一般认为，华南在始新世(40 Ma)或更早的晚白垩世(85～65 Ma)开始张裂，晚渐新世到中中新世(32～17 Ma)的多期次海底扩张形成南海，其南北陆缘为非对称性共轭边缘^[1～8].目前对于南海的形成演化还有许多不同的看法，即使是对普遍认可的海底扩张形成机制，在次海盆的扩张时代和次序等问题上也还存在争议.其中一个至关重要的问题是，南北陆缘具体的共轭对应点(或边)在哪里？虽然已有的一些资料如磁异常条带、地震剖面为上述问题提供了某些根据和推测，但还缺乏更直接的证据.用海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer，简称OBS)开展广角地震调查，可以得到较为详细的地壳结构，特别是地壳深部速度结构和莫霍面形态，这对解答上述问题十分重要.但是以前，南海的OBS等深地震调查基本集中在北部陆缘^[9～15](图 1)，这就对研究工作，特别是北南陆缘地壳结构的对比，造成了一定的困难.2009 年4～6 月间，中国科学院南海海洋研究所“实验2 号”调查船，在南海南部完成了两条OBS广角地震测线，即OBS973-1测线和OBS973-2测线，近期又完成了OBS973-3测线(图 1)，为南海南部陆缘地壳结构的研究提供了新的数据.本文对南部陆缘礼乐滩附近的OBS973-2广角地震剖面进行反演研究，并将其与北部陆缘的OBS2006-1剖面进行对比，进而探讨南海南北陆缘的共轭性及特征.

图 1

Fig. 1

图 1 南海南北陆缘主要深地震剖面的分布。本文对南部陆缘的OBS973-2 进行了反演，并与北部陆缘的OBS2006-1（吴振利等，2011.）[15]进行比对，上述两条测线被标为粗实线。OBS9732 测线周围的黑圆点为声纳浮标。CD 测线为根据声纳浮标资料构制的一条速度剖面（姚伯初等，1983）[19].ZS=中沙；LY=礼乐滩 Fig. 1 The distribution of deep seismic sounding experiments in the South China Sea. The OBS973-2 protile located in the southern margin of SCS is modeled m the present paper and compared with the OBS2006-1 (Wu et al. ,2011)[15] located in the northern margin of SCS，both are represented by bold solid lines. The black solid circles around OBS973-2 profile present sonobuoys. Line CD is a crustal profile based on sonobuoy data (Yao et al.，1993)[19] . ZS=Zhongsha Massif； LY= Liyue Bank

OBS973-2测线穿越礼乐滩东北部向西北方向延伸进入中央海盆，走向NW-SE，长369km(图 1).使用17 台OBS(OBS1 和OBS10 丢失)，间距20km，数据采样率为250Hz.震源为4×24.5L 的枪阵，放炮时间间隔120s(炮间距280m)，供气压力110kg/cm^{2 [16]}.同时还进行了水深测量.数据处理包括放炮时间校正、记录器漂移时间校正，炮点及OBS坐标局部化，及利用直达水波对OBS 位置进行校正^[17]，本文只利用了垂直分量.

本次OBS试验获取的数据质量较好.OBS2～OBS9位于中央海盆和洋陆过渡区，水深2000～4000m，记录环境好，且由于地幔上隆，因而获得了大量而清晰的莫霍面信息.主要震相为直达水波Pw、结晶基底以下地壳内的折射波Pg、莫霍面反射波PmP及地幔顶部的折射波Pn.以OBS3站位的地震记录为例(图 2)，其Pg震相清晰，偏移距并不大，约30～40km；在偏移距30km 多就有PmP 震相出现(折合时间约4.0s)，Pn震相也比较清晰，最大偏移距可追踪至100km，说明海盆的莫霍面埋深较浅.OBS11～OBS17 站位在礼乐滩陆坡区，水深为370～2000m，其下部存在多个火山和许多断裂.虽然莫霍面较深，由于水深较浅，仍然记录了大量的PmP等震相，但不如海盆和过渡区的同类震相清晰，多次波较多.图 3为OBS17站位的地震记录.可以看出，Pg震相很清晰(上地壳内的Pg1 和经过下地壳的Pg2)，最大偏移距可达80km；在偏移距50km处开始出现清晰的PmP 震相(折合时间约4.0s).15个OBS站位的记录中另外还有少量的地壳内的反射Pc.由于沉积层较薄且不连续，因而只在个别站位拾取了极少数的沉积层内的折射震相.

图 2

Fig. 2

图 2 OBS973-2测线OBS3站位的地震记录(折合速度6 km/s) T为走时，单位s;D为距离，单位km. Fig. 2 Seismic record of OBS3 station of OBS973-2 experiment (T is travel time, D is distance, reduced velocity is 6km/s.)

图 3

Fig. 3

图 3 OBS973-2测线OBS17站位的地震记录(折合速度6 km/s) Fig. 3 Seismic record of OBS17 station of OBS973-2 experiment (reduced velocity s 6 km/s)

2009年“探宝”号调查船获取的多道地震测线NH973-2与OBS973-2剖面平行，间距3km(图 1)，为建模提供了参考.从其解释剖面(图 4)可以看出沉积层较薄，大多数不能被连续追踪.丁巍伟等^[18]共解释出5个层序地层单元及7 个层序界面，不整合界面Tg之下为中生代沉积.地震剖面中在大约8s(双程走时)处有明显的反射界面，很可能为莫霍面.礼乐滩东部北面的声纳浮标14V36～19V36站位的数据显示^[19]，沉积层大致分成3 层，速度分别为1.6～2.0km/s，2.4～2.6km/s和3.6～3.8km/s，而莫霍面埋深约为10km.根据这些资料，结合水深数据，我们建立了OBS973-2剖面P波速度初始模型，模型长370km，共分7层，分别为海水层、沉积层1和沉积层2(为新生代沉积)、沉积层3(为中生代沉积)、上地壳、下地壳及上地幔.

图 4

Fig. 4

图 4 NH973-2 多道地震解释剖面（据丁巍伟等，2011）[18];其中的黑色倒三角为OBS对应的位置，图 7,8,10同 Fig. 4 The interpreted multi-channel seismic profile of NH973-2 （Ding et al.,2011）[18].The black upside down triangles present OBS stations,the same as Fig.7,8,10

用射线追踪正演计算理论走时曲线，交替使用试错法和阻尼最小二乘自动反演法来进行反演，采用的软件为WARRPI^[20].原则是以试错法为主，少量自动反演，仅使用OBS记录中可识别震相的分层，避免为得到最佳拟合而增加实际记录中没有识别的分层界面.15个OBS站位的记录表明，Pg震相覆盖了整个模型，并且在很多地方都是多次覆盖，PmP和Pn震相覆盖了模型的大部分.图 5和图 6显示了OBS6 和OBS14两个站位的地震记录拟合情况，可以看出主要震相都得到了很好的拟合，特别重要的是来自莫霍面的反射PmP和地幔顶部的折射Pn清晰.经过对模型多次的调整和反复用射线追踪正演对实际震相进行拟合，获取了最终的速度模型(图 7).

图 5

Fig. 5

图 5 OBS6站位地震记录（a）、射线追踪（c）和走时拟合情况（b) Fig. 5 （a）Seismic record of OBS6 with reduced velocity of 6km/s;（b）Picks（black dashed lines）match with simulated curves of travel time（colored lines）;（c）Simulated ray-tracing

图 6

Fig. 6

图 6 OBS14台位地震记录（a)、射线追踪（c)和走时拟合情况（b) Fig. 6 (a) Seismic record of OBS14 with reduced velocity of 6 km/s; (b) Picks (black dashed lines) match with simulated curves of travel time( colored lines) ;(c) Simulated ray-tracing

图 7

Fig. 7

图 7 OBS973-2速度剖面（图中数字为速度，单位km/s) Fig. 7 The P wave velocity model of OBS973-2 profile

采用射线密度分布和射线在界面上的覆盖次数来检验模型的可靠性和分辨率(图 8).从射线密度分布来看，除了模型的两端以外，地壳内射线密度较高，平均为4.0，海盆区的莫霍面下方射线密度也较好，为2.0左右，说明具有较好的分辨率.但在陆坡区的莫霍面下方和沉积层内几乎没有拾取震相.从射线对界面的覆盖情况看，除了地壳顶部由于Pg震相较多而得到很好的覆盖外，莫霍面和上下地壳分界面也得到较好的覆盖，最大的覆盖次数分别为9次和4次，说明具有较高的可靠性.虽然对沉积层只拾取了极少数的震相，由于模型的浅部各层界面是从多道地震资料得来的，通过全局反演进行了修正，因而真实可信.

图 8

Fig. 8

图 8 OBS973-2剖面射线密度分布及射线覆盖情况.这里的射线密度定义为穿过网格的 射线数目除以网格的水平尺度，并由色标表示.射线覆盖次数由线段粗细表示（见图例） Fig. 8 Ray density and coverage of velocity model of OBS973-2. Here the ray density is defined as the ray number divided by grid horizontal size(ray number/km)

需要说明的是，对于某一震相，我们并不是对每一道记录都进行拾取，而是隔数道拾取，以能够控制走时曲线为原则；因为炮间距只有280m，如果每道全部拾取，数据量太大，无法进行计算.例如，某站位某震相单侧可追踪长度为70km，全部拾取为250次，而使用的软件规定每个站位全部震相拾取总数不能超过500次，因此对该站位该震相可能只拾取了50次或更少.也就是说实际的射线密度和对界面的覆盖次数是图 8的数倍.总之，通过使用2-D射线追踪和反演对各震相进行了很好的拟合，最终获得了可靠性较高的速度模型.

速度模型表明(图 7)，三个沉积层的速度分别为1.8～2.0km/s、2.0～2.7km/s和3.5～4.0km/s；沿剖面，沉积层总体上较薄，沉积层1 平均厚度约1km，沉积层2除个别地方较厚达1.5km 外，在其余地方较薄甚至缺失，沉积层3在过渡区有约1km厚的沉积，其余地方较薄或缺失.上地壳在礼乐滩厚约9～10km，速度为5.5～6.4km/s，顶部存在小型火山；在过渡区和海盆中厚约4～5km，速度为5.9～6.1km/s.下地壳在礼乐滩厚约11km，速度为6.6～7.1km/s，在过渡区和海盆中厚约2～4km，速度为6.6～6.9km/s.从总体上看，海盆和过渡区的地壳厚度偏小，显示了拉伸减薄作用，速度分层显示陆壳比较典型，而洋壳和过渡壳上地壳速度相对标准洋壳偏高.莫霍面总体从陆坡向海盆方向较快速的抬升，礼乐滩陆坡下的埋深约23km，海盆中的埋深为8～12km，海盆中的莫霍面顶部速度8.0km/s要明显小于陆坡下方的速度8.2km/s.

关于南海南北陆缘的同源性和共轭性已有许多资料和研究证明.例如，礼乐滩的Sampaguit-1井钻遇了600 m 厚的早白垩世海相砂岩和页岩^[2].Kudrass等^[21]根据南海拖网岩石的分析，指出中沙、西沙和南沙具有陆壳基底的特征.进一步的岩性分析表明这些中生代沉积源自华南大陆，海底扩张前礼乐滩为华南陆缘的一部分^[22].Li^[23]通过南海中德地球科学联合调查断面研究，提出了南海新生代构造演化表现出陆壳自北向南裂离的特点，东沙、中-西沙、南沙和北巴拉望具有良好的亲缘性，它们共同经历了晚侏罗纪至早白垩纪的岩浆-变质事件.物理模拟表明，礼乐滩是和中沙地块、西沙地块等类似的刚性地块，新生代变形作用较弱^[24].但具体到南北陆缘的共轭点或共轭边时还存在很多问题，最明显的问题是两边陆缘的几何拼合性与磁异常条带不协调.

一个流行的看法是认为礼乐滩与东沙块体共轭，其主要依据是以磁异常条带为主的地球物理场特征^[25].其中的关键将中南海山以南的NE 走向磁异常条带定为13～18号，推测其形成时代为晚始新世-早渐新世(42～35 Ma).同时用一条NS 向大断裂(中南断裂)将西南次海盆和东部次海盆分开^[26]，而东部海盆平行黄岩-珍贝海山链的近EW 走向的磁异常带为5d-11号(32～17 Ma)^[1].这样被中南断裂隔在西南次海盆东面、而隔黄岩-珍贝海山链与东沙南北相望的礼乐滩，就通过EW 向磁异常条带与东沙群岛构成共轭.这个观点的立足点是存在疑问的，即中南大断裂的存在性和西南海盆磁异常年龄.

经过多年对南海海盆磁异常条带的大量研究^{[3， 24， 27]}，目前更为普遍的看法是南海的海底扩张可以分为4个阶段(图 9)，东部次海盆早于西南次海盆扩张.西北次海盆扩张经过前两个阶段：30～29 Ma、29～25 Ma；东部次海盆经过全部4 个阶段：30～29 Ma、29～25 Ma、25～23 Ma(向南跃迁，向南东扩展)、23～16 Ma(再次向南东扩展，以黄岩-珍贝海山链为扩张中心)；西南次海盆扩张时代为23～16 Ma(以中南海山和长龙海山链为扩张中心).而后两个扩张中心对应的磁异常条带的时代被认为是近乎相同的，是东部次海盆前期扩张轴向南迁移后才逐次形成的.因此，就不能排除礼乐滩经过西南次海盆与中沙块体构成共轭.

图 9

Fig. 9

图 9 南海海底扩张中心轴和磁异常条带分布.南缘OBS973-2测线和北缘OBS2006-1测线通过 中间的虚线相连构成了一条长剖面（见图图 10)，虚线表示的洋壳由声纳浮标数据确定 Fig. 9 The distribution of seafloor spreading centers and magnetic anomalies in SCS. A long profile from the northern margin to the southern margin s composed by linking OBS973-2 and OBS2006-1，n which the dashed line presents basin crust determined by sonobuoy data

这里我们将南北陆缘已有的OBS 地震剖面进行比对，对这个问题作初步的探讨.南海北部陆缘已有多条OBS地震剖面，在方位上与OBS973-2剖面对应且进入海盆的是OBS2006-1剖面(图 1).该剖面始自南海北部陆架，穿越整个西北次海盆后，延伸至中沙群岛区和中央海盆，总长484km^[15].我们将这两个剖面按实际距离相连，并参照声纳浮标CD测线的洋壳结构^[19]勾画中间302km 海盆的洋壳结构和莫霍面埋深，得到了图 10所示的一条剖面.可以看出，两条剖面的沉积层、上下地壳和莫霍面顶面的速度基本一致，西北次海盆正下方有一个莫霍面隆起中心，规模较小，埋深11km，中沙块体与礼乐滩之间海盆下方也有一个莫霍面隆起中心，规模较大，埋深9km 左右，其中心线在平面上与中南海山和长龙海山链重合.如以莫霍面隆起中心为海底扩张轴，这两条剖面所在区域范围内从北部陆缘到南部陆缘存在两个扩张中心，一个在西北次海盆中央，一个在中央海盆的中南海山(东部次海盆和西南次海盆的结合部).这与前人根据磁异常条带进行的推测一致.从剖面中的莫霍面隆起可以看出西北次海盆宽约150km，如认定持续扩张时间5Ma(30～25Ma)，则扩张速率为30mm/a.这个结果远小于前人给出的50mm/a，意味着西北次海盆停止扩张的时间要早于25Ma.中沙块体与礼乐滩之间的海盆实际距离435km(图 9 中的A-A′之间的距离，小于所构制剖面的海盆折线宽度560km)，持续扩张时间9 Ma(25～16 Ma)，则全扩张速率为48mm/a.这个结果与前人给出结果的平均值接近.

图 10

Fig. 10

图 10 由南部陆缘的OBS973-2剖面和北部陆缘的OBS2006-1及声纳浮标剖面构制的一条穿越南北陆缘和海盆的速度剖面，其平面展布如(图 9所示，图中数字为速度，单位km/s Fig. 10 A long P wave velocity profile form the northern margin to the southern margin is composed by linking OBS973-2,OBS2006-1 and the lasin crust determined by sonbuoy data.I location is sbown in Fig.9

据此我们认为礼乐滩与中沙块体互为共轭具有一定的合理性，而且两者之间的连线垂直于西南次海盆的扩张中心.如果将礼乐滩与东沙相对应，则连线距离太长，连线与扩张轴也不垂直.从南北陆缘地壳结构对比这个角度来看，认定礼乐滩与中沙块体互为共轭的另一个重要的理由是东沙附近的几条OBS剖面都显示下地壳存在高速层^[9～13]，显示了海底扩张后局部存在的火山活动和岩浆底侵作用，而OBS2006-1和OBS973-2剖面的下地壳均没有高速层，说明它们形成的动力学过程相近.

重力反演结果也暗示礼乐滩与中沙块体互为共轭.Carla等^[28]通过对沉积层的改正，增加地震控制点并考虑岩石圈有效弹性厚度，用重力资料反演了南海结晶基底的地形.结果表明，(1)中南断裂并不明显，西南次海盆与中央海盆的扩张脊是同一个；(2)礼乐滩和中沙块体的空间重力都突出地显示出高异常值，均为80mg左右，莫霍面埋深也一致，约20km 多；(3)扩张脊(中南-长龙海山链)的地壳厚度约10km.这些结果都支持了本文的观点.

在南海南部陆缘获得了一条新的OBS广角地震剖面OBS973-2.通过射线追踪正演和反演计算，确定了该剖面的P波速度模型.速度模型中的三个沉积层的速度分别为1.8～2.0km/s、2.0～2.7km/s和3.5～4.0km/s；沿剖面沉积层总体上较薄或缺失.礼乐滩上地壳厚约9～10km ，速度为5.5～6.4km/s，顶部存在小型火山；下地壳厚约11km，速度为6.6～7.1km/s.过渡区和海盆的上地壳厚约4～5km，速度为5.9～6.1km/s；下地壳厚约2～4km，速度为6.6～6.9km/s.从总体上看，海盆和过渡区的地壳厚度偏小，显示了拉伸减薄作用，速度分层显示陆壳比较典型，而洋壳和过渡壳上地壳速度相对标准洋壳偏高.莫霍面总体从陆坡向海盆方向较快速的抬升，在礼乐滩陆坡的埋深约23km，在海盆中的埋深为8～12km，海盆中的莫霍面顶部速度8.0km/s，明显小于礼乐滩下方的8.2km/s.

将OBS973-2剖面与北部陆缘的OBS2006-1剖面进行了对比，可以看出两条剖面速度结构近似.参照声纳浮标数据，构制了一条从北部陆缘起，经西北次海盆、中沙地块和中央海盆，最终穿过礼乐滩的地壳结构剖面(全长1155km).该剖面下面有两个莫霍面隆起中心，分别对应西北次海盆扩张中心和东部次海盆和西南次海盆的扩张中心的结合部(中南海山-长龙海山链).据此认为礼乐滩与中沙块体互为共轭.进而根据西北次海盆的宽度、礼乐滩与中沙块体的距离及前人提出的南海海盆的扩张时代，计算了扩张速率.结果表明西北次海盆的扩张速率为30mm/a，低于前人的估计，意味着西北次海盆停止扩张的时间要比原来估计的25 Ma更早些.东部次海盆和西南次海盆的平均扩张速率为48mm/a，与前人的研究比较一致.

对参加OBS973-2测线数据采集的全体科考队员及“实验2 号”科考船全体船员表示衷心的感谢！