一种城市活断层探测中的隐伏断裂成像方法

摘要

本发明提供了一种城市活断层探测中的隐伏断裂成像方法，包括：定义目标函数；将每一次的线性迭代问题可归结为求解1个δm，使得目标函数最小；进行震相分析：利用多个炮的多个分支的地震折射记录分析；步骤4，选择正反演参数并进行反演。还提供对应的装置、电子设备以及计算机可读存储介质，以正则化走时成像方法为基础，对初至波的走时数据进行成像研究，基于这一高分辨率剖面数据，使用地震层析反演方法对反映该区域上地壳结构的Pg走时数据进行成像，获得了城市圈区域上地壳二维精细速度结构模型，获得该区不同构造单元结晶基底的地震学特征，从而进一步提升对该区主要断裂构造的空间展布特征及其与区域强震活动关系的认识。

说明书

技术领域

本发明涉及地震探测以及断裂成像技术领域，特别是一种城市活断层探测中的隐伏断裂成像方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。

背景技术

断层在构造演化和孕震过程中扮演着关键作用，确定断层的空间展布形态是地震学研究的重要内容。在断层倾角较小时，近垂直地震反射法是确定断层形态的重要方法，而大倾角断层则是地震探测的难点和石油勘探研究中重点关注的问题。现有技术中包括利用侧向波形成像方法得到圣安德列斯断层的准确形态。在针对活断层探测的折射地震资料解释中，如何准确判定断裂位置及其几何展布形态是关键。现有技术还包括基于断层两侧一般对应于不同物性岩石地层的假设，利用走时曲线在断层两侧的差异和变化来确定断层位置，并将之用于LARSE II的高分辨地震折射数据解释。基于同样的断层两侧波速存在变化这个假设，利用沿剖面的层析速度变化来确定断裂位置，同时也可对断裂的垂向展布形态进行分析。由于初至波走时丞相中会采用不同类型的平滑约束，因此直接根据速度成像结果难以获得明显的横向速度变化，对判定断层的位置和空间展布带来困难，因此地震折射成像一般采用速度结构的横向变化来分析断层形态。现有技术还有利用三维速度梯度来约束速度变化，进而寻找断层对应关系，此外还包括利用走时成像获得的最终速度模型求取一维平均模型，并将最终模型与该一维平均模型求取差值，该速度差方法分析得到了断裂为正断层的空间展布形态，与反射地震和钻探结果具有较好的一致性。

城镇是人类文明的象征，随着中国城镇化进程进入新的阶段，特大城市及城市群的地震灾害风险防范日益成为韧性城乡建设所面临的重要环节。在大中型城市汇集的城市群及其邻近区域，利用高分辨地震折射探测方法开展城市活断层探测，对于开发利用城市地下空间、提升城市韧性、构建城市减灾参考模型和规范地震及地质灾害，具有重要的科学和现实意义。高分辨率折射观测提供了对上地壳密集采样的地震观测数据，初至波走时方法利用这些观测资料构建上地壳精细结构的主要方法。对于初至波走时成像，正演算法传统上采用有限差分方法求解程函方程，反演方法包括无需进行矩阵计算而效率较高的反投影方法。反投影算法虽然计算效率较高，但是在射线密集的高速区域会带来较大计算误差。即使在迭代过程中引入权重因子以避免射线集中带来的误差累积，但反投影方案发并非真正的反演方法。正则化方法在解病态方程组时引入一些正则化约束条件去处理解的欠定部分或防止数据过度拟合的情况，正则化过程可视为反演走时曲线，而非拟合单点走时。因此，现有技术的方法总是存在这样那样的缺陷，使得成像效果并不十分理想。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种城市活断层探测中的隐伏断裂成像方法，以正则化走时成像方法为基础，对初至波的走时数据进行成像研究，基于这一高分辨率剖面数据，使用地震层析反演方法对反映该区域上地壳结构的Pg走时数据进行成像，获得了城市圈区域上地壳二维精细速度结构模型，获得该区不同构造单元结晶基底的地震学特征，从而进一步提升对该区主要断裂构造的空间展布特征及其与区域强震活动关系的认识。

本发明的目的在于提供一种城市活断层探测中的隐伏断裂成像方法，包括步骤：

步骤1，定义目标函数：

其中，m为模型矢量，δt为数据残差，Cd为数据协方差矩阵，C

步骤2，将每一次的线性迭代问题可归结为求解1个δm，使得目标函数最小：

其中，L为目标函数的偏导数矩阵，m

步骤3，进行震相分析：利用多个炮的多个分支的地震折射记录分析，包括：爆破记录截面分析，Pg波组的折合到时影响因素分析以及Pg波组的折合到时计算以及可追踪的炮检距计算结果；

步骤4，选择正反演参数并进行反演。

优选的，所述步骤1采用的初始模型为多次迭代选取的最优初始模型，即分析走时数据，对优质记录计算和分析视速度和深度的关系，构建1个基于个别优质数据的最初参考模型，然后利用走时成像方法迭代反演，获得符合反演结束条件的模型后，对该模型求取一维平均值获得一维模型。

优选的，如果所述一维模型存在易对反演产生误导的异常结构，则对该一维模型进行平滑，通过多次非线性迭代反演，反复求取一维平均模型，最终获得1个最佳一维模型。

优选的，所述步骤4包括：模型参数化，所述模型参数化过程将观测系统全部包含在内，同时包含地形信息，正演模型采用格点对研究区进行网格化，最终构建多个格点，根据选取初始模型过程中的多次迭代反演试验，定义水平与垂向的平滑权重因子z s，通过多次非线性迭代，减少全部走时的均方根残差，保证最终模型在走时拾取误差范围内恰当拟合观测走时曲线，无过度拟合及拟合不足，最终模型是符合正则化约束、以拟合数据的合理模型。

优选的，还包括步骤5，为评估上地壳成像结果的模型分辨，采用多尺度检测板相似度分析方法对结果进行稳定性检验和分辨分析，包括：以不同尺度检测板的主要特征恢复能力作为走时成像分辨的指标，将不同尺度检测板试验中每个棋盘格内速度异常的恢复总量与真实模型速度异常的总量进行对比，为检测板恢复试验提供了一个能够量化的指标。

优选的，所述步骤5还包括：利用前述反演得到的最终模型作为输入模型，在所述输入模型加入±5％的速度扰动后，对获得的走时加入±5％的随机噪音进行反演。

优选的，还包括步骤6，进行成像结果分析，对最终获得的速度结构模型和射线覆盖通过速度差分析揭示断裂形态特征以及Pg波震相横向变化约束断裂位置，所述通过速度差分析揭示断裂形态特征包括：采用速度模型与背景模型的速度差方法来获取沿剖面速度模型与一维背景模型的速度差值来判定沿剖面断裂的几何特征，即将反演获得的最终速度模型求取一维平均模型，并将最终速度模型与该一维平均模型相减，获得了沿剖面的速度变化及其与断层的对应关系；所述Pg波震相横向变化约束断裂位置包括：当断裂两侧存在较大速度差时，在地震记录截面中，初至波震相会发生一定程度的超前、滞后以及振幅的强弱不连续变化现象，将所述现象作为判定断裂位置的标志及依据，将其应用于LARSE II的高分辨地震折射数据解释。

本发明的目的还在于提供一种城市活断层探测中的隐伏断裂成像装置，包括：

(1)函数定义模块，用于定义目标函数：

其中，m为模型矢量，δt为数据残差，Cd为数据协方差矩阵，C

(2)函数计算器，用于将每一次的线性迭代问题可归结为求解1个δm，使得目标函数最小：

其中，L为目标函数的偏导数矩阵，m

(3)震相分析器，用于利用多个炮的多个分支对地震折射记录进行分析；

(4)反演模块，用于选择正反演参数并进行反演。

本发明的目的还在于提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现所述城市活断层探测中的隐伏断裂成像方法的步骤。

本发明的目的还在于提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现所述程序时实现所述城市活断层探测中的隐伏断裂成像方法的步骤。

本发明的有益效果：

以正则化走时成像方法为基础，对初至波的走时数据进行成像研究，基于这一高分辨率剖面数据，使用地震层析反演方法对反映该区域上地壳结构的Pg走时数据进行成像，获得了城市圈区域上地壳二维精细速度结构模型，获得该区不同构造单元结晶基底的地震学特征，从而进一步提升对该区主要断裂构造的空间展布特征及其与区域强震活动关系的认识。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据本发明实施例的高分辨折射/反射测线位置图；

附图2为根据本发明实施例的典型记录截面图；

附图3为根据本发明实施例的初始模型的选取示意图；

附图4为根据本发明实施例的初始模型及最终模型的到时残差图；

附图5为根据本发明实施例的多尺度检测板试验恢复模型及成像分辨；

附图6为根据本发明实施例的塘沽-顺义上地壳速度模型以及射线覆盖示意图；

附图7为根据本发明实施例的上地壳最终模型速度差法与断裂构造的关系图；

附图8为根据本发明实施例的宝坻断裂(F3)、夏垫断裂(F4)合顺义-良乡断裂(F5)在地震图上的显示，其中a-i分别表示198.28炮点、249.74炮点、273.23炮点、210.92炮点、273.23炮点、286.45炮点、234.80炮点、273.23炮点以及298.09炮点。

具体实施方式

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以及其他目的、优点和特征。

位于华北平原区的京津城市圈是中国人口最密集、现代化程度最高、辐射周边能力最强的城市群之一。在区域构造上，该区位于NE向的太行山构造带东缘与EW向燕山构造带南缘的交会部位，多组断裂构造从京津城市圈内穿过和交会，且大部分断裂为隐伏断裂，断裂的深、浅部形态特征较为复杂，历史上强震多发，因而具有较高的地震灾害风险和城市灾害脆弱性。在京津城市群及其邻近地区，自最早的294AD北京延庆地震开始，至今共记录到6级以上的地震约26次，其中8级地震1次，7.0～7.9级地震6次，此外还包括大量的中小地震活动。近年来，随着移动网络的快速普及，人口聚集的城镇区域对中小地震的敏感度日益增加，提升对地震灾害的风险防范要求是增强大城市群“城市韧性”的关键。因此，在京津及周边地区开展城市活断层探测研究，探明主要活动断裂的深、浅结构特征及其几何属性，乃至深、浅部孕震构造环境，对于国土空间规划、合理开发利用城市地下空间和提升城市韧性等显得尤为重要。国际上，在人口聚集的城市或盆地区域开展高分辨地震折射探测，并构建上地壳速度及断裂结构的精细图像，其典型范例是为评价圣安德列斯大断裂的地震危险性，而在洛杉矶盆地开展的LARSE和LARSE II剖面探测工作。2006年初，中国地震局地球物理勘探中心在京津城市圈完成了1条国内迄今为止观测最为密集的高分辨地震折射探测试验剖面——顺义-塘沽剖面。该剖面的观测密度接近LARSE和LARSE II剖面，并取得了优质的爆破地震数据。曾利用该剖面部分地震宽角反射/折射数据构建了华北东北部裂陷盆地与燕山隆起区的地壳结构模型，并分析了张渤地震带东段的地震构造环境。利用覆盖沧东断裂的6炮记录，获得了沧东断裂一带的上地壳精细结构模型，并利用速度差方法获得了沧东断裂的空间展布。

塘沽-顺义高分辨地震折射剖面东起渤海之滨的天津塘沽大沽街道驴驹河村(38.88°N，117.63°E)，通过华北坳陷区北部，到达燕山褶皱带南部边缘的北京顺义区石槽镇西赵各庄(40.231°N，116.478°E)(图1)。剖面走向为NNW-SSE，全长185km，采用PDS-2型数字地震仪进行数据采集，共布设观测点267个，最小观测点距为0.35km，最大为0.70km，平均为0.51km，炮点18个，平均炮间距为12.15km。以上布局构成了完整的多重追逐相遇观测系统，是该区域目前为止最为密集的高分辨地震折射探测剖面。表1所示为塘沽-顺义高分辨地震折射剖面炮点参数表。

表1塘沽-顺义高分辨地震折射剖面炮点参数表

剖面所在地区整体位于华北断坳区，基底主要由太古界和早元古界的中深度变质岩系组成，并对区域构造的发育有着重要影响。古近纪期间，华北平原区经历了NNE—NE向的强烈拉张变形，区域内产生了多个断陷盆地，盆地之间以隆起相隔，断陷盆地内普遍沉积了4000～6000m厚的古近系，而隆起区则通常缺失古近系。新近纪以来，华北平原区以整体沉降为主，沉积了厚1200～2000m不等的新近系和第四系。其中位于测线西北端北京平原与燕山褶皱带南端相接。该区主要经历了前寒武纪结晶基底形成、前寒武纪晚期到古生代地台沉积盖层发育和中生代至新生代的地壳活化等3个大的构造演化阶段。在新生代期间，则经历了与华北平原相似的断陷和沉降过程。研究区1967年3月27日—2018年12月31日MS＞2.0地震的分布显示(图1)，该区主要有2个地震集中区，一是剖面东端的宁海以北，该区靠近唐山震区，是明显的NE向地震密集带。另一处位于剖面西北靠近燕山褶皱南端山前的北京平原，1679年三河-平谷8.0级地震是该区域历史上发生过的最大地震。此外，位于武清凹陷盆地内NE向的夏垫新断裂和黄骅坳陷内的沧东断裂上也有一些小震活动。

本实施例的城市活断层探测中的隐伏断裂成像方法，以正则化走时成像方法为基础，对初至波的走时数据进行成像研究，基于这一高分辨率剖面数据，使用地震层析反演方法对反映该区域上地壳结构的Pg走时数据进行成像，获得了城市圈区域上地壳二维精细速度结构模型，获得该区不同构造单元结晶基底的地震学特征，从而进一步提升对该区主要断裂构造的空间展布特征及其与区域强震活动关系的认识。

包括步骤：

步骤1，定义目标函数：

其中，m为模型矢量，δt为数据残差，Cd为数据协方差矩阵，C

步骤2，将每一次的线性迭代问题可归结为求解1个δm，使得目标函数最小：

其中，L为目标函数的偏导数矩阵，m

步骤3，进行震相分析；本实施例中利用18炮34个分支的地震折射记录，共拾取Pg波到时1803个。图2展示了炮点桩号128.347、234.804、249.747和298.090的爆破记录截面。Pg波组的折合到时主要受基底速度及其以上沉积盖层的厚度和速度梯度的影响。由于剖面西北段北京平原区(240～300km桩号段)靠近燕山隆起的南缘，沉积盖层较薄，基底速度较高，Pg波折合到时约1～2s(图2)；而剖面东南段240km桩号以南，尤其220km以南的华北裂陷盆地区域由于受到冀中坳陷和黄骅凹陷巨厚沉积层的影响，Pg波的折合到时约2～4s，可追踪的炮检距为15～87km；

步骤4，选择正反演参数并进行反演。

步骤1采用的初始模型为多次迭代选取的最优初始模型，即分析走时数据，对对优质记录计算和分析视速度和深度的关系，构建1个基于个别优质数据的最初参考模型，然后利用走时成像方法迭代反演，获得符合反演结束条件的模型后，对该模型求取一维平均值。如果该一维模型存在低速等易对反演产生误导的异常结构，则对该一维模型进行平滑。通过多次非线性迭代反演，反复求取一维平均模型，最终获得1个最佳一维模型。图3为一维模型的选取过程。其中，实线1为根据典型记录的视速度计算获得的最初模型；实线2为以实线1为初始模型反演获得速度模型后的平均一维模型；实线3为以实线2为初始模型反演获得速度模型的一维模型；实线4为根据实线3为初始模型反演获得的速度模型的一维模型，为最终反演所使用的初始模型。图4a为该初始模型计算得到的走时，其走时曲线从观测数据群的中央穿过，显示了该模型的合理性。

步骤4包括：模型参数化是走时成像中最基础的环节，参数化过程应将观测系统全部包含在内。本实施例中水平向模型参数化范围为桩号115～至300km，垂向为-0.5～20km，同时包含地形信息。由于平均观测点距为500m，最小观测点距约300m，正演模型采用0.25km×0.25km的格点对研究区进行网格化，最终构建了741×83个格点。由于该区域存在巨厚的沉积盆地，从地表到基底存在较大的速度梯度，因此采用0.5km×0.1km的网格反演，即水平方向网格间距为500m，深度方向网格点间距为100m。根据选取初始模型过程中的多次迭代反演试验，水平与垂向的平滑权重因子zs取为0.15。最终通过26次非线性迭代，全部1803个走时的均方根残差从443ms减小到92ms，χ

还包括步骤5，采用多尺度检测板相似度分析方法进行稳定性检验和分辨分析。

对于步骤5，为评估上地壳成像结果的模型分辨，本文采用多尺度检测板相似度分析方法对结果进行稳定性检验和分辨分析。该方法以不同尺度检测板的主要特征恢复能力作为走时成像分辨的指标，将不同尺度检测板试验中每个棋盘格内速度异常的恢复总量与真实模型速度异常的总量进行对比，为检测板恢复试验提供了一个能够量化的指标。利用前述反演得到的最终模型作为输入模型，在其上加入±5％的速度扰动后，对获得的走时加入±5％的随机噪音进行反演。检测板恢复的反演过程中，正、反演参数与前述获得最终模型的反演参数完全一致，反演中选取前述的最终模型作为初始模型，经过26次线性迭代得到了检测板恢复结果，见图5。图5a—e分别为2km×1km、5km×1km、7.5km×1.5km和10km×2km的检测板恢复结果，其中黑色实线为检测板的棋盘格点。最终，利用上述4个检测板恢复结果，与检测板输入模型计算每个棋盘格内的相似度，最终得到了如图5e和5f所示的相似度阈值分别为0.5和0.7的模型分辨。图5a为2×1km检测板恢复结果；图5b为5×1km检测板恢复结果；图5c为7.5×1.5km检测板恢复结果；图5d为10×2km检测板恢复结果；图5e为检测板恢复相似度取0.5时的成像分辨；图5f为检测板恢复相似度取0.7时的成像分辨。黑色区域为分辨优于2km的区域，白色区域为无分辨区域模型分辨结果显示：取检测板相似度0.5为检测板恢复阈值时(图5e)，速度大于等值线6.0km/s之下的区域无分辨(白色区域)。

还包括步骤6，进行成像结果分析

最终获得的速度结构模型和射线覆盖如图6所示。图6a展示了反演获得的最终P波速度模型，其中2.0～5.5km/s的速度等值线间隔为0.5km/s，5.5～6.0km/s的等值线间隔为0.1km/s。2条黑色虚线分别为3.5km/s和4.5km/s的速度等值线，分别对应于古近-新近纪以来的沉积盖层深度和古近系及白垩系的分界线。5.5km/s、5.6km/s、5.7km/s、5.8km/s、5.9km/s和6.0km/s的速度等值线分布十分密集。以上结果揭示了研究区基底界面的速度范围及深度，并可据此推断基底的大致形态。上地壳的速度结构模型结果显示，研究区上地壳存在明显分层现象，且各主要地质层位速度分界线形态相似性很好，尤其3.5km/s，4.5km/s速度等值线分布近乎平行，这种形态类似的速度等值线特征反映了研究区不同构造单元的结晶基底埋深与结构性质主要受断陷沉降与古近纪以来的地壳构造运动影响。上地壳速度结构模型中5.5～6.0km/s密集的速度等值线分布，显示了沿剖面基底界面形态的起伏。基底界面最浅处约2km，最深处埋深达到8km。桩号240km西北为燕山隆起南缘平原区，基底埋深较浅。其中通县凸起区的基底埋深较浅，约2km或小于2km；在通县凸起北端的北京拗陷平原，基底埋深逐渐加深。剖面桩号240km东南的华北平原区，基底埋深加深到了3～8km。该区基底的局部凸起和凹陷自西向东分别对应于大厂凹陷，武清坳陷、沧县隆起和黄骅拗陷(图6a)。基底埋深最深处为武清凹陷和黄骅凹陷，可深达8km左右。而在剖面的东南段黄骅凹陷内，5.6km/s的较低速度构成基底分界，速度5.6～5.8km/s的等值线最为密集，而5.9～6.0km/s的等值线较之其他地方稀疏，这种基底速度结构特征可能体现了黄骅坳陷持续沉降和结晶基底经历了后期改造的特征，或该区的基底性质与其他地区存在明显差异。如图6a，桩号145～165km内的沧县隆起区存在较厚的速度为4.5～5.6km/s的介质，该速度层在达到与黄骅坳陷和武清坳陷分界处后明显消减。该区域速度结构同样在该分界处存在速度为4.0～5.5km/s的较厚层位，这种速度结构特点可能暗示了沧县隆起区从白垩纪至古近纪期间经历过沉积过程。

1、速度差分析揭示的断裂形态特征

本实施例采用速度模型与背景模型的速度差方法来获取沿剖面速度模型与一维背景模型的速度差值来判定沿剖面的主要断裂的几何特征。即将反演获得的最终速度模型(图6a)求取一维平均模型，并将最终速度模型与该一维平均模型相减，获得了沿剖面的速度变化及其与断层的对应关系，如图7所示。此外，根据中国地震台网中心提供的研究区的地震目录，结合地表断裂数据，为确保地震活动与所分析的断裂相关，将剖面两侧20km以内的地震投影至速度差剖面，进行综合分析。

F1断层：F1断层位于140km桩号附近。如图7，在140km桩号SE侧为黄骅坳陷，其基底深度大于6km。而140km桩号NW侧为沧县隆起，在140～180km范围内1km以下出现强烈的高速凸起异常。在140km桩号两侧，速度结构在横向发生非常明显的变化，在140kmNW侧地表速度明显增加，对应于沧东断裂的上断点，在1km深度左右140km桩号SE侧出现强烈的低速变化，该低速异常深达6km以下。这个强烈的速度异常对应于沧东断裂的位置。沧东断裂是黄骅坳陷的主控断裂，发育于中生代，自晚第三纪起，渤海湾盆地由早第三纪断陷阶段进入拗陷阶段(后裂陷阶段)，整体下沉，沧东断裂被上第三系和第四系覆盖，成为隐伏断裂。新生代沧东断裂和中生代沧东断裂存在左旋剪切—挤压性质，自始新世开始，渤海湾盆地经历了区域右旋剪切拉张作用，在逆断和褶皱背景上发育了张性断裂。由速度异常图(图7)可以看出，沧东断裂在4km深度以浅存在明显分异，可视为中生代沧东断裂上端，其下方直到6km深度存在明显速度差异，显示了该断裂为切断基底的大断裂，与沧东断裂在该区域其他研究成果一致。

F2断层：F2断层位于180km桩号附近。如图7，在180km桩号SE侧为沧县隆起，NW侧为巨厚的低速坳陷区——武清凹陷。在桩号180km两侧，出现较大速度变化，6km深度以下速度异常倾角逐渐减小，延伸至8km左右。由于该处为沧县隆起和武清拗陷两个地质单元的交界部位，据此推断，该速度间断可能为两个地质单元的断层分界。但与剖面上其他速度间断有所不同，该速度间断存在较大过渡，而非十分尖锐的速度异常，因而也有研究认为它是地层尖灭线。但结合在冀中坳陷一带开展的石油勘探资料分析，此处很可能是沧西断裂。沧西断裂是冀中坳陷和沧县隆起的分界断裂，该分界区浅部存在逆冲推覆构造。沧西断裂在中生代晚期为逆冲断裂，在古近纪发生了构造反转，石油勘探资料显示，沧西断裂东侧存在反转的正断层和挤压褶皱。如图7，在桩号170km附近，断裂F2的东侧，存在小规模的隆起形态，推测为挤压褶皱。因此，F2断层在此推断为沧西断裂。

F3断层：F3断层位于225km桩号附近。如图7，在225km桩号SE侧，是巨厚的武清凹陷，225km桩号NW地表至基底速度迅速上升，横向发生非常明显的速度变化，基底深度则从225km桩号东边的7km左右迅速减薄至约4km。从约1km深度处到地下6km出现强烈速度变化。综合地质资料，该处位于从冀中拗陷到燕山隆起东段大厂拗陷的交界部位，应该对应于宝坻断裂。宝坻断裂是大厂凹陷和武清凹陷的分界断裂，该断裂形成自古近纪，整体呈NNE走向，倾向为SEE。石油勘探的结果显示，宝坻断裂下降盘保持完整，中上段地层遭到剥蚀，与结果对应较好。因此，F3断层在此推断为宝坻断裂。F4断层：F4断层位于240km桩号附近。如图7，在240km桩号SE侧，是大厂凹陷，在240km桩号NW侧为通县凸起，在240km桩号附近存在明显的速度间断，同时由图5可见基底深度在此处由4km左右迅速减薄至约2km左右。综合地质资料，该处位于大厂拗陷和通县凸起的交界部位，对应于夏垫断裂，是大厂凹陷的控制性断裂。根据速度间断的垂向展布形态及其与深反射研究成果的一致性，可确定该断裂为典型的铲式正断层。夏垫断裂是切穿地壳的深大断裂，浅部表现为上陡下缓的铲式结构，并切割了全新世晚期地层。剖面穿过的区域为夏垫断裂的北段，该段地震活动性较强，主要发育中源和浅源地震，地表有观测到的地震陡坎，也是1679年三河-平谷8级大地震的发震断层。

F5断层：F5断层位于285km桩号附近。如图7，在285km桩号SE侧为通县凸起，NW侧为北京凹陷，该处出现了深达近4km的横向速度间断，显示了该断裂为切穿结晶基底的深大断裂。结合前人的活动断裂的研究资料，该断层应判定为顺义－良乡断裂，是一条北东走向、浅部倾角较陡的正断层，这些特征与已有的深反射研究成果也一致。顺义—良乡断裂是控制着北京凹陷东边界的深大断裂，其主要活动时期集中在中生代和新生代，并持续活动到晚第三纪。剖面经过的位置为顺义—良乡断裂的孙河以北段，该段在第四纪期间有明显活动的迹象，晚更新世以来的活动性较弱。根据断裂分布的地裂缝和建筑物的损坏调查结果，认为顺义—良乡北段至今仍在活动，且以蠕滑为主。

2、Pg波震相横向变化约束断裂位置

当断裂两侧存在较大速度差时，在地震记录截面中，初至波震相会发生一定程度的超前、滞后以及振幅的强弱不连续变化等现象，这些现象可以作为判定断裂位置的标志及依据，将其应用于LARSE II的高分辨地震折射数据解释。前述上地壳速度结构模型显示结晶基底在局部有着较大的起伏变化，进一步结合Pg震相变化特征可以更好地约束断裂的位置，其特征如下：

(1)宝坻断裂(F3)：地震记录显示(图8a、8b和8c)，该断裂位于剖面中段220km桩号附近，该断裂两侧基底埋深和速度结构均有明显变化，显示断裂东侧基底较深，而西侧较浅。在大碱厂村炮(198.28km)西支、小甘棠村炮(249.74km)东支和后桥炮(273.23km)东支的地震记录截面上，显示为该断裂东侧Pg波组震相明显滞后，其西侧超前，走时变化约0.2秒。

(2)夏垫断裂(F4):夏垫断裂在地震记录(图8d、8e和8f)上显示位于剖面中段的240km桩号附近。在双树村炮(210.92km)西支、后桥炮(273.23km)东支和衙门村炮(286.45km)东支的地震记录截面上，显示为该断裂东侧Pg波震相整体滞后，其西侧整体超前，走时变化约0.25秒。

(3)顺义－良乡断裂(F5)：顺义—良乡断裂在地震记录(图8g、8h和8i)上显示位于284km桩号附近。在曹庄炮(234.80km)西支、后桥炮(273.23km)西支和赵各庄炮298.09km)东支的地震记录截面上，显示为该断裂东侧Pg震相整体超前，其西侧Pg震相整体滞后，相对到时差约0.2秒。顺义—塘沽高分辨地震折射剖面位于华北平原东北部，该区发育的一系列NNE向的活动断裂与张家口—渤海断裂交汇，是二级活动地块华北平原内部强震活动最为活跃的区域。同时，该区属于渤海湾盆地，是华北克拉通破坏最显著的中心区域，具有巨厚的古近纪沉积，巨厚松散的沉积层也大大提升了该区的地震灾害风险。顺义—塘沽剖面最东端的黄骅坳陷处于岩石圈深部太平洋俯冲板片的前沿(Huang et al.,2006)。黄骅坳陷整体呈NNE向展布，高分辨地震折射成像结果显示(图6a)，黄骅坳陷呈半地堑型，结晶基底最深可达8km，地表速度约1.6km/s。一些研究认为，黄骅坳陷为不对称断陷，并受控于其NE侧的沧东断裂，沧东断裂是切割地壳的深大断裂，甚至是华北地区岩石圈的构造分界，而黄骅坳陷是受沧东断裂和聊兰断裂共同控制的内部大断陷。高分辨地震折射剖面的断裂分析显示，沧东断裂呈SEE倾向，显示为倾角较小的铲形断裂，断裂两侧速度差异较为明显。冀中坳陷是渤海湾盆地的另一个巨厚沉积中心，呈NE—SW走向。顺义—塘沽高分辨剖面穿过冀中坳陷东北部的武清凹陷和大厂凹陷。武清凹陷是冀中坳陷的一个沉积中心，根据上地壳速度成像结果，结晶基底埋深近8km。武清凹陷的北边界为宝坻断裂，宝坻断裂近东西走向，倾向向S，倾角较陡，上地壳速度成像结果显示宝坻断裂切断基底，可延伸至10km以深，2km以浅的断裂两侧速度差异较小，2km以下断裂两侧速度差异较大。武清凹陷以北为大厂凹陷，大厂凹陷为铲状盆地，其北界为夏垫断裂。夏垫断裂是新生代以来的活动断裂，倾向SE，深地震反射结果认为夏垫断裂为切断莫霍面的深大断裂，倾角较陡。夏垫断裂南段开展的深地震反射结果显示，夏垫断裂可分为两组断裂，其中一组倾角较陡，该断裂分界特征明显，基底反射明显错断，但基底以上错断特征不明显。活动断裂库伦应力研究显示，夏垫断裂上的库伦应力变化为增加。上地壳速度成像结果显示，夏垫断裂两侧速度差异明显，近地表即有较大的横向速度变化，速度横向变化能够切断基底达10公里以下。地震目录显示，有地震记录以来夏垫断裂一带有一定地震活动。顺义—良乡断裂是北京凹陷与通县凸起的分界断裂，倾向SE，倾角近垂直，呈NW盘上升、SE盘下降的正断特征。深地震反射结果显示，顺义—良乡断裂浅部即有明显错断图像，最终错断结晶基底至5公里左右深度。上地壳速度成像结果显示，顺义—良乡断裂呈近垂直状，两侧速度存在一定差异，1km以深即存在能够分辨的横向速度差，且能够切断基底达5km以下，结合区域地震活动，可推测顺义—良乡断裂可向深部延伸至20km左右。、

本实施例还提供了城市活断层探测中的隐伏断裂成像装置，包括：

函数定义模块，用于定义目标函数：

其中，m为模型矢量，δt为数据残差，Cd为数据协方差矩阵，C

函数计算器，用于将每一次的线性迭代问题可归结为求解1个δm，使得目标函数最小：

其中，L为目标函数的偏导数矩阵，m

震相分析器，用于本实施例中利用18炮34个分支的地震折射记录；

反演模块，用于选择正反演参数并进行反演。

本实施例的电子设备框图，该设备包括：处理器、存储器和总线；

其中，处理器及存储器分别通过总线完成相互间的通信；处理器用于调用存储器中的程序指令，以执行上述实施例所提供的城市活断层探测中的隐伏断裂成像方法。

本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现城市活断层探测中的隐伏断裂成像方法。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。

采用本实施例的方法在北京顺义—天津塘沽开展的高分辨地震折射探测剖面数据，采用初至波走时成像方法构建了顺义—塘沽剖面的上地壳速度结构模型，并利用速度差方法获得了沿剖面主要断裂的展布形态。结果显示：

(1)顺义—塘沽高分辨速度剖面显示：该区上地壳呈隆坳相间的构造特征，通县凸起和沧县隆起将北京凹陷，冀中坳陷和黄骅坳陷分隔。该区隆起区结晶基底埋深较浅，最浅处在通县凸起区，基底埋深约2km左右，沧县隆起区基底埋深约4km左右。该区坳陷区结晶基底埋深较深，黄骅坳陷和冀中坳陷的次级构造武清凹陷区结晶基底埋深达8km，冀中坳陷的次级构造大厂凹陷的结晶基底埋深约5km。

(2)成像结果与地震活动性结果显示：宝坻断裂和夏垫断裂均为两侧存在较大速度差的陡倾角断裂，地震折射记录和成像结果均显示它们切断结晶基底，可延伸至10km以下。宝坻断裂是大厂凹陷和武清坳陷的分界，夏垫断裂是其SE侧铲状盆地大厂凹陷与通县凸起的边界。

(3)成像结果与地震活动性结果显示：顺义—良乡断裂为断裂两侧存在一定速度差的近垂直断裂，该断裂切断结晶基底，晚新生代以来地震活动较多，根据地震活动信息，该断裂可延伸至20km左右。

(4)城市活断层探测中，高分辨地震折射探测能够获得上地壳精细速度结构，对于断层两侧存在速度差和错断结晶基底的断裂，也能较好地获得断层的空间展布形态，特别是对两侧存在速度差的陡倾角断裂，具有较好的成像效果。

以正则化走时成像方法为基础，对初至波的走时数据进行成像研究，基于这一高分辨率剖面数据，使用地震层析反演方法对反映该区域上地壳结构的Pg走时数据进行成像，获得了城市圈区域上地壳二维精细速度结构模型，获得该区不同构造单元结晶基底的地震学特征，从而进一步提升对该区主要断裂构造的空间展布特征及其与区域强震活动关系的认识。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。