CN117572530B - 一种重力反演莫霍面和海底地震联合厘定洋陆边界的方法 - Google Patents
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Abstract
一种重力反演莫霍面和海底地震联合厘定洋陆边界的方法，利用重力反演莫霍面深度厘定洋陆边界的技术，通过三维约束莫霍面反演算法计算莫霍面深度数据，用地形数据减去沉积物厚度数据得到基底深度数据，再用基底深度数据减去莫霍面深度数据得到地壳厚度数据，然后对海底地震剖面进行2.5D人机交互密度反演得到密度剖面，收集地质背景资料以获得确定洋陆边界对应的地壳厚度，再以重力反演的相应地壳厚度等厚度线确定洋陆边界，本发明通过结合重力和地震数据，在利用重力异常特征厘定洋陆边界过程中加入地震结果的约束，使得结果更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，特别涉及一种重力反演莫霍面和海底地震联合厘定洋陆边界的方法。
背景技术
大陆-海洋边界(COB)是全球构造学中一个众所周知的概念，它被认为可以区分不同的大陆和海洋地壳类型。
在板块构造学之前，很少有人对COB的形成过程进行详细的关注，直到后来人们发现COB的形成可能是板块运动的结果，这些运动是收敛的、发散的或是稳定的。人们特别注意在板块离散过程中形成的大陆边缘，因为它们包含了相对板块运动的记录，而且它们是厚沉积物和碳氢化合物储备的集聚地。目前对于洋陆COB边界的厘定方法有很多，例如通过折射地震、反射地震、磁异常、重力异常特征等地球物理手段，它的不确定性主要取决于观测到它的地球物理数据的分辨率。单一地球物理手段在厘定洋陆COB边界时具有很大的局限性，因此，我们联合重力莫霍面和海底地震（OBS）剖面，结合重震手段来厘定洋陆COB边界。
发明内容
针对现有技术存在的问题及技术要求，本发明的目的是提供了一种重力反演莫霍面和海底地震联合厘定洋陆边界的方法，结合了重力异常数据、海底地震剖面资料、地球物理资料以及地形地貌等特征，通过更专业的判断对洋陆边界进行厘定。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种重力反演莫霍面和海底地震联合厘定洋陆边界的方法，包括以下步骤：
步骤S1：收集并整理研究区已公开发表的海底地震剖面，得到莫霍面深度约束点信息；
步骤S2：对研究区内空间重力异常和水深数据进行完全布格校正，获得布格重力异常；
步骤S3：将布格重力异常与研究区沉积物厚度数据相结合，并进行沉积物重力效应校正；
步骤S4：将步骤S3中获得的校正结果与洋壳年龄数据相结合，并进行热扰动重力效应校正；
步骤S5：将步骤3和步骤4获得的剩余布格重力异常与莫霍面深度约束点信息相结合，并开始迭代循环，通过三维重力约束反演，获得最小拟合偏差的研究区莫霍面深度数据；
步骤S6：将海底地形数据减去沉积物厚度数据，获得基底深度数据，再将基底深度数据减去莫霍面深度数据，获得地壳厚度数据；
步骤S7：对海底地震剖面进行2.5D人机交互密度反演，获得密度剖面，确定洋陆边界对应的地壳厚度；
步骤S8：通过重力反演莫霍面深度获得地壳厚度的相应等厚度线，确定研究区的洋陆边界位置。
所述的步骤S1中的得到莫霍面深度约束点信息，是通过数字化获得海底地震位置坐标和莫霍面深度点作为约束反演信息。
所述的步骤S2中的布格重力异常，是采用Fa2boug程序计算，每个网格点的完全布格值均消除了以该点为中心，半径范围为0~167 km范围内水层及地形变化的沉积层重力效应。
所述的步骤S3中的沉积物重力效应所采用的计算方法为：
步骤S31：将沉积层沿垂向上均分为50~100层，并采用Parker法正演相邻界面的沉积物重力效应做累加；
步骤S32：采用沉积压实模型计算沉积层密度随深度的变化：
其中，为海水密度，/>为沉积层基底密度，/>为孔隙度，/>为无量纲，/>为深度衰减参数。
所述的步骤S4中的热扰动重力效应校正的方法为：
岩石圈纯剪模型下地幔的温度随深度变化公式可表达为：
其中，为岩石圈底界面温度，取值范围为1250℃~1350℃，/>为目标点深度，/>为原始岩石圈厚度，/>为岩石圈拉张因子，/>为洋壳内取，/>为壳年龄，/>为岩石圈冷却热衰减常数，即/>的原始岩石圈厚度与热扩散速率/>的函数为：
。
所述的步骤S5中的获得最小拟合偏差的研究区莫霍面深度数据，包括以下步骤：
步骤S51：将莫霍面深度约束点与去除沉积层重力效应和热扰动重力效应的剩余布格重力异常进行线性回归计算，获得初始莫霍面深度；
步骤S52：计算初始莫霍面重力异常与布格重力异常差值，用重力异常差值反演初始莫霍面深度，获得莫霍面深度改正值；
步骤S53：叠加莫霍面深度改正值，获得莫霍面深度，并计算与海底地震剖面莫霍面深度点的均方根误差；
步骤S54：重复步骤S52与步骤S53，进行循环迭代后，获得最小均方根误差。
所述的步骤S7：对海底地震剖面进行2.5D人机交互密度反演，获得密度剖面，确定洋陆边界对应的地壳厚度，包括以下步骤：
步骤S71：收集研究区地球物理资料，确定地层各层界面深度，以及与其对应的地震波速；
步骤S72：根据岩石密度与地震纵波速度经验公式，建立始地壳密度模型，并将重力异常数据导入2.5D人机交互密度反演；
步骤S73：根据步骤71确定的初始层密度设置初始反演层与密度参数，建立起初始的交互密度反演模型，并将密度模型向两侧延伸，与剖面线正交进行额外拉伸；
步骤S74：在地震剖面地层层数据的约束下，横向调节每一层的密度参数，设置不同的密度模块，使得反演模型重力异常值与实测值接近一致；
步骤S75：依据海底地震剖面反演结果，厘定剖面上洋陆边界位置，并确定洋陆边界对应的地壳厚度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种重力反演莫霍面和海底地震联合厘定洋陆边界的方法，利用重力反演莫霍面深度厘定洋陆边界的技术，通过三维约束莫霍面反演算法计算莫霍面深度数据，用地形数据减去沉积物厚度数据得到基底深度数据，再用基底深度数据减去莫霍面深度数据得到地壳厚度数据，然后对海底地震剖面进行2.5D人机交互密度反演得到密度剖面，收集地质背景资料以获得确定洋陆边界对应的地壳厚度，再以重力反演的相应地壳厚度等厚度线确定洋陆边界，从而使得本发明结合了多种地球物理数据，在一定程度上弥补了单一地球物理数据厘定洋陆边界的不足，与此同时，本方法简单、快捷、实用，同时效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下列举本发明的具体实施方法。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述及其他目的、特征和优点，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是本发明的重力反演莫霍面深度流程示意图；
图3是本发明的莫桑比克陆缘的海底地震剖面2.5D人机交互密度反演结果图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
实施例1：
如图1所示，一种重力反演莫霍面和海底地震联合厘定洋陆边界的方法，包括以下步骤：
步骤S1：收集并整理研究区已公开发表的海底地震剖面，得到莫霍面深度约束点信息；
步骤S2：对研究区内空间重力异常和水深数据进行完全布格校正，获得布格重力异常；
步骤S3：将布格重力异常与研究区沉积物厚度数据相结合，并进行沉积物重力效应校正；
步骤S4：将步骤S3中获得的校正结果与洋壳年龄数据相结合，并进行热扰动重力效应校正；
步骤S5：将步骤3和步骤4获得的剩余布格重力异常与莫霍面深度约束点信息相结合，并开始迭代循环，通过三维重力约束反演，获得最小拟合偏差的研究区莫霍面深度数据；
步骤S6：将海底地形数据减去沉积物厚度数据，获得基底深度数据，再将基底深度数据减去莫霍面深度数据，获得地壳厚度数据；
步骤S7：对海底地震剖面进行2.5D人机交互密度反演，获得密度剖面，确定洋陆边界对应的地壳厚度；
步骤S8：通过重力反演莫霍面深度获得地壳厚度的相应等厚度线，确定研究区的洋陆边界位置。
如图2所示，步骤S1中的得到莫霍面深度约束点信息，是通过数字化获得海底地震位置坐标和莫霍面深度点作为约束反演信息。
步骤S2中的布格重力异常，是采用Fa2boug程序计算，每个网格点的完全布格值均消除了以该点为中心，半径范围为0~167 km范围内水层及地形变化的沉积层重力效应，反映了地下界面的密度波动以及异常密度体引起的扰动，对于不同区域应用不同的计算模式，既保证了计算精度，又提高了计算效率。
步骤S3中的沉积物重力效应所采用的计算方法为：
步骤S31：将沉积层沿垂向上均分为50~100层，并采用Parker法正演相邻界面的沉积物重力效应做累加；
步骤S32：采用沉积压实模型计算沉积层密度随深度的变化：
其中，为海水密度，/>为沉积层基底密度，/>为孔隙度，/>为无量纲，/>为深度衰减参数。
步骤S4中的热扰动重力效应校正的方法为：
岩石圈纯剪模型下地幔的温度随深度变化公式可表达为：
其中，为岩石圈底界面温度，取值范围为1250℃~1350℃，/>为目标点深度，/>为原始岩石圈厚度，/>为岩石圈拉张因子，/>为洋壳内取，/>为壳年龄，/>为岩石圈冷却热衰减常数，即/>的原始岩石圈厚度与热扩散速率/>的函数为：
。
步骤S5中的获得最小拟合偏差的研究区莫霍面深度数据，包括以下步骤：
步骤S51：将莫霍面深度约束点与去除沉积层重力效应和热扰动重力效应的剩余布格重力异常进行线性回归计算，获得初始莫霍面深度；
步骤S52：计算初始莫霍面重力异常与布格重力异常差值，用重力异常差值反演初始莫霍面深度，获得莫霍面深度改正值；
步骤S53：叠加莫霍面深度改正值，获得莫霍面深度，并计算与海底地震剖面莫霍面深度点的均方根误差；
步骤S54：重复步骤S52与步骤S53，进行循环迭代后，获得最小均方根误差。
在重力反演中，由于反演结果的非唯一性，在反演过程中加入除重力数据之外的地球物理先验信息对于获取更符合实际的密度结构模型帮助重大，故而采用改进后的三维重力约束界面反演算法反演莫霍面，以使得重力反演结果更贴近地震观测结果。
步骤S7：对海底地震剖面进行2.5D人机交互密度反演，获得密度剖面，确定洋陆边界对应的地壳厚度，包括以下步骤：
步骤S71：收集研究区地球物理资料，确定地层各层界面深度，以及与其对应的地震波速；
步骤S72：根据岩石密度与地震纵波速度经验公式，建立始地壳密度模型，并将重力异常数据导入2.5D人机交互密度反演；
步骤S73：根据步骤71确定的初始层密度设置初始反演层与密度参数，建立起初始的交互密度反演模型，并将密度模型向两侧延伸，与剖面线正交进行额外拉伸；
步骤S74：在地震剖面地层层数据的约束下，横向调节每一层的密度参数，设置不同的密度模块，使得反演模型重力异常值与实测值接近一致；
步骤S75：依据海底地震剖面反演结果，厘定剖面上洋陆边界位置，并确定洋陆边界对应的地壳厚度。
以莫桑比克陆缘的洋陆边界厘定为例，采用基于CryoSat~2和Jason~1测高卫星探测数据所计算得到的自由空间重力异常数据，结合已知莫霍面深度的控制点，使用三维约束重力反演法获取到莫桑比克大陆边缘处的区域莫霍面深度及地壳厚度分布，同时基于此重力数据，结合南部陆缘MZ05地震测线的速度层深度信息，使用2.5D人机交互密度反演，得到测线处的地壳密度分布；再收集地质背景资料，依据密度剖面对地壳性质做出划分，根据划分结果判定洋陆边界所在位置对应的地壳厚度，再以重力反演的相应地壳厚度等厚度线确定莫桑比克陆缘的洋陆边界。
2.5D人机交互密度反演过程：
收集总结莫桑比克南部陆缘处的地球物理资料，如深部地震资料、多道地震资料等，确定初始层数与其对应的初始密度。根据此处所做的地震资料研究，将初始层分为五层。第一层为海水层，初始密度设置为1.03g/cm3；第二层为沉积层，初始密度设置为2.31g/cm3；第三层为地壳层，初始密度设置为2.80g/cm3；第四层为下地壳高密度体层，初始密度设置为3.12g/cm3；第五层为地幔层，初始密度设置为3.33 g/cm3。其中，根据莫桑比克南部陆缘处的前人研究的多道地震测线以及深部地震测线，我们将沉积层细分为裂前沉积层和裂后沉积层；陆壳层分为上地壳、中地壳与下地壳；洋壳层分为洋壳1层、洋壳2层和洋壳3层。
总结此处所进行过的重震联合反演经验，根据不同的地震波速层与密度层的关系在DZ01地震剖面中提取各层界面深度，利用Christensenand Mooney（1995）得到的岩石密度与地震纵波速度经验公式/>，建立初始地壳密度模型并将其与重力异常数据导入2.5D人机交互密度反演，根据第一步确定的初始层密度设置初始反演层与密度参数，从而建立起初始的密度模型，并将密度模型向两侧延伸100 km，并与剖面线正交进行额外拉伸，以减少边缘效应。
在深部地震速度层数据的约束下，横向调节每一层的密度参数，设置不同的密度模块，使得反演模型重力异常值与实测值的误差，一般小于3mGal时，反演模型与实际地质情况想接近，我们反演得到的结果误差在2.558mGal。
依据剖面反演结果，厘定洋陆边界位置，并确定洋陆边界对应的地壳厚度约为13.5km，如图3所示。
地壳厚度反演过程：
按照前述的反演流程，具体实施时我们根据莫桑比克陆缘处已发表的的深部地震剖面，通过尝试不同深度点约束反演效果，我们选取了北部区域165个莫霍面深度点，作为控制点进行约束反演，在南部区域与北部区域均获得较好的反演结果，反演均方误差为2.3km，最后得到的莫霍面深度和地壳厚度结果。
莫桑比克陆缘的洋陆边界厘定：
最终以重力反演的13.5km地壳厚度等厚度线确定莫桑比克陆缘的洋陆边界位置。
以上所述实例的各技术特征可以进行任意组合，为使描述简洁，未对上述实例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和非实质性的改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种重力反演莫霍面和海底地震联合厘定洋陆边界的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：收集并整理研究区已公开发表的海底地震剖面，得到莫霍面深度约束点信息；
步骤S2：对研究区内空间重力异常和水深数据进行完全布格校正，获得布格重力异常；
步骤S3：将布格重力异常与研究区沉积物厚度数据相结合，并进行沉积物重力效应校正；
步骤S4：将步骤S3中获得的校正结果与洋壳年龄数据相结合，并进行热扰动重力效应校正；
步骤S5：将步骤3和步骤4获得的剩余布格重力异常与莫霍面深度约束点信息相结合，并开始迭代循环，通过三维重力约束反演，获得最小拟合偏差的研究区莫霍面深度数据；
步骤S6：将海底地形数据减去沉积物厚度数据，获得基底深度数据，再将基底深度数据减去莫霍面深度数据，获得地壳厚度数据；
步骤S7：对海底地震剖面进行2.5D人机交互密度反演，获得密度剖面，确定洋陆边界对应的地壳厚度，包括以下步骤：
步骤S71：收集研究区地球物理资料，确定地层各层界面深度，以及与其对应的地震波速；
步骤S72：根据岩石密度与地震纵波速度经验公式，建立始地壳密度模型，并将重力异常数据导入2.5D人机交互密度反演；
步骤S73：根据步骤71确定的初始层密度设置初始反演层与密度参数，建立起初始的交互密度反演模型，并将密度模型向两侧延伸，与剖面线正交进行额外拉伸；
步骤S74：在地震剖面地层层数据的约束下，横向调节每一层的密度参数，设置不同的密度模块，使得反演模型重力异常值与实测值接近一致；
步骤S75：依据海底地震剖面反演结果，厘定剖面上洋陆边界位置，并确定洋陆边界对应的地壳厚度；
步骤S8：通过重力反演莫霍面深度获得地壳厚度的相应等厚度线，再结合步骤S7获得的密度剖面对地壳性质做出划分判定洋陆边界所在位置对应的地壳厚度，确定研究区的洋陆边界位置。
2.根据权利要求1所述的一种重力反演莫霍面和海底地震联合厘定洋陆边界的方法，其特征在于，所述的步骤S1中的得到莫霍面深度约束点信息，是通过数字化获得海底地震位置坐标和莫霍面深度点作为约束反演信息。
3.根据权利要求1所述的一种重力反演莫霍面和海底地震联合厘定洋陆边界的方法，其特征在于，所述的步骤S2中的布格重力异常，是采用Fa2boug程序计算，每个网格点的完全布格值均消除了以该点为中心，半径范围为0~167 km范围内水层及地形变化的沉积层重力效应。
4.根据权利要求1所述的一种重力反演莫霍面和海底地震联合厘定洋陆边界的方法，其特征在于，所述的步骤S3中的沉积物重力效应所采用的计算方法为：
步骤S31：将沉积层沿垂向上均分为50~100层，并采用Parker法正演相邻界面的沉积物重力效应做累加；
步骤S32：采用沉积压实模型计算沉积层密度随深度的变化：
其中，为海水密度，/>为沉积层基底密度，/>为孔隙度，/>为无量纲，/>为深度衰减参数。
5.根据权利要求1所述的一种重力反演莫霍面和海底地震联合厘定洋陆边界的方法，其特征在于，所述的步骤S4中的热扰动重力效应校正的方法为：
岩石圈纯剪模型下地幔的温度随深度变化公式可表达为：
其中，为岩石圈底界面温度，取值范围为1250℃~1350℃，/>为目标点深度，/>为原始岩石圈厚度，/>为岩石圈拉张因子，/>为洋壳内取，/>为壳年龄，/>为岩石圈冷却热衰减常数，即/>的原始岩石圈厚度与热扩散速率/>的函数为：
。
6.根据权利要求1所述的一种重力反演莫霍面和海底地震联合厘定洋陆边界的方法，其特征在于，所述的步骤S5中的获得最小拟合偏差的研究区莫霍面深度数据，包括以下步骤：
步骤S51：将莫霍面深度约束点与去除沉积层重力效应和热扰动重力效应的剩余布格重力异常进行线性回归计算，获得初始莫霍面深度；
步骤S52：计算初始莫霍面重力异常与布格重力异常差值，用重力异常差值反演初始莫霍面深度，获得莫霍面深度改正值；
步骤S53：叠加莫霍面深度改正值，获得莫霍面深度，并计算与海底地震剖面莫霍面深度点的均方根误差；
步骤S54：重复步骤S52与步骤S53，进行循环迭代后，获得最小均方根误差。
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