深地震测深资料反演解释的可视化

一、引言

深地震测深作为地球物理勘探方法的一个分支，以整个地壳深度的内部构造以及上地幔顶部为探测对象，是研究大陆地壳演化过程的重要手段，在矿产资源的战略性预测、地震灾害的深部背景研究等方面发挥着巨大作用。

自20世纪70年代以来，原地质矿产部、国家地震局开展了大规模的深地震测深工作，积累了大量原始数据及相关成果资料，这些基础性研究曾为我国的地球科学进展和国民经济建设提供了强有力的支持。但是，由于早期数据资料多利用光点记录纸、录音磁带、大型磁带等介质保存，资料存贮格式不统一，保管单位分散，不仅不利于数据资料共享研究，而且还面临各种自然及人为原因导致损毁的问题。因此，国土资源部、国家科学技术部资助实施一系列旨在整理、保存和利用中国大陆地球物理资料的数据库及共享项目：1998年6月至2000年12月的“深部地球物理探测数据共享与研究”项目；2000～2002年的中国地学大断面与深部地球物理资料整理（国土资源部部分）；2001～2004年的“中国岩石圈三维结构数据库”。这些项目的实施不仅使国家花费巨资得来的珍贵资料得以保存，而且按不同技术方法建立综合地球物理数据库，为实现数据共享创造了条件。

在建设数据库的过程中，笔者参加了深地震测深子库部分研究工作，有感于以前深地震测深资料处理解释的复杂，就建立一种全新、方便、直观的正反演解释系统进行了尝试，以弥补DOS系统存在的人机对话界面不友好、效率低下、显示不直观等诸多不足。

二、基本思想

旨在建立一个直观、方便、可在微机屏幕上用鼠标完成一系列操作的深地震测深解释系统。比如用鼠标随意拾取震相，然后由系统自动判别波的类型进行反演，如不满意，可随时返回，重复进行上述步骤乃至最终完成一个深地震测深工程资料的解释过程。

该系统作为地球物理数据库初步反演的一部分，首先从深部地球物理深地震测深数据库调出数据，然后将记录截面图显示在屏幕上，操作者可随时调整时间窗口、距离窗口、比例尺、振幅放大系数等相关参数，也可进行滤波选择，所选参数既可用键盘直接输入，也可以用鼠标点击完成，在调整好记录截面图之后，用鼠标在屏幕上点击相应震相，点击一次拾取一组数据，然后将所拾取的震相存贮到文件中。

点击反演解释按钮，屏幕弹出一个窗体，显示拾取数据的视速度，系统根据视速度判别所拾取震相为何种类型的波；如果视速度随距离增大而减小，则判别为回折波；如果视速度随距离增大而增大，则判别为反射波；如果视速度随距离变化基本保持不变，则判别为折射波。并将相应标志显示在各类波的按钮前，点击相应按钮进行不同类型波的反演，得出相应的速度及深度值，并可绘制界面图以供参考，同时可以保存所得结果。

三、系统设计

图1 深地震测深可视化系统设计流程

本系统采用面向对象程序设计语言VisualBasic6.0设计，设置10个窗体和三个相应模块以实现所设计的功能，系统流程见图1。

主要窗体有：启动窗体，反演程序的主窗体，显示波形图、拾取震相及反演的子窗体，绘制视速度图以判别波的类型的子窗体，显示回折波反演的子窗体，反射波反演的子窗体，显示界面及走时的子窗体，显示读取数据的子窗体，显示有关本程序信息的子窗体，还有专为频谱分析而设计的子窗体。

主要模块有：定义程序中用到的主要公用变量的模块；从地球物理数据库中读取所有原始数据的模块；实现各种功能公用函数的模块，包括计算滤波系数函数、滤波函数、排序函数、求平均值函数、求最大值函数、多项式拟合函数；其他函数分别定义在各窗体中，并为各窗体模块所调用，以实现各自功能。

四、几个问题

1.数据读取

本文作为“中国岩石圈三维结构数据库项目”深地震测深子项目研究内容的一部分，所涉及的原始数据全部来自深地震测深数据子库，读取的原始数据按存取顺序分别为：工程名、测线总数、测线名、测线类型、炮点总数、道名、炮点经度（度、分、秒）、炮点纬度（度、分、秒）、炮点高程、总炸药量、爆炸类型、激发岩性、放炮时间（年、月、日、时、分、秒）、炮点零时校正、记录总点数、记录开始时间、记录结束时间、台站号、台站经度（度、分、秒）、台站纬度（度、分、秒）、台站高程、炮检距、方位、开始记录时间、结束记录时间、记录时间长度、折合速度、采样间隔、采样点数、采样频率、数字记录类型、总采样点数、然后是按各测点的径向（L）、横向（T）、垂向（Z）、时间道依次排列的数字化样值数据。

2.截面图的绘制

读取数据之后，对数据进行道均衡、归一化处理，选取坐标原点、比例尺，将数据转换成屏幕上相对坐标的点，绘制记录截面图。如果对绘制的图形不满意，可对截面图的时间窗口、距离窗口、放大系数等重新进行设置，并可选择滤波去除干扰以突出有效波。

3.参数选择

在PLUCH反演、记录截面图、频谱分析中要选择绘图参数。本文采用两种模式，一种在文本框中直接用键盘输入，另一种利用VB6.0的Updown控件，用鼠标点击上下按钮，使数值增减。二者不同之处在于用Updown控件输入数据为整型数，如要求实型数则必须用键盘输入。

4.震相拾取

本方法利用鼠标的MouseMove、MouseDown方法实现对震相的拾取，因为记录截面图的真实数据已经经过转换绘制到屏幕上，所以对震相的拾取，即转化为对屏幕坐标的拾取，利用十字光标的指示在选定位置点击拾取震相，并将实际震相显示到相应窗口中，拾取完毕后，将数据保存到文件中。

5.反演问题

（1）回折波反演：回折波的产生理论上要求下层介质速度大于上层介质速度，或者同一层内介质速度随深度增加而增加。因此，拾取震相不符合反演要求将得不到正确的结果，为使数据符合反演要求，对其进行了圆滑，事实证明是行之有效的办法。

（2）反射波反演：本方法利用A.Hiron提出的PLUCH方法（剥皮法），假定地下介质为均匀层状介质，在已知炮检距X、走时T的情况下，计算V（r₀，P）、V（r₀，T）曲线，其中r₀、P、T分别为反射点到地球球心的距离、测点的射线参数、测点的走时，两曲线交点的横纵坐标分别为反射点处的速度和深度。本方法精度低、效率高，为一种初步反演的解释方法，为提高精度往往取几组距离和走时数据进行计算，取各曲线交点的平均值作为反演的深度和速度。

（3）折射波反演：折射波为地震波入射角达到或超过临界角时在速度界面上的滑行波，其速度等于下层介质的速度，反映在记录截面图上为具有固定斜率波的初至。反演相对简单，任取两点连线即可求出折射波速度，为减小误差，本方法采用最优化方法取一组数据，根据一次方程拟合出直线的斜率，其倒数即为要反演的速度。

6.频谱分析

频谱分析是对一定范围内的不同频率计算振幅谱，然后绘制频率-振幅谱曲线，分析其主频，为选取滤波参数提供参考信息。

五、应用实例

本系统启动后如图2。点击鼠标左键进入绘制记录截面图界面，如图3。图下部左边为参数选项，选项卡中分为截面图参数选择、道选择、滤波选择。道选择和滤波选择为单选按钮。如果选择滤波，则可选择低通及高通频率值。点击“默认值”按钮，将各项参数设置为默认值。点击“重绘”按钮，根据当前参数重新绘制记录截面图。界面下部中间位置是显示拾取震相数值的窗口，右侧为功能按钮，分别为“清除拾取”“保存数据”“拟合反演”“频谱分析”“返回”。

图2 系统启动界面

点击“工程炮点”列表中的任一数据文件名，出现一个小窗体，提示正在读数，同时鼠标变为忙的状态，一旦鼠标显示正常，提示读数完成，可以进行下一步操作。

点击“清除拾取”做好拾取震相的准备工作，记数器清零，然后用鼠标在记录图上点击。点击一次，在屏幕上画出一个十字显示所在位置，同时在中间窗口显示所拾取震相的数值。如果取值结束，点击保存按钮，给出要保存的文件名，将数据保存到文件中。点击“拟合反演”弹出一个文件对话框，选择一个保存有震相数据的文件，确定后则进入波的类型判别界面，如图4。左侧显示视速度图，右侧从上到下为“回折波反演”按钮、“反射波反演”按钮、“折射波反演”按钮，在三个按钮左侧分别有一个显示波类型的标志，反演拟合判别为三种波中的哪一种，则在其前的标志中显示一个黑色圆点。

图3 记录截面图

图4 拾取震相的视速度图

点击“折射波反演”按钮，在界面下部列表框中显示反演的折射波速度。

点击“反射波反演”按钮，进入反射波PLUCH方法反演界面，如图5。左侧为V（r₀，P）、V（r₀，T）曲线图，图中显示横坐标为速度、纵坐标为深度，两簇曲线交点的横纵坐标即为要反演的地壳平均速度及深度。右侧为选择项，参数选项有最小速度、最大速度、最小深度、最大深度、速度刻度、深度刻度，默认值分别为0、12、0、120、1、1，可通过键盘或鼠标修改参数并重新绘制以使图形清晰，拾取准确。图中红色十字为各曲线交点，绿色十字为众多曲线交点的平均值，点击之即取得速度和深度值。在已拾取震相和平均速度的情况下，点击“绘界面图”按钮即可看到均匀介质中的射线路径及相应走时的拟合图，如图6所示。

图5 PLUCH方法反演的地壳平均速度和深度

图6 反射波走时拟合及界面图

点击“回折波反演”按钮，如图7。图中显示反演的回折波（PG）速度结构，横轴为速度参数，纵轴为反演的深度。

在绘制记录截面图之后，点击“频谱分析”按钮，进入频谱分析界面，如图8。左侧为记录图，中部为频谱图，右侧为各个选项，分别为窗口选项、坐标刻度选项、道选项，时间窗口和频率窗口的范围为数据子库中读取的上下限，刻度选项为任意大于0的数值，道选择为单选按钮，只须用鼠标点击即可。在设置好参数之后，点击台站选项中的台站列表，即可显示相应台站在选定时段的记录图、选定频段的频谱图。在频谱图中取得的有效波主频可为选择适当的滤波参数提供参考。

图7 回折波反演的速度、深度曲线

图8 频谱分析曲线

六、结语

实践证明，Visual Basic6.0语言在深地震测深反演解释中具有DOS环境程序设计语言无法比拟的优势。本文作为面向对象程序设计语言在深地震测深反演解释方面的初步尝试，将DOS环境下相当繁复的深地震测深资料初步解释流程整合为可视化的解释系统，目前尚未涉及理论方法改进的问题。有关问题是笔者进一步研究的目标。