中国南海南沙海域，是全世界关注的热点海域.由于南海油气资源丰富，截至2009年末，在南沙海域的总计采油量约6500万吨，天然气开采量约计750亿m³.出于油气勘探开发的目的，东南亚各国以及美国、日本等纷纷通过国际合作对南海南部地区进行了多次综合地质地球物理调查.油气赋存的第三系及其更老的地层的地震地层结构研究相对比较多, 以不整合面作为地层划分方案，但是不同学者定义不整合面时代和层序存有差异.东盟石油委员会(ASCOPE, 1981)的学者从孢粉、浮游有孔虫化石带、岩性特征以及地震和钻井揭示的不整合面特征出发，在东纳土纳区(曾母盆地西部斜坡)、南康台地和巴林坚地区自下而上相应划出第三纪地震层序(Hutchison，2004；Lu et al., 2013).Mat-Zin和Tucker(1999)根据层序地层学的概念提出了用不整合面作为划分地层的主要依据，同时考虑强海退、岩性、古生物、测井曲线等资料，将曾母盆地沉积地层划分为T1S至T7S等第三纪构造层序.马来西亚石油公司的Abdul和Robert(1995)根据北康盆地南部深水区的钻孔和地震资料划分出多个界面，中国学者根据收集到的曾母盆地和北康盆地的两口钻井BAKO-1和MULU-1对曾母盆地和北康盆地的地层进行了重新划分(姚永坚等，2013).这些成果确定了第四系的底界，他们研究重点都是新近系及其更老的地层，国外的南沙海域第四系内部结构研究几乎没有文献涉及.

中国专门解决南沙海域海底浅层第四系结构的研究成果也非常少，过去几乎没有针对这个层系开展有效的地球物理调查.在过去的年代的地震资料采集几乎都是针对油气调查，由于勘探目标是油气赋存的层位，地震测量的震源优势频带范围6~50 Hz，对于海底浅层的第四纪而言，分辨率太低，无法获得有效的南沙海域海底第四系地层结构.中国在南沙海域没有一口探井，国外在南沙的探井主要为油气勘查井，不会对浅层第四纪取芯，第三纪是主要油气产层.

2013年广州海洋地质调查局将目前世界先进的等离子地震震源引入南沙海域开展的单道地震调查，使得单道地震测量的分辨率极大提高，震源频带300~3000 Hz，获得的单道地震资料优势频带范围在120~450 Hz之间，单层的分辨能力优于3 m，局部甚至可在1 m之内.首次获得这样的高精度单道地震剖面，为南沙海域第四系地层结构研究奠定基础.对于第四纪以来，南海特别是南沙海域南岸的地层充填方式、范围、规模，以及与海平面升降或冰期的对应关系，提供有利的证据.首次用清晰的地震剖面展示了南沙海域海底浅层地震地层特征，并且识别出南沙第四系的七个地震反射界面，确定3个亚层序的地震相与海平面升降或冰期的对应关系.对于研究南海南部第四系的海洋环境变化、地层结构等科学问题意义重大，也是人类在南沙海域地质灾害预警、南沙海域的工程建设等民生问题的基础资料.

本次研究区位于南海南部，南沙海域，展示了2条骨干剖面，位置见图 1.

图 1

Fig. 1

图 1 测线位置图 Fig. 1 Map showing location of survey lines

这2条测线从大陆架到陆坡的转折, A-A′为南北向，B-B′为北东向，2条测线交点为Q点，背景图为海底地形图.图 2为位置图展示的原始的单道地震剖面，A′、B′的端点位置均为大路坡向陆坡的转折点.由于本期高质量的单道地震剖面，第一次能够识别出第四纪地震地层层序界面.

图 2

Fig. 2

图 2 原始单道地震剖面 (a) A-A′单道地震剖面；(b) B-B′单道地震剖面. Fig. 2 Original single-channel seismic profiles (a) A-A ′single-channel seismic profile; (b) B-B ′single-channel seismic profile.

根据单道地震剖面的反射波组特征，从海底至第四系底共识别出了七个地震反射界面，从上至下为R₀、R₁、R₂、R₃、R₄、R₅和R₆(图 3).陆架区地震反射界面易于追踪，陆坡区受地震资料品质影响难以追踪，但在局部凹陷区层序界面易于识别.R₃、R₄、R₅和R₆界面分布最为广泛，而R₁和R₂主要分布于陆架坡折带及陆坡区.

图 3

Fig. 3

图 3 南海南部南沙海域地震层序及其划分简表 Fig. 3 Seismic sequence and its division in Nansha of the southern South China Sea

R₀：为海底地震反射界面，呈高频、强振幅、高连续、双相位反射特征，随海底起伏而变化，在断层错断面和陆坡陡坡处双相位特征不明显.

R₁：主要识别于陆架的中心区，局部分布.总体上呈高频、中-强振幅、高连续、双相位反射特征，反射同相轴总体上相对平直、稳定，可连续追踪.

R₂：主要识别于陆架区，全区均有分布.总体呈现高频、中-强振幅、高连续、多相位反射特征，界面之上为一套中-弱振幅的反射层组，界面之下总体为一套中-强振幅的反射层组，在陆架区，以高频、中-强振幅、高连续反射特征为主，遭受断层频繁错断，在工区的西、南部区域该界面埋藏较浅，结构清晰，易于追踪.受单道地震识别地层深度较浅的影响，工区的东、北部海盆区难以追踪.

R₃：主要识别于陆架区，全区均有分布.为中频、强振幅、中-高连续、多相位反射特征.其上部反射层组反射较弱，下部反射层组反射较强.区域可见上覆地层的明显下超现象，界面附近可见对下伏地震层序的上超现象.在陆架区，以中频、强振幅、中-高连续反射特征为主，遭受断层频繁错断，在工区的西、南部区域该界面埋藏较浅，结构清晰，易于追踪.受单道地震识别地层深度较浅的影响，南沙中部海盆区难以追踪.

R₄：主要识别于陆架区，全区均有分布.为中频、强振幅、中-强连续、多相位反射特征.上下地震反射特征明显不同，界面之上为一套弱振幅的反射层组，界面之下总体为一套强振幅的反射层组，大部分区域多相位反射特征明显.区域可见上覆地层的明显下超现象，界面附近可见对下伏地震层序的上超现象.在陆坡区，以中频、强振幅、中-高连续反射特征为主，遭受断层频繁错断，在工区的西、南部区域该界面埋藏较浅，结构清晰，易于追踪.受单道地震识别地层深度较浅的影响，南沙中部海盆区难以追踪.

R₅:主要识别于陆架区，全区均有分布.为中频、中-弱振幅、中连续、双相位反射特征，局部呈强振福、高连续或弱振幅、低连续反射特征.上下地震反射特征明显不同，界面之上为一套弱振幅的反射层组，界面之下总体为一套较强振幅的反射层组，大部分区域双相位反射特征明显.区域可见上覆地层的明显下超现象，界面附近可见对下伏地震层序的上超现象.陆坡区，以中频、中振幅、中连续反射特征为主，遭受断层频繁错断，在工区的西、南部区域该界面埋藏较浅，结构清晰，易于追踪.受单道地震识别地层深度较浅的影响，工区的东、北部海盆区埋藏较深，难以追踪.

R₆：主要识别于陆架区，全区分布.总体为中低频、中等振幅、中等连续的反射同相轴，局部埋藏较浅，界面特征明显，具有强振幅双相位反射特征，局部呈强振福、高连续或弱振幅、低连续反射特征.大部分区域双相位反射特征明显.陆坡区，以中频、中等振幅、中等连续反射特征为主，遭受断层频繁错断，在工区的西、南部区域该界面埋藏较浅，结构清晰，易于追踪.受单道地震识别地层深度较浅的影响，工区的东、北部海盆区埋藏较深，较难以追踪.

就南海南部南沙海域A-A′剖面的地震层序，缺少亚层序界面R1，最显著的特点向海发育多套三角洲前积反射地震相.

这批高精度单道地震资料，不但能够清晰反映的第四纪层序特征，而且对第四系地层的展布、结构、演化等科学问题给出了明确答案提供了依据.对其地震层序的地质属性的推断，依然依赖钻井来证实.但是，由于主要勘查活动主要是马来西亚、越南、菲律宾、文莱等国家雇佣的油公司，地球物理调查成果涉及各个公司的商业机密，因此南沙海域公布井筒资料非常少，第四纪不是主要产油层，没有关注.而中国在南沙没有一口探井，因此，可以收集到的仅有少量国际公益目的、科学研究为目标的调查站位.真正解决南沙海域的第四纪问题，迫切需要打穿南沙第四纪的浅钻取芯资料.

(1) 南沙海域第四系海平面变化

本区可以查得科学钻探计划1143站，其纬度：9°21.72′N，经度：113°17.11′E，水深为2772 m，钻井取芯长度1101.79 m，合成深度516 m，跨域10百万年，对该区的深海第四纪的研究有一定参考价值，在2个百万年在1143站点大约沉积了100 m的第四纪沉积物，由于整个第四纪沉积物的地层速度不高，沉积地层一般在500 ms以内.

表 1可见，根据中国地质调查局(2012)研究成果，全球与中国地层第四系区域性的海平面上升有三期，其中两期在更新统泥河湾阶，另一期在周口店阶.第四纪冰川研究成果(wang and Li, 2009)，据冰川体积粗算，冰期时的海面与现在的海面相差约132 m.在更新世最末次冰期中的气候最寒冷期，我国黄海海岸线已退到现今水下110 m等深线附近，当时黄海已全部裸露成陆，东海岸线最远曾退到现代海平面以下150~160 m附近，日本海的海面当时大约也下降了130 m，波罗的海岸线后退到130~140 m等深线附近；大西洋陆架(美国沿岸部分)当时海面也下降到-130 m处.这种冰期和间冰期海平面的变化会在浅层地层结构上留下重要的变化证据，而地震剖面上三角洲的前积反射特征是河流入海的重要特征，也就构成环境变化留下重要证据.

表 1 Table 1

表 1 中国地层表(第四系)(中国地质调查局，2012) Table 1 Stratigraphic chart of China (Quaternary) (China Geological Survey, 2012)

表 1 中国地层表(第四系)(中国地质调查局，2012) Table 1 Stratigraphic chart of China (Quaternary) (China Geological Survey, 2012)

图 4展示了南海南部南沙海域A-A′剖面北段的放大剖面精细解释结果，在这一段剖面中缺少R₁反射界面.R₂、R₃、R₄、R₅代表的亚层序界面，构成了Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ亚层序的底面.R₂对应于上更新统冰期底界，R₃对应于中更新统冰期底界，R₄对应于下更新统底界，R₅对应于下更新统间冰期底界.每一个亚层序都由三套不同的子层序组成，Ⅱ₁、Ⅲ₁、Ⅳ₁、Ⅴ₁为具有无反射或杂乱反射特征，构成三角洲底积层地震相，Ⅱ₂、Ⅲ₂、Ⅳ₂、Ⅴ₂同向轴向海推进，构成三角洲前积层地震相，这种三角洲向海推进的前积型地震反射层序，为冰期的发展阶段，在此阶段陆地的出露面积最大，Ⅰ₃、Ⅱ₃、Ⅲ₃、Ⅳ₃为一套稳定覆盖披覆状沉积，平行-亚平行地震反射层序，三角洲顶积层地震相，构成间冰期的主要特征.

图 4

Fig. 4

图 4 A-A′北段放大剖面的精细解释 Fig. 4 Fine interpretation of enlarged part in northern section of A-A′ profile

可见，在500 ms至海底这样的沉积区间，具有三期海平面上升事件，可以用三期完整的子层序或三期向海推进的三角洲地震相来表达，与表 1中国地层表中第四系三期海平面上升对应，反应出南海南部的南沙海域与中国大陆的区域地层框架在同时代的共性，见图 5，也是第一次用高分辨率的地震剖面结构证实了南海南部的确是具有三次海平面上升时期，三角洲向海不断推进，大陆架与陆坡的转折点不断向海推进.

图 5

Fig. 5

图 5 中国南海南部南沙海域地震地层关系 Fig. 5 Seismic stratigraphic relationships of Nasha area of South China Sea

(2) 地震相变化及其浅层断裂

图 6展示了B-B′测线北段的放大剖面的解释结果，地震相类型非常丰富.在这样不足500 ms的深度区间：A区反映了老的稳定沉积层在构造作用下发生褶皱，背斜顶部被削蚀，顶部形成明显的不整合面T_A；B区的底部就是不整合面T_A，反映了河道的侵蚀作用形成的下切河谷，内部为不同期次的充填，浊流或泥石流流经的古河道；C区为山前滑塌堆积，多为突发性的强水流形成的洪积扇，或者重力滑塌造成的, 与上部覆盖地层成为不整合接触，不整合面为T_C；D区为斜切的三角洲前积沉积区，丘状地震相外形弧形内部反射结构，为中心河道区的反射特征，上覆盖顶积层形成不整合面T_D；E区为稳定的披覆沉积，F区为向海陆坡区域由于重力滑塌的不稳定区.说明浅层的构造演化过程依然十分复杂，本文借助新技术获得的高分辨率的地震剖面开启第四纪精细研究的序幕.

图 6

Fig. 6

图 6 B-B′典型剖面北段放大剖面的精细解释 Fig. 6 Fine interpretation of enlarged part in northern section of profile B-B′

图 6同时也展示了这一段剖面浅层断裂非常发育，这样的不足80 km的区间至少能够解释出8条断层，F₁、F₂、F₃、F₄、F₅、F₆、F₇、F₈，断距不大，一般不超过10 m，受到陆坡堆积的沉积物向海重力拖曳作用，这些断层依然活动，容易形成地质灾害，地质灾害预警需要高度重视.

南海南部的南沙海域，第四纪的调查程度相对偏低，这样的高精度地震成像成果对认识浅层地震地质结构起到决定作用，

(1) 首次采用国际先进水平的等离子震源，地震剖面精度优于3 m局部甚至可在1 m之内，反映出这种高频等离子震源特别适合于水深1000 m以内的浅层地层结构描述，可以为南沙类似的地震地质条件的海域的浅层地震手段选择提供技术支持，为科学研究、工程、浅层资源、地质灾害预警等研究奠定数据和图像基础.

(2) 在高精度地震成像基础上，确定了南沙海域第四纪精细地震地质结构，识别出了七个地震反射界面，为南沙第四系等时格架的精细构建奠定了基础.

(3) 用典型地震地质剖面，确定了南沙海域500 ms以来沉积区间，至少经历了3次大型的海平面升降，每一个冰期都是三角洲大规模推进的时期.这样的沉积、充填模式构成南沙海域第四纪的主体.对浅层油气和水合物、近海底矿藏等资源勘探，提供地质依据.

(4) 南沙海域第四纪的地质现象非常丰富，浅层断裂活动也非常强烈，下切河谷、滑坡、泥石流等特殊地质遗迹的地震相非常丰富，反映出南沙海域第四纪是地质活动频繁的地区.

这项研究工作刚启动，未来会有更多的发现.