地球物理学报  2011, Vol. 54 Issue (12): 3150-3160   PDF    
南海中北部陆缘横波速度结构及其构造意义
卫小冬1,2,4, 赵明辉1 , 阮爱国1,2, 丘学林1, 郝天珧3, 吴振利2, 敖威1,4, 熊厚1,4     
1. 中国科学院边缘海地质重点实验室,中国科学院南海海洋研究所, 广州 510301;
2. 国家海洋局第二海洋研究所, 杭州 310012;
3. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
4. 中国科学院研究生院, 北京 100049
摘要: 纵横波联合勘探可以得到更多关于岩石圈层岩性、物性等介质属性方面的信息,有效提高地壳物质组成的约束性.在纵波速度结构模型的基础上,通过射线追踪和走时拟合对OBS2006-3地震剖面径向分量的转换震相进行了横波速度结构模拟.结果表明:沉积层1、沉积层2的横波速度分别为0.7~0.9 km/s和1.6~1.7 km/s,波速比由2.64~3.16变化到2.41左右,较高的波速比表明沉积层固结程度不高;中生代沉积层横波速度由浅部的2.6 km/s增大到3.0 km/s,波速比为1.74~1.80;地壳中波速比为1.74~1.82,表明该剖面地壳为陆壳性质;下地壳高速层的横波速度为4.0~4.2 km/s,纵横波速比为1.73~1.78,揭示高速层的物质组成为铁镁质的基性岩,推断其与海底扩张停止之后的岩浆底侵作用有关.
关键词: 海底地震仪      转换横波      波速比      下地壳高速层     
Crustal structure of shear waves and its tectonic significance in the mid-northern continental margin of the South China Sea
WEI Xiao-Dong1,2,4, ZHAO Ming-Hui1, RUAN Ai-Guo1,2, QIU Xue-Lin1, HAO Tian-Yao3, WU Zhen-Li2, AO Wei1,4, XIONG Hou1,4     
1. Key Laboratory of Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China;
2. Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China;
3. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
4. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: The joint exploration of P-wave and S-wave can obtain amount of information on lithology and geophysical properties, which effectively improve the composition constraint of the deep crustal structure. Based on the optimum P-wave model, the shear waves recorded on the radial components of profile OBS2006-3 have been modeled by 2-D ray-tracing. The S-wave velocities in sedimentary layer 1 and sedimentary layer 2 are of 0.7~0.9 km/s and 1.6~1.7 km/s, respectively. The Vp/Vs ratios in these sediments vary from 2.64~3.16 to 2.41. The relatively high Vp/Vs ratios are probably related to unconsolidated sediments. In the Mesozoic sedimentary layer, the S-wave velocity increases gradually from 2.6 km/s at the top to 3.0 km/s at the bottom, and the Vp/Vs ratio is of 1.74~1.80. The Vp/Vs ratio of 1.74~1.82 in the crust is considered to be the continental crust. The S-wave velocity and Vp/Vs are 4.0~4.2 km/s and 1.73~1.78 of the High Velocity Layer (HVL) in the lower crust, which suggest that the HVL has a mafic composition that may originate from underplating of the igneous rocks after the cessation of the seafloor spreading.
Key words: Ocean Bottom Seismometer (OBS)      Converted S-wave      Vp/Vs ratio      High velocity layer in the lower crust     
1 引 言

南海是西太平洋最大的边缘海之一,位于欧亚、印澳和太平洋三大板块的交汇处,经历了由主动大陆边缘向被动大陆边缘的演化过程[1],地质构造和地球物理场极为复杂,是研究边缘海形成演化的天然实验室[2].

从20世纪60年代开始,中外海洋地质工作者就十分重视南海北部陆缘深部结构和构造性质的研究,南海北部的深地震探测经历了20 世纪70 年代末到80年代初的声纳浮标探测,80 年代中后期的双船扩展剖面探测和90 年代开始的海底地震仪探测三个阶段,加深了对南海北部陆缘深部结构的认识[39].然而,由于海洋环境、记录技术以及转换横波产生的苛刻条件的限制,横波的识别与研究有一定的难度,先前的研究仅局限于利用纵波获得南海北部深部地壳结构,相应的横波研究开展很少.阎贫[10]在OBS1993剖面中的OBS9站位识别出了转换横波震相,获得了该站位下各层的纵横波速度比及泊松比等岩石层的一维模型参数.赵明辉等[1112]识别出了南海东北部OBS2001 地震剖面记录的横波震相,确认了来自地壳与莫霍面的转换震相,并得到了整条测线的横波速度结构和波速比结构.除此,南海没有开展其他的横波速度结构研究,南海北部的横波速度结构研究依然十分薄弱.

纵横波联合研究可以获得丰富的地下结构信息,降低地壳物质组成的不确定性[13],纵横波速比和岩石泊松比在预测岩石圈层的岩性、物性等介质属性方面有着得天独厚的优势,而地壳岩石组成是理解地壳岩石圈演化的重要约束[14].Christensen等[1516]的系列实验研究为地壳组成提供了纵、横波速比和平均泊松比的现代实验室数据库,其与折射地震的纵、横波波速对比分析,可有效提高地壳物质组成的约束性.本文对OBS2006-3测线(见图 1)的转换横波震相进行了识别和确认,并在纵波速度结构模型的基础上,利用识别的转换横波震相对该测线的横波速度结构和波速比结构进行研究,分析了南海中北部陆缘的地壳结构及其构造特征.

图 1 南海北部大陆边缘构造结构及深地震测线位置图,OBS表示海底地震仪测线,ESP表示双船剖面测线,虚线代表珠江口盆地、以及拗陷和隆起边界[1718],带箭头的实线代表马尼拉海沟 Fig. 1 Tectonic map and deep seismic protiles in the northern SCS. OBSs are ocean bottom seismometer protiles,ESPs represent two-ship expanding spread profiles; The dotted Hnes indicate boundaries of Peall River Mouth Basin, depression and uplifts[1718]. The Manila Trench s showed by a arrowed Hne
2 数据采集及处理

2006年国家海洋局第二海洋研究所利用“奋斗七号”调查船在南海中北部陆缘完成了OBS2006-3测线,该测线北端位于珠一坳陷东南缘,经过东沙隆起、潮汕坳陷和南部隆起带到达洋盆边缘,共布设14台SEDISIV 型短周期OBS,成功回收13 台,7号台站被渔民捡到送回,测线总长度为319km.震源是由4 支BOLT(2100in3)和18 支SLEEVE-II(3060in3)气枪组成的枪阵,工作压力138kg/cm2,总容量达5160in3,炮间距200m,放炮时间间隔约87s.OBS数据采样间隔4ms,记录数据质量良好,获得了丰富的深达莫霍面的信息.经过一系列的校正、处理,得到了各个分量共接收点的SEG-Y 格式数据,结合垂直分量和多道地震数据(图 2a),拟合了OBS2006-3剖面的纵波速度结构[19](图 2b).横波信息主要集中在两个相互垂直的水平分量,利用OBS记录的两个水平分量的方位角,在数据处理过程中把两个水平分量旋转为沿测线的径向分量和垂直测线的切向分量,为横波震相的识别及横波速度结构模拟提供了数据基础.

图 2 (a)OBS2006-3多道地震剖面;(b)OBS2006-3地震剖面纵波速度结构[19] Fig. 2 (a) MCS stacked section of OBS2006-3; (b) P-wave velocity structure along the profile OBS2006-3[19]
3 横波震相的识别与速度结构模拟 3.1 初始模型的建立、转换震相的识别和转换模式

的确认通过对垂直分量的折射/反射震相进行2D 正演射线追踪和反演模拟,得到了OBS2006-3地震剖面的纵波速度结构[19].将该结构模型作为横波速度结构模拟的起始模型,保持模型界面不变,识别不同界面的转换震相,通过修改纵波结构模型中不同梯形模块(block)的泊松比来模拟计算横波速度结构.因而,转换横波震相的识别是拟合横波速度结构的一个重要方面.

为了识别转换横波震相,同一站位下四个分量(三个检波器分量和一个水听器分量)的地震剖面都采取相同的滤波参数和折合速度,三个检波器分量中的两个水平分量经过极化旋转后得到径向分量和切向分量,本文采用横波信息集中的径向分量进行走时模拟.对比分析同一站位垂直分量和径向分量上的纵横波走时、视速度以及质点运动轨迹,识别出了转换横波震相[1120].对比垂直分量和径向分量的地震剖面,可以发现在径向分量上出现的,比垂直分量上走时慢、视速度相同或者较低的震相,就是气枪产生的转换横波震相.OBS8站位垂直分量上,在偏移距5~50km 处,出现一组清晰的震相(图 3a),在径向分量相同位置处(图 3b),也出现了视速度相似的震相,只是走时比图 3a中的要慢.OBS8 站位垂直分量第645 道3.20~3.50s时间段质点的运动轨迹图(图 3c)显示垂直分量(Z)能量最大,两个水平分量(H1H2)较小,说明质点运动以纵波为主;而径向分量第645 道4.00~4.30s时间段质点运动轨迹图(图 3d)显示H1 能量最大,H2 次之,Z最小,质点运动以横波为主,这说明图 3b箭头所指处为横波震相.

图 3 (a)0BS8站位垂直分量;(b)0BS8站位径向分量;(c)0BS8站位垂直分量第645道中质点运动轨迹,对应时间为3.20〜3.35 s;(d)0BS8站位径向分量第645道中质点运动轨迹,对应时间为4.00〜4.30 s Fig. 3 (a) The vertical component of the 0BS8 station; (b)The radical component of the 0BS8 station; (c) Particle's moving trajectories of the 645th trace in the vertical component (3.20〜3.35 s) of the 0BS 8 station; (d) Particle's moving trajectories of the 645th trace in the radical component(4. 00〜4. 30 s) of the0BS8 station

实施OBS探测时,气枪震源在海水中爆破,只有入射纵波穿过海底,OBS接收到的横波信息都是由纵波在海底以下主要速度间断面上转换产生的.产生转换横波需要存在明显速度或密度差异的物理界面,如:海底面、沉积基底面、莫霍面等,并且要有较大的偏移距和入射角[21].OBS记录的转换横波主要有P-PS模式和P-SS模式[111222],P-PS模式是纵波向上传播时,在OBS站位下面的速度间断面上转换为横波;P-SS 模式是纵波向下传播时,在气枪震源下方的速度间断面上转换为横波.由于P-PS 模式开始与纵波具有相同的路径,沿界面发生折射,向上传播时才转为横波,因此,走时较快,视速度较大,与其相对应的纵波震相的视速度接近,而P-SS模式在震源下方的界面就转为横波,走时较慢,视速度较小,走时模拟中可以得到较P-PS 模式更为直观的横波信息[11].比较地震剖面上转换横波的走时以及转换震相的路径,可以分辨出不同转换模式的震相.本文识别出比较多的PPS转换模式的震相,而PSS模式的转换震相较少.

3.2 横波速度结构模拟

速度结构模型从上到下由海水层、新生代沉积层(2 层)、中生代沉积层、上地壳、下地壳及高速层和上地幔组成.从14 个OBS 站位的震相拟合情况可以看出,识别的转换横波震相主要是在海底面、新生代基底、中生代基底、上地壳底部及莫霍面几个界面上转换产生的.同纵波结构模型一样[19],从NNW到SSE 方向,分珠一坳陷,东沙隆起,潮汕坳陷和南部隆起带,对横波速度结构模拟情况进行详细说明.

OBS1~OBS4处水深较浅,同地震剖面上垂直分量的震相一样,受地壳隆起增厚影响,主要识别出了一些来自沉积基底和海底面产生的转换震相.OBS1和OBS2台站位于珠一坳陷,在OBS2站位下各转换界面产生的转换横波震相沿NNW 和SSE方向分别传播40 km 和60 km,PwSs3 震相在NNW 方向的偏移距为7~25km,它是由Ps3震相在海底面发生PSS 模式转换后,向上折射到OBS形成的;来自沉积基底的折射震相Pg 在基底发生PPS模式转换,形成PgSs3 转换震相,在NNW 方向的偏移距为0~26km,而在SSE 方向的偏移距最远达到45km.来自莫霍面的反射震相PmP 在沉积基底发生PPS模式转换,形成PmSs3震相,偏移距为40~60km,OBS1站位也获得了丰富的转换横波震相.OBS3 和OBS4 站位位于东沙隆起,同OBS2站位一样,这两个台站也识别出了来自沉积层和地壳的转换横波震相,这些震相都很好地约束了东沙隆起下方的横波速度结构.

OBS5~OBS11 台站位于潮汕坳陷,沿SSE 方向,水深由369m 增到2248m,莫霍面深度由OBS5台站下的25km 抬升至20km.OBS8 站位地震剖面径向分量上的震相最远可以达到130km,来自沉积基底的折射震相Pg在沉积层2的底部发生PPS模式转换后,向上折射到OBS,形成PgSs2震相,来自莫霍面的反射震相PmP在OBS站位下方的沉积基底发生PPS转换,形成PmSs3震相.来自中生代沉积层的Ps3震相,发生两种模式的转换,一种为从气枪震源出发的信号在沉积层3 发生折射,然后向上传播,在OBS站位下方的沉积层2底部发生PPS模式转换,形成Ps3Ss2震相;另一种为从气枪震源出发的信号先在海底面发生PSS 模式转换,然后,向上折射到OBS,形成PwSs3震相,同Ps3Ss2震相相比,PwSs3震相走时明显较慢(图 4).同样,其他台站也接收到了类似的转换震相,这些震相为研究潮汕坳陷地壳横波速度结构提供了条件.

图 4 (a)OBS8站位的径向分量;(b)转换横波实测走时(虚线)和计算走时(实线)(c)横波速度模型和射线追踪,实线和虚线分别为纵、横波路径 Fig. 4 (a) The radical component of the OBS8 station; (b) Observed travel-time curves (broken lines) and calculated travel-time curves (solid lines) of converted S-wave; (c) Converted S-wave model and ray-tracing simulation, the solid lines and broken lines ^tand for ray paths of P-wave and S-wave, respectively

OBS12~OBS14台站位于南部隆起带,水深从2360m 增加到3052 m.OBS12 站位地震剖面径向分量上的震相最远可以到达80km(图 5),来自中生代沉积层的折射震相Ps3 发生两种模式的转换,生成Ps3Ss2震相和PwSs3震相,来自基底的Pg震相在沉积基底发生PPS模式转换形成PgSs3震相,来自莫霍面的反射震相PmP 和折射震相Pn 在上地壳底部发生PPS 模式转换,分别形成PmSsc和PnSsc震相.OBS13和14台站也获得了丰富的震相.

图 5 (a)、(b)分别为OBS12站位的垂直分量和径向分量;(c)转换横波实测走时(虚线)和计算走时(实线);(d)横波速度模型和射线追踪,实线和虚线分别为纵、横波路径 Fig. 5 (a) The vertical- and (b) radical- component of the OBS12 station; (c) Observed travel-time curves (broken lines) and calculated travel-time curves (solid lines) of converted S-wave; (d) Converted S-wave model and ray-tracing simulation,the solid lines and broken lines stand for ray paths of P-wave and S-wave,respectively
3.3 横波速度结构特征

利用识别和确认的转换震相进行射线追踪和走时模拟,得到了2D的横波速度结构模型和Vp/Vs模型(图 6),同纵波速度一样,横波速度也随着深度的加大而增大.新生代沉积层的横波速度分别为:沉积层1为0.7~0.9km/s,沉积层2 为1.6~1.7km/s.中生代沉积层的横波速度由浅部的2.6km/s增大到3.0km/s.纵波速度结构揭示地壳中纵波速度为5.7~6.9km/s以及下地壳高速层中纵波速度为7.1~7.4km/s,横波速度结构揭示对应的横波速度分别为3.4~3.7km/s和4.0~4.2km/s.

图 6 (a)OBS2006-3地震剖面横波速度结构;(b)OBS2006-3地震剖面波速比结构 Fig. 6 (a) S-wave velocity structure and (b) Vp/Vs ratio along the profile OBS2006-3

东沙隆起下方的两层浅部沉积层,波速比从2.64~3.16变化到2.41.岩性、孔隙、孔隙流体、孔隙形状,结构和固结程度,影响着沉积岩石中的Vp/Vs 值,当Vp/Vs 大于3 时,为未固结的松散沉积物[22],据此推断该处沉积层固结程度不高.中生代沉积层波速比较小,为1.72 左右,主要成分可能为砂岩、泥岩和火山岩[23],较低的波速比说明中生代沉积固结程度较高.地壳中平均波速比为1.75~1.77,与Zhao等[12]揭示的南海东北部陆架和上陆坡中地壳的Vp/Vs 为1.74~1.76 相近,岩石主要成分推测为花岗岩和角闪岩[16].潮汕坳陷处浅部沉积层中波速比为2.91~3.10,说明此处沉积层的固结程度更低.中生代沉积层中波速比为1.74~1.80,主要成分可能为砂岩、泥岩和火山岩[23],地壳中平均波速比为1.73~1.75,这与OBS2001 剖面揭示的中上地壳的波速比为1.74~1.76 接近[12],也与Holbrook 等[24]认为的陆壳的波速比为1.73相近,主要岩石可能为花岗岩和片麻岩[16],这些表明潮汕坳陷下面的地壳具有陆壳性质.南部隆起带处的波速比从沉积层1 的3.01~3.16 变化到沉积层2的2.64 左右,中生代沉积层的波速比为1.78左右,其成分可能为砂岩和泥岩[23],地壳中平均波速比为1.80,主要成分可能为铁镁质的麻粒岩[16],较高的波速比表明了由陆壳到洋壳的转换.

3.4 不确定性分析

χ2 是评价观测震相和理论震相匹配程度的一个重要参数,χ2 等于1或者小于1是较合理的拟合结果[25].在该横波速度结构模型中,所有转换横波震相的χ2 都小于或者接近1.横波结构模型中,依据数据质量的好坏,拾取震相的不确定性在50~150ms之间,结构模型所计算的走时均方根残差RMS值在100ms左右(表 1).

表 1 OBS2006-3地震剖面横波速度结构模拟中拾取的走时数量,走时不确定性,RMS,χ2,P-S转换界面 Table 1 Numbers of picks, picking error, RMS misfit, χ2 values, and conversion interface (P-S interface) for phases i dent ified along the profile OBS2006-3 in the S-wave modeling

横波速度结构的不确定性在很大程度上依赖于纵波结构模型的不确定性[22].由于垂直分量的数据质量比水平分量的数据质量高,同时纵波结构模型中的速度界面也控制了转换界面,因此利用纵波结构模型作为横波速度结构模拟的起始模型可以大大降低横波速度结构的不确定性.

表 2 VpVsVp/Vs及其岩石属性对比 Table 2 Comparing of VpVsVp/Vs and its lithology
4 讨 论 4.1 潮汕坳陷中生代沉积层

纵波速度结构模型揭示潮汕坳陷有三层沉积层,其中浅部两层为新生代沉积层,厚度不超过2km,并且各层的速度分别为2.2km/s和3.6km/s;中生代沉积层厚度为8km 左右,地震波速度从顶部的4.4km/s向下逐渐增大到底部的5.3km/s.潮汕坳陷海区的海底地震仪调查也揭示中生代海相地层有较高的速度(4.5~5.3km/s),普遍达到5.0km/s以上,同时构造复杂[26].同纵波速度一样,中生代沉积层中横波速度向下变大,从2.6km/s增大到3.0km/s.波速比为1.74~1.80,泊松比为0.24~0.26,这与OBS1993地震剖面的OBS9站位得到波速比为1.76,泊松比为0.26的结果一致[10],其成分可能为砂岩-泥岩和火山岩,较低的波速比表明中生代沉积成岩程度高,孔隙度较低.

4.2 下地壳高速层

在OBS2006-3地震剖面纵波速度结构模型中,还发现有3~12km 厚的下地壳高速层,而下地壳高速层对于研究大陆边缘的构造属性、构造演化、大陆边缘盆地形成都有重要意义.前人的许多研究表明,南海北部地壳结构中存在着高速层[792730].OBS2006-3地震剖面也揭示了高速层的存在,其Vp=7.1~7.4km/s,Vs=4.0~4.2km/s,波速比为1.73~1.78.和以往的剖面不同,OBS2006-3 剖面不仅得到了高速层的速度,还得到了高速层的泊松比和波速比,这些信息可以有效地区分高速层是岩浆底侵形成的铁镁质熔岩垫还是上地幔蛇纹石化的橄榄岩.因为后者的形成需要大量的水进入地幔,同时需要低的温度条件[31],在较厚的南海北部地壳下产生这些条件比较困难.并且橄榄岩蛇纹石化的Vp/Vs 较高,当Vp 为7.2km/s时,Vp/Vs 大于1.8,而岩浆底侵形成的熔岩垫的Vp/Vs 较小.根据VpVs 和泊松比划分的岩性实验数据[3234],表明南海中北部陆缘下地壳高速层为基性岩(图 7).Chian和Louden[35]利用先前的地震学研究和实验室实验,得到了下地壳岩石与VpVs 的关系,并利用该关系讨论了西南格陵兰非火山型大陆边缘下地壳高速层的起源,结合他们的研究同样可以推断本文下地壳高速层为铁镁质成分.据此得出,OBS2006-3剖面揭示的下地壳高速层物质组成为铁镁质的基性岩(如辉长岩),可能为上地幔岩浆底侵作用所致.高速层的出现和始新/更新始的岩浆入侵是同期的[36],说明南海北部下地壳高速层与发生在海底扩张停止之后的岩浆底侵有关.

图 7 VPVS与岩性的关系[3234] Fig. 7 The relations of Vp , Vs and its lithology[3234]
5 结 论

(1) 通过走时折合对比和质点运动轨迹,确认了14个台站的转换横波震相,利用这些震相,在纵波模型的基础上得到了南海中北部陆缘的横波速度结构和波速比结构.

(2) 潮汕坳陷中生代沉积层,厚度为8km 左右,纵波速度为4.4~5.3km/s,横波速度为2.6~3.0km/s,波速比为1.74~1.80,其成分可能为砂岩、泥岩和火山岩,较低的波速比暗示着沉积物固结程度较高,孔隙度较低.

(3) 下地壳高速层厚度为3~12km,纵波速度为7.1~7.4km/s,横波速度为4.0~4.2km/s,波速比为1.73~1.78,可能为铁镁质的基性岩,推测是由海底扩张停止之后的岩浆底侵作用形成的.

致谢

感谢上海海洋石油局第一海洋地质调查大队“奋斗七号”地震船的全体船员,感谢广东省地震局和海南省地震局在设备方面大力支持,感谢参加本航次的李湘云女士和郭兴伟博士,并感谢中国科学院南海海洋研究所的朱俊江博士和夏少红博士在数据处理和本文写作过程中给予的帮助.

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