2019, Vol. 62
2. 中国科学院海洋地质与环境重点实验室, 中国科学院海洋研究所, 青岛 266071;
3. 青岛研究院, 西北工业大学, 青岛 266200;
4. 中国地质调查局南京地质调查中心, 南京 210016;
5. 中国海洋大学海洋地球科学学院, 青岛 266100;
6. 青岛海洋地质研究所, 青岛 266071;
7. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
8. 海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室, 自然资源部第一海洋研究所, 青岛 266061;
9. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室, 青岛 266061
, ZHANG XunHua4, ZOU ZhiHui5, WU ZhiQiang6
, HAO TianYao7, ZHENG YanPeng8,9, LIU Kai8,9
2. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China;
3. Qingdao Research Institute, Northwestern Polytechnical University, Qingdao 266200, China;
4. Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing 210016, China;
5. College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;
6. Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China;
7. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
8. Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environmental Geology, First Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China;
9. Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061, China
南黄海(图 1)位于中国大陆与朝鲜半岛之间，为西太平洋陆缘活动带的组成部分(陈沪生等，1999；万天丰，2004；姚永坚等，2008；张训华等, 2013, 2014).该区域在大地构造单元中被称作南黄海盆地，是一个在前古生代及中-古生代海相沉积基底之上发育起来的中-新生代陆相叠合盆地，也是下扬子块体的主体部分；其北部以苏鲁造山带与华北地块(华北克拉通)相隔，南部以江山—绍兴断裂为界与华南造山带为邻(李三忠等, 2004a, 2004b；张训华等，2013)，在中、新生代地处太平洋等板块俯冲的中心地带，始终处于全球三大构造域超级汇聚的中心(李三忠等，2011; Li et al., 2018).
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图 1 南黄海地理位置及研究测线位置图(李三忠等, 2004b, 2016a, 2016b；李春峰等，2009；Li S Z et al., 2011；索艳慧等，2012) (a)南黄海地理位置；(b) OBS2013及多道测线(MCS-1)位置图；(c)南黄海盆地次级构造单元及OBS台站位置图(图中仅展示有有效数据的台站). Fig. 1 The location of South Yellow Sea (SYS) and the surveying lines (Li S Z et al., 2004b, 2011, 2016a, 2016b; Li C F et al., 2009; Suo et al., 2012) (a) Geolocation of SYS; (b) Location of lines OBS2013 and MCS-1; (c) Layout of OBS stations in the tectonic units of SYS basin (stations carrying effective data are showed). |
区域地质调查、研究及钻探揭示，南黄海盆地中-新生代地层以砂岩、泥岩及砾岩等陆相沉积为主，中、古生代广泛分布的是海相碳酸盐岩及碎屑岩地层，海相地层构造变形严重、断裂发育(王巍等，1999；舒良树等，2005；陈安定, 2001, 2010；杨琦和陈红宇，2003；刘寅等，2014；吴志强，2009；吴志强等，2015a；张训华等，2013).研究区在横向上具有南北分块、东西分带的基本构造格架，目前从基底到盖层呈现不同的结构特征，区域上地层赋存情况也存在差异(郝天珧等，2002；黄松等，2010；张训华等，2014).以白垩纪-古近纪地层的分布范围圈定，南黄海自北向南可以划分为五个构造单元，分别为千里岩隆起、北部坳陷、中部隆起、南部坳陷以及勿南沙隆起.本文测线横跨千里岩隆起、北部坳陷和中部隆起(图 1c).千里岩隆起，是一个在印支期由华北地块与扬子地块碰撞造山形成的隆起，变质基底埋深较浅；主要岩性为被燕山期花岗岩复杂化的太古界变质岩，浅部覆盖有中-新生代陆相沉积，研究表明它是苏鲁造山带在海区的延伸(地矿部第一海洋地质调查大队，1979)，其中海上出露区被称为千里岛(图 1b, 1c)，以长英质岩为主(韩宗珠等，2015).南黄海北部坳陷位于千里岩隆起南侧、中部隆起北侧，坳陷总体走向为NEE向，是一个晚白垩世以来发育的断坳盆地.地震资料和重、磁反演结果表明，北部坳陷陆相沉积盆地之下叠置了古生代海相残留盆地(黄松等，2010；张训华等，2014)，在部分多道地震剖面上追踪到了志留系顶界面或泥盆系底界面的反射波组(张训华等，2013).中部隆起大致位于北纬34°—35°，走向近EW(蔡乾忠，2005a；蔡乾忠，2005b)，新近系沉积层直接覆盖在中-古生代海相沉积层之上(张海啟等，2009)，界面的反射系数最高达0.5(吴志强等，2015a).南黄海盆地沉积层的速度主要是应用多道地震资料的叠加速度谱与测井资料计算得到，但由于本区域纵向速度变化较大，叠加速度谱计算得到的层速度存在较明显的误差(杨艳秋等，2015)，而测井资料受限于钻井的深度及点位分布，对研究区地层速度的认识有限.目前南黄海盆地中所获得的沉积地层的速度场(吴志强，2009)还参考了与其具有相同构造性质与地层赋存的苏北盆地沉积层速度资料.2013年，多家科研单位联合在南黄海实施了OBS深部地学探测测线(图 1b，1c，以下将测线简称为OBS2013)，采用大容量立体气枪阵列延迟激发的震源新技术，获得了复杂构造地区的广角反射-折射地震信号(吴志强等，2015b).基于低频气枪联合OBS获得的地震信号，前续的研究已对南黄海地区相关构造单元的速度结构有了基本性认识(祁江豪，2015；赵维娜等，2017)，这对研究南黄海构造演化及与周缘地区地质单元之间的关系具有重要意义.在重建研究区速度模型的过程中，沉积地层速度模型的精确度决定着深部结构的合理性，沉积地层速度模型越准确，反演得到的深部速度结构越合理.因此，深入探究研究区沉积地层的精细速度结构，可以为时深转换及偏移成像提供更合理的速度，也更有利于准确地实现对深部速度结构的反演成像.
本文使用OBS2013测线数据，利用纵波初至走时，通过多尺度层析成像技术反演南黄海北部的速度结构，给出精细的沉积地层纵波速度模型.结合横波速度、多道地震资料和重、磁数据，研究了测线下方沉积地层的特征，重点分析了胶莱盆地在该测线上的延伸位置、南黄海盆地北部坳陷的分布特征及其接触关系，直观呈现了测线上南黄海中-新生代盆地边界及沉积地层高速区、低速区(纵波速度)的空间展布，为该区偏移成像、中-古生界研究及盆地演化建模提供高精度速度约束.
1 数据与方法本文使用的OBS2013广角反射测线横跨南黄海北部，由国家海洋局北海分局“向阳红08”调查船及上海海洋石油局第一海洋地质调查大队“发现2”调查船联合作业.测线由39个间距为6 km的OBS台站组成(编号：C01-C39)，台站测线总长度为228 km，其中有31个台站(图 1b，1c，红三角)获得了有效地震数据.此次广角地震数据采集的激发震源采用了立体气枪阵列延迟激发技术，从浅到深顺序激发，4个子阵沉放激发深度按其横向排列依次为13 m、9 m、7 m、11 m，激发延迟为1.5 ms.此类组合在压制震源虚反射的同时，保证了地震波能量的向下传播(吴志强等, 2015b, 2016).气枪共有效激发2501次，震源间距125 m，形成了312.5 km长的震源排列(图 1b，1c，黄线).
1.1 数据预处理OBS记录包含四个分量：垂向分量(Z)，两个水平分量(X-Y)和水听器记录的压力分量(H).本文对有效OBS台站数据采用相同处理流程，具体步骤如下：
(1) 将原始记录解编，根据导航文件和炮时文件裁截数据，形成标准segy格式.
(2) 时间及位置校正.OBS存在时钟漂移(支鹏遥等，2012)，采用线性内插方法对数据进行时钟校正.由于测线覆盖海域整体水深小于75 m，OBS投放点位置与海底真实位置较接近，深度校正作为时间漂移来处理.
(3) 数据频谱分析.通过对OBS台站数据分频扫描，分析有效地震信号所处的频带范围，以此确定带通滤波器的滤波频率为5-8-18-20 Hz.对所有台站Z分量与水听器H分量分析显示，远偏移距的垂直Z分量数据的初至波信噪比较低、连续性差，可进行初至拾取的地震道偏移距远小于水听器分量，因此本文纵波初至震相拾取全部在水听器H分量上完成.
(4) 初至波增强.利用相邻道初至波形的相关性，本文采用滑窗平均的方法压制随机噪声，提高初至波信号强度和信噪比.具体做法如下：(a)选取要进行互相关叠加的记录道以及合理的时窗范围(时窗要包含初至波)；(b)计算该道与左右相邻2道记录在选定时窗范围内的互相关，通过互相关求得中间道与其余4道记录之间的走时差；(c)利用走时差信息校正相邻的4道记录，使各道记录的初至波校平；(d)将时差校正后的4道记录和中间道叠加求平均，最终输出压制随机噪声后的记录.以此类推，将所有可追踪到初至波的记录道做互相关叠加处理，如图 2所示，为C06台站(位置见图 1c)水听器H分量近、中、远偏移距互相关叠加处理前、后的初至波形.通过图 2(①—⑥)的对比，原始OBS数据经过滑窗平均处理之后，随机噪声干扰得到压制，信噪比明显提升，初至波横向连续性得以改善，初至起跳清晰，有利于初至走时的准确拾取.
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图 2 滑窗平均对C06台站初至波信号增强效果对比 ①近偏移距原始初至波；②中偏移距原始初至波；③远偏移距原始初至波；④近偏移距滑窗平均后初至波；⑤中偏移距滑窗平均后初至波；⑥远偏移距滑窗平均后初至波；圆点：所拾取初至走时. Fig. 2 First-arrival waveforms before and after five-station moving average for the station C06 ① Original first-arrival wave in near offset distance; ② Original first-arrival wave in middle offset distance; ③ Original first-arrival wave in far offset distance; ④ First-arrival wave after the five-station moving average in near offset distance; ⑤ First-arrival wave after the five-station moving average in middle offset distance; ⑥ First-arrival wave after the five-station moving average in far offset distance. The dots represent the first-arrival picks. |
(5) 震相拾取.在共接收点道集上拾取初至时间，遵循地震波相位一致性及远偏移距拾取准确性最大化等原则，从近偏移距开始由近及远拾取初至波负极性起跳位置(图 2).为了保证观测系统的二维性，避免海水层、炮线偏离测线(首尾两个站点连线)等的影响，在反演前对已拾取的走时做了适当的筛选：如果炮检连线偏离测线的角度大于2°，则该台站和炮点对应的走时数据即被剔除.
1.2 多尺度层析成像技术(MST)多尺度层析成像是为解决射线覆盖不均匀造成反演解的不确定性而提出的一种层析成像方法(Zhou，2003).该方法在反演时分三个步骤进行：(1)模型多尺度分解；(2)同时反演子模型；(3)叠加所有子模型的反演结果.具体分述如下：
(1) 模型多尺度分解.MST子模型划分是将初始模型投影到一系列不同尺寸网格的子模型上，从而使用不同几何尺寸单元格拟合多尺度的地质异常体.多尺度分解首先将多尺度层析成像(MST)子模型单元格大小设定为单尺度层析成像(SST)模型的倍数；然后，将原始地震波速度剖面投影到各个尺度的子模型；最后，将各个子模型的核函数以SST核函数的形式表示，并组合为MST的微分核函数.
(2) 同时反演子模型.将建立的多尺度核函数和拾取的初至带入到以最小二乘法建立的反演方程，反演得到各个子模型的值.多尺度层析算法中的子模型共同覆盖了研究区域，每个子模型对每一个位置的速度值都有贡献，贡献程度随子模型单元尺寸的不同而有差异.具有小尺寸单元的子模型容易刻画局部速度变化，但受制于有限的射线覆盖对射线走时影响较小.具有大尺寸单元的子模型是对速度结构趋势的刻画，由于单元格中含有射线段的长度较长，对射线走时有较大影响.在每个位置上，所有射线走时残差具有较高一致性的子模型能够在反演中获得更大反演值.
(3) 叠加所有子模型的反演结果.最终的MST模型是所有反演子模型的叠加.也就是说，在空间位置x处，最终模型的扰动量δm(x)为所有子模型在该位置处扰动量的叠加(Zhou，2003)：
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(1) |
其中，K为子模型的总数量，δm(k)(x)代表第k阶子模型x位置处的速度扰动值，w(k)为控制不同子模型对反演结果贡献度的加权因子.通常情况下，加权因子是归一化的：
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(2) |
式中，w(k)的默认数值为1/K.
叠加后，最终模型的变量个数和单元格大小与一阶子模型相同.与单尺度层析成像相比，多尺度层析成像在每个位置点有多种不同尺寸的单元格，提高了获得最适应射线路径覆盖和异常体几何形态单元格大小的机会.多种不同尺寸单元格意味着反演获得的速度模型更加平滑，从地质学角度来说这种速度模型更符合实际情况.
2 沉积层纵波速度反演结果 2.1 初始模型建立参考南黄海盆地及邻区的沉积地层速度(刘因等，2009；吴志强，2009；祁江豪；2015)，本文的反演初始模型通过如下步骤构建：首先，建立粗略初始模型，模型的速度从海底的2 km·s-1线性增加至20 km深度处的7 km·s-1；其次，将模型分解为大网格，并在大网格模型上进行层析反演；最后，将大网格反演得到的速度模型进行水平方向平均，得到一个速度随深度线性变化的一维模型(图 3a，后续反演结果可靠信息在10 km之上，文中展示了0~15 km深度的信息，为与反演结果保持一致，初始模型也仅展示0~15 km).选择对模型进行大网格剖分可以减少模型变量，减少射线追踪计算时间，从而提高反演效率，以达到快速建模的目的.
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图 3 OBS2013测线沉积地层速度结构 (a)初始速度模型；(b)反演速度结构(黑色细线：速度等值线)；F1—F6是横向速度分界；(c)反演射线覆盖；黑色细线：射线，∇：OBS台站；(d)测线位置；红色实心点：OBS台站，黄色实心线：炮线，蓝色实心线：模型对应位置，C02-C38：OBS站位编号. Fig. 3 Tomographic velocity model beneath OBS2013 (a) Initial velocity model; (b) Inverted seismic velocity with contours showing the velocity values; F1—F6 are boundary of velocity in the horizontal; (c) Raypaths on top of the inverted velocity. The thin black lines represent the raypaths. ∇:OBS stations; (d) Survey line location; red dots are OBS stations. Yellow and blue lines are shots and model line, respectively; C02-C38 are stations′ number of OBS. |
图 3b是多尺度层析成像建立的OBS2013测线下方的地震纵波速度结构.从图中可以看到，地震波速度在纵向和横向上都存在强烈的高低速分界面.六个横向速度边界(图 3b中以F1-F6标记)将测线下方地层分为三部分，两端是速度相对高值区，中部是速度相对低值区.
测线北段(0~74 km)纵波速度低于5 km·s-1的地层厚度较小，基本上在1 km深度下方即出现大于6 km·s-1的高速结构，高速结构中有相对次高速(5 km·s-1)地层分布.测线中段(74~200 km)的较高速(＞5 km·s-1)地层埋深略深，平均在4~5 km，5 km以上埋深的地层中局部地区纵波速度呈现相对低值(＜5 km·s-1)，高低速界面F2与F6分别为测线中段北、南边界.测线南段(＞200 km)地层中的纵波高速区(＞6 km·s-1)埋深约在3 km左右，射线覆盖较密集.将测线投影到区域构造图中(图 3d)，各构造单元与不同速度体吻合程度较高，北端的高速地层与千里岩隆起对应，中部相对低速区对应北部坳陷，南端相对高速区则是中部隆起.
最终反演模型的射线覆盖(图 3c)显示，在测线下方纵向与横向上射线都不均匀，3 km以内整条测线下方射线覆盖密集，此深度上反演结果可信度很高.3~10 km之间射线覆盖主要分布在模型中段，两端效果较差，即3~10 km深度上，模型两端地层的速度可靠性低于中段(74~200 km)地层.反演共进行了15次迭代，走时残差收敛速度较快，且在多次迭代后趋于稳定，通过对数显示(图 4)来放大差异，以对比各次迭代的走时残差的收敛效果.根据图 4曲线可看出，第11次迭代的走时残差存在跳变，这是由于第11次迭代前对初始模型进行平滑导致的.在11次迭代后，走时残差又再次快速收敛，这表明本文采用的层析反演是稳定收敛的.
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图 4 反演走时残差随迭代次数变化(垂直轴为对数坐标) Fig. 4 Evolution of travel-time residuals with iterations of inversion. The vertical axis is in log unit |
棋盘测试可以检验成像算法在使用野外观测系统时的分辨能力(Lévěque et al., 1993; 王家映，2002).本文采用与实际数据反演中相同的初始模型、面元、子模型数目以及迭代次数等参数进行了棋盘测试.棋盘测试所使用的理论模型是将实际反演中的初始模型(图 3a)作为背景速度模型，并与周期正负变化的速度扰动相叠加，叠加后的速度模型用于理论测试(图 5a).理论模型的地震速度扰动幅值随着深度的增加而减小，这样的速度异常值与图 3b中的实际反演值相近.多尺度层析得到的速度模型(图 5b)合理地恢复了埋深小于10 km的速度异常.深度大于10 km的速度异常体恢复效果不够理想，沿着射线路径存在一定程度的拖尾效应，但相对位置仍然存在一定的可信度.图 5b结果显示，5 km埋深以上，横向6 km的速度异常得以恢复，5~10 km埋深中，横向12 km的异常体可以被恢复.射线覆盖(图 5c)显示，浅部射线比较密集，大部分射线有一个小的入射角且相互平行.最好的交错路径出现在3 km处，也是最大的速度梯度出现处，深度大于5 km时射线再次出现相互平行现象，大于10 km时，射线稀疏.这种不均匀分布的路径主要是由一维背景速度梯度随深度剧烈变化引起的.分辨率测试表明，实际观测系统适用于反演深度小于10 km的速度异常，深度大于10 km时，高速和低速异常体相对位置只能在某些程度上参考.
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图 5 地震层析成像分辨率测试 (a)合成初始速度模型；(b)反演速度结构；(c)反演射线覆盖；白色细线：射线，倒三角：OBS台站，C02-C38：OBS站位编号. Fig. 5 Resolution test of the multiscale seismic tomography (a) Synthetic seismic velocity model; (b) Inverted seismic velocity model; (c) Distribution of raypaths. ∇:OBS stations; C02-C38 are stations′ number of OBS. |
OBS2013测线附近曾布设一条与其位置、走向相近的多道地震测线(MCS-1，位置如图 1b中蓝线所示)，它与OBS2013共同覆盖了千里岩隆起东南段、北部坳陷以及中部隆起西北部小段.从这条多道地震生成的叠加剖面(图 6a)上可以看出，反射波组可由两个地层界面(T2，T8)及多条断层刻画.其中，T2为第四系和新近系(N+Q)底界面反射，T8是陆相中-新生界底界面反射.T8反映了南黄海陆相沉积盆地的基底界面，是晚古生代-早中生代期间的印支运动在本区形成的一个标志性的构造运动面(印支构造面)，也是一个区域性不整合面.多道地震显示(图 6a)，五条大断裂(活动深度>6 km)控制了研究区早期地层的发育，此外，还有若干条活动于中-新生代的小断裂.根据反射特征，多道地震测线下方地层(T2以下，6 km以上)可分为Ⅰ- Ⅸ九部分.将反射地震剖面由时间域转换到深度域(转换使用速度是横向平均的一维反演速度模型)，与OBS反演速度结构对应分析(图 6b)，纵波速度的低-高速区与沉积的新-老岩层对应良好，盆地以印支构造面为界的挤压与伸展地层速度分别呈现高、低速特征.
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图 6 速度剖面与多道地震剖面联合解释 (a)多道地震剖面MCS-1及地质解释，剖面位置见图 1b; (b) OBS2013测线(部分)纵波速度与多道地震剖面叠合图；黄色实心线：断裂；黑色实心线：地层反射界面；Ⅰ- Ⅸ：不同反射特征区；黑色框：中-新生代陆相地层区；红色框：同相轴不连续区. Fig. 6 Joint interpretation of the velocity profile and multi-channel seismic reflection profile (a) Multi-channel seismic (MST-1) stack section and the related geological interpretation (Fig. 1b shows the location). (b) Overlapped sections of seismic velocity beneath part of OBS2013 and seismic reflection images. Yellow and black lines are faults and reflection interfaces. Ⅰ-Ⅸ represent areas with different reflection feature. Black frames represent the continental deposition at the Mesozoic-Cenozoic. In the red frame, the events are broken. |
从叠合图上看出，速度分界面F2-F6可解释为5条较深断裂(图 6b，活动深度>6 km)，而未被多道地震测线覆盖的F1，根据前期在南黄海西北部获取的地震剖面(侯方辉等，2012)，推断其是中-新生代的浅部小断裂，且是胶莱盆地在海上延伸部分的东侧控盆断裂.F2是千里岩断裂，一条始于印支运动早期的由北向南的逆冲断裂系；在中晚侏罗世，由于太平洋板块的俯冲(Maruyama et al., 1997; 朱日祥等，2012)，南黄海所属的区域应力场转换为拉张状态，断层反转成同生正断层，断距较大，控制着中生代晚期和古近纪沉积(张训华等，2013).磁力异常(图 7)与布格重力异常(图 8)显示，Ⅰ区是重力低异常区，磁力上也是低值区，F2下降盘中沉积大量白垩系和古近系(张训华等，2013)，是一个北断南超的箕状断陷.F3是一南倾正断层，切割了包括古近系以下地层，F3的下降盘是北断南超的箕状断陷Ⅱ，是一个典型的半地堑.断陷Ⅰ、Ⅱ是同期单断同相半地堑并联式构造组合.F4与F5是两个反转断层，早期挤压作用形成冲起构造、产生逆断层，后期由于区域应力作用改变为伸展拉张，断层上盘Ⅲ在重力作用之下向下滑动形成反转正断层，最终表现为上正下逆断层(内部资料).观察速度结构剖面，F4位于一个低速异常带上，在断陷Ⅲ上部，有一个上凸区域A1，成像不清，同相轴错断，发育大量的断裂，磁异常为负，速度较低，据以上特征认为该区域地层严重破碎，推断F4在较新时代具有走滑特性.F6位于南黄海北部坳陷南缘，是北部坳陷发生、发展的主控断裂，同样也是一条反转断层.断层早中生代末期开始发育，终止于中新世，限制着南断北超断陷Ⅳ的发展，断陷内部保留大量白垩纪和古近纪沉积，上升盘缺失部分地层.
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图 7 南黄海磁异常(修改自郝天珧等，2010) 白色圆点：OBS台站，白色曲线：断裂. Fig. 7 Magnetic anomaly map of SYS (after Hao et al., 2010) White dots: OBS stations. White curves: faults. |
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图 8 南黄海布格重力异常(修改自郝天珧等，2010) 白色圆点：OBS台站，白色曲线：断裂. Fig. 8 Bouguer gravity anomaly map of SYS (after Hao et al., 2010) White dots: OBS stations. White curve: faults. |
T8以上是中-新生代陆相沉积地层，在纵波速度上表现出相对低速特征，其中千里岩隆起、中部隆起与北部坳陷的中-新生代地层速度依次呈现降低趋势.在千里岩隆起上F1的南侧呈现相对较高速度特征(5 km·s-1，图 1b)，区域上(图 1)千里岛出露在其西南侧，此处的高速地层应为千里岛高速变质岩向东北方向的延伸，第四纪沉积物较薄.在此高波速地层的西侧是速度为3.5~4.5 km·s-1的胶莱盆地在海上延伸区域，根据陆上沉积岩和多道地震反射特征推断，海上区域的沉积岩主要由下白垩陆相碎屑岩、火山碎屑岩及白云质页岩等组成(侯方辉等，2008；吴志强，2009)，且还有部分第四系和新近系.中部隆起的速度区间是2~3 km·s-1，参考测线西侧CSDP-2井取心结果(郭兴伟等，2017)，中部隆起T8反射波以上沉积地层为第四系和新近系，缺失白垩系与侏罗系.北部坳陷中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区具有相同的重、磁异常特征，是在断陷期形成(Ⅲ区经历了前期挤压作用)的大量白垩纪到古近纪沉积的地堑(姚永坚等，2008)，从反演速度结构中看出四个区域速度较低且随深度增加连续递增变化.
3.3 中-古生代地层Ⅵ、Ⅶ是纵波高速区(>6 km·s-1)，在重力异常中都呈现高值而磁力异常中却是低值(图 7，8)，参考横波速度特征(Zhao et al., 2017; 赵维娜等，2017)，推测这些区域是中-古生代海相碳酸盐沉积地层，发生大规模岩浆入侵可能性较小.Ⅷ与Ⅸ区域纵波整体具有高速特征，此外其重力、磁力异常呈现正高值，但重力异常从北向南有减小趋势，不排除火成岩侵入的可能性.在多道地震剖面A区域(图 6b)，反射波同相轴仍具有成层状特征，反演的纵波速度相对略低(5 km·s-1)，结合此区域获得的波速比(Zhao et al., 2017; 赵维娜等，2017)及邻区取心结果(郭兴伟等，2017)，区域A中包含了海相沉积中的砂岩地层.据目前资料(图 6b)，该区域(6 km之上)的砂岩分布于约2 km厚度的地层中.区域B反演射线(图 3c)覆盖密集，速度显示高值(6 km·s-1)，这符合下扬子地区中-古生代海相沉积地层高速特征，推测该区域发育中-古生代海相沉积层.在磁力异常中，Ⅸ区呈现的是短波长特征，根据苏北地区磁源调查成果，变质褶皱基底引发长波长磁异常，新生代的玄武岩和中生代的火山岩呈现的是短波长磁异常(杨金玉，2009)，推测高速体C(>6 km·s-1)可能部分含有后期入侵到海相地层中的火成岩.
4 结论本文基于2013年在南黄海获得的主动源广角地震数据，通过多尺度层析成像方法获得了南黄海盆地北部沉积地层的高精度纵波速度结构，反演的速度模型展现了沉积盆地以及断裂对应的地震波速低值带，并综合重、磁、地震和钻井资料认识了中-新生代陆相沉积盆地地层和断裂分布特征，拓展了OBS深部地学探测数据的应用范畴.
(1) 反演模型的速度边界在区域上分别是F1-F6六条断裂，这些断裂将速度剖面划分成了四个纵波低速区和五个高速区.北部坳陷以印支面为界的下部挤压与上部伸展地层速度分别呈现高、低速特征.F1推测为胶莱盆地在海上的东部控盆边界，F2是千里岩断裂，F6是北部坳陷南缘断裂，F3-F5是盆内断裂，而F4可能在某一地质年代发生走滑.
(2) OBS2013测线下方6 km深度以内纵波速度的低值区是中-新生代沉积地层，而高值区归属于不同的形成机制：北部高速区是千里岩隆起的变质岩，中部高速区是被挤压的海相沉积地层，南部高速区属于中部隆起，为埋藏较浅、但厚度较大的中-古生代海相地层，部分位置可能含有火成岩.
(3) 北部坳陷的中、南部区域，在陆相中-新生代沉积盆地之下的海相地层中发育砂岩，该区域(6 km之上)的砂岩沉积分布于约2 km厚度的地层中，值得后期调查研究的关注.
致谢 感谢青岛海洋地质研究所各位老师为作者在本文刊出过程中提供的支持与帮助.感谢审稿人对本文提出的周密而具建设性的宝贵意见，使文章更加充实完善.
Cai Q Z. 2005a. Oil & Gas Geology in China Seas (in Chinese). Beijing: China Ocean Press.
|
Cai Q Z. 2005b. Relationship between Sino-Korean orogenic belt traversing Yellow Sea and basin evolution and hydrocarbon generation in North and South Yellow Sea basin. Oil & Gas Geology (in Chinese), 26(2): 185-192, 196. |
Chen A D. 2001. Dynamic mechanism of formation of dustpan subsidence, Northern Jiangsu. Geological Journal of China Universities (in Chinese), 7(4): 408-418. |
Chen A D. 2010. Tectonic features of the Subei basin and the forming mechanism of its dustpan-shaped fault depression. Oil & Gas Geology (in Chinese), 31(2): 140-150. |
Chen H S, Zhang Y H, Xu S W, et al. 1999. The Lithospheric Textural and Structural Features as Well as Oil and Gas Evaluation in the Lower Yangtze Area and Its Adjacent Region, China (in Chinese). Beijing: Geological Publishing House.
|
Guo X W, Zhu X Q, Mu L, et al. 2017. Discovery of Permian-Triassic Ammonoids in the central uplift of the South Yellow Sea and its geological implications. Marine Geology & Quaternary Geology (in Chinese), 37(3): 121-128. |
Han Z Z, Liu H, Xu H, et al. 2015. Geological evolution and basin-range coupling relationship of the South Yellow Sea basin. Marine Geology Frontiers (in Chinese), 31(4): 55-62. |
Hao T Y, Suh M, Wang Q S, et al. 2002. A study on the extension of fault zones in Yellow Sea and its adjacent areas based on gravity data. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 45(3): 385-397. |
Hao T Y, Huang S, Xu Y, et al. 2010. Geophysical understandings on deep structure in Yellow Sea. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 53(6): 1315-1326. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.06.010 |
Hou F H, Zhang Z X, Zhang X H, et al. 2008. Geologic evolution and tectonic styles in the South Yellow Sea basin. Marine Geology & Quaternary Geology (in Chinese), 28(5): 61-68. |
Hou F H, Li R H, Zhang X H, et al. 2012. Jiaolai basin extending into South Yellow Sea: evidence from a new seismic profile in South Yellow Sea. Marine Geology Frontier (in Chinese), 28(3): 12-16. |
Huang S, Hao T Y, Xu Y, et al. 2010. Study on macro distribution of residual basin of South Yellow Sea. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 53(6): 1344-1353. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.06.013 |
Lévěque J J, Rivera L, Wittlinger G. 1993. On the use of the checker-board test to assess the resolution of tomographic inversions. Geophysical Journal International, 115(1): 313-318. DOI:10.1111/gji.1993.115.issue-1 |
Li C F, Chen B, Zhou Y Z. 2009. Deep crustal structures of eastern China and adjacent seas revealed by magnetic data. Science in China Series D: Earth Sciences, 52(7): 984-993. DOI:10.1007/s11430-009-0096-x |
Li S Z, Zhou L H, Liu J Z, et al. 2004a. Cenozoic faulting and basin formation in the eastern North China Plate. Marine Geology & Quaternary Geology (in Chinese), 24(3): 57-66. |
Li S Z, Liu J Z, Zhao G C, et al. 2004b. Key geochronology of Mesozoic deformation in the eastern block of the North China Craton and its constraints on regional tectonic: a case of Jiaodong and Liaodong Peninsula. Acta Petrologica Sinica (in Chinese), 20(3): 633-646. |
Li S Z, Kusky T M, Zhao G C, et al. 2011. Thermochronological constraints on two-stage extrusion of HP/UHP terranes in the Dabie-Sulu orogen, east-central China. Tectonophysics, 504(1-4): 25-42. DOI:10.1016/j.tecto.2011.01.017 |
Li S Z, Zhang G W, Zhou L H, et al. 2011. The opposite Meso-Cenozoic intracontinental deformations under the superconvergence: Rifting and extension in the North China Craton and shortening and thrusting in the South China Craton. Earth Science Frontiers (in Chinese), 15(6): 232-240. |
Li S Z, Zhao S J, Li X Y, et al. 2016a. Proto-Tehtys Ocean in East Asia (Ⅰ): Northern and Southern border faults and subduction polarity. Acta Petrologica Sinica (in Chinese), 32(9): 2609-2627. |
Li S Z, Zhao S J, Yu S, et al. 2016b. Proto-Tehtys Ocean in East Asia (Ⅱ): Affinity and assembly of Early Paleozoic micro-continental blocks. Acta Petrologica Sinica (in Chinese), 32(9): 2628-2644. |
Li X Y, Li S Z, Suo Y H, et al. 2018. Early Cretaceous diabases, lamprophyres and andesites-dacites in western Shandong, North China Craton: Implications for local delamination and Paleo-Pacific slab rollback. Journal of Asian Earth Sciences, 160: 426-444. DOI:10.1016/j.jseaes.2017.08.005 |
Liu Y, Chen Q H, Hu K, et al. 2014. Comparison of the Bohai bay basin and Subei-South Yellow Sea basin in the structural characteristics and forming mechanism. Geotectonica et Metallogenia (in Chinese), 38(1): 38-51. |
Liu Y, Wang Q, Jiang M, et al. 2009. The receiver function image of the deep structure in Sulu orogenic belt. Acta Petrologica Sinica (in Chinese), 25(7): 1658-1662. |
Maruyama S, Isozaki Y, Kimura G, et al. 1997. Paleogeographic maps of the Japanese Islands: Plate tectonic synthesis from 750 Ma to the present. Island Arc, 6(1): 121-142. DOI:10.1111/iar.1997.6.issue-1 |
No. 1 Marine Geological Survey Team. 1979. Geophysical survey report of northern basin in South Yellow Sea. Qingdao Institute of Marine Geology.
|
Qi J H. 2015. Research on the crustal velocity structure in the Southern Yellow Sea [Ph. D. thesis] (in Chinese). Beijing: China University of Geosciences (Beijing).
|
Shu L S, Wang B, Wang L S, et al. 2005. Analysis of Northern Jiangsu prototype basin from Late Cretaceous to Neogene. Geological Journal of China Universities (in Chinese), 11(4): 534-543. |
Suo Y H, Li S Z, Dai L M, et al. 2012. Cenozoic tectonic migration and basin evolution in East Asia and its continental margins. Acta Petrologica Sinica (in Chinese), 28(8): 2602-2618. |
Wan T F. 2004. An Outline in Tectonic of China (in Chinese). Beijing: Geological Publishing House.
|
Wang J Y. 2002. Inverse Theory in Geophysics (in Chinese). 2nd ed. Beijing: Higher Education Press.
|
Wang W, Chen G, Wang J L, et al. 1999. Analysis for regional structural characteristics of North Jiangsu-South Yellow Sea basin. Journal of Seismology (in Chinese), (1): 47-55. |
Wu Z Q. 2009. The seismic techniques for exploring marine facies stratigraphic hydrocarbon entrapped in the Middle Uplift of the South Yellow Sea [Ph. D. thesis] (in Chinese). Qingdao: Ocean University of China.
|
Wu Z Q, Liu L H, Xiao G L, et al. 2015a. Progress and enlightenment of integrated geophysics exploration of marine residual basin in the South Yellow Sea. Progress in Geophysics (in Chinese), 30(6): 2945-2954. DOI:10.6038/pg20150664 |
Wu Z Q, Hao T Y, Zhang X H, et al. 2015b. Contact relationships between the North China block and Yangtze block: New constraints from upper/lower-source and long spread multi-channel seismic profiles. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 58(5): 1692-1705. DOI:10.6038/cjg20150520 |
Wu Z Q, Hao T Y, Tang S H, et al. 2016. Tridimensional air-gun array with delay fired source signal characteristics and the application in OBS exploration in shallow sea. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 59(7): 2573-2586. DOI:10.6038/cjg20160722 |
Yang J Y. 2009. Research on the tectonic relation between the South Yellow Sea basin and its adjacent area and distribution characteristic and tectonic evolution of the Mesozoic-Paleozoic marine strata [Ph. D. thesis] (in Chinese). Hangzhou: Zhejiang University.
|
Yang Q, Chen H Y. 2003. Tectonic evolution of the North Jiangsu-South Yellow Sea basin. Petroleum Geology & Experiment (in Chinese), 25(S1): 562-565. |
Yang Y Q, Li G, Yi C Y. 2015. Characteristics of seismic reflection and geological ages of seismic sequences for marine strata in the south Yellow Sea basin. Journal of Northeast Petroleum University (in Chinese), 39(3): 50-59, 124. |
Yao Y J, Feng Z Q, Hao T Y, et al. 2008. A new understanding of the structural layers in the South Yellow Sea Basin and their hydrocarbon-bearing characteristics. Earth Science Frontiers (in Chinese), 15(6): 232-240. |
Zhang H Q, Chen J W, Li G, et al. 2009. Discovery from seismic survey in Laoshan Uplift of the South Yellow Sea and the significance. Marine Geology & Quaternary Geology (in Chinese), 29(3): 107-113. |
Zhang X H, Zhang Z X, Lan X H, et al. 2013. Regional Geology in South Yellow Sea (in Chinese). Beijing: Naval Press.
|
Zhang X H, Yang J Y, Li G, et al. 2014. Basement structure and distribution of Mesozoic-Paleozoic marine strata in the South Yellow Sea basin. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 57(12): 4041-4051. DOI:10.6038/cjg20141216 |
Zhao W N, Zhang X H, Meng X J, et al. 2017. S-wave velocity structures and Vp/Vs ratios beneath the South Yellow Sea from ocean bottom seismograph data. Journal of Applied Geophysics, 139: 211-222. DOI:10.1016/j.jappgeo.2017.02.015 |
Zhao W N, Zhang X H, Meng X J, et al. 2017. Analysis of converted shear-waves based on OBS data in the South Yellow Sea and its geological implication. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 60(4): 1479-1490. DOI:10.6038/cjg20170421 |
Zhi P Y, Liu B H, Hua Q F, et al. 2012. Ocean bottom seismometer experiment and its preliminary results in Bohai Sea. Advances in Earth Science (in Chinese), 27(7): 769-777. |
Zhou H W. 2003. Multiscale traveltime tomography. Geophysics, 68(5): 1639-1649. DOI:10.1190/1.1620638 |
Zhu R X, Xu Y G, Zhu G, et al. 2012. Destruction of the North China Craton. Science China Earth Sciences, 55(10): 1565-1587. DOI:10.1007/s11430-012-4516-y |
蔡乾忠. 2005a. 中国海域油气地质学. 北京: 海洋出版社.
|
蔡乾忠. 2005b. 横贯黄海的中朝造山带与北、南黄海成盆成烃关系. 石油与天然气地质, 26(2): 185-192, 196. |
陈安定. 2001. 苏北箕状断陷形成的动力学机制. 高校地质学报, 7(4): 408-418. DOI:10.3969/j.issn.1006-7493.2001.04.005 |
陈安定. 2010. 苏北盆地构造特征及箕状断陷形成机理. 石油与天然气地质, 31(2): 140-150. |
陈沪生, 张永鸿, 徐师文, 等. 1999. 下扬子及邻区岩石圈结构构造特征与油气资源评价. 北京: 地质出版社.
|
地矿部第一海洋地质调查大队. 1979.南黄海北部凹陷地球物理普查报告.青岛海洋地质研究所.
|
郭兴伟, 朱晓青, 牟林, 等. 2017. 南黄海中部隆起二叠纪-三叠纪菊石的发现及其意义. 海洋地质与第四纪地质, 37(3): 121-128. |
韩宗珠, 刘涵, 徐红, 等. 2015. 南黄海盆地盆山耦合作用与地质演化. 海洋地质前沿, 31(4): 55-62. |
郝天珧, Suh M, 王谦身, 等. 2002. 根据重力数据研究黄海周边断裂带在海区的延伸. 地球物理学报, 45(3): 385-397. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2002.03.010 |
郝天珧, 黄松, 徐亚, 等. 2010. 关于黄海深部构造的地球物理认识. 地球物理学报, 53(6): 1315-1326. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.06.010 |
侯方辉, 张志珣, 张训华, 等. 2008. 南黄海盆地地质演化及构造样式地震解释. 海洋地质与第四纪地质, 28(5): 61-68. |
侯方辉, 李日辉, 张训华, 等. 2012. 胶莱盆地向南黄海延伸——来自南黄海地震剖面的新证据. 海洋地质前沿, 28(3): 12-16. |
黄松, 郝天珧, 徐亚, 等. 2010. 南黄海残留盆地宏观分布特征研究. 地球物理学报, 53(6): 1344-1353. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.06.013 |
李春峰, 陈冰, 周祖翼. 2009. 中国东部及邻近海域磁异常数据所揭示的深部构造. 中国科学D辑:地球科学, 39(12): 1770-1779. |
李三忠, 周立宏, 刘建忠, 等. 2004a. 华北板块东部新生代断裂构造特征与盆地成因. 海洋地质与第四纪地质, 24(3): 57-66. |
李三忠, 刘建忠, 赵国春, 等. 2004b. 华北克拉通东部地块中生代变形的关键时限及其对构造的制约——以胶辽地区为例. 岩石学报, 20(3): 633-646. |
李三忠, 张国伟, 周立宏, 等. 2011. 中、新生代超级汇聚背景下的陆内差异变形:华北伸展裂解和华南挤压逆冲. 地学前缘, 18(3): 79-107. |
李三忠, 赵淑娟, 李玺瑶, 等. 2016a. 东亚原特提斯洋(Ⅰ):南北边界和俯冲极性. 岩石学报, 32(6): 2609-2627. |
李三忠, 赵淑娟, 余珊, 等. 2016b. 东亚原特提斯洋(Ⅱ):早古生代微陆块亲缘性与聚合. 岩石学报, 32(6): 2628-2644. |
刘因, 汪青, 姜枚, 等. 2009. 苏鲁造山带深部构造的接收函数图象. 岩石学报, 25(7): 1658-1662. |
刘寅, 陈清华, 胡凯, 等. 2014. 渤海湾盆地与苏北-南黄海盆地构造特征和成因对比. 大地构造与成矿学, 38(1): 38-51. |
祁江豪. 2015.南黄海地区地壳速度结构研究.北京: 中国地质大学(北京). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-11415-1015389982.htm
|
舒良树, 王博, 王良书, 等. 2005. 苏北盆地晚白垩世-新近纪原型盆地分析. 高校地质学报, 11(4): 534-543. DOI:10.3969/j.issn.1006-7493.2005.04.009 |
索艳慧, 李三忠, 戴黎明, 等. 2012. 东亚及其大陆边缘新生代构造迁移与盆地演化. 岩石学报, 28(8): 2602-2618. |
万天丰. 2004. 中国大地构造学纲要. 北京: 地质出版社.
|
王家映. 2002. 地球物理反演理论. 2版. 北京: 高等教育出版社.
|
王巍, 陈高, 王家林, 等. 1999. 苏北-南黄海盆地区域构造特征分析. 地震学刊, (1): 47-55. |
吴志强. 2009.南黄海中部隆起海相地层油气地震勘探关键技术研究[博士论文].青岛: 中国海洋大学. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y1503724
|
吴志强, 刘丽华, 肖国林, 等. 2015a. 南黄海海相残留盆地综合地球物理调查进展与启示. 地球物理学报, 30(6): 2945-2954. DOI:10.6038/pg20150664 |
吴志强, 郝天珧, 张训华, 等. 2015b. 扬子块体与华北块体在海区的接触关系——来自上下源、长排列多道地震剖面的新认识. 地球物理学报, 58(5): 1692-1705. DOI:10.6038/cjg20150520 |
吴志强, 郝天珧, 唐松华, 等. 2016. 立体气枪阵列延迟激发震源特性及在浅海区OBS探测中的应用. 地球物理学报, 59(7): 2573-2586. DOI:10.6038/cjg20160722 |
杨金玉. 2009.南黄海盆地与周边构造关系及海相中、古生界分布特征与构造演化研究[博士论文].杭州: 浙江大学. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y1807356
|
杨琦, 陈红宇. 2003. 苏北-南黄海盆地构造演化. 石油实验地质, 25(S1): 562-565. |
杨艳秋, 李刚, 易春燕. 2015. 南黄海盆地海相地层地震反射特征及地震层序地质时代. 东北石油大学学报, 39(3): 50-59, 124. DOI:10.3969/j.issn.2095-4107.2015.03.007 |
姚永坚, 冯志强, 郝天珧, 等. 2008. 对南黄海盆地构造层特征及含油气性的新认识. 地学前缘, 15(6): 232-240. DOI:10.3321/j.issn:1005-2321.2008.06.030 |
张海啟, 陈建文, 李刚, 等. 2009. 地震调查在南黄海崂山隆起的发现及其石油地质意义. 海洋地质与第四纪地质, 29(3): 107-113. |
张训华, 张志珣, 蓝先洪, 等. 2013. 南黄海区域地质. 北京: 海军出版社.
|
张训华, 杨金玉, 李刚, 等. 2014. 南黄海盆地基底及海相中、古生界地层分布特征. 地球物理学报, 57(12): 4041-4051. DOI:10.6038/cjg20141216 |
赵维娜, 张训华, 孟祥君, 等. 2017. 南黄海OBS数据转换横波分析及其地质意义. 地球物理学报, 60(4): 1479-1490. DOI:10.6038/cjg20170421 |
支鹏遥, 刘保华, 华清峰, 等. 2012. 渤海海底地震仪探测试验及初步成果. 地球科学进展, 27(7): 769-777. |
朱日祥, 徐义刚, 朱光, 等. 2012. 华北克拉通破坏. 中国科学:地球科学, 42(8): 1135-1159. |