西沙地块是南海形成演化过程中形成的众多微陆块之一，位于印支地块、华南地块和南海的交接处，其北面为西沙海槽，东部是西北次海盆，东南为中沙海槽和中沙地块，南面是西南次海盆，西面相望广乐隆起(图 1).在西沙地块周围分布着琼东南盆地、珠江口盆地、中建南盆地、北部湾盆地及莺歌海盆地等众多新生代盆地(图 1)，这些盆地是由于南海北部陆缘发生了大规模的拉张、减薄作用而形成的(Taylor and Hayes，1983)，盆地中充填的新生代沉积，富含丰富的油气资源(魏喜，2006).因而，揭示西沙地块深部结构信息就显得尤为重要.同时，西沙地块的深部地壳结构蕴含着南海海盆形成演化历程的重要信息，更是探讨边缘海形成演化的“骨架”及深部动力学的基础.

图 1

Fig. 1

图 1 区域位置图(图中红色方框内为本文研究区域，F1为哀牢山—红河断裂带，F2、F3为其分支；据孙珍等，2011；蔡周荣等，2008改编)Fig. 1 The regional location map(The red box indicates the study area; F1 is Ailaoshan-Red River fault zone，F2 and F3 are its branches referenced from Sun et al.，2011 and Cai et al.，2008)

20世纪80年代至今，在南海北部陆缘西沙地块已积累了多条深地震探测剖面(图 2)(姚伯初等，1994；Nissen et al.，1995；Qiu et al.，2001；吴振利等，2008；黄海波等，2011；敖威等，2012).这些探测研究成果，极大地丰富了对南海西沙地块深部结构特征的认识，但对于西沙地块的构造属性还存在分歧.在西沙群岛永兴岛和琛航岛钻探结果表明，西永一井(图 2)钻探到的最老的地层为14.65亿年的花岗片麻岩(张明书，1991)，根据这些钻井得到的岩石年代及岩性推断西沙地块为古老的陆块(元古代).较早时期实施的双船扩展剖面探测(图 2)结果认为，西沙海槽为一条印支时期的古缝合线，推测西沙地块是从印支地块裂离的微陆块(姚伯初等，1994)；丘学林等人(2000)根据海底地震仪探测结果，认为西沙海槽为新生代裂谷，海槽两侧在裂谷张裂前应该属于同一块体，暗示着西沙地块与华南陆缘为一整体.那么，西沙地块的深部地壳结构是怎么样的？西沙地块是从哪个地块裂离出去的？在南海形成演化过程中扮演着何种角色？这些问题需要更为深入的探测和研究.

图 2

Fig. 2

图 2 研究区水深及相邻地震测线布设位置图(红色圆点为2013-3测线的OBS站位，紫色倒三角为地震台站，①、②分别为西琛一井与西永一井)Fig. 2 Bathymetry map of the research area and surrounding deployed seismic lines. The red dots indicate OBS′ positions along the profile OBS2013-3. The inverted triangles mark mobile seismostations. Yellow circles ① and ② stand for the locations of drilling wells Xishen 1# and Xiyong 1#，respectively

前人的研究主要集中在西沙地块的周围或近南北方向的深部结构研究(图 2)，而对于横穿西沙地块、平行于南海北部陆缘方向却是深地震探测空白，因此，本文用2013年在西沙海域采集的OBS2013-3测线，建立横穿西沙地块的P波速度结构，为南海北部大陆边缘西沙地块构造属性的讨论提供新的地质地球物理证据.

2013年4—5月，我们在南海西沙海域布设完成了人工地震实验OBS2013-3测线.测线由广乐隆起东部边界起始，沿NEE-SWW方向纵贯西沙地块，近乎与OBS2006-2测线相接(图 2)，测线总长为238 km.中国科学院南海海洋研究所“实验二号”科考船共投放了15台国产宽频带4通道海底地震仪(OBS)，台站平均间距为12 km，数据采样率分别为125 Hz和250 Hz(OBS型号分别为大球和小球2种).气枪震源是4支BOLT(1500 in³)气枪组成的枪阵，工作压力120 kPa，总容量达6000 in³，气枪作业时船速设定为4.5~5.5节，由于气枪中途故障，放炮时间间隔在OBS13附近由120 s调整为60 s，炮间距由接近300 m变为200 m左右.

OBS初步数据处理包括：放炮时间校正、炮点位置校正、OBS位置校正、OBS记录器时间漂移校正等.首先利用地震仪所记录的精确放炮时间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，利用蒙特卡洛法对炮点坐标和OBS的水平坐标进行校正(张莉等，2013)，进而求取偏移距.利用GPS水深资料确定剖面下方的海底面，并得到OBS的实际坐标.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.经过以上分析、处理，得到SEGY格式的数据，再通过滤波、均衡、折合等处理后，最终得到各台站的单台记录剖面.初步数据处理结果表明，15个台站中有14个台站(除OBS1台站处)记录数据质量良好，深部信息丰富(图 3a—7a)，为深部速度结构研究打下坚实基础.

图 3

Fig. 3

图 3 OBS02台站地震记录剖面及射线追踪 (a)OBS02站位的地震剖面，折合速度为6.0 km·s-1；(b)实测走时(彩色线)和计算走时(黑色线)；(c)纵波速度结构模型和射线追踪，不同颜色的射线与不同颜色的走时相对应.Fig. 3 Seismic recording section and ray tracing simulation for OBS02 along the profile OBS2013-3 (a)Seismic record section with reduced velocity of 6.0 km·s-1.(b)Observed travel-time(broken color lines)with associated uncertainties showing as vertical bars，and calculated travel-time curves(black thin lines)from the final model.(c)Calculated final model and ray-tracing simulation. Different color rays are corresponding to the different color travel times in(b)，respectively.

图 4

Fig. 4

图 4 OBS06台站地震记录剖面及射线追踪，其他同图 3Fig. 4 Ray tracing and travel times simulation for OBS06 along the profile OBS2013-3.Other legends are the same as Fig. 3

图 5

Fig. 5

图 5 OBS07台站地震记录剖面及射线追踪，其他同图 3Fig. 5 Ray tracing and travel times simulation for OBS07 along the profile OBS2013-3.Other legends are the same as Fig. 3

图 6

Fig. 6

图 6 OBS08台站地震记录剖面及射线追踪，其他同图 3Fig. 6 Ray tracing and travel times simulation for OBS08 along the profile OBS2013-3. Other legends are the same as Fig. 3

图 7

Fig. 7

图 7 OBS11台站地震记录剖面及射线追踪，其他同图 3Fig. 7 Ray tracing and travel times simulation for OBS11 along the profile OBS2013-3. Other legends are the same as Fig. 3

OBS2013-3剖面获得了丰富的震相数据(表 1).这里我们定义Pdw为直达水波震相，Ps为沉积层内的折射震相，Pg为地壳中的折射震相，PcP为康拉德面的反射震相，Pc为康拉德面上的走滑波震相，PmP为莫霍界面的反射震相.大部分的OBS记录剖面都可以识别出Pg与PmP震相，Pg震相最远可以追踪到150 km(图 4a).由于西沙群岛为岛礁区，沉积层较薄(张明书，1991)，所以本测线识别出的沉积层震相较少.OBS01台站位于广乐隆起之上，由于数据质量较差，未能识别出有效的震相.OBS02-OBS05台站位于广乐隆起-西沙地块过渡地带(图 2)，水深变化幅度较大，广乐隆起处水深较浅，到西沙地块中间的过渡地带，水深增大至1200 m左右.这一区域的主要震相有Pdw、Ps、Pg以及PmP震相，以OBS02台站为例(图 3a)，地震剖面图可以清晰地看到Pg震相与PmP震相，Pg震相在台站两侧5~30 km出现，受沉积基底面影响，起伏较大，PmP震相最远可追踪至110 km左右.

表 1(Table 1)

表 1 OBS2013-3测线震相射线追踪结果 Table 1 Ray tracing for all seismic phases recorded by OBS in OBS2013-3 line 震相 追踪点数 RMS 2 Pdw 508 0.069 1.916 Ps 、PcP 、Pg、Pc 3746 0.083 1.854 PmP 3101 0.080 0.996 全部震相 7294 0.079 1.489 注： RMS为计算走时和观测走时残差的均方根值； 2为卡方分布检测值，当 2接近1时，拟合程度最好.

表 1 OBS2013-3测线震相射线追踪结果 Table 1 Ray tracing for all seismic phases recorded by OBS in OBS2013-3 line

OBS06-OBS08位于西沙地块之上(图 2)，水深约为300～700 m.特别值得一提的是，在OBS06、07、08三个台站中可以识别出康拉德面的反射PcP震相与走滑Pc震相(图 4，5，6，8).以OBS06台站为例(图 4a)，OBS06站位的地震记录剖面除了可明显识别Pdw、Ps、 Pg和PmP以外，还识别了上地壳底界面的反射震相PcP和走滑震相Pc；PcP与Pc震相位于偏移距-50~-20 km，折合到时约为2.6 s；图 4c显示了OBS06台站下方的速度模型与射线追踪结果，地震记录剖面显示此处Pg与PmP震相较为发育，台站两侧都可以识别出PcP震相，PcP震相可以很好地约束康拉德界面.OBS09-OBS15位于西沙地块东部隆起区，这一区域岛礁分布，水深变化较大，约为400~1100 m，记录到的震相主要为Pdw、Pg以及PmP震相.以OBS11台站为例(图 7a)，在其地震剖面图上可以看到清晰的Pg、PmP等震相，最远可追踪至110 km以外；Pg震相较好地反映了地壳内部的速度结构特征，PmP震相很好地控制了莫霍面的深度和形状.

图 8

Fig. 8

图 8 识别出的PcP震相Fig. 8 PcP phases

根据区域地质资料和前人研究成果(姚伯初等，1994；丘学林等，2000；阎贫和刘海龄，2002；敖威等，2012；黄海波等，2011)，首先建立了OBS2013-3测线下方的地壳结构初始模型；详细分析沿测线部署的15台OBS综合记录剖面中的震相特征，采用2D射线追踪程序Rayinvr(Zelt and Smith，1992)开始速度结构的计算模拟；用试错法不断地修改速度模型，计算各震相的理论走时曲线(图 3—9)，使理论计算走时与实际观测的走时曲线逐步逼近，所有震相总的均方根走时残差达到最小(表 1)，获得一个较理想的速度结构模型(图 10a)；在正演模拟过程中，遵循由单个台站到多个台站、由模型上层到模型下层、由简单到复杂的渐进过程(丘学林等，2011).最终速度模型(图 10a)可分为5层，最上层是海水层，速度为1.5 km·s^-1；第2层沉积层，其速度值自上而下为2.2~3.2 km·s^-1，在西沙地块其厚度变化较大，在0.8~3 km左右；广乐隆起—西沙地块过渡区域沉积层起伏较大，结合周边地区地质资料，推测OBS03、05台站下方有玄武岩喷出；广乐隆起区域沉积层厚度较小，约为0.3~2.0 km.第3层上地壳层，速度为5.0~6.4 km·s^-1，第4层下地壳速度从上到下为6.5~6.9 km·s^-1，在OBS03、04、05、06下方地壳速度较大，上地壳为5.5~6.5 km·s^-1，下地壳为6.6~6.9 km·s^-1.第5层为上地幔，速度设为8.0 km·s^-1，由于该测线中所有OBS均没有记录到Pn震相(图 3—9)，因此上地幔的结构未得到有效控制.该模型的海底面主要是利用重力水深数据设置，并且与每个OBS的近偏移距直达水波吻合(图 9)，可靠性高，因而在模拟过程中，海底面作为已知条件保持不变；沉积基底面、康拉德面与莫霍面的设置主要参考了此区域内的地质与地球物理资料，它们在模拟过程中进行了较大调整，其深度及形态主要是由震相来确定的.从所有台站所有震相的追踪图(图 9)中我们可以看到，绝大大部分理论走时和实际走时拟合得很好，最终模型拟合的RMS值为0.079 s，²值为1.489(表 2)，说明模拟结果较为可靠.

图 9

Fig. 9

图 9 OBS2013-3测线中所有OBS台站的所有震相射线追踪(红色为Pdw震相，绿色为Pg震相， 橙色为Ps震相，黄色为PcP震相，粉色为Pc震相，蓝色为PmP震相)Fig. 9 Ray tracing for all phases from all the OBS recording data along the profile OBS2013-3(Red for Pdw phases，green for Pg phases，orange for Ps phases，yellow for PcP phases，pink for Pc phases，blue for PmP phases)

图 10

Fig. 10

图 10 OBS2013-3测线最终P波速度结构模型及西沙地块与南沙地块一维速度结构对比 (a)OBS2013-3测线最终P波速度结构模型；(b)西沙地块与南沙地块一维速度结构对比(南沙地块一维结构1、2分别来自于OBS973-1(丘学林等，2011)速度结构模型中的OBS35、37位置附近).Fig. 10 P-wave velocity model of OBS2013-3 and contrasts on one-dimensional velocity structures from Xisha block and Nansha block (a)P-wave velocity model of OBS2013-3;(b)One-dimensional velocity structures of Xisha block and Nansha block(the positions of profile 1 and 2 are correspond to the vicinity of the position OBS35 and 37 of OBS973-1，respectively(Qiu et al.，2011)).

测井资料(张明书，1991)表明，西沙地块的结晶基底为古老的前寒武纪变质岩，这说明西沙地块并不是由于南海扩张而形成的新生洋壳或洋陆过渡壳，它与华南地块一样都是陆壳.陆上爆破地震资料以及海陆联测(尹周勋等，1999；黄海波等，2011)结果显示(表 2)，华南地块的地壳厚度约为32 km.如果将华南陆缘的地壳作为正常的陆壳，西沙地块则表现为在南海北部拉张背景作用下不同程度地减薄的陆壳特征(阮爱国等，2006；丘学林等，2006).OBS2013-3与0BS2006-2测线(图 2)是南海海盆中仅有两条平行于构造走向的深地震测线，两测线相连获得由广乐隆起—西北次海盆地壳结构大剖面(图 11)，两条测线在重叠部分的地壳结构，无论是地壳厚度、壳内速度分布，还是各界面埋深等方面都是比较一致的；根据速度结构特征及该区的重磁特征(敖威等，2012)，将此剖面分为4部分：广乐隆起、西沙地块、过渡带和西北次海盆，可以看出西沙地块在剖面中NE-SW方向延伸为230 km，地壳厚度为23 km(图 11)；过渡带中发育有一系列正断层，指示该区有着明显的拉张特征(丁巍伟等，2009)，地壳厚度持续减薄，减薄至12 km(图 11)，但仍具有陆壳的特性(敖威等，2012).

图 11

Fig. 11

图 11 广乐隆起—西北次海盆联合地壳速度结构模型. OBS2006-2段速度结构来自于敖威等(2012).VE表示纵向与横向的比值Fig. 11 Crustal velocity structure model from Guangle uplift to Northwest sub-basin. The velocity structure in the segment of OBS2006-2 is referenced from Ao et al.，2012

西沙地块中最大的岛屿是永兴岛，临时流动地震台站——石岛地震台就位于永兴岛上，OBS2013-3测线中，OBS14台站的位置相当于石岛地震台，在我们的模型中，OBS14台站下方的地壳厚度为20 km，莫霍面埋深为22 km，这与阮爱国等(2006)和丘学林等(2006)分别利用远震接收函数方法获得的石岛台站下方的地壳厚度(26.5 km和28 km)相比，地壳厚度相差4~6 km.这与我们的结果并不矛盾，由于接收函数方法给出的是S波速度结构(阮爱国等，2006；丘学林等，2006)，而S波对于地幔的部分熔融更为敏感.也就是说P波探测的莫霍面深度浅于S波确定的莫霍面深度，表明西沙块体下地壳或上地幔顶部可能存在部分熔融.

OBS2011海陆联合深地震测线通过琛航地震台沿NW-SE方向横穿西沙地块，我们将OBS2011测线与NE-SW向的广乐隆起—西北次海盆地壳结构大剖面综合在一起，构制横穿西沙地块的假三维结构模型(图 12).琛航地震台位于两个大剖面的交点，相当于OBS2013-3测线中OBS08台站的位置，距石岛地震台西南80 km处(图 2)，其下方的地壳厚度为24 km，莫霍面埋深为26 km(图 10a)；黄海波等(2011)利用天然地震接收函数方法及海底地震仪探测相结合的方法，获得琛航台站下方的地壳厚度为26~28 km，和石岛台附近相似，同样是S波确定的莫霍面深度大于P波探测的莫霍面深度，再次推断是下地壳或上地幔存在部分熔融的结果.

图 12

Fig. 12

图 12 西沙地块视三维速度结构模型Fig. 12 Pseudo three-dimensional structure model of Xisha block

由广乐隆起—西北次海盆地壳结构大剖面中(图 11)，推算出西沙地块沿NE-SW方向延伸长度为230 km，而在OBS2011测线地壳结构大剖面(图 12)中，西沙地块沿NW-SE方向延伸为175 km，地壳平均厚度为23 km，由此，粗略估算西沙地块的总体大小应为9.2×10⁵ km³，整体属于减薄的陆壳.

OBS2013-3测线速度模型(图 10a)不仅提供了西沙地块详细的速度结构信息，同时拾取到了来自康拉德面的反射震相PcP以及走滑波震相Pc(图 8)，较为准确地确定了西沙地块上、下地壳的分界及其厚度比例.由速度结构模型对比(表 2)可知，西沙地块地壳厚度平均为23 km，小于正常华南地块厚度(32 km)，结合西永一井的钻探结果(张明书，1991)，可以推断西沙地块是一个地壳厚度减薄的古陆块.但是关于西沙地块是从印支地块裂离还是从华南地块裂离的构造属性，是本次实验关注的科学问题之一.

表 2(Table 2)

表 2 华南地块与南海西部部分地区地壳结构 Table 2 Crustal structure of South China block andparts of the western SCS 华南地壳 (陆上) 南海北部陆缘 (OBS2001) 西沙地块 南沙地块 OBS973-1 上、中地壳 厚度(km) 18~20 3~14 4~9 4~8 下地壳厚度 (包括高速层) (km) 10~18 3~22 12~15 10~18 莫霍面埋深(km) 29~35 14~32 20~24 16~28 注： 引自阎贫和刘海龄(2002)，赵明辉等(2004)，丘学林等(2011).

表 2 华南地块与南海西部部分地区地壳结构 Table 2 Crustal structure of South China block andparts of the western SCS

姚伯初等人(1994)根据西沙“西永一井”的前寒武纪变质岩基底与越南中部的崑崧地块的变质基底具有相似性，推断西沙地块是从印支地块裂离而来；而最新研究(夏戡原等，2014)表明，南海西侧的印支—巽他亚板块从中南半岛向南东延伸至加里曼丹岛的西部主体，它是以前寒武系陆核(距今约25亿年)为核心的古老地块，即越南中南部的崑崧地块，其古生代、中生代地层围着它向东缘分布，为南海的西部边缘的南北向巨型断裂(即越东断裂)所切，在南海海区没有分布.由莫霍面等深度图(夏戡原等，2014)也可以看出，从印支地块到西沙地块变化十分剧烈，不符合拉张裂离的地壳结构特征；因此，本文不支持这种观点.

位于南海南部陆缘的OBS973-1测线，横穿南沙地块中部(丘学林等，2011)，其地壳结构为南海南北陆缘的对比提供了极为重要的信息.从西沙地块与南沙地块的一维速度结构对比图(图 10b)中可以看出，西沙地块与南沙地块的地壳结构十分相似，地壳厚度都在25 km左右，均为减薄型陆壳；地壳速度也极为相似，都在5~6.9 km·s^-1左右；上、下地壳厚度比都接近1 : 2；因此，可以推断二者存在着以西南次海盆扩张脊为轴的共轭关系(图 1)，西沙地块是从华南大陆裂解出来的.在白垩世早期，西沙、中沙、南沙地块是华南古地块的一部分，后因新生代华南陆缘裂离和南海海盆海底扩张，而逐渐漂移至现今的位置.

当然，不可否认上述简单的地壳结构对比(速度与厚度参数)尚显证据不足，今后我们将对OBS2013-3测线和南沙地块OBS2009-1测线开展纵横波速度结构的综合研究，通过对转换横波走时进行拾取和拟合来研究该区的二维横波速度结构(Zhao et al.，2010)，得到西沙地块与南沙地块的岩石学性质，从而进一步约束西沙地块的构造属性.

通过14台OBS数据的分析模拟获得了OBS2013-3测线下方的地壳速度结构，综合研究区地壳结构对比及构造地质分析，我们得到以下两点认识．

(1)OBS2013-3测线广乐隆起段(0～30 km)沉积层厚度约为0.5～2.7 km，西沙地块(70～240 km)的沉积层厚度约为0.8～3.0 km，两者过渡区域(30～70 km)沉积基底变化较大，上地壳与沉积层速度偏高，厚度变化较大(图 10)；在OBS06、07、08这3个台站中识别出康拉德面的反射震相(PcP)(图 8)，很好地约束了地壳结构中上、下地壳的分界；西沙地块上下地壳厚度比接近1 : 2，广乐隆起接近1 : 1；西沙地块地壳厚度较为稳定，平均约为23 km，Moho界面埋深23~27 km，上地幔速度为8.0 km·s^-1(图 10a).

(2)综合周围的地壳速度结构特征对比分析，认为西沙地块是一个古老的整体减薄的陆壳，其总体大小约为9.2×10⁵ km³；在白垩世早期，西沙、中沙、南沙地块均是华南古地块的一部分，西沙地块与南沙地块的地壳结构特征相似，表现为以西南次海盆扩张脊为轴的共轭关系.