地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (4): 1523-1537   PDF    
中沙海域的广角与多道地震探测
黎雨晗1,2,3, 黄海波1,2, 丘学林1,2,3, 杜峰4, 龙根元5, 张浩宇1,2,3, 陈瀚6, 王强1,2,3     
1. 中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室, 广州 510301;
2. 中国科学院南海生态环境工程创新研究院, 广州 510301;
3. 中国科学院大学, 北京 100049;
4. 湖北省地震局地震预警湖北省重点实验室, 武汉 430071;
5. 海南省海洋地质调查研究院, 海口 570206;
6. 香港中文大学地球与大气科学学院, 香港
摘要:由于浅滩和暗礁广布,中沙海域(环礁区)长期以来处在南海地震探测的空白区域.为了揭示该区域的地壳结构及地层-构造特征,进而全面刻画南海陆缘新生代伸展过程,我们首次在中沙及其邻近海域完成了1条广角地震测线OBS2017-2和4条多道地震测线的数据采集.对得到的海底地震仪(OBS)数据进行了格式转换、位置校正等初步处理,识别了来自地壳深部的震相并对中沙环礁地壳结构进行了正演模拟;对穿过中沙环礁的多道地震剖面进行了地层-构造解释,共划分出6套地层.OBS2017-2测线处理结果显示,其数据质量良好,深部震相清晰,且位于环礁内的台站震相延伸较长,可达100 km以上.中沙环礁地壳性质为轻微减薄的坚硬大陆块体,厚度约为25 km左右.多道地震剖面显示,环礁之上沉积层厚度较薄,除环礁西南部存在一条基底断裂——"排洪-美溪断裂"外,基本不存在其他构造-岩浆活动.而在环礁坡脚周缘,有广泛的岩浆侵入和喷出体的存在.中沙环礁上较薄的上地壳厚度和沉积特征指示了该区域可能在古新世时期经历的强烈暴露剥蚀作用.中沙海域最新开展的广角和多道地震探测填补了南海地质地球物理研究的空白,为解读该区的构造-沉积演化提供了数据基础.
关键词: 南海      中沙海域      广角地震探测      多道地震探测      海底地震仪      环礁      沉积地层     
Wide-angle and multi-channel seismic surveys in Zhongsha waters
LI YuHan1,2,3, HUANG HaiBo1,2, QIU XueLin1,2,3, DU Feng4, LONG GenYuan5, ZHANG HaoYu1,2,3, CHEN Han6, WANG Qiang1,2,3     
1. Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China;
2. Innovation Academy of South China Sea Ecology and Environmental Engineering, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. Hubei Key Laboratory of Earthquake Early Warning, Hubei Earthquake Agency, Wuhan 430071, China;
5. Marine Geological Survey Institute of Hainan Province, Haikou 570206, China;
6. The Faulty of Earth and Atmosphere Science, Chinese University of Hong Kong, Hong Kong, China
Abstract: Due to the wide-spread shoals and reefs, Zhongsha waters (atoll) has long been a blank area for seismic exploration in the South China Sea. To reveal the crustal structures and the stratigraphic-tectonic characteristics of this area, and to comprehensively depict the Cenozoic extension process of the continental margins in the South China Sea, we carried out one wide-angle seismic profile OBS2017-2 and four multi-channel seismic profiles in the Zhongsha Atoll and its adjacent areas for the first time. The Ocean Bottom Seismometer (OBS) data was processed by format conversion, position relocation, etc. The seismic phases from deep crust were identified and used to simulate the crustal structures by forward modeling approach. Six sets of sedimentary strata were established based on the stratigraphic and tectonic interpretation of the multi-channel seismic profiles. The data processing of the OBS2017-2 shows that the data quality is very high, the deep seismic phases are clear and extend longer on the atoll, reaching over 100 km. The Zhongsha Atoll is characterized by slightly-thinned continental crust, with thickness of about 25 km. Sedimentary layers in the atoll are relatively thin as shown in the multi-channel seismic data. Basically, there is few tectonic-magmatic activities exist within the atoll except for a basement-cutting fault that named Paihong-Meixi Fault in the southwest of the atoll. Extensive magmatic intrusions and volcanoes exist only around the slope toe of the Zhongsha Atoll. The thinned upper crust and the sedimentary characteristics in the Zhongsha Atoll indicate that this area may have experienced strong processes of exposure and denudation. The recent wide-angle and multi-channel seismic surveys in the Zhongsha waters have filled in the blank of geological/geophysical research in the South China Sea, providing important data for understanding the tectonic-sedimentary evolution in this area.
Keywords: South China Sea    Zhongsha Waters    Wide-angle seismic survey    Multi-channel seismic survey    Ocean Bottom Seismometer    Atoll    Sedimentary strata    
0 引言

中-西沙地块位于南海西北部陆缘之上,是华南陆缘中-新生代伸展减薄、印支地块碰撞挤出、南海海盆多期扩张作用下伸展裂离形成的微陆块,其地壳结构为略有减薄的大陆型地壳(丘学林等,2006; 黄海波等,2011Wu et al., 2012).其中,中沙地块北接西北次海盆,南接西南次海盆,向东与东部次海盆相邻,向西以中沙海槽与西沙地块相邻(图 1),其周围交接区域地壳性质混杂,是一个独特的构造枢纽和转折区域.中沙地块中部隆升形成中沙海台(环礁),为大片集中的水浅区域(水深一般小于150 m),与周边深水区形成极大反差,其上发育珊瑚礁体.重力反演结果显示,中沙地块的莫霍面深度在20~22 km之间,地壳厚度在18~20 km之间,周边被地壳厚度为13 km的莫霍面隆起区所包围(吴招才等,2017),这表明中沙海台区是被伸展程度较高区域所包裹的“坚硬块体”.这种“坚硬块体”的地壳属性如何?伸展减薄过程如何?地壳各层的岩石流变特征如何?其存在是否制约了周边海盆的扩张及洋脊的跃迁?这些问题的解决都需要首先对其深部地壳结构进行详细刻画和研究.

图 1 测线位置图与区域水深图 黑色粗实线为OBS2017-2测线;绿色实线为多道地震测线;黑色细实线为已有OBS测线;紫色实线为COB边界,黄色实线为磁异常条带位置(Li and Song, 2012);用于模拟的OBS台站编号以红色字体标注;红色箭头指示本研究识别的“排洪-美溪断裂”位置. Fig. 1 Location of the seismic profiles and regional bathymetry map The thick black line indicates the location of OBS2017-2 profile. The green lines indicate the locations of multi-channel seismic profile in our study. The thin black lines indicate the OBS profiles previously published. The thick purple line outlines the continent-ocean boundary (COB) of the SCS, and the yellow lines show the location of magnetic lineation after Li and Song (2012). The number of OBS station which used for modeling is marked in red font. The red arrow marks the location of "Paihong-Meixi Fault" found by this study.

中沙环礁是南海规模最大的单体环礁,也是中沙地块中一个独特的大型碳酸盐台地.作为南海地质地球物理调查最薄弱的区域,其沉积-构造演化、生物礁发育等问题一直未能得到解答.国内对南海碳酸盐台地的调查研究主要集中在西沙、琼东南盆地、南沙等地区,且在珊瑚礁上开展的钻探仅有西沙群岛的西永1井、西科1井、琛科2井,以及南沙群岛的南永1井、2井(吴时国等,2019; Shao et al., 2017; Yi et al., 2018; Zhu et al., 2017).总体上说,对于南海碳酸盐台地,尤其对于勘探前景不明的中沙碳酸盐台地的研究仍十分缺乏(魏喜等,2005吴时国等,2019).本次在中沙环礁区域采集的多道地震剖面,未来可为解读环礁基底形态和构造特征、沉积地层分布以及珊瑚礁发育史及其控制因素提供重要依据.

本文对穿过中沙环礁最新采集的广角地震剖面进行了数据处理,并对环礁上OBS记录到的地震波走时进行了射线追踪,获得了环礁下方的地壳结构.与此同时,还对与广角地震剖面重合的多道地震剖面进行了地层-构造解释.通过中沙海域这一系列的地震探测实验,结合深部、浅部地质信息,对中沙环礁区域新生代伸展过程中的构造-岩浆活动响应进行了初步探讨.

1 地震数据的采集 1.1 广角地震数据的采集

2017年6月,中国科学院南海海洋研究所组织国家自然科学基金委南海北部地球物理共享航次,搭载“实验2”科学考察船在中沙海域采集了一条广角深地震测线OBS2017-2.测线总长约400 km,大致呈N-S向依次穿过西北次海盆、中沙海槽、中沙海台(环礁)和西南次海盆.沿测线共投放37台短周期OBS,成功回收36台,其中一台(OBS13)未记录到有效数据;投放长周期宽频带POBS 3台,成功回收1台(图 1).本次实验所用OBS均为中国科学院地质与地球物理研究所研发,主要组成部分包括三分量地震检波器(2个水平位移通道和1个垂直位移通道)、海底水听器、数字化记录仪和声学应答器.短周期OBS的采样率为100 sps或250 sps,频带范围为4.5~100 Hz;长周期POBS的采样率为50 sps,频带宽为0.03~50 Hz.OBS的平均投放间距为9.6 km.

人工震源放炮采用4支Bolt 1500LL型大容量气枪组成的气枪阵列,总容量为6000 in3.气枪作业时船速在5节左右,因气枪承受压力过大有时需调整放炮间隔,避免气枪损坏,故设定放炮时间间隔为80~110 s.总共激发有效炮1767炮.

在人工震源放炮的同时沿测线还记录了单道地震数据(图 2a),为4道叠加组成,其与多波束、全球水深数据的对比显示其记录的海底地形起伏十分可靠(图 2b).单道地震剖面中提供的海底、基底面形态和深度可为后续建立速度结构模型的初始模型提供较好的约束.

图 2 (a) 沿OBS2017-2采集的单道地震剖面;(b)水深地形对比图 用于模拟的OBS台站编号以红色字体标注. Fig. 2 (a) Single-channel seismic profile along the OBS2017-2; (b) Comparison of the water depths from different sources The number of OBS station which used for modeling is marked in red font.
1.2 多道地震数据的采集

中沙海域的多道地震数据由海南省海洋地质调查研究院组织采集,包括两条近NEE向测线(LZS01、LZS02)和一条NNW向测线(ZZS01)以及一条与OBS2017-2测线重合的ZZS02测线,这些测线从不同方向横穿环礁区域,有利于全面认识环礁的地质特征.采集过程中,所用记录系统为COSL海亮地震采集系统,采样间隔为0.5 ms,最小偏移距为113 m,地震拖缆共192道,道间距为3.125 m.由于中沙环礁之上水深较浅,无法使用长排列拖缆,且环礁之上沉积层薄,本次多道地震探测的目标为浅部沉积层,不涉及基底以深的信息,故采用容量仅为330 in3的Sleeve Gun气枪阵列,炮间距为25.0 m.

2 OBS数据的预处理与位置校正

经过十多年的国产OBS深地震探测实践,现已发展出一套成熟的OBS数据处理流程,数据处理程序中存在的问题都逐步得到了解决(赵明辉等,2004夏少红等,2008张佳政等,2018张浩宇等,2019).数据处理的流程(图 3)主要包括:①OBS原始数据处理,主要包括Ukooa文件的制作与修改、OBS时钟漂移校正、原始数据的格式转换生成综合地震剖面图、单道地震数据处理等;②OBS位置校正;③速度结构模拟,包括震相的识别与拾取、初始速度结构模型的建立、正反演模拟.

图 3 国产OBS数据处理流程图 Fig. 3 Flow chart of data processing for domestic OBS
2.1 OBS数据的预处理

在OBS的数据处理中,位置和时间信息的准确性十分关键,其精度会影响到模拟结果的客观真实性和后续的地质解释.首先是炮点的激发时间和激发位置,在生成综合地震剖面的过程中,需要一个记录这些信息的Ukooa文件.该文件整合了记录位置信息的Hypack导航数据和记录时间信息的计时器数据.利用RAW2FIX程序将导航文件原始数据格式转为可读的文本格式,并提取计时器中有用的时间信息,然后将这两部分信息合并,用Y2UKOOA进行进一步处理,得到Ukooa文件.之后,需要删除未在线上的炮以及换文件等原因产生的空炮,得到修改后的Ukooa文件.最终OBS2017-2测线Ukooa文件中共计1767个有效炮,为下一步OBS数据的裁截处理做好了准备.

国产OBS的原始数据文件名以16进制格式显示文件记录的开始时间,需要使用RAW2SAC程序对其进行解编,得到包含4个分量波形数据的SAC格式文件(分别记为SHX、SHY、SHZ、HYD).制作综合地震剖面之前,使用SAC软件(William and Joseph, 1991)查看OBS记录的原始波形,结果显示,波形数据质量良好,其震相起伏强烈、起跳明显,无异常波形出现(图 4).然后通过SAC2Y程序将SAC格式文件转换为国际通用的SEG-Y格式数据,再用segread读取SEG-Y格式数据并转存为SU文件,最后通过SU程序包进行滤波、增益等处理,绘制综合地震剖面(赵明辉等,2004张佳政等,2018).

图 4 OBS01台站气枪信号波形图 Fig. 4 Waveform of the air gun signals in OBS01

部分国产OBS由于实际采样率和预设采样率的微小差异以及SEG-Y与SAC格式数据记录采样间隔差异的存在,会产生一定量的内部时间漂移,表现为OBS数据文件之间存在时间间隙(GAP)(张浩宇等,2019),而在以往的数据处理中这一问题常被忽视.在本次OBS2017-2测线的数据处理中,运用新修改的FNTIME_v1.1程序检查了每个文件的GAP值,对GAP值大于30 ms的OBS14和OBS30台站进行了采样间隔调整和重采样.格式转换过程中均使用了新修改的RAW2SAC_v1.1、SAC2Y_v2.1程序(张浩宇等,2019),上述处理使得国产OBS内部时间漂移得到了消除.最终得到的地震剖面震相清晰,未见数据异常(图 57).

图 5 OBS02台站垂直分量综合地震剖面图与震相识别 折合时间=实际走时-偏移距÷折合速度,本文中折合速度取6.0 km·s-1;Pdw为直达水波震相,PsP为沉积基底反射震相,Pg为地壳内折射震相,PmP为莫霍面反射震相,Pn为上地幔折射震相. Fig. 5 Vertical component of the seismic record in OBS02 and the seismic phase identification The reduced velocity is 6.0 km/s. Pdw: direct water-wave phase, PsP: sedimentary basement reflection phase, Pg: refraction phase within the crust, PmP: Moho reflection phase, Pn: refraction phase within the upper mantle.
图 6 OBS17台站垂直分量综合剖面图与震相识别 图例说明见图 5. Fig. 6 Vertical component of the seismic record in OBS17 and the seismic phase identification The legends are the same with Fig. 5.
图 7 OBS22台站水听器分量震相识别与射线追踪 (a)纵波速度模型与射线追踪,绿色曲线为地壳折射波射线,紫色曲线为上地幔折射波射线;(b)震相走时拟合结果,彩色代表拾取的实际走时,黑色实线代表理论计算走时,不同颜色路径(a)对应(b)中不同震相走时;(c)水听器分量综合地震记录剖面与震相识别,图例说明见图 5. Fig. 7 Seismic phase identification in the hydrophone component seismic record of OBS22 and the travel-time ray tracing (a) P-wave model and ray paths of the seismic phases. The green curves represent the seismic rays of the crustal refraction phases, the purple curves represent the rays of the upper mantle refraction phases; (b) Travel-time fitting of the seismic phases. The colored lines indicate the picked travel-times while the black lines indicate the calculated travel-times. (c) The seismic profile and the seismic phases identification. Other legends can be found in Fig. 5.

此外,由于OBS时钟记录系统与标准时钟存在一定偏差,且由于温度、压力等因素会导致其发生进一步偏移,需要依据OBS投放前和回收后两次对钟的钟漂量,核对直达水波到时与水深的对应关系,对数据进行整体的外部时间漂移校正.

2.2 OBS的位置校正

由于受海流等因素影响,OBS在投放下沉的过程中会偏离投放点(张莉等,2013),而这种位置的偏移会影响后续在地震剖面中对深部震相走时的拾取(Oshida et al., 2008),因此,OBS位置校正是数据处理过程中一项关键而必要的工作(王彦林等,2007Oshida et al., 2008杜峰,2018).

中沙海台(环礁)之上水深一般小于100 m(图 2),OBS在该深度范围内漂移量很小,故不对环礁之上的OBS20-OBS27台站进行位置校正处理.本次位置校正所采用的是基于最小二乘法和蒙特卡洛法设计的Matlab程序,该程序经过不断改进,已成功应用在西南印度洋、南海中央海盆、马尼拉海沟俯冲带的OBS位置校正工作中(敖威等,2010张莉等,2013杜峰,2018),具体做法如下:①用Upicker程序拾取SEG-Y格式中未做任何滤波处理的直达水波到时信息,用最小二乘法拟合直达水波到时,初步反演出海水的平均声速和OBS水深;②如反演出水速不正常,则需进行二次时钟校正,如正常,则运用蒙特卡洛法,以投放点为中心,在一定范围内(一般是2~3 km)随机生成上万个位置点,计算每个随机点到炮点的理论走时,并计算其与实际走时之间的RMS值,找到最小RMS值所对应的位置;③利用单道地震剖面中拾取的水深值进行深度控制,将RMS最小值点位置投影到测线上,再以该位置为中心进行搜索,直到寻找到最小RMS值,使最终OBS剖面直达水波走时曲线达到对称(图 8).所有OBS位置校正结果见表 1,以OBS33为例,蒙特卡洛法校正过程与结果见图 9.

图 8 OBS33台站直达水波震相位置校正前后对比 Fig. 8 Comparison of the direct water phases before and after relocation of OBS33
图 9 OBS33台站位置校正过程图 (a)理论走时与绝对走时曲线对比,带圆圈黑色曲线代表拾取的走时拟合曲线,黑色实线代表未折合走时曲线,红色曲线代表真实位置走时曲线;(b)蒙特卡洛法搜索正态分布随机点,黄色圆圈代表OBS投放点,绿色倒三角形代表OBS真实落点,蓝点代表炮点位置;(c)迭代次数与RMS关系;(d) RMS等值线图. Fig. 9 Relocation processes and results of OBS33 (a) The travel-time curve comparison. The black curve with circles indicates the fitting curve of the picked travel-time. The black curve indicates the unreduced travel-time curve. The red curve indicates the travel-time curve after relocation; (b) Random points with Gaussian distribution in the Monte Carlo searching. The yellow circle and the green inverted triangle represent the deployed location and the true OBS location, respectively. The blue dots represent the location of shot point; (c) Relationship between the RMS and the iteration number; (d) RMS distribution of the searching points at a given iteration.
表 1 OBS2017-2测线位置校正结果 Table 1 Relocation results of the OBSs along OBS2017-2 profile
3 OBS震相识别与分析

OBS位置校正后重新生成的单台地震剖面显示,大部分台站数据质量良好,深部震相清晰,记录到了直达水波Pdw、沉积基底反射波PsP、地壳折射波Pg、莫霍面反射波PmP、上地幔折射波Pn震相,其中位于中沙海台之上的台站记录到的Pn震相最远延伸到偏移距160 km处.从震相特征来看,所有台站大致可分为3类,本文分别以OBS02、OBS17和OBS22台站剖面为例,分析本次OBS实验记录的这3类台站震相的特点,并用RayInvr软件进行了初步试算和射线追踪,揭示了计算模型的局部结构特征.

第一类台站位于测线两端深海盆中,包括OBS01—OBS03以及OBS30—OBS37.以OBS02台站为例,其位于测线北段西北次海盆中(图 1),水深达3526 m.图 5显示了该台站以折合速度6.0 km·s-1绘制的综合地震剖面,剖面中可识别到清晰的PsP、Pg、PmP震相,在剖面左端即台站南侧远端可见不太明显的Pn震相.Pg震相向两侧延伸至37 km左右,其视速度约6.0 km·s-1左右,在右端由于岩浆侵入体的存在Pg震相有小幅隆起.沿Pg向台站方向近偏移距处可见明显的来自沉积基底的反射震相PsP,其向两侧各延伸约6 km左右.PmP震相在剖面左端出现在偏移距-20~-37 km处,向远偏移距方向其震相逐步靠近Pg震相,最终与Pg震相合并;而在右端由于抵达放炮端点,仅识别到一小段PmP震相.Pn震相在偏移距-56~-40 km处较模糊,视速度约为8.9 km·s-1.

第二类台站位于中沙海台北侧陆坡到西北次海盆之间,包括OBS04—OBS19.以OBS17台站为例,其位于测线中部中沙海台北部陆坡处,图 6为该台站综合地震剖面.在剖面中仅可识别到Pg、PmP震相,震相清晰度一般.Pg震相左支从-7 km延伸到-49 km,在中沙海台上其形态变平直,显示出其与地形、基底起伏的一致性;其右支由7 km延伸至60 km处,剖面中Pg断续出现,中间有一段难以识别,可能是由于坡脚处存在的三个海底火山导致(图 2).Pn震相在Pg右支后出现,延伸长度约20 km,视速度约为9.0 km·s-1.

第三类台站位于中沙海台及南侧陆坡之上,包括OBS20—OBS29.以OBS22台站为例,其位于中沙海台之上,水深小于100 m,剖面中可识别到清晰且延伸极长的Pg和Pn震相(图 7).Pg震相在近偏移距显示出平直、走时小的特征,与中沙海台之上平坦的海底、基底面特征相对应,向远端Pg震相走时急剧增大,到陆坡坡脚呈现出隆起的不规则形态,对应陆坡及坡脚处的海底火山.Pg左支延伸约80 km,右支延伸约100 km.Pn震相在Pg震相之后出现,左支最远延伸到偏移距-149 km处,视速度为8.3 km·s-1左右;右支最远延伸到144 km处,视速度为8.0 km·s-1左右.为了验证震相识别的准确性,用RayInvr软件初步调整了速度模型并进行了走时试算,结果显示拾取的实际走时与计算的理论到时拟合良好(图 7).通过对OBS20到OBS27共7个台站的走时进行模拟,我们最后得到中沙环礁下方的P波速度结构模型(图 10).

图 10 中沙环礁下方P波速度结构模型 黑色箭头指示对应图 11多道地震剖面识别的“排洪-美溪断裂”位置;剖面位置见图 1. Fig. 10 The P-wave velocity model beneath the Zhongsha Atoll The black arrow marks the location of "Paihong-Meixi Fault", which corresponding to the identification of Fig. 11. Location of this profile is shown in Fig. 1.
4 中沙环礁的深部结构与浅部沉积-构造特征 4.1 P波速度结构特征

从RayInvr正演得到的P波速度模型中可以看出(图 10),中沙环礁上沉积地层较薄,厚度约为0.45~1.0 km,沉积层底部速度范围为2.1~2.5 km·s-1,在环礁西南部沉积层达到最深、速度达到最大值.从基底向下速度等值线均较为平整,上地壳厚度为8 km左右,速度范围为5.5~6.4 km·s-1;下地壳厚度为17 km左右,速度范围为6.4~6.8 km·s-1.在环礁南部,速度等值线存在下凹现象,下地壳顶部速度值为6.4 km·s-1,比环礁北部低.地壳厚度约为25 km,莫霍面深度为26 km左右.中沙环礁下方的P波速度结构显示,其地壳性质应为内部受新生代伸展作用影响小的大陆地壳,其内部几乎不存在断裂切穿,是一个坚硬大陆块体.

4.2 多道地震剖面的地层-构造解释

本次采集的多道地震剖面从不同方向穿过中沙海台(环礁),旨在解读这一相对独立构造单元的沉积-构造和礁体发育特征.由于中沙海台以陡立的陆坡与周边区域相连,且其沉积环境和构造活动与周边大不相同,故无法通过邻区地层延伸的方式划分这一地区的地层,加之环礁之上没有钻井的约束,这给解读中沙环礁的地层层序带来了很大困难.

新生界基底面Tg是地层划分中最为重要的一个界面,它涉及基底构造的形态和相关构造活动的分析.本文对该界面的确定主要依据广角地震剖面OBS2017-2正演模拟中所得到的沉积基底面埋深信息,其主要依靠Pg震相的走时拟合.由于台站间距较小,在中沙岛礁的沉积层和基底面附近的射线覆盖次数均达到了100次以上,有部分区域甚至达到了250次以上,这说明OBS正演得到的基底面深度起伏信息是可信的,可以为识别多道地震测线ZZS02中的Tg界面提供参考,而ZZS02测线中大致对应该深度的地方恰好可见一反射层,界面之下震相较杂乱,我们据此划定ZZS02的基底面,并投影到其它测线当中.

对于新生界内部地层层序的划分,主要参考了邻区西沙碳酸盐台地和琼东南盆地的地层划分(Wu et al., 2014).最为重要的两个界面是T80和T50,其中T80是始新世地层与早渐新世地层的分界面,是南海开始海底扩张的标志,具有不整合的特征;T50是中中新世与早中新世的分界面,对应于南海断拗期的结束与区域热沉降的开始,该面以上的地层在整个环礁之上披盖分布.而其他的新生代界面,主要依据各层间地震相的差异以及强反射界面的识别来进行厘定.共确定了T30、T50、T60、T80和Tg这几个关键界面.

根据上述地层划分依据,首次进行了中沙环礁的地层划分,从下至上依次分为如下6层(图 11b).

图 11 (a) ZZS02剖面在中沙环礁区的显示;(b)对应地层-构造解释;(c) LZS02剖面T80界面上的古河道 剖面位置见图 1. Fig. 11 (a) The multi-channel seismic profile of ZZS02 in the Zhongsha Atoll; (b) Corresponding stratigraphy-tectonic interpretation; (c) The paleochanle along T80 in profile LSZ02 Locations of seismic profile are shown in Fig. 1.

前新生代(65 Ma以前):层序顶界面Tg.其顶部以弱-中的断续反射的基底面为特征,内部为一系列的杂乱反射,为前寒武纪变质岩系(Zhu et al., 2017; 金翔龙,1989).顶界P波速度在5.5 km·s-1左右.

古近纪(65~32 Ma):层序顶界面T80.该套层序发育厚度在横向上变化比较大,主要受早期断层控制,在断陷部位发育较厚,而在断层下盘或古隆起之上则不接受沉积(图 11b).中沙环礁西部和南部主要发育断陷活动.此处古近纪地层顶部以强振幅的连续反射为鲜明特征,为低能环境下的稳定沉积;在构造位置较高的地方,地层顶部以断续的中-强反射为主,且有古河道充填(图 11c),显示出曾受到的暴露剥蚀作用.该层内部以弱-中振幅的杂乱反射为主,在有的部位发育有顶部强振幅,内部杂乱的丘形、锥形生物礁反射.

渐新世(32~23.3 Ma):层序顶界面T60.该时期南海在北部早期扩张.中沙台地西南部的断陷湖盆内发育该时期地层.作为同构造沉积层,在半地堑中地层较厚,自控凹断层向断拗边缘呈楔形减薄,上超于下覆地层.半地堑中地层内部以连续性中等的中振幅反射为主,至边缘为一些杂乱的中-弱反射.

早中新世(23.3~15.5 Ma):层序顶界面T50.该时期中、西沙海区主要断裂基本停止活动.全区开始普遍接受沉积,其分布还受断层控制,并且地层厚度在横向上相对比较均匀.中沙环礁地区早中新世地层主要分布于环礁西部和南部的断陷顶部,向断拗边缘逐渐减薄尖灭,显示出上超的特征,说明海平面在此时期上升速度较快,海水由西向东、由南向北逐渐将中沙地台淹没,沉积相由湖相逐步过渡到浅海相.地层内部地震相以连续性差的杂乱中振幅反射为主,有的区域顶部发育连续性较好的强反射,推测可能为海底扩张活动停止后构造活动稳定,在该层顶部发育的一些碳酸盐礁滩和生物礁.

中中新世至上新世(15.5~5.5 Ma):层序顶界面T30.中中新世以来,南海海底扩张结束,全区进入较为稳定的热沉降过程.此时期中、西沙海区地层发育基本不受早期断层控制,主要受古地形控制,地层厚度整体上表现为隆起之上薄、斜坡部位厚的特点.中沙环礁区域地层整体披盖在较老地层之上,在全区广泛沉积,其中在断陷之上由于差异压实作用有较大的厚度,其余地区地层厚度基本均等.地震相以连续性差的低频-中频弱反射为主,推测主要为碳酸盐夹灰泥岩沉积,表现出整体沉积环境的稳定.环礁东部也可见一些平行连续的低频弱-中反射,夹杂少量空白反射和连续性中-差的丘形反射,推测可能为碳酸盐礁滩或点礁.发育规模及发育的面积均大于早中新世.

上新世以来(5.5 Ma至今):层序顶界面T0.该时期,中沙环礁地区构造稳定.海底面为双相位高振幅低频强反射,在泻湖内,地层内部为空白反射或夹杂少量连续性差的弱反射,主要为高能环境下沉积的鲕滩或生物碎屑滩;在礁体上,内部表现为亚平行低频中-强反射,下部也表现为弱反射或不明显反射,礁体边缘发育礁前塌积.

构造上,在环礁西南部存在一NWW向基底断裂,因位处排洪滩至美溪暗沙一线北侧附近,本文将其命名为“排洪—美溪断裂”.断裂活动时间为古新世到中中新世,切错基底垂直深度达双程走时0.6 s左右,为其北侧半地堑的控凹断裂(图 11b).该断裂向西北加深形成一个海底峡谷,水流冲蚀将海底峡谷向下深切,将排洪滩与环礁主体分隔开.

5 中沙环礁新生代构造-岩浆活动分析

除环礁西南部发现的半地堑外,中沙环礁区内部在深部地壳结构和浅部沉积-构造上整体表现为相对稳定的特征(图 10图 11),未发现岩浆侵入体或火山活动.环礁周缘为陡立斜坡,依据重力异常推测(Chen et al., 2018; Gozzard et al., 2019),中沙环礁周缘为四条NE向、NWW向深大断裂所切割.而在单道地震剖面中,南北侧陆坡坡脚均发现了岩浆侵入体和海底火山(图 2a).在北侧陆坡坡脚,岩浆侵入体宽度达40 km左右,向上形成三座海底火山,显示了在新生代后期强烈的岩浆活动.在南侧陆坡坡脚,同样存在一岩浆侵入体,从侵入样式看其形成年代较晚,而在其南侧存在延伸达15 km左右的岩床,其形成年代早于旁侧海底火山,但也同样属于裂后期岩浆活动的产物.Zhang et al.(2016)通过多道地震剖面识别了南海西北部陆缘岩浆活动,发现岩浆活动多集中在裂后期(32 Ma以来),5.5 Ma以来的后期岩浆活动最多.中沙与邻近海盆玄武岩样品测年结果为全岩的表面年龄在3.80~7.91 Ma之间(Yan et al., 2008).据此我们认为,中沙海域的岩浆活动空间上分布于环礁陆坡坡脚周缘,时间上大多集中在裂后期,中沙环礁周缘可能存在的深大断裂为岩浆的运移上涌提供了通道.

从地壳结构上看,对比南海大陆边缘其他地区的结果(Qiu et al., 2001; Yan et al., 2001; Wang et al., 2006; 黄海波等,2011阮爱国等,2011丘学林等,2011Huang et al., 2019),中沙环礁在地壳属性上表现为较周围区域减薄都较小的坚硬大陆块体,多道地震剖面上基底构造表现为较少的断裂切穿,印证了这一事实.将该区域地壳结构与其可能共轭的礼乐滩(阮爱国等,2011)进行对比,发现地壳厚度上中沙环礁(约25 km)较礼乐滩(约21 km)厚,但中沙环礁上地壳(约8 km)却比礼乐滩(9~10 km)要薄.在多道地震剖面ZZS02上(图 11a, b),古近纪地层内发现了下超的现象,T80界面上相对高位呈现出断续较杂乱反射,明显不同于旁侧的连续强振幅,说明相对海平面在此时期可能发生下降,使得沉积物向海方向堆积.在多道地震剖面LZS02中(图 11c),还发现了古河道充填的显示,指示曾发生过的暴露剥蚀作用.由此我们认为,中沙环礁上较薄的上地壳可能与其曾受到较强的暴露剥蚀作用有关,深部结构与浅部沉积特征得到了相互印证.对于中沙环礁、礼乐滩这种坚硬块体的存在如何制约南海海底扩张的过程,还需要周边区域多道地震剖面岩浆活动指示、岩石圈厚度分布、重磁异常特征及地球动力学证据进一步综合分析.

6 结论和展望

本文介绍了中沙海域首次开展的广角和多道地震探测,详细阐述了短周期国产OBS的数据预处理和位置校正过程,对环礁内广角地震数据进行了走时模拟,并对中沙环礁上的多道地震剖面进行了地层-构造解释.OBS初步处理结果表明,OBS2017-2测线总体数据质量良好,可识别震相丰富.地壳结构上,中沙环礁区地壳厚度在25 km左右,为轻微减薄的坚硬大陆块体.通过多道地震剖面的地层-构造解释,划分了前新生代、古近纪、渐新世、早中新世、中中新世至上新世、上新世以来等6套地层,除在环礁西南部发现一个以NWW向基底断裂——排洪-美溪断裂——控制的半地堑外,环礁整体构造相对稳定,无岩浆活动出现.而在环礁周缘深部和浅部均发现了岩浆活动的痕迹,认为是裂后期岩浆物质沿着深大断裂上涌的结果.中沙环礁上地壳相对较薄,且在古近纪地层中发现下超,在T80界面上发现暴露剥蚀及古河道冲填现象,说明中沙环礁在此时期可能经历了相对海平面的下降和较强的暴露剥蚀作用.

本次在中沙海域进行的一系列地震探测实验为揭示中沙地块的“骨架”和“皮肤”信息提供了重要基础,填补了南海地质地球物理研究的一项空白.下一步将推进中沙地块南北两侧洋陆过渡带地壳结构的地震波走时模拟、探查岩浆时空分布情况,结合地球动力学综合分析和讨论该区伸展-张裂-海底扩张的构造演化过程.

致谢  感谢两位匿名审稿专家对本文提出的建设性意见.本研究的数据采集得到国家自然科学基金委员会共享航次计划(航次编号:NORC2017-08)的资助,感谢“实验2”全体科考队员及船员在航次中的辛勤付出,在此一并致谢.
References
Ao W, Zhao M H, Qiu X L, et al. 2010. The correction of shot and OBS position in the 3D seismic experiment of the SW Indian Ocean Ridge. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 53(12): 2982-2991. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.12.022
Chen M, Fang J, Cui R H. 2018. Lithospheric structure of the South China Sea and adjacent regions:Results from potential field modelling. Tectonophysics, 726: 62-72. DOI:10.1016/j.tecto.2018.01.021
Du F. 2018. Three-dimensional OBS relocation and velocity structures of the Manila Subduction Zone in the Northeastern South China Sea[Master's Thesis] (in Chinese). Guangzhou: South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences.
Gozzard S, Kusznir N, Franke D, et al. 2019. South China Sea crustal thickness and oceanic lithosphere distribution from satellite gravity inversion. Petroleum Geoscience, 25(1): 112-128. DOI:10.1144/petgeo2016-162
Huang H B, Qiu X L, Pichot T, et al. 2019. Seismic structure of the northwestern margin of the South China Sea:implication for asymmetric continental extension. Geophysical Journal International, 218(2): 1246-1261. DOI:10.1093/gji/ggz219
Huang H B, Qiu X L, Xu Y, et al. 2011. Crustal structure beneath the Xisha Islands of the South China Sea simulated by the teleseismic receiver function method. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 54(11): 2788-2798. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.11.009
Jin X L. 1989. The geosciences research report in South China Sea. Donghai Mar. Sci. (in Chinese), 7(4): 30-42.
Li C F, Song T R. 2012. Magnetic recording of the Cenozoic oceanic crustal accretion and evolution of the South China Sea Basin. Chinese Science Bulletin, 57(24): 3165-3181.
Oshida A, Kubota R, Nishiyama E, et al. 2008. A new method for determining OBS positions for crustal structure studies, using airgun shots and precise bathymetric data. Exploration Geophysics, 39(1): 15-25.
Qiu X L, Ye S Y, Wu S M, et al. 2001. Crustal structure across the Xisha Trough, northwestern South China Sea. Tectonophysics, 341(1-4): 179-193. DOI:10.1016/S0040-1951(01)00222-0
Qiu X L, Zeng G P, Xu Y, et al. 2006. The crustal structure beneath the Shidao Station on Xisha Islands of South China Sea. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 49(6): 1720-1729.
Qiu X L, Zhao M H, Ao W, et al. 2011. OBS survey and crustal structure of the Southwest Sub-basin and Nansha Block, South China Sea. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 54(12): 3117-3128. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.12.012
Ruan A G, Niu X W, Qiu X L, et al. 2011. A wide angle ocean bottom seismometer profile across Liyue Bank, the southern margin of South China Sea. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 54(12): 3139-3149. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.12.014
Shao L, Li Q Y, Zhu W L, et al. 2017. Neogene carbonate platform development in the NW South China Sea:Litho-, bio-and chemo-stratigraphic evidence. Marine Geology, 385: 233-243. DOI:10.1016/j.margeo.2017.01.009
Wang T K, Chen M K, Lee C S, et al. 2006. Seismic imaging of the transitional crust across the northeastern margin of the South China Sea. Tectonophysics, 412(3-4): 237-254. DOI:10.1016/j.tecto.2005.10.039
Wang Y L, Yan P, Zheng H B, et al. 2007. Timing and positioning corrections of ocean bottom seismograph data. Journal of Tropical Oceanography (in Chinese), 26(5): 40-46.
Wei X, Deng J F, Xie W Y, et al. 2005. Constraints on biogenetic reef formation during evolution of the South China Sea and exploration potential analysis. Earth Science Frontiers (in Chinese), 12(3): 245-252.
William C T, Joseph E T. 1991. SAC-Seismic Analysis Code Users Manual. Livermore, CA:Lawrence Livermore National Laboratory, 1-153.
Wu S G, Yang Z, Wang D W, et al. 2014. Architecture, development and geological control of the Xisha carbonate platforms, Northwestern South China Sea. Marine Geology, 350: 71-83. DOI:10.1016/j.margeo.2013.12.016
Wu S G, Zhu W L, Ma Y S. 2019. Vicissitude of Cenozoic carbonate platforms in the South China Sea:Sedimentation in semi-closed marginal seas. Marine Geology & Quaternary Geology (in Chinese), 38(6): 1-17. DOI:10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.06.001
Wu Z C, Gao J Y, Ding W W, et al. 2017. Moho depth of the South China Sea Basin from three-dimensional gravity inversion with constraint points. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 60(7): 2599-2613. DOI:10.6038/cjg20170709
Wu Z L, Li J B, Ruan A G, et al. 2012. Crustal structure of the northwestern sub-basin, South China Sea:Results from a wide-angle seismic experiment. Science China Earth Sciences, 55(1): 159-172. DOI:10.1007/s11430-011-4324-9
Xia S H, Qiu X L, Zhao M H, et al. 2008. Investigation on deep crustal structure along the onshore-offshore seismic profile near Hongkong. Progress in Geophysics (in Chinese), 23(5): 1389-1397.
Yan P, Zhou D, Liu Z S. 2001. A crustal structure profile across the northern continental margin of the South China Sea. Tectonophysics, 338(1): 1-21. DOI:10.1016/S0040-1951(01)00062-2
Yan Q S, Shi X F, Wang K S, et al. 2008. Major element, trace element, and Sr, Nd and Pb isotope studies of Cenozoic basalts from the South China Sea. Science in China Series D:Earth Sciences, 51(4): 550-566. DOI:10.1007/s11430-008-0026-3
Yi L, Jian Z M, Liu X Y, et al. 2018. Astronomical tuning and magnetostratigraphy of Neogene biogenic reefs in Xisha Islands, South China Sea. Science Bulletin, 63(9): 564-573. DOI:10.1016/j.scib.2018.04.001
Zhang H Y, Qiu X L, Zhang J Z, et al. 2019. Time record and accurate correction of Chinese OBS raw data. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 62(1): 172-182. DOI:10.6038/cjg2019L0715
Zhang L, Zhao M H, Wang J, et al. 2013. Correction of OBS position and recent advances of 3D seismic exploration in the central sub-basin of South China Sea. Earth Science-Journal of China University of Geosciences (in Chinese), 38(1): 33-42. DOI:10.3799/dqkx.2013.004
Zhang J Z, Qiu X L, Zhao M H, et al. 2018. Abnormal data retrieval of three-dimensional OBS survey at the Bashi Channel Area of the South China Sea. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 61(4): 1529-1538. DOI:10.6038/cjg2018L0268
Zhang Q, Wu S G, Dong D D. 2016. Cenozoic magmatism in the northern continental margin of the South China Sea:Evidence from seismic profiles. Marine Geophysical Research, 37(2): 71-94. DOI:10.1007/s11001-016-9266-3
Zhao M H, Qiu X L, Xia K Y, et al. 2004. Onshore-offshore seismic data processing and preliminary results in the South China Sea. Journal of Tropical Oceanography (in Chinese), 23(1): 58-63.
Zhu W L, Xie X N, Wang Z F, et al. 2017. New insights on the origin of the basement of the Xisha Uplift, South China Sea. Science China Earth Sciences, 60(12): 2214-2222. DOI:10.1007/s11430-017-9089-9
敖威, 赵明辉, 丘学林, 等. 2010. 西南印度洋中脊三维地震探测中炮点与海底地震仪的位置校正. 地球物理学报, 53(12): 2982-2991. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.12.022
杜峰. 2018.南海东北部马尼拉海沟俯冲带三维OBS位置校正与速度结构特征[硕士论文].广州: 中国科学院南海海洋研究所.
黄海波, 丘学林, 胥颐, 等. 2011. 利用远震接收函数方法研究南海西沙群岛下方地壳结构. 地球物理学报, 54(11): 2788-2798. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.11.009
金翔龙. 1989. 南海地球科学研究报告. 东海海洋, 7(4): 1-92.
丘学林, 曾钢平, 胥颐, 等. 2006. 南海西沙石岛地震台下的地壳结构研究. 地球物理学报, 49(6): 1720-1729.
丘学林, 赵明辉, 敖威, 等. 2011. 南海西南次海盆与南沙地块的OBS探测和地壳结构. 地球物理学报, 54(12): 3117-3128. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.12.012
阮爱国, 牛雄伟, 丘学林, 等. 2011. 穿越南沙礼乐滩的海底地震仪广角地震试验. 地球物理学报, 54(12): 3139-3149. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.12.014
王彦林, 阎贫, 郑红波, 等. 2007. OBS记录的时间和定位误差校正. 热带海洋学报, 26(5): 40-16.
魏喜, 邓晋福, 谢文彦, 等. 2005. 南海盆地演化对生物礁的控制及礁油气藏勘探潜力分析. 地学前缘, 12(3): 245-252.
吴时国, 朱伟林, 马永生. 2019. 南海半封闭边缘海碳酸盐台地兴衰史. 海洋地质与第四纪地质, 38(6): 1-17. DOI:10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.06.001
吴招才, 高金耀, 丁巍伟, 等. 2017. 南海海盆三维重力约束反演莫霍面深度及其特征. 地球物理学报, 60(7): 2599-2613. DOI:10.6038/cjg20170709
夏少红, 丘学林, 赵明辉, 等. 2008. 香港地区海陆地震联测及深部地壳结构研究. 地球物理学进展, 23(5): 1389-1397.
张浩宇, 丘学林, 张佳政, 等. 2019. 国产海底地震仪的时间记录与原始数据精细校正. 地球物理学报, 62(1): 172-182. DOI:10.6038/cjg2019L0715
张莉, 赵明辉, 王建, 等. 2013. 南海中央次海盆OBS位置校正及三维地震探测新进展. 地球科学——中国地质大学学报, 38(1): 33-42. DOI:10.3799/dqkx.2013.004
张佳政, 丘学林, 赵明辉, 等. 2018. 南海巴士海峡三维OBS探测的异常数据恢复. 地球物理学报, 61(4): 1529-1538. DOI:10.6038/cjg2018L0268
赵明辉, 丘学林, 夏戡原, 等. 2004. 南海东北部海陆联测地震数据处理及初步结果. 热带海洋学报, 23(1): 58-63.