作为认识华北克拉通破坏和中朝-扬子块体边界结合带特征的重要窗口，黄海的深部结构与构造特征已受到越来越多的关注^[1~5].同时，由于黄海是我国唯一一个没有油气突破的海区，随着海区调查工作的不断开展，将前新生代海相油气为目标的调查日益深入^[6~8]，也促进了海区深部构造与演化^{[9, 10]}、深、浅部构造制约关系及中朝构造对比的研究^[11~13]，为黄海未来的油气勘探打下了坚实的基础.

郝天珧等^[14]曾根据黄海海区的重力场特征及地震层析成像的结果，提出了在黄海东部海域存在着一条具有右旋走滑特点的黄海东缘断裂带，与济洲岛南缘断裂带、五莲-青岛断裂带一起共同组成了中朝与扬子在海区的边界，并得到了一些地质、地球物理证据的支持^{[15, 16]}.万天丰等^[15]对这种地球物理资料给予了更为详尽的构造解释，提出了上述两块体的边界不仅在平面上表现为凸凹变化的折线，在岩石圈的深部表现为两盘互相楔入的状态，而这种观点也陆续为胥颐^[16]、翟明国等^[10]的研究工作所证实，为认识南黄海与朝鲜半岛地壳结构的差异提供了理论依据，也为Oh Changwhan等^[17]在朝鲜半岛Bihong地区发现的一系列榴辉岩透镜体的现象提供了更为合理的地质解释.但是上述关于黄海地球物理场特征的研究中^[9~16]，对南黄海西部的断裂构造、磁性基底的分布特征及其与油气远景之间的关系讨论得较少.

随着黄海前新生代油气研究的逐渐深入，对海区深部结构、构造的认识有了长足的进步.姚永坚等^[18]已指出南黄海沉积盆地下伏前陆盆地阶段的中生界油气成藏条件及大陆边缘型海相沉积与苏北朱家墩气田的成藏条件十分相似，但由于目前的地震勘探技术还不能清晰地揭示出基底结构及其与前新生代残留盆地的关系，因此对海区油气资源的前景仍不能下定论，壳内细结构以及深浅部构造制约关系需要进一步的研究.吴志强等^[19]针对黄海的实际情况进行了充分的分析，在建议开展海底地震仪的观测同时，也对深部结构、断裂体系和综合地质地球物理研究的重要性给予了进一步的强调，这与刘光鼎院士^[20]所一贯倡导的综合地质地球物理研究与“深化二次创业”理念完全一致.

针对黄海深部结构，本文利用海区重磁观测数据，以最新的地震层析成像和地震勘探结果为约束，重点关注原有地球物理数据未能提取的断裂信息和深部构造磁性基底等深部构造特征，以达到认识深部结构对前新生代残留盆地油气制约关系的目的.

本文采用的空间重力异常数据来自http:∥topex.ucsd.edu，数据网格为1′×1′，version16.1^[21]（图 1）；布格重力和磁力数据来自《中国近海前新生代残留盆地油气地球物理勘探技术》项目数据库，其中布格重力数据由陆区和海区数据拼接而成（图 2），拼接带采用了克里格插值圆滑处理，二者的一致性较好.成图间距为2 km×2 km.研究区的磁力异常图由我国陆区、海区和朝鲜半岛附近的磁力数据网格化拼接而成（图 3），精度不等，但朝鲜半岛附近的数据精度较低.为了消除斜磁化的影响和伴生的假异常，本文对磁力异常进行了化极处理，化极采用的参数为：磁偏角-7°，磁倾角53.5°，磁力异常的进一步处理均在化极处理的基础上进行.数据中大部分的异常值分布在-600~400 nT之间，但是在123°E、41°N附近，出现了局部高达3000 nT的异常，经与原始数据核对发现对应的是磁铁矿山的所在地.处理后，该局部高值异常不会影响整个研究区的数据处理.

图 1

Fig. 1

图 1 黄海空间重力异常图 Fig. 1 Free-air gravity anomaly map of Yellow Sea

图 2

Fig. 2

图 2 黄海布格重力异常及拟合剖面位置图 Fig. 2 Bouguer gravity anomaly map of Yellow Sea and location of profiles

图 3

Fig. 3

图 3 研究区磁异常图（单位：nT） Fig. 3 Magnetic anomaly in study region (unit:nT)

本文的地震层析成像反演利用了中国地震台网、ISC（国际地震中心）和韩国地震台网612台站记录到的10506个地震，共有106942个P波到时数据.初始速度模型使用一维模型，包括4 km，10 km，20 km，32 km等速度界面（表 1和图 4），在模型中参考了CRUST2.0全球Moho面深度图（分辨尺度为2°×2°）^[22].反演网格采用经度和纬度方向为0.6°×0.5°的间距.经过分辨率测试，水平分辨在陆区可达到1°×1°，鉴于海区缺少台站和地震，在海区的水平分辨能力较陆地要差一些.

表 1(Table 1)

表 1 初始速度模型 Table 1 The initial velocity model

表 1 初始速度模型 Table 1 The initial velocity model

图 4

Fig. 4

图 4 初始一维速度模型 Fig. 4 The initial one-dimensional velocity model

根据研究区的空间重力异常特征，可以将研究区划分为6个不同的区域（表 2）.

表 2(Table 2)

表 2 研究区空间重力异常特征 Table 2 Features of free-air gravity anomaly in the study area

表 2 研究区空间重力异常特征 Table 2 Features of free-air gravity anomaly in the study area

研究区磁力异常特征可见表 3.

表 3(Table 3)

表 3 研究区磁力异常特征 Table 3 Features of magnetic anomaly in the study area

表 3 研究区磁力异常特征 Table 3 Features of magnetic anomaly in the study area

黄海及邻区除广泛分布新生界地层外，中生界主要发育有三叠系、上侏罗统和下白垩统，下白垩统主要为碎屑岩夹火山岩、泥岩，三叠系则主要为海相碳酸岩盐，石炭系主要为生物灰岩、白云质灰岩，藻团泥晶灰岩和泥质砂岩；二叠系为栖霞组褐灰色灰岩，龙潭组砂岩夹煤层和大隆组页岩、粉砂岩，研究区及周边地区的调研结果表明南黄海地区存在8个密度界面（参见表 4），其中第4个界面在白垩系赤山组与普口组之间，第5个界面在K_1g与J_1-2之间，在坳陷区内地层保留的较全.第6个在T₃与T_1-2之间.山东半岛南部沿海岛屿及火成岩岩石密度统计资料参见表 5.

表 4(Table 4)

表 4 苏北-南黄海地区岩石密度资料1） Table 4 Strata density in Subei and South Yellow Sea1)

表 4 苏北-南黄海地区岩石密度资料1） Table 4 Strata density in Subei and South Yellow Sea1)

表 5(Table 5)

表 5 山东半岛南部沿海岛屿及火成岩岩石密度统计资料（g/cm3）1） Table 5 Density statistics of igneous rocks and coastal islands in southern Shandong Peninsula1)

表 5 山东半岛南部沿海岛屿及火成岩岩石密度统计资料（g/cm3）1） Table 5 Density statistics of igneous rocks and coastal islands in southern Shandong Peninsula1)

1）郝天珧等.中国科学院地质与地球物理研究所国家863计划“海区残留盆地油气资源综合地球物理勘探技术”中期执行情况报告，2008

南黄海属于扬子块体，其磁力异常主要由结晶基底所引发，叠加上零散分布的中、新生代火山岩局部异常.山东半岛的采样磁化率统计结果参见表 6.

表 6(Table 6)

表 6 山东半岛采样磁化率统计结果1） Table 6 Susceptibility statistics in Shandong Peninsula1)

表 6 山东半岛采样磁化率统计结果1） Table 6 Susceptibility statistics in Shandong Peninsula1)

在黄海研究区大量区域地质、地层分布、岩石物性资料分析的基础上，经整理得到研究区的岩石物性参数统计结果（表 7）作为划分研究区密度和磁性界面的依据并据此建立起研究区的地球物理模型.黄海及周边地区地层大致可分为四个密度差界面：新近系与古近系之间的密度界面，密度差为0.20 g/cm³；新生界与中生界之间的密度界面，密度差为0.15 g/cm³；侏罗系与三叠系之间的密度界面，密度差为0.19 g/cm³；地壳和地幔之间的密度界面，密度差为0.42 g/cm³.南、北黄海分属不同的地质构造单元，因此整个黄海并不存在一个统一的结晶基底，北黄海结晶基底为太古界，南黄海结晶基底为元古界，因此磁性界面也不相同.北黄海磁性界面在下元古界与太古界之间，磁化强度差取0.7 A/m；南黄海磁性界面主要存在于古生界与上元古界之间，磁化强度差取0.45 A/m.

表 7(Table 7)

表 7 研究区岩石物性参数统计结果 Table 7 Density statistics of stratum in study area

表 7 研究区岩石物性参数统计结果 Table 7 Density statistics of stratum in study area

为了对平面上的地球物理反演结果给予约束并认识深部结构在横向上的变化，本文选择研究区三条不同方向的剖面（三条剖面的位置参见图 2），采用广义逆方法^[23]进行了重磁物性结构拟合反演（AA′（图 5A）、BOB′（图 5B）和CC′（图 5C），由于图幅原因只展示了重力拟合的结果），同时对三条剖面进行了P波速度成像.AA′剖面全长579.46 km，BOB′剖面全长547.32 km，CC′剖面全长603.48 km.除CC′剖面是沿EW向展布的外，另外两条剖面都是沿SN向延伸，目的在于更好地揭示出不同构造单元之间的关系和深部构造特征.其中，三条剖面的密度模型主要分为三大部分：（1）上地幔；（2）前新生界；（3）新生界及海水.初始模型建立时参考了南黄海地区的反射地震结果^[18].

图 5

Fig. 5

图 5 剖面的重力拟合与地震层析成像结果 （A）AA′剖面；（B）BOB′剖面；（C）CC′剖面. Fig. 5 Density model and seismic tomography

剖面BOB′的走向从BO段的NW向转换为OB′的NE向，目的是尽量与浅层的地震勘探剖面走向一致，以便引入高精度的地震数据的约束.

自图 1可知，除朝鲜半岛西岸南端存在着一条NW向延伸的条带状正高值异常带以外，南黄海西部的空间重力异常基本上都呈正、负相间的条带状沿NE或近EW向分布.在南黄海西部，除了千里岩隆起区的重力高值带为NE向外，其他异常条带都是先NE向而后逐渐转为近EW向，继续向南黄海东部延伸.特别是对应着北部坳陷区的重力异常带，一直可以追溯到125°E附近，不仅反映出南黄海西部隆、坳相间的构造格局，同时也展示出以NE-NEE向异常为主构造的地球物理特征.在这些异常中，有两方面地球物理信息值得关注.

（1）南黄海西部串珠状地球物理线性异常

在以往的研究中，作者曾对黄海东缘的近SN向构造给予过详细的讨论^{[3, 14, 24]}，并推断具有走滑性质的黄海东缘断裂带（EMFYS）是中朝与扬子块体边界结合带的组成部分.在作上述研究时，对南黄海西部海域的构造展布并未做详细的讨论，而且前人的研究结果也多数认为苏北-南黄海南部盆地是统一的构造单元，各方面的地质特征基本一致^[25].随着黄海区域构造研究的日渐深入，作者在开展地震层析成像研究的同时，对研究区的重磁数据进行了多种方法的断裂信息提取及多条剖面的拟合反演，发现了一些新的地球物理信息.比如在南黄海的西部，有一条呈串珠状分布的空间重力异常带存在.它北起青岛附近的灵山岛一带，沿NNW一直向南延伸到江苏东台以东的海区（金家沙一带）.该重力高的特点是北段的异常值明显高于南段，呈串珠状断续分布，在多种方法的处理结果图上都可以找到踪迹.在布格重力异常图（图 2）上，它对应着苏北-南黄海盆地中正、负异常的分界.异常带的西侧是苏北盆地，以清晰的、大面积的负异常为特征，异常幅值通常在0~-15 mGal之间，走向以NEE向为主；异常带以东，幅值基本在0~25 mGal之间，总体异常走向不清，以团块状分布为特点，上延一定的高度后仍然可以发现该线性异常带的踪迹.图 6和图 7是上延5~30 km的重力异常垂直梯度及45°水平方向导数（上延10 km）处理结果，异常带清晰可辨.在磁力异常图和相关的处理结果图上，同样可以观察到该线性构造带的反映.图 8a是磁力数据上延5 km图像处理结果（基于纹理的二阶统计量，计算窗口3×3），在同样的位置上存在一条断续分布的线性异常.经过纹理特征提取，异常走向表现得很清晰.图 8b是同样处理方法的上延10 km后的结果，该异常带的踪迹仍然可以追溯.由此可见，无论是重力、磁力数据的处理结果都可以反映出该线性异常带的存在.因此，推测其为一条NNW向的断裂构造，本文称之为南黄海西缘断裂带（WMFYS）.该断裂带在平面上总长度大约450 km，走向NNW，以串珠状的地球物理异常为特征，断续分布，在局部地段可能具有走滑性质.

图 6

Fig. 6

图 6 上延不同高度的重力异常垂直梯度结果 （a）5 km；（b）10 km；（c）20 km；（d）30 km，图中红色和白色线段代表黄海西缘断裂带的位置. Fig. 6 Vertical gradient of gravity anomaly by upward continuation to different heights (a)5 km; (b)10 km; (c)20 km; (d)30 km, the red line and white line shows the position of South Yellow Sea west marginal fault zone

图 7

Fig. 7

图 7 研究区布格重力异常45°水平方向导数结果 （a）影像图；（b）阴影图，上延10 km. Fig. 7 Horizontal direction derivative (45°) of bouguer gravity anomaly (a) Image map; (b) Shaded relief map, upward continuation to 10 km.

图 8

Fig. 8

图 8 磁力数据上延图像处理结果 （a）5 km；（b）10 km，基于纹理的二阶统计量，计算窗口3×3. Fig. 8 Image processing result of magnetic anomaly by upward continuation (a)5 km; (b)10 km, the second-order texture statistics, calculate window by3×3.

在本文给出的3条剖面的重力拟合结果中，CC′剖面（图 5C）是唯一一条近EW向、大致沿着中部隆起区展布的剖面，拟合结果可以较好地反映这条断裂带的产状.从拟合结果看，断裂带倾向向东，倾角30°左右，深度约26 km，切过了寒武纪、奥陶纪及元古代的地层，直至下地壳，但并没有到达莫霍面.该断裂带两侧地层存在一定差异，引发一定幅值的地球物理异常，但与苏鲁隆起的边界断裂相比，重力异常幅值要小得多，这也可能是在前期研究中被忽视的原因之一.

应该指出的是，断层两侧下地壳厚度和莫霍面的起伏变化差异并不很大，但是浅部地层的差异明显.万天丰^[15]曾经指出：印支构造期间黄海及其邻域处在中朝与扬子两个碰撞带附近，也就是说在三叠纪的末期南北两个块体最后完成了碰撞^{[26, 27, 13]}，造成一系列的近SN向断层的形成（其中有些具有走滑性质），而且在岩石圈深部表现为两大块体两盘的相互楔入状态^[15]，推测南黄海西缘断裂带最初形成也应属于这个时期，但是随着侏罗纪-古新世期间黄海地区强烈的板内变形，特别是四川期（135~152 Ma）期间，黄海及其周边地区SN向、NNE或NNW向断层都呈现正断层或走滑断层的特征^[28]，对后期沉积盆地的形成有明显的控制和影响.这个结论同样也适用于研究区的拟合结果.根据图 5，该断裂带两侧的前新生代地层分别为∈-O和S-C地层，而且厚度也不相同.很显然，除了深部磁性基底对前新生代残留盆地分布的影响外，各构造单元内部及边界的断裂带具有明显的控制作用.如果说该断裂带确实如本文分析的一样，向南可以断续追溯到江苏以东的海区，那么，它将影响到南黄海南部盆地区.众所周知，近年来，苏北盆地等陆区的油气勘探有了可喜的进展，但是南黄海海域至今仍没有大的油气突破.推其原因，一是海区前新生代残留盆地构造背景不清，研究程度相对新生代盆地而言要相差很多；另一方面，这条断裂带的存在对两侧局部构造的影响和破坏作用也不应忽视.这条EW向拟合剖面很有可能带给我们一些有意义的地质信息.

综上所述，南黄海西部存在的串珠状地球物理线性异常，本文推测应是一条走向NNW、断续分布但切割深度较大的断裂带.该断裂带对南黄海前新生代油气发现的影响还有待作进一步的深入研究.

（2）南黄海磁性基底分布与浅部构造的关系

本文采用小波分解技术对黄海研究区的磁力异常进行了异常分离并利用剩余磁力异常反演出磁性基底的分布（图 9）.在南黄海地区，磁性基底可以反映前寒武系结晶基底的埋藏深度.本次反演计算采用的平均深度北黄海区为7 km，平均磁化强度0.7 A/m；南黄海区为8 km，平均磁化强度0.45 A/m.北黄海磁性基底呈现出“北浅南深”的特征，构造走向以NE向为主，局部为EW、NW走向；南黄海的磁性基底则以“中间埋藏浅而四周深”为特点，构造走向以EW、NE向为主，局部为NW向，最大埋深12 km，位于朝鲜半岛的西缘；最小埋深6 km，位于南黄海的中部隆起带上.

图 9

Fig. 9

图 9 研究区磁性基底埋深（单位：km） Fig. 9 Depth distribution of magnetic basement in study region (unit:km)

胥颐等^[16]2009年给出了黄海地区10~20 km的P波速度成像结果和Pn波成像结果.在南黄海西部，10 km的P波速度成像结果与本文计算的磁性基底埋深分布趋势十分相似.比如：层析成像结果在南黄海的中部基本以高速为特征，表明结晶基底的埋藏深度较浅；而在胶东半岛的南岸和南黄海的南部则呈现红色的低速，与磁力数据反演得到的磁性基底埋深情况一致，证实了南黄海磁性基底埋藏深度具有“中间浅四周深”的分布特征.

从剖面AA′和BOB′的拟合结果来看，南黄海地区的磁性基底的起伏变化较大，总体表现为西部的埋藏深度要大于东部海区，磁性基底向南黄海的东缘逐渐抬升.在不同的次级构造单元内部，磁性基底的起伏和边界断层一起控制了前新生代残留盆地的分布.比如在南黄海北部坳陷的南部、中部隆起的北部和勿南沙隆起的局部地区都有超过3 km的残余古生界分布.剖面BOB′显示，密度较高的元古界（2.70~2.75 g/cm³）埋藏深度较浅，只有2~3 km，因此在千里岩隆起一带形成了一个明显的重力高；而后以一条超壳断裂带和北部坳陷分隔开来；北部坳陷下地壳北部比南部略薄，一系列相向倾斜的浅部断层控制了前新生界的展布，特别是T₃-K的分布.T₃-K的残余厚度在坳陷北部明显大于南部，随后发育的新生代盆地也是在此基础上继承发展起来的.与之相邻的中部隆起区磁性基底明显上隆，P-T₂，T₃-K的底层已经完全缺失，在此区有明显的浅部岩浆侵入；南部坳陷区磁性基底的起伏较小，除了下古生界外，石炭系也广泛发育，但是P-T₂，T₃-K只在局部地区发育，特别是T₃-K地层，仅存在于坳陷的中部.前新生代残留盆地的分布与残余厚度情况与磁性基底、下地壳的起伏以及断裂分布密切相关，反映出“深层约束浅层”的关系.可以看出，剖面上不同构造单元之间都以超壳断裂或深达下地壳的断裂带为界，岩浆活动与浅部断裂之间的关系密切. AA′剖面的磁性基底埋深明显要浅于BOB′剖面，表明磁性基底向南黄海的中央逐渐抬升，P-T₂地层在AA′剖面大部分地区缺失.北部坳陷的磁性基底起伏情况更为复杂，一系列的基底断裂控制了前新生代残留盆地的横向分布与厚度变化，浅部的岩浆活动同样是以断裂构造为通道.根据前新生代残余厚度和埋深条件，可以选择出一些比较有利于油气发育的地区，它们大都位于磁性基底界面埋藏较浅并有一定起伏的部位，特别是与断裂构造的匹配关系同样对前新生代油气前景有所影响.

（1）南黄海与北黄海的基底构造并不相同，因此，在求取磁性基底分布时必须分别计算，求取南黄海磁性基底埋深时选择的平均深度为8 km，这个参数深度参考了以往的地震测深剖面结果；

（2）在南黄海的西部附近，存在一条串珠状的地球物理线性异常，延伸长度较大，在CC′重力拟合剖面上，对应着一个15 mGal的局部重力高.在重力垂直梯度、水平方向导数处理结果图以及纹理特征图像上都有踪迹.推测这是一条走向NNW的断裂带，倾向向东，深度达26 km左右，局部可能具走滑性质.该断裂带的意义在于虽然断续分布，但延伸长，断裂两侧的前新生代地层差异较大，有可能是造成陆区和南黄海南部盆地区前新生代油气远景差异的原因之一，应进一步深入研究；

（3）南黄海磁性基底埋藏分布具有“中间浅四周深”的特征，与地震层析成像结果相吻合.磁性基底的局部起伏和次级构造的边界断层共同控制了前新生代残留盆地的格架和残余厚度分布，反映出“区域控制局部，深层约束浅层”^[20]的规律，也为研究区前新生代油气有利区的圈划提供了方向.

本文得益于刘光鼎院士的学术思想和指导，谨向刘院士表示衷心的感谢！国土资源部青岛海洋地质研究所的张训华研究员、广州海洋地质调查局的王嘹亮、姚永坚和冯志强教授、中国科学院地质与地球物理研究所的胥颐副研究员都给予了大力的帮助，王贝贝硕士，吕川川、秦静欣和胡卫剑博士也参与了本项研究，在此一并致谢！