地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (5): 2241-2245   PDF    
引用本文
王笋, 姚道平, 方伟华, 等. 2017. 漳浦外海新生代沉积基底的地震重力综合研究. 地球物理学进展, 2017, 32(5): 2241-2245, doi: 10.6038/pg20170554  
WANG Sun, YAO Dao-ping, FANG Wei-hua, et al. 2017. Cenozoic sedimentary basement off the coast of Zhangpu:a joint interpretation of seismic and gravity data. Progress in Geophysics (in Chinese), 32(5): 2241-2245, doi: 10.6038/pg20170554   
漳浦外海新生代沉积基底的地震重力综合研究
王笋1,2,3, 姚道平1, 方伟华1, 闫培1     
1. 福建省地震局厦门地震勘测研究中心, 厦门 361021
2. 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室(南海海洋研究所), 广州 510301
3. 中国科学院大学, 北京 100049
收稿日期：2017-02-16; 修回日期：2017-08-11.
基金项目：福建省地震局青年科技基金（Y201407）资助.
作者简介：王笋, 男, 1984, 在读博士, 研究方向为地震勘探和重力反演.(E-mail:atrax@scsio.ac.cn)
摘要：台湾海峡位于东海陆架盆地和南海东北部的边界，其西南端构造上属于隆起区，分隔厦澎断陷和珠江口盆地，勘探程度较低，以往对该区地质结构的认识仅来源于邻区零星钻井和早期的地震、重磁资料.本文对福建省地震局2015年在漳浦外海部署的一条长约69.7 km的浅层反射地震测线进行了处理，得到了反射波组特征明显、构造现象易于识别的偏移叠加时间剖面.剖面上有一强反射界面可从西端的约300 ms连续追踪到东侧的约600 ms，推测为新生代沉积的底界.偏移速度分析得到的上覆地层P波速度约为2200 m/s，而从海底地震仪记录的折射波中提取的下伏地层P波速度约为5100 m/s.为研究新生代沉积基底的岩性，我们通过融合研究区多种来源的重力数据得到较为准确的剖面重力异常，依据反射地震剖面给出的界面模型进行了重力模拟，结果显示该强反射界面两侧密度差高达0.75 g/cm3，根据这些特征结合邻区地质露头和钻井资料推测该测线海底至300~700 m深度可能为新生代低固结度的砂岩或泥岩，而其下的沉积基底极有可能为玄武岩等基性火成岩.该结果为研究台湾海峡西南部的地质构造和新生代演化提供了新的地球物理学证据.
关键词：台湾海峡西南部    澎湖-北港隆起    新生代沉积基底    地震剖面    重力拟合    
Cenozoic sedimentary basement off the coast of Zhangpu:a joint interpretation of seismic and gravity data
WANG Sun1,2,3 , YAO Dao-ping1 , FANG Wei-hua1 , YAN Pei1     
1. Xiamen Centre for Seismic Survey, Earthquake Administration of Fujian Province, Xiamen 361021, China
2. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: The southwestern Taiwan Strait (TWS) is the border between the East China Sea shelf basin and the Pearl River Mouth Basin in the north South China Sea. The degree of exploration in this area is still low due to lack of hydrocarbon potential, and the research on the Cenozoic sedimentary basement is insufficient. A shallow reflection seismic profile (HX7, in length of 69.7 km) was carried out in 2015 off the coast of Zhangpu under the direction of Earthquake Administration of Fujian Province, CEA. This paper introduces the seismic data processing and presents the migrated-stacked section with high signal to noise ratio and resolution. On the section there is a strong continuous reflection event, in the two-way travel time for the 300 ms at the north western extremity, slow dip to the south east end to about 600 ms, which probably means an unconformable contact between Cenozoic sediment and the basement. The P-wave velocity of overlying strata derived from reflection seismic data is about 2200 m/s, while the P-wave velocity of underlying strata is about 5100 m/s according to refraction data in the OBS (Ocean Bottom Seismometer) records. By combining heterogeneous gravity data we obtained the gravity anomalies along this profile, which were inverted for the density contrast of the main boundary. The result show that the density of Cenozoic sedimentary basement is about 2.87 g/cm3, which higher than the density of overlying strata with amount of 0.75 g/cm3. Uniting these geophysical characteristics, adding up to outcrops and drilling data in adjacent area, we speculated that below the seabed there is sandstone or mudstone of low consolidation degree with thickness 300-700 m, and its underlying strata might be basic rocks such as basalt. This result provides new geophysical evidences for the further research on the shallow geological structure and Cenozoic tectonic evolution of the southwestern Taiwan Strait.
Key words: southwestern Taiwan Strait     Penghu-Beigang massif     Cenozoic sedimentary basement     seismic profile     gravity modelling    
0 引言

台湾海峡西侧的地质调查主要始于20世纪80年代，原地矿部广州海洋地质调查局、中国科学院南海海洋研究所、福建省海洋研究所和中国海洋石油总公司先后在海峡西部开展了地球物理调查(中国科学院南海海洋研究所台湾海峡课题组和福建海洋研究所台湾海峡课题组, 1989；金庆焕等，1993；王国纯，1993; 黄慈流等，1997)，20世纪90年代以后，鲜有海峡西部的地质调查报道(李学杰等, 2008).漳州—汕头外海位于台湾海峡西南端，因构造上属于隆起区而非可能的油气聚集区，勘探投入和研究程度较低，但其作为厦澎断陷和珠江口盆地这两个新生代盆地的边界，对油气的聚集、运移有控制作用，特别是新生代沉积基底的性质和特征对研究台湾海峡西南部的新构造运动和沉积环境变化有不可替代的作用.2015年6月，福建省地震局布设了一条西起赣南、东至台湾海峡中线的广角地震探测剖面，为给深部构造解释提供浅层约束，在漳浦以东海域部署了一条浅层多道地震剖面，本文对该剖面进行了精细处理，得到了较为可靠的浅层地质结构，为提取该剖面新生代沉积基底的岩性，搜集了沿测线的广角地震资料和重力数据，进行了综合地球物理解释，根据高波速、高密度和反射波组特征推断该剖面新生代沉积基底极有可能为玄武岩等基性岩石，该结果可为台湾海峡西南部的地质构造和新生代演化研究提供地球物理学证据.

1 大地构造背景

台湾海峡属东海大陆架浅海，大地构造上位于欧亚板块与菲律宾海板块汇聚区(郑天愉和刘鹏程，1996；杨小秋等，2012)，是我国东部大陆边缘裂陷的一部分，构成南海北部珠江口盆地与东海陆架盆地之间构造和沉积演化的转折和过渡带(傅志飞等，2012).海峡主体属台湾海峡盆地，是古新世期间在继承白垩系裂陷的基础上进一步张裂而形成的陆缘裂陷，经过晚第三纪以来的陆缘挤压收缩，并于后期受前陆作用影响而进一步转化为前陆盆地的叠合盆地(高天钧和黄辉，1994；刘振湖等，2006).盆地西界台湾海峡隆起区是闽浙中生代断隆区的一部分，主要为侏罗纪至白垩纪的火山—沉积岩系和燕山期花岗岩，经断裂区域变质作用产生的变质岩带向海延伸，构成新生界的基底.盆地南界为澎湖北港隆起，呈ENE向横亘于海峡中、南部，前新生界基底由早白垩世海相沉积岩组成，早第三纪仅在局部见有沉积，中新世地层超覆在前中新世不同时代地层之上.该隆起在新生代经历了多期岩浆活动，多处发现层状基性熔岩流，出露海面的澎湖列岛多为层状玄武岩覆盖的平顶方山(杨肖琪等，1996).HX7多道地震剖面位于漳浦以东约25 km的海域，长约69.7 km，方位角129°，与研究区主要构造走向大致垂直，主要涉及台湾海峡隆起区和澎湖—北港隆起两个构造单元(图 1).

图 1 台湾海峡地质构造背景 Figure 1 Geological structure map of Taiwan strait
2 地震资料采集与处理

地震数据采集由福建省海洋研究所“延平2号”科考船实施，震源采用4支Sercel G型气枪组成的总容量1340立方英寸(1 in=2.54 cm)的气枪阵列，Hydroscience公司的NTRS-3型多道地震仪器和24道SEAMUX-3固态电缆(道距12.5 m)接收，炮点距37.5 m，最小偏移距62.5 m.原始资料品质较好，主要目的层反射同相轴清晰，但记录中多次波较为发育(图 2a)，存在地震波在水层中多次反射形成的鸣震现象，这种强噪声必须加以妥善压制.应用常规的预测反褶积方法效果不理想，注意到虽然测区水深很浅(平均40 m)，但最大偏移距仅350 m，海底一次反射波畸变较小，满足SRME(与表面有关的多次波衰减)方法应用的条件(张志军和魏天罡，2013; 潘军等, 2015)，因此引入通常在较深水域使用的SRME技术，运用SRME和预测反褶积组合的方法，使多次波得到了很好的压制，有效反射波得到凸显(图 2b).经过速度分析-Kirchhoff叠前时间偏移，得到偏移叠加剖面(图 3).

图 2 多次波压制前后道集对比图 Figure 2 Comparison of shot gather records before and after multiple attenuation

图 3 HX7偏移叠加时间剖面 Figure 3 Time section created from Kirchhoff pre-stack time migration
3 地震剖面解释及速度分析

测线水深变化较小，从西端的约45 m逐渐变浅到东端的约25 m；有一强反射界面(TB)可从西端的300 ms(对应深度约330 m)连续追踪到东侧的600 ms附近(对应深度约680 m)，与上覆地层不整合接触，推测为新生代沉积的底界.关于HX7线所在区域的新生代沉积，大陆(高天均和黄辉，1994)和台湾方面(Lin et al., 2003)的研究均认为厚度小于1 km，与此剖面结果相符.该反射界面及其邻近地层被数条倾向东南的正断层切割：桩号30 km附近断块和断面清晰可见，可追踪至约1000 ms；桩号57 km和64 km处可见TB及上覆地层被明显错动.

反射地震剖面提供了准确的界面形态，同时还可用Dix公式计算较为准确的上覆层波速，得到TB上方平均波速Vtop约为2205 m/s，这一结果与陈美玲(2006)用台湾方面反射地震资料提取的波速接近.同时我们收集了与反射地震剖面位置重合的折射地震资料，在海底地震仪记录上追踪到了清晰的TB界面折射波(图 4)，使用广义互换法计算得到TB下方地层纵波速度Vbot约为5100 m/s，如此大的波速差异与该反射界面的强振幅吻合.

图 4 桩号3.7 km处的海底地震仪记录的TB界面折射波 Figure 4 Refraction from TB in the Ocean Bottom Seismometer record (at stake No. 3.7 km)
4 重力资料的预处理

台湾海峡西南部缺少钻孔资料，故对海底地质了解主要根据海峡东部资料及地球物理成果综合解释.观察反射地震剖面可以发现，强反射界面TB上覆和下伏地层都较均匀，内部未见可连续追踪的强反射事件，因此我们将其简化为一个双层模型，用重力资料反演上下地层的密度差，以提取下伏地层即新生代沉积基底的密度.

国家海洋局第二海洋研究所提供了部分台湾海峡的船测空间重力异常数据，通常在移去-恢复框架下利用Sandwell和Smith全球重力模型(Sandwell et al., 2013, 2014)插补即可得到测线的空间重力异常，但由于卫星测高方法固有的局限性，卫星重力数据在近岸水域特别古雷半岛附近有较大的偏差，由于剖面西端离海岸仅约20 km，因此必须对此进行改正.为此我们收集了福建省地质矿产局物化探大队1988年绘制的《福建省布格重力异常平面图》(比例尺1：500000)，经过反布格改正得到福建地区陆上的空间重力异常，使用陆上空间重力异常数据和船测空间重力异常数据对Sandwell & Smith全球重力模型进行配准，配准后古雷半岛附近的粗大负值干扰消失了，海岸线附近的重力异常值更加准确、可靠(图 5a)；最后对测线上的空间重力异常值进行完全布格改正得到布格重力异常值(图 5b).

图 5 (a) 福建及台湾海峡空间重力异常图；(b)福建及台湾海峡布格重力异常图 Figure 5 (a)Free-air gravity anomaly in Fujian and TWS; (b)Bouguer gravity anomaly in Fujian and TWS
5 剖面重力模拟和解释推断

首先对偏移叠加剖面作时深转换，得到深度剖面，并简化为一个简单的二层密度模型，用沉积岩波速-密度的Gardner公式ρ=1.74V0.25将上覆层平均波速转化为密度(Gardner et al., 1974)，得到上覆地层密度大约为2.12 g/cm3，与新生代固结程度较低的砂岩、泥岩密度相符.

图 6上为重力异常拟合图，蓝色为观测值，砖红色为计算值，拟合差为1.8 mGal，密度差为0.75 g/cm3.可见求取的密度模型(图 6下)较好的恢复了重力异常的低频成分，具有较高的置信度.下伏地层的密度约为2.12 g/cm3 + 0.75 g/cm3=2.87 g/cm3.反射地震剖面上TB异常大的反射系数也说明该界面波阻抗差极大，如此高的密度可能暗示其岩性为基性岩，而连续性较差、杂乱的同相轴也与喷出相基性岩特征相符.从区域构造上分析，晚中生代以来，台湾海峡地区先后经历了多期岩浆活动(钟建强等，1996)，海峡中西部的新生代基底有大面积的中生代火山岩或侵入岩分布(黄慈流等，1997)：台湾海峡隆起区南部有大片水平层状玄武岩体向东延伸入海，剖面以西的漳浦沿海见众多玄武岩露头(Zhou and Li, 2000)；在澎湖—北港隆起区内，剖面以东约100 km的澎湖列岛通梁1号井在503.5 m以下钻遇玄武岩及玢岩(Yuan et al., 1985)；剖面北面的厦澎断陷内的数口钻井也在1500~2000 m深度钻遇玄武岩或安山岩(萧宝宗等，1991)，地震剖面上也有诸多火成岩发育的特征(钱星等，2015)；剖面南面的珠江口盆地部分钻孔在上中新统粤海组中亦见玄武岩呈夹层(吴进民，1989)，据此我们推断该剖面新生代沉积基底极有可能为玄武岩等基性火成岩.

图 6 (a) 剖面重力异常拟合图；(b)剖面波速-密度模型 Figure 6 (a)Corresponding gravity profile; (b)Velocity-density model of HX7
6 讨论 6.1

台湾海峡西南部勘探资料匮乏，特别是缺少钻孔和反射地震剖面，因此须集合现有的地质、地球物理资料开展综合研究，以得到对地质结构的正确认识.本文从浅层反射地震剖面中提取了准确、精细的地层分界面形态和较为准确的上覆地层波速，在此基础上运用重力反演方法求得界面的密度差进而得到下伏地层密度，从折射地震资料中提取了准确的下伏地层波速，综合上述信息并结合邻区地质露头和钻井资料推断该强反射界面对应新生代沉积基底，其岩性可能为玄武岩等基性火成岩，这是一种研究低勘探程度区域的较为可行的方法.

6.2

福建省地震局此次采集的HX7浅层地震剖面具有较高的信噪比和分辨率，有利于增进对漳浦外海地质沉积-构造特征的认识，可为台湾海峡西南部的构造演化研究提供地球物理证据.但由于缺少钻井资料支持，该剖面岩石岩性及物性尚待进一步证实.应当注意由于该反射地震剖面最大炮检距仅350 m，难以对较深目的层(1000 m以下)有效成像.若TB下方存在较大的密度异常体，其重力异常可能会影响重力异常拟合结果.

致谢 国家海洋局第二海洋研究所提供了多道地震采集设备，吴招才博士提供了部分台湾海峡的船测空间重力异常数据，匿名审稿专家给出了中肯的修改意见，在此一并表示感谢.
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