2. 国家海洋局第二海洋研究所,杭州 310012;
3. 中国科学院研究生院,北京 100049
2. Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China;
3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
南海北部陆缘是由总体走向为NE 的一系列坳陷和隆起构成的盆地组成(图 1).这种构造格局与欧亚板块、太平洋板块和印澳板块在南海地区的碰撞、俯冲和南海形成过程中的多次海底扩张密切相关[1, 2].以往的研究认为南海北部陆缘是被动大陆边缘[3, 4],但在南海北部陆缘是火山型还是非火山型大陆边缘这个问题上存在不同的观点,根据岩浆活动性质来区分,即为贫岩浆型边缘(magma-poor continental margin)和富岩浆型边缘(magma-dominated continental margin)之争[5, 6].有人认为南海北部陆缘与典型的火山型大陆边缘不同,岩石圈破裂过程中岩浆量稀少,下地壳的侵入作用非常局限[6, 7],多道地震剖面上也没有发现向海倾斜反射结构(SDRs)[8].另一方面,南海北部陆缘也表现出火山型大陆边缘的一些特征,岩浆活动占据主导地位,多道地震剖面中出现火山结构[9],南海北部陆缘东侧深地震剖面显示上地壳有火山而下地壳存在高速层[7, 10, 11].而位于南海北部陆缘西侧西沙海槽附近的OBH1996-4 剖面下地壳没有发现高速层[12],说明南海北部陆缘的东侧与西侧不同.因此,也有人认为南海北部陆缘是介于非火山型的伊比利亚边缘与火山型的格陵兰边缘之间的一种中间形态[13].我们认为这些不同的看法涉及的是南海北部陆缘岩浆活动的强度、时间、规模及其与深部地幔物质上涌的关系问题.深地震测线揭示的下地壳高速层的形态特征和形成机制对此问题十分重要,但南海北部陆缘以往几条深地震测线的下地壳高速层的结构存在较大的差异,还有待于进一步研究.
南海北部陆缘是油气资源较为丰富的地区,这与其形成演化有极大关系,晚新生代的挤压活动有利于流体的流动,进而在适当的凹陷盆地富集.南海中生界的油气潜力是近年较为关注的一个领域[14],例如,潮汕坳陷被认为是一个大型的残留坳陷,发育有巨厚的中生代沉积,具有良好的油气前景[15~17].中国海洋石油总公司在位于潮汕坳陷北部的MZ-1-1钻井证实了中生界的存在[18],但由于潮汕坳陷中生界浅部速度较高,导致多道地震资料受多次波干扰强烈,深部地质结构模糊[19],因此,非常有必要开展海底地震仪的广角地震探测与多道地震探测相结合的方法,进行更深入的调查和研究.
OBS2006-3测线从珠一坳陷东南开始,穿过东沙隆起、潮汕坳陷和南部隆起带,到达洋盆边界,其周围有OBS2001、ESP-E 和OBS1993 等深地震剖面(图 1).本文首先利用OBS2006-3剖面的折射、反射震相,进行走时反演,得到速度结构模型;然后采用检测板测试(checkerboardtest)对模型的数据恢复能力进行判断;最后用得到的地壳结构模型和前人的几条剖面进行对比,以验证南海中北部陆缘地壳结构和下地壳高速层的存在及主要特征,探讨东沙隆起与地幔物质上涌、岩浆活动的内在关系,并确定了潮汕坳陷中生代沉积的速度分布特征.
2 数据采集及处理 2.1 犗犅犁数据采集与处理2006年9月国家海洋局第二海洋研究所在南海北部陆缘完成了OBS2006-3 广角反射/折射测线,方向为NNW-SSE,总长319km(图 1).水深从224m 增加到3484 m.使用了14 台德国GeoPro GmbH 制造的SEDISIV 型OBS,台站平均间距为19.87km.“奋斗七号”调查船提供气枪震源和水深测量.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数据采样间隔为4ms,除记录有三个检波器分量的数据,还记录了一个水听器分量的数据,本文只使用了垂直分量.
OBS数据处理包括放炮时间校正、炮点位置校正、海底地震仪位置校正、OBS 记录器时间漂移校正等.首先利用甲板上安放的地震仪所记录的精确放炮时间(考虑滤波延时)对地震船所确定的放炮时间进行校正.然后根据炮点坐标的GPS 数据,利用最小二乘法对炮点坐标和OBS 的水平坐标进行校正,进而求取偏移距.利用同时测得的水深资料确定剖面下方的海底面,并得到OBS 的垂直坐标.根据OBS的开始记录时间、终止记录时间以及总漂移时间,计算漂移增量,再用线性方法将时间漂移量加到折合时间剖面的各道中.最后计算小偏移距附近直达水波理论走时,并与折合时间剖面的走时对比,对OBS坐标进行微调,确定OBS位置.经过以上分析、处理,最终得到SEGY 格式的数据,通过滤波、均衡、折合等处理后得到各台站的单台记录剖面.
2.2 多道地震资料的应用2001年中国科学院南海海洋研究所用“实验2号”调查船获得了一条多道地震剖面(图 2),它与OBS2006-3地震测线基本重合.剖面上张性断裂发育,切穿了新生代和中生代末的沉积层.沿剖面浅部沉积层大致分两层,从上到下分别代表中中新世以来的热沉陷期、早中新世后扩张期和晚渐新世同期扩张.珠一坳陷区基底主要为中生代变质岩和燕山期中酸性侵入岩.由于岩浆上涌到地壳浅部,使中生代的地层在多道地震剖面上没有显示.前人研究揭示潮汕坳陷具有较厚的中生代海相地层[18].据此,我们将中生代沉积作为OBS 剖面初始模型中第3个沉积层.初始模型中沉积层之间的界面取自该多道地震,海底面取自同时调查时的水深测量.
OBS2006-3剖面获得了丰富的震相数据(图 3~6).其中,Ps3是中生代沉积层的折射震相,在12个台站识别出来.Pg是地壳中的折射震相,在所有台站的记录剖面上均有明显的震相显示,可以追踪到80km 以外,是一组能量强、可以连续追踪的震相.PmP震相是来自莫霍界面的反射波,在11 个台站识别出来,震相最远可以追踪到120km.Pn震相是莫霍面的首波,在5个台站的地震剖面上有显示.以下从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数据进行详细分析.
OBS1~OBS4位于珠一坳陷和东沙隆起,水深只有301~330m,但由于火山岩入侵到地壳顶部不利于地震波向下传播,而且地壳隆起增厚、莫霍面埋深较大,主要震相为直达水波和上地壳的折射波Pg.OBS1 和OBS2 位于珠一坳陷,下覆沉积层较厚,地震波向下传播深度较大,Pg记录的最大偏移距可达80km.OBS3和OBS4位于东沙隆起,OBS3位于地壳顶部构造复杂的火山岩的正上方,地震波向下传播深度很浅,Pg 记录的偏移距分别只有30km和50km.OBS4位于东沙隆起与潮汕坳陷交接处,除了上述震相外,还有记录了潮汕坳陷中生界沉积的折射波Ps3以及莫霍面的反射震相PmP(图 3).
OBS5~OBS11位于潮汕坳陷(图 1),水深369~2448m.主要震相除了Pg外,还有记录大量潮汕坳陷中生代沉积层的折射震相Ps3.OBS8站位的记录剖面上可以看到多种震相,如直达水波、中生代沉积的折射震相Ps3、基底折射震相Pg、莫霍面的反射震相PmP 和折射震相Pn(图 4).OBS10 站位的地震记录显示最大偏移距在100km,震相包括来自海底面的直达水波、沉积层3的折射震相Ps3、结晶基底的折射震相Pg、莫霍面的反射震相PmP 和折射震相Pn(图 5).OBS7,OBS9和OBS11都记录到类似的震相.
OBS12~OBS14位于南部隆起带(图 1),水深2360~3052m.这几个站位的OBS深部震相比较丰富.OBS12站位处于潮汕坳陷的南部边缘,地壳有增厚的现象,主要震相有直达水波、中生代沉积层的折射震相Ps3和结晶基底的折射震相Pg.另外还有较多的深部的震相,即莫霍面的反射PmP 和折射Pn(图 6).OBS13 和OBS14 站位处于洋陆过渡带,地壳较薄,其震相也十分丰富.
3.2 模型结果首先,通过分析OBS记录剖面中的震相特征,根据多道地震剖面、区域地质资料以及前人在该区域所做的工作,建立地壳结构的初始模型.然后,采用2D 射线追踪程序Rayinvr[22]模拟计算各震相的理论走时曲线,并将该理论计算的走时与实际观测的走时进行对比(图 3~6),用试错法不断修改模型,使理论计算结果逐步向实测曲线逼近,获得一个较理想的模型,最后再采用Rayinvr的反演计算程序,逐层对射线密集区域进行反演更新等循环迭代计算,最终使得所有震相总的均方根走时残差最小,获得各台站的理论射线路径和二维地壳速度结构(图 7).
速度模型从上到下分为新生代沉积层、中生代沉积层、上地壳、下地壳及高速层和上地幔(图 7).沉积层的前两层属于新生代沉积,速度分别为2.2km/s和3.6km/s,除了珠一坳陷的北端,在整个模型中都很薄,厚度不超过2km.第3层为中生代沉积层,中海油MZ-1-1钻井证实了中生界地层的存在[23],速度的垂直变化明显.在潮汕坳陷区中生代的沉积层厚度巨大,最大厚度达8km,速度从顶部的4.4km/s增加到底部的5.3km/s,基底最大埋深10km.在下陆坡,中生代的沉积厚度只有2~3km.东沙隆起上地壳厚10~14km,速度从5.7km/s向下逐步增大,在该区域有一速度向上突起增大的异常,最高达到6.9km/s,下地壳为高速层,厚约7~12km,速度为7.1~7.4km/s.潮汕坳陷上地壳厚7~9km,速度为5.7~6.4km/s,下地壳高速层厚3~7km,速度为7.1~7.4km/s.坳陷南侧为南部隆起带,上地壳厚约8km,速度为5.8~6.4km/s;下地壳高速层厚约3km,速度为7.1~7.3km/s.地壳横向变化的主要特征是:由陆地向海洋方向莫霍面深度变浅,东沙隆起下面莫霍面深度为24~25km;从潮汕坳陷到南部隆起带,莫霍面深度由24km 减小至17km.莫霍面下方的速度为8.0~8.2km/s.
3.3 模型分辨率测试为了在反演中更好地参数化模型和较精确地获得合理的速度结构模型,使用检测板测试方法对数据的恢复能力进行了判断.首先划分模型空间,在相邻的两节点上设置速度异常值大小相等但符号相反的理论模型,然后根据实际拾取的震相走时数据计算相应的理论走时数据,最后把这个理论数据当成观测数据,用一维模型进行反演计算.如果反演后的结果与设置的理论模型接近,则表明这些震相走时数据对该理论模型网格间距具有较强的恢复能力,且分辨率较好[24].在本研究中,每个网格的横向大小为20 km,相邻节点上的速度扰动值分别为0.5km/s和-0.5km/s.采用一维模型反演后的结果(图 8)表明速度异常在中生代沉积层和上地壳中恢复较好;而在下地壳因为射线覆盖较少,恢复较差;在浅部沉积层中,因为震相拾取较少,恢复的也不是很好.
在本次反演结构模拟中我们共使用了4735 个震相走时数据,其拾取精度依据数据质量的好坏人为设定走时不确定性在50~100ms之间.最终计算的走时均方根残差RMS 值为91 ms,χ2 值为1.703,接近标准值1.0.表 1 中列出了各震相的走时个数、最终结果的RMS 值和χ2 值,各震相都得到了较好的拟合.结合检测板测试结果可以知道,本研究的数据虽然不能确定小尺寸的异常,但对于20km 的大尺寸横向结构异常具有较好的分辨能力,其结果是可信的.
OBS2006-3剖面的东北面有两条深地震测线ESP-E[10]和OBS2001[11],其西侧为OBS1993 测线[7].对比这几条深地震剖面的地壳结构(表 2),可以看出,在陆架和上陆坡区,除ESP-E 外,虽然地壳的总厚度和莫霍面埋深比较相近,但4 条剖面的上下地壳厚度的变化范围存在较大差异.在下陆坡和洋陆过渡带,莫霍面埋深和上下地壳厚度的变化范围都存在较大差异.主要原因可能是测线位置不同,得到的可供反演用的震相数量和质量不同,另外南海北部陆缘演化过程中构造运动比较复杂,造成了不同地方的地壳结构有较大的差异.
同时,这几条深地震剖面都揭示了下地壳高速层的存在[7, 10, 11],OBS1993和OBS2001的下地壳高速层厚度较小,ESP-E 和OBS2006-3剖面横跨东沙隆起带,高速层的最大厚度都超过了10km.近垂直深反射地震探测叠加速度谱构建的地壳层速度结构模型,得到了南海北部陆缘珠江口盆地和琼东南盆地的P波速度特征,指出在琼东南盆地下地壳存在2~6km 的高速层[25].而位于南海北部陆缘西侧的OBH1996剖面却没有发现高速层[12],可见高速层分布的规模和范围极为不同.前人研究认为下地壳高速层是由岩浆底侵作用形成的[10, 11, 26].基于海底洋壳磁异常的解释,南海海底扩张期为32~15.5 Ma[8, 27],随后被调整为30~16 Ma[28].吴世敏等[4]根据前人研究,发现南海北部陆缘岩浆活动多数集中在57~40 Ma、27~17 Ma及8 Ma以后三个阶段,这也对应于南海扩张前、扩张期和扩张后3个时期.南海是华南大陆在裂谷拉张背景下经过海底扩张形成的边缘海,其北部陆缘属于华南地块的南缘,华南地区爆炸探测揭示了该区域的地壳结构及速度分布特征,未在下地壳发现高速层[29],穿越扬子地块东南部陆缘和华夏古陆西北部陆缘的广角地震剖面也没有发现下地壳高速层的存在[30],说明高速层不可能是在南海扩张之前形成的.南海海底扩张期间岩浆活动较弱,火山活动处于平静[7, 11, 13, 31].吴世敏等[4]指出晚渐新世的伸展构造在南海北部广泛发育,该期构造活动、岩浆作用比较弱.石学法和鄢全树[32]基于已发表的和可利用的岩石学及地球化学数据,指出晚渐新世-中中新世(32~17 或15.5 Ma)的岩浆活动主要出现在南海海盆扩张中心处,与此同时,南海洋盆之外的地区却处于一个“岩浆活动宁静期”.海底扩张之后岩浆活动再次频繁,上新世以来,华南陆缘岩浆和火山活动频繁,形成了主要为玄武岩的NEE 向的连续分布的火山岩带[1, 33~35].扩张期后(17或15.5 Ma以来)的岩浆活动影响着南海及周缘地区的广泛地区(包括南海北缘珠江口盆地、北部湾、中南半岛以及南海盆本身)[32].因此,推断南海北部陆缘的下地壳高速层是海底扩张后岩浆底侵形成的.对于高速层的分布范围和规模的差异,意味着南海北部陆缘东、西部岩浆活动的强度不同,而南海北部陆缘西侧没有发生岩浆底侵.另外,在世界上其他大陆地区也有类似厚度的高速层[8].但与典型的火山型大陆边缘(如美国东海岸陆缘及北大西洋省)相比,南海北部陆缘没有发现大规模的向海倾斜反射结构(SDR),其岩石圈在拉张之后经历了一个较长的冷却期,张裂期岩浆活动也较弱[11, 13],我们认为南海中北部陆缘应该属于非火山型被动边缘,下地壳较厚高速层是海底扩张之后岩浆底侵的结果.
4.2 潮汕坳陷的中生代沉积OBS2006-3剖面中有7个站位(OBS5~OBS11)位于潮汕坳陷区,记录了大量的中生界地层的折射震相Ps3.从速度模型(图 7)可以看出,坳陷内分三个沉积层,前两层是新生代沉积,速度分别为2.2km/s和3.6km/s,厚度较小,不超过2km.中生代沉积地层的速度从顶部的4.4km/s向下逐渐增加到底部5.3km/s.对于中生代沉积层的厚度,前人的研究有较大的争议,有研究指出介于2000~5000 m 之间[36],也有研究认为中生代沉积层较厚,最大沉积厚度超过7000m[37].本研究中,中生代沉积层厚度较大,最厚处为8km 左右.坳陷内速度比较均匀地随深度增加,成水平层状分布.南海北部潮汕坳陷海区的海底地震仪调查实验也揭示中生代海相地层有较高的速度(4.5~5.3km/s),普遍超过5.0km/s,同时构造复杂,导致中生代沉积成岩程度高,孔隙度低[38].位于潮汕坳陷的LF35-1-1 钻井也揭示了岩浆岩的种类和岩浆活动的次数、强度是珠江口盆地东部其他地区所没有的,这说明该区在某段地质历史时期属于岩浆活动活跃区[37].
4.3 东沙隆起OBS2006-3剖面有2 个台站位于东沙隆起,揭示了东沙隆起的地壳结构特征,该处上地壳较厚,超过10km,同时在上地壳底部有一速度高达6.9km/s的异常隆起.下地壳是厚12km、速度为7.1~7.4km/s的高速层.地壳的增厚和速度的异常增大可能是地幔物质上涌的结果,并且由于岩浆活动强烈,造成了下地壳完全变成了高速层,并向两侧延伸.在潮汕坳陷区南端可能有深达地壳的北倾断裂,并在地壳顶部引起了小的隆起,其附近可能有玄武岩的涌出[39].
5 结 论利用OBS2006-3剖面海底地震仪数据和多道地震数据,得到了南海中北部陆缘地壳结构特征.结果表明:在潮汕坳陷区中生代沉积层厚度巨大,最大厚度达8km,速度从顶部的4.4km/s增加到底部的5.3km/s,说明潮汕坳陷中生界地层的成岩程度较高.东沙隆起下方地壳明显增厚,并在上地壳底部存在一高速异常隆起,可能是地幔物质上涌和岩浆活动形成的.整个剖面下地壳存在厚度为3~12km,速度为7.1~7.4km/s的高速层,根据各个时期岩浆活动特征,推测出南海北部下地壳高速层是由海底扩张停止之后的岩浆底侵作用形成的.南海中北部陆缘没有发现大规模的向海倾斜反射结构,同时张裂同期岩浆活动较弱,所以南海中北部陆缘是非火山型被动大陆边缘.
致谢感谢上海海洋石油局第一海洋地质调查大队的“奋斗七号”地震船提供了震源和水深测量.感谢DimitryIlinski博士在海上作业和数据处理方面的帮助,感谢广东省地震局和海南省地震局在设备方面的大力支持,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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