運動軌跡圖(圖4)上，發現兩震相粒子運動軌跡趨勢相似，都表現為典型的縱波震相，表明二次反射Pg震相在波導層發生反射時并未發生大量的縱橫波轉換，其走時差并非由走時較慢的橫波決定 (Amundsen and Reitan,1995；趙明輝等,2007).值得注意的是，振幅最強的垂向分量中二次反射Pg震相(圖4a2，b2)和初至Pg震相(圖4a1，b1)振幅相當，甚至比前者更大.不同臺站記錄到的粒子運動軌跡也具有一些差別，OBS09臺(圖4a)記錄到的兩震相各分量的震動能量比OBS10臺(圖4b)大，這可能是不同臺站所處的水流環境噪聲或下部地殼結構的不同造成的.

3　二次反射Pg震相傳播路徑

OBS廣角地震中二次反射Pg震相首先由一次層間反射然后經上地殼折射到達接收點.為了確定其反射層，本文首先建立了理論的速度結構模型(圖5)，用RAYINVR射線追蹤方法 (Zelt and Smith,1992)對二次反射Pg震相的射線路徑進行模擬.設置理論模型偏移距200 km附近水深為1.5 km，速度為1.5 km·s-1；沉積層為3 km，速度為3 km·s-1.模擬結果發現由于反射層的不同可出現三種不同傳播路徑：(1)以自由界面和海底面為界發生上下反射，反射層為海水層(圖5a)；(2)以自由界面和基底面為界發生上下反射，反射層為海水層和沉積層(圖5b)；(3)以海底面和基底面為界發生上下反射，反射層為單一的沉積層(圖5c).

圖4　測線OBS2012中OBS09和OBS10兩臺站記錄到的初至Pg震相和二次反射Pg震相粒子運動軌跡圖(a1)，(a2)OBS09臺站，截取時窗分別為2.7～3.1 s和4.8～5.2 s；(b1)，(b2)OBS10臺站，截取時窗分別為3.1～3.5 s和5.4～5.8 s.其中黑色虛線代表垂向分量；黑色實線代表徑向分量；灰色實線代表切向分量.Fig.4　Particle motion traces of primary Pg and secondary Pg phase recorded by OBS09 and OBS10 seismic stations along profile OBS2012(a1，a2)OBS09 station.Time windows are 2.7～3.1 s and 4.8～5.2 s,respectively.(b1，b2)OBS10 station.Time windows are 3.1～3.5 s and 5.4～5.8 s,respectively.Black dash line shows vertical component,black solid line for radial component and gray line represents tangential component.

圖6　OBS2012-09臺站地震剖面初至Pg震相和二次反射Pg震相的射線追蹤和走時擬合(折合速度為6 km·s-1)(a)折合地震剖面;(b)(c)(d)射線路徑反射界面與圖5(b)(a)(c)的理論模擬分別對應.黑色虛線為模型理論計算走時；綠色為初至Pg震相實際觀測走時；棕色為二次反射Pg震相實際觀測走時.Fig.6　Primary Pg phases′ and secondary Pg phases′ ray-tracing and traveltime fits of OBS09 station along seismic profile OBS2012 with reduced velocity 6 km·s-1(a)Reduced seismic section;(b),(c)and (d)Reflective interfaces corresponding to theoretical simulations in Fig.5.Black dashed lines show theoretical traveltime.Green and brown dashed lines show observed traveltime of primary Pg phases and secondary Pg phases,respectively.

從圖5可以看到，初至Pg和二次反射Pg震相走時具有大致相似的趨勢，兩者的走時差主要取決于二次反射Pg震相發生的反射層厚度.比較圖5a，5b，5c初至Pg和二次反射Pg走時差，可發現由于二次反射Pg震相傳播過程中反射層的不同使得三者走時差大小存在明顯的差異.

夏少紅(2009)根據在地震剖面上觀察到的二次反射Pg震相的視速度和振幅特征，通過定性分析認為反射層為沉積層.為了進一步確定二次反射Pg震相的實際傳播路徑，本文選取南海東北部臺灣淺灘海域獲得的OBS2012-09臺站數據進行計算分析，對OBS2012-09臺站的初至Pg震相以及二次反射Pg震相的三種可能傳播路徑分別進行走時擬合(圖6).根據數據的信噪比設定初至Pg震相的拾取走時不確定度為50 ms，二次反射Pg震相拾取走時不確定度為80 ms.由于OBS2012-09記錄到的初至Pg和二次Pg震相較清楚且臺站所處位置附近水層和沉積層具有明顯變化，使得上述三種不同理論射線路徑會產生較明顯的走時差.

實測OBS2012-09數據的擬合結果(圖6)顯示，(1)當反射層為水層和沉積層，圖6b顯示計算得到的二次反射Pg震相走時明顯大于實際觀測走時.特別在偏移距35～50 km之間，隨著水深的變大，二次反射Pg震相計算走時逐漸偏離其觀測走時.擬合結果走時均方根殘差RMS值為0.384 s，2值為14.921.(2)當二次反射Pg震相反射層為單一水層，圖6c顯示其計算走時遠小于實際觀測走時，在偏移距15～30 km之間，由于水深較淺(<100 m)，二次反射Pg震相的走時主要由沉積層決定，所以其走時幾乎等于初至Pg震相走時.擬合結果走時均方根殘差RMS值為1.387 s，2值為193.264.(3)當反射層為單一沉積層時，圖6d顯示二次反射Pg震相計算走時和觀測走時吻合得較好.擬合結果走時均方根殘差RMS值為0.108 s，2值為1.786(詳見表1).

為了確定結果的可靠性，下面將利用以上得到的計算結果對測線OBS2010(曹敬賀等，2014)和OBS2006(敖威等，2012)臺站記錄震相質量較好的OBS2010-03、OBS2010-04和OBS2006-01、OBS2006-05(圖1)四個臺站分別進行二次反射Pg震相的走時擬合(圖7，8，9，10).在OBS2010-03臺站左半支，由于沉積層較薄，二次反射Pg震相和初至Pg震相走時差較小，使得兩震相相互干擾，沒有進行二次反射Pg震相的擬合.除此之外其他臺站震相清晰，其中初至Pg震相是前人擬合結果，本文主要以前人速度模型為基礎對二次反射Pg震相進行走時擬合.表2給出了四個臺站最終擬合結果，除OBS2010-04臺站數據左側二次反射Pg震相記錄質量相對較差，擬合結果2值(3.071)較大之外，OBS2010-03，OBS2006-01，OBS2006-05三個臺站擬合結果的2值都比較接近標準值1.0，說明擬合結果較好.四臺OBS二次反射Pg震相擬合結果表明，走時擬合計算得到的二次反射Pg震相傳播路徑是可信的.另外，可以注意到，無論是水深小于100 m的淺水區(圖7、圖8)還是水深超過2000 m的深水區(圖9、圖10)，兩震相觀測走時和計算走時擬合得都很好，而且OBS2010和OBS2006兩條測線下方地殼結構具有明顯的不同，說明在OBS廣角地震中二次反射Pg震相主要來自沉積層的反射這一結果是普遍適用的.

表1　二次反射Pg震相不同反射層走時殘差和卡方值

Table 1　RMS misfits and normalized 2of secondary Pg phases for different reflective layers

表1　二次反射Pg震相不同反射層走時殘差和卡方值

反射層走時殘差(s)卡方值水層和沉積層0.38414.921單一水層1.387193.264單一沉積層0.1081.786

圖7　OBS2010-03臺站的計算模型、初至Pg震相及二次反射Pg震相射線追蹤(a)和走時擬合(b).(c)為(a)在模型中的位置Fig.7　The calculation model,ray-tracing (a)and traveltime fits (b)of OBS03 along the OBS2010 seismic profile.Descriptions are same as Fig.6.(c)Model position of (a)

圖8　OBS2010-04臺站的計算模型、初至Pg震相及二次反射Pg震相射線追蹤(a)和走時擬合(b).(c)為(a)在模型中的位置Fig.8　The calculation model,ray-tracing (a)and traveltime fits (b)of OBS04 along the OBS2010 seismic profile.Descriptions are same as Fig.6.(c)Model position of (a)

圖9　OBS2006-01臺站的計算模型、初至Pg震相及二次反射Pg震相射線追蹤(a)和走時擬合(b).(c)為(a)在模型中的位置Fig.9　The calculation model,ray-tracing (a)and traveltime fits (b)of OBS01 along the OBS2006 seismic profile.Descriptions are same as Fig.6.(c)Model position of (a)

圖10　OBS2006-05臺站的計算模型、初至Pg震相及二次反射Pg震相射線追蹤(a)和走時擬合(b).(c)為(b)在模型中的位置Fig.10　The calculation model,ray-tracing (a)and traveltime fits (b)of OBS05 along the OBS2006 seismic profile.Descriptions are same as Fig.6.(c)Model position of (a)

站位名水深(km)震相震相走時個數走時殘差(s)卡方值OBS2010-030.07SecondaryPg2060.0841.463OBS2010-040.09SecondaryPg3120.1403.071OBS2006-013.45SecondaryPg2110.0671.340OBS2006-052.45SecondaryPg3490.0431.229

4　二次反射Pg震相在地殼結構成像中的作用

大量的實測地震剖面顯示，有較為明顯的沉積層折射震相(Ps)但很難識別出沉積層反射震相(PsP)，若沉積層較薄時折射震相(Ps)也較難識別，使得不能準確獲得沉積層界面，給模型正演帶來困難.然而，二次反射Pg震相傳播路徑的特殊性對沉積層界面的約束開辟了一個新的途徑.特別是缺少多道地震的情況下，二次反射Pg震相是控制沉積層界面的有效手段.為了證明二次反射Pg震相對沉積層界面的約束能力，我們設置理論模型用RAYINVR方法對沉積層底界面進行正反演計算.設模型長度為100 km，OBS間距20 km，放炮間距為200 m，Pg震相和二次反射Pg震相可追蹤偏移距為20 km，沉積層底界面起伏如圖11a.用Pg震相和二次反射Pg震相兩組數據正反演結果分別為圖11b和圖11c.圖11d給出了兩組數據的恢復誤差，運用二次反射Pg震相數據反演的界面深度誤差基本在-0.1到+0.1之間，而Pg震相數據反演結果誤差較大，說明Pg震相對沉積層界面控制較差，而二次反射Pg震相對沉積層界面有很好的控制作用.圖12b是OBS2010-01臺站數據正演過程中二次反射Pg震相對沉積層的控制.

圖11　沉積層界面深度反演恢復結果(a)初始模型；(b)利用Pg震相數據恢復結果；(c)利用二次反射Pg震相恢復結果；(d)恢復誤差分布，綠色實心圓表示用二次反射Pg震相恢復后界面節點深度誤差，紅色實心圓為Pg震相恢復誤差.Fig.11　Reconstructed interface depths of sedimentary strata from inversion(a)Initial model;(b)Inversion result using Pg phase data;(c)Inversion result using secondary Pg phase data;(d)Distribution of inversion errors.Green solid circles show recovery error of node depth of secondary Pg phases,red show recovery error of node depth of Pg phases.

(1)

式中Re(Restoration errors)為恢復誤差，Dor為初始界面節點深度，Dre為恢復后界面節點深度.

為了分析二次反射Pg震相使用前后成像分辨率(尤其是對沉積層的成像分辨率)的差異性，利用圖11理論模型，設置初至Pg震相偏移距20～40 km，共1100個，對二次反射Pg震相個數分別設置為初至Pg震相的70%和100%.為了方便比較成像精度，在模型中只設置沉積層和上地殼兩層，速度分別為3 km·s-1和6 km·s-1.采用檢測板測試方法(checkerboard test)(Zhao et al.,1992)分析三組數據對地殼結構成像精度的差異，一組只包括Pg震相的走時數據，第二組加入Pg震相70%數量的二次反射Pg震相，第三組加入相等數量的二次反射Pg震相.設置模型每個網格的橫向大小為10 km，相鄰節點上的速度擾動值為0.5 km·s-1和-0.5 km·s-1(圖13a).成像結果(圖13b，13c，13d)顯示三組數據對速度異常的恢復能力有明顯的差異，在模型中除了邊界處由于射線覆蓋程度大大降低，使得成像精度較差外，其他加入二次反射Pg震相后的模型成像分辨率(圖13c，13d)明顯優于單獨利用Pg震相的模型成像分辨率(圖13b).尤其是對沉積層的成像精度具有明顯的改善作用.為更直觀比較三者的差異，在此引入恢復偏離度

(2)

式中Rd(Restoration deviation)為恢復偏離度，Vre為恢復后節點速度，Vor為恢復前節點速度.計算結果顯示加入二次反射Pg震相后的節點速度恢復結果偏離度明顯小于加入之前(圖13).

以珠江口海域OBS2010測線(圖1)為例，用實際OBS和炮點位置以及拾取到的初至P波(包括Pg和PmP)震相2433個，二次反射Pg震相1849個，對下部地殼結構進行成像分辨率測試.設置每個網格的橫向大小為10 km，相鄰節點上的速度擾動值為0.3 km·s-1和-0.3 km·s-1(圖14a).成像結果與理論模型成像結果相似(圖14)，發現加入二次反射Pg震相后(圖14c)沉積層成像分辨率較未加入(圖14b)的成像分辨率有明顯的提高，而且對上地殼成像也有一定程度的改善作用.綜上，二次反射Pg震相在約束沉積層界面深度以及在地震成像精度中都發揮重要的作用.

5　結論

本文對初至Pg震相的二次反射Pg震相特征做了初步探討，在初至Pg震相后方識別了二次反射Pg震相的地震波形，并對兩者粒子運動軌跡特征做了對比分析，發現二次反射Pg震相波形變化特征和初至Pg震相相似.為了分析二次反射Pg震相在地殼結構中的應用，本文重點對其可能的傳播路徑做了詳細的對比計算分析.OBS實測數據擬合結果(圖6)以及前人模型對傳播路徑的驗證可以判斷二次反射Pg震相主要來自沉積層的反射(圖12a).

圖12　(a)二次反射Pg震相在地殼結構中的傳播路徑示意圖；(b)OBS2010-01臺站二次反射Pg震相射線追蹤和走時擬合Fig.12　(a)Schematic diagram of secondary Pg phase′s propagation path;(b)Secondary Pg phase ray-tracing and traveltime fits of OBS2010-01 station

圖13　Checkerboard分辨率測試結果(a)理論速度擾動模型；(b)使用初至Pg震相反演后測試輸出模型；(c)加入70%二次反射Pg震相反演后測試輸出模型；(d)加入相等數量二次反射Pg震相反演后測試輸出模型.Rd為偏離度，彩色矩形表示各速度節點恢復偏離的程度，偏離度大于15%用黑色表示.Fig.13　Checkerboard test results of resolution of the model(a)Synthetic velocity perturbation model;(b)Calculated velocity perturbation model using only initial Pg phase;(c)Calculated velocity perturbation model adding 70% secondary Pg phase;(d)Calculated velocity perturbation model adding an equal amount of secondary Pg phase.Rd shows the deviation degree.Color rectangles show the recovery level of velocity node deviation.Black show the level is greater than 15%.

圖14　測線OBS2010地殼結構模型Checkerboard測試結果(a)理論輸入速度擾動模型；(b)使用初至P波震相(Pg和PmP)反演后測試輸出模型；(c)加入二次反射Pg震相反演后測試輸出模型；(d)OBS2010測線位置.實線為模型反演部分.Fig.14　Checkerboard test results of the model of survey line OBS2010(a)Synthetic velocity perturbation model;(b)Calculated velocity perturbation model using Pg and PmP phases;(c)Calculated velocity perturbation model adding secondary Pg phase;(d)Location of survey line OBS2010.Solid line shows inversion section of model.

同時我們注意到，本文所選用的測線位置地殼結構及OBS站位水深都存在明顯的差異，各臺站所接收到的二次反射Pg震相的形態和信號強弱也有明顯的不同(圖6，7，8，9，10).然而，結果顯示二次反射Pg震相都主要來自于沉積層的反射，因此可以推斷本文所得到的二次反射Pg震相傳播路徑在OBS廣角地震探測中是普遍適用的.

二次反射Pg震相對地殼成像主要有兩方面的作用：首先，其傳播過程中在沉積層之間的反射能有效約束沉積基底面深度，彌補了沉積層反射震相不足或沉積層較薄時折射震相難識別的缺陷.另外，二次反射Pg震相射線傳播路徑相比初至Pg震相多一次折射前的沉積層間上下反射，使得沉積層的射線覆蓋密度是只有初至Pg震相時的3倍(圖5)，同時從圖7、8、9、10實測OBS臺站射線追蹤可以看到，不但在沉積層有明顯的射線增加，在上地殼也有少量射線的增加.這就大大增加了正演的約束力度，同時由于射線密度的增加，使得反演結果更加可靠(Operto et al.,2006；Wong et al.,2012).從二次反射Pg震相對地殼成像精度效果(圖11，13，14)可知，二次反射Pg震相大大提高了沉積層和上地殼的成像精度，對速度擾動恢復能力顯著提高，有助于我們獲得更精細的速度異常結構.

相信在未來的地震成像發展中，豐富的多次波Pg震相為沉積層中速度異常的精確獲取也為資源的定位打下基礎.事實上，從絕大多數實測的OBS地震記錄數據中都可發現較引人注目的多次波現象，不僅Pg震相的多次波發育，Ps震相甚至PmP震相都有多次波的發育，如何利用這些多次波信息來探測和獲取地殼內部精細結構是目前地震成像的發展方向之一.

致謝本研究得到2012年國家自然科學基金委共享航次的資助，感謝“實驗2號”全體船員所付出的努力，感謝中國科學院地質與地球物理研究所在OBS方面給予的大力支持，文章寫作過程中得到丘學林研究員、趙明輝研究員的指導和建議，敖威提供了OBS2006測線的相關數據，在此一并致謝.

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(本文編輯何燕)

Characteristics of secondary Pg phases from OBS wide-angle seismic survey and their role in crustal imaging

WAN Kui-Yuan1,2,CAO Jing-He1,XIA Shao-Hong1,SUN Jin-Long1*,Huang Hai-Bo1,XU Hui-Long1

1 CAS Key Laboratory of Marginal Sea Geology,South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510301,China 2 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

How to eliminate or utilize secondary waves is one of the significant topics in processing of seismic data of seismic exploration.Little work is concerned with this aspect of wide-angle seismic survey using the ocean bottom seismometer (OBS),especially taking advantage of the secondary waves to improve seismic imaging.This study attempts to deepen understanding of the characteristics of the secondary Pg phase and to discuss its application to seismic imaging in OBS wide-angle seismic survey.

Ocean Bottom Seismometer；Secondary Pg phase；Wide-angle seismic survey；Crustal structure；Imaging resolution

萬奎元，曹敬賀，夏少紅等.2016.OBS廣角地震探測中二次反射Pg震相特征及在地殼結構成像中的作用.地球物理學報，59(8):2818-2832,

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國家自然科學基金(41376060，91328206，41222039，91028002)，中國科學院先導科技專項A類項目(XDA11030102-02)，中國科學院知識創新工程青年人才領域前沿項目(SQ201303)聯合資助.

萬奎元，男，1988年生，博士研究生，研究方向為海洋地球物理.E-mail:kywan@scsio.ac.cn

孫金龍，博士，副研究員，主要從事海洋構造地球物理研究.E-mail:sunjl@scsio.ac.cn

10.6038/cjg20160809

P738

2015-09-01，2015-12-09收修定稿