南海南部深地震探測(cè)的深部結(jié)構(gòu)研究

南海南部深地震探測(cè)的深部結(jié)構(gòu)研究

作為世界上最大的海岸帶之一，南海是中國重要的海岸帶之一（王品賢，2009）。它的地理位置獨(dú)特，構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)現(xiàn)象豐富。這是分析海洋擴(kuò)張、板塊運(yùn)動(dòng)、沿海擴(kuò)張、邊緣海洋形成等國際研究熱點(diǎn)的絕佳場(chǎng)所。也是中國海洋系統(tǒng)和研究的首選研究對(duì)象。泰勒海恩斯（198083）認(rèn)為，南海盆的組成和發(fā)展模式從32.17億米到東南沿海。盡管鄧小平和夏加爾曼（198083）提出，南海盆的主體從32.17億米的南北擴(kuò)張模式?jīng)]有顯著變化。布里斯特爾（1993年）認(rèn)為，西北次海盆和中央次海盆從30ma開始擴(kuò)張，擴(kuò)展性中心分別為18n和17n。隨著兩次向南移動(dòng)，西老大海開始開放，這兩個(gè)擴(kuò)張事件在23.05ma后結(jié)束（根據(jù)最新年的最新年表修訂后，康耀岱等人提出了南海兩種擴(kuò)展模式。西南次海盆非常古老。在40.33ma以ne-sw為主張擴(kuò)大到23ma的中間次海盆之后，中央次海盆在30.16ma附近延伸。小李彪等人（2002）通過構(gòu)造地形分析，對(duì)中心次海盆的擴(kuò)張方向提出質(zhì)疑。至少在擴(kuò)張末期，它經(jīng)歷了nw-se的擴(kuò)張?？傊?，由于早期磁體測(cè)量的精度限制和南海復(fù)雜的擴(kuò)張方式，三海盆的開放時(shí)間、開放順序和擴(kuò)張方向沒有得到進(jìn)展。南海深部地殼結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含著南海海盆形成演化歷程的重要信息,是探討邊緣海形成演化的“骨架”及深部動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ).在眾多的深部結(jié)構(gòu)研究方法中,人工深地震探測(cè)由于分辨率最高、應(yīng)用范圍最廣,始終占據(jù)著重要的地位.自20世紀(jì)60年代至今,南海海域經(jīng)歷了聲納浮標(biāo)探測(cè)、雙船擴(kuò)展剖面(ESP)及先進(jìn)的海底地震儀(OBS)探測(cè)3個(gè)階段(丘學(xué)林等,2003).在南海北部陸緣積累了多條深地震探測(cè)剖面數(shù)據(jù)(圖1),如1985年中美合作的雙船擴(kuò)展剖面探測(cè)(ESP-E、ESP-C、ESP-W)(姚伯初等,1994;Nissenetal.,1995)、1993年中日合作的海底地震儀探測(cè)(OBS1993)(Yanetal.,2001)、1996年中德合作的單分量海底地震儀探測(cè)(OBH1996-2、OBH1996-3、OBH1996-4)(Qiuetal.,2001;Wuetal.,2009)、2001年中國科學(xué)院南海海洋研究所和廣東省地震局和臺(tái)灣海洋大學(xué)合作的海底地震儀探測(cè)(OBS2001)(Wangetal.,2006;Zhaoetal.,2010)、2003年中國科學(xué)院地質(zhì)地球物理研究所等單位在潮汕坳陷實(shí)施的寬頻帶OBS探測(cè)實(shí)驗(yàn)(OBS2003)(周龍泉等,2005)、2006年國家海洋局第二海洋研究所與中國科學(xué)院南海海洋研究所合作在南海中北部完成的3條剖面探測(cè)(OBS2006-1、OBS2006-2、OBS2006-3)(吳振利等,2008;阮愛國等,2009b)以及后來2007年與2008年臺(tái)灣海洋大學(xué)完成兩條測(cè)線(T2007-Line1和T2008-Line2)(邱懋翔,2010).這些探測(cè)取得了大量的研究成果,推測(cè)了華南濱海斷裂帶(趙明輝等,2004;徐輝龍等,2006;Xiaetal.,2010),確認(rèn)出潮汕坳陷巨厚的中生代地層(阮愛國等,2009a),并識(shí)別出高速層(Nissenetal.,1995;Yanetal.,2001;Wangetal.,2006;邱懋翔,2010;Zhaoetal.,2010)、低速層(趙明輝等,2004,2007)等具有特殊構(gòu)造意義的速度異常層,極大地豐富了對(duì)南海北部陸緣深部結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識(shí).相對(duì)于南海北部陸緣,我國對(duì)南海南部陸緣及深海洋盆區(qū)域的地質(zhì)、地球物理資料掌握較少,研究程度較低,嚴(yán)重制約了南海南北共軛陸緣的對(duì)比研究,迫切需要加強(qiáng)南海南部及深海盆洋殼區(qū)的深部結(jié)構(gòu)探測(cè),從南海全局的角度研究其形成演化問題.2009年在國家科技部“973”項(xiàng)目“南海大陸邊緣動(dòng)力學(xué)及油氣資源潛力”的支持與資助下,中國科學(xué)院南海海洋研究所、國家海洋局二所和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所合作,在南海南部海區(qū)完成了2條海底地震測(cè)線(OBS2009-1,OBS2009-2),填補(bǔ)了南海南部深地震探測(cè)的空白(圖1,2),為南海南北共軛大陸邊緣對(duì)比研究提供了第一手基礎(chǔ)地震數(shù)據(jù),對(duì)于構(gòu)建南海的形成演化理論具有重要科學(xué)意義.1珍貝-巖結(jié)構(gòu)南海南部海區(qū)(8°～16°N,111°～119°E)主要包括西南次海盆、中央次海盆南緣及南沙地塊島礁區(qū).研究區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜,有寬闊平坦的深海洋盆,也包括地形多變的南沙島礁區(qū)(圖2).南沙地塊島礁區(qū)主要由西部的永暑礁與大現(xiàn)礁、中部的太平島及東部的禮樂灘組成.兩個(gè)次海盆的南部邊緣,形狀如鋸齒狀,海盆中央分布著大小不一的海山.西南次海盆中部的長(zhǎng)龍海山,主體走向?yàn)镹E向,寬10km,長(zhǎng)300km,高700～3100m(姚伯初,1999);中央次海盆中部的珍貝-黃巖海山鏈(沿15°N方向),東西長(zhǎng)200km,南北寬40～60km,海山頂相對(duì)于海底高差達(dá)4000m;南北向的中南海山,南北長(zhǎng)100km,將中央次海盆與西南次海盆分開.研究區(qū)內(nèi)自由空間重力異常特征與上述地形特征基本對(duì)應(yīng),禮樂灘表現(xiàn)為自由空間重力高值異常帶,南部的南沙海槽為一條NE-SW走向的負(fù)重力梯度帶(金慶煥和李唐根,2000);中央次海盆地區(qū)為低值正異常區(qū),盆內(nèi)的海山處為高值負(fù)異常(姚伯初等,1994);西南次海盆空間重力異常呈北東向分布,對(duì)應(yīng)于海盆擴(kuò)張脊的長(zhǎng)龍海山表現(xiàn)為一個(gè)負(fù)異常,這與大洋中脊的重力異常特征一致(金慶煥和李唐根,2000),說明擴(kuò)張脊相對(duì)于周圍巖石來說表現(xiàn)為低密度物質(zhì).研究區(qū)磁異常特征主體走向以NE和近EW向?yàn)橹?由西南部的-100nT向東北禮樂灘南部增至100nT;南沙群島島礁區(qū)表現(xiàn)為局部高值磁異常區(qū),異常值在-50～100nT之間變化(金慶煥和李唐根,2000).深海盆區(qū)表現(xiàn)為磁條帶異常區(qū),以中南海山分界,中央次海盆磁條帶近EW向,磁異常較高,而西南次海盆展示近NE向磁條帶,磁異常較低(Lietal.,2007).磁異常強(qiáng)度的差異可能是由于基底巖石磁化率不同,或是由于西南次海盆高的熱流值導(dǎo)致較薄的磁化層而引起的(Lietal.,2008).2南緣深層結(jié)構(gòu)特征和研究方法2.1新生代隆提出的莫霍界面和地殼結(jié)構(gòu)南海南部的深部結(jié)構(gòu)研究主要是根據(jù)重力和水深資料來計(jì)算地殼厚度及莫霍界面深度(蘇達(dá)權(quán)等,1996;蘇達(dá)權(quán),2002;Braiterbergetal.,2006),地震探測(cè)資料主要是根據(jù)有限的國外公開發(fā)表的聲納浮標(biāo)、單道地震和雙船擴(kuò)展地震剖面(Ludwigetal.,1979;TaylorandHayes,1983),僅僅從宏觀上約束區(qū)域的地殼厚度與莫霍面深度變化,并沒有精細(xì)的深地震探測(cè)數(shù)據(jù).研究區(qū)莫霍面埋深總體變化趨勢(shì)與水深呈鏡像關(guān)系,又不同程度地受到新生代隆坳格局影響(圖3).南沙島礁區(qū)的莫霍面埋深多在20km以上,表現(xiàn)為自SW向NE逐漸加深,至禮樂灘達(dá)到最大(28km);在西南次海盆與中央次海盆的交界處,莫霍面等值線表現(xiàn)為急劇變化的梯度帶,在海盆內(nèi)莫霍面埋深降至12km以內(nèi);在南海南緣的新生代沉降帶內(nèi),出現(xiàn)多處莫霍面上隆現(xiàn)象,萬安盆地、曾母盆地、南沙海槽等處莫霍面埋深僅12～16km(圖3),若除去新生代沉積層,這些地區(qū)地殼非常薄.研究區(qū)地殼類型分為洋殼和過渡型地殼.洋殼主要分布在北部深海盆區(qū)(圖2),根據(jù)附近的聲納浮標(biāo)和雙船擴(kuò)展地震資料(Ludwigetal.,1979;TaylorandHayes,1983),洋殼基底以下可分為2個(gè)速度層(大洋層2和層3),層2又可細(xì)分為兩層(2B和2C),速度分別為5.0～5.2km/s和5.9～6.2km/s,厚度一般在2km左右,與一般大洋和邊緣海的層2厚度相當(dāng)(Whiteetal.,1992);層3速度為6.7～7.1km/s,平均厚度在3.4km,比一般大洋層3薄1～2km(如西太平洋);層2和層3總厚度變化不大,一般地殼厚度為5～8km(Ludwigetal.,1979;萬玲等,2004).過渡減薄型地殼多分布在由多個(gè)塊體鑲嵌而成的南沙島礁區(qū),一般地殼厚度為18～26km.然而,以上研究主要是根據(jù)重力資料計(jì)算莫霍界面(蘇達(dá)權(quán)等,1996;蘇達(dá)權(quán),2002),深部結(jié)構(gòu)研究是根據(jù)有限的聲納浮標(biāo)、單道地震和雙船擴(kuò)展地震資料進(jìn)行的(Ludwigetal.,1979;TaylorandHayes,1983),而沒有海底地震儀深地震探測(cè)數(shù)據(jù).2.2陸緣深斷裂virtra目前人們雖然對(duì)大陸邊緣進(jìn)行了許多探測(cè)與研究,但對(duì)洋盆產(chǎn)生過程中大陸巖石圈在張裂、破裂分離期間巖石圈的變形過程及其特征仍然認(rèn)識(shí)不清,科學(xué)家常常將破裂分離前連在一起的大陸邊緣(共軛邊緣)放在一起來研究,如研究了30多年的Newfoundland與Iberia共軛陸緣.這一對(duì)共軛陸緣有許多相似之處:(1)結(jié)構(gòu)與陸殼結(jié)構(gòu)相似,均具有3層速度結(jié)構(gòu)特征;(2)在陸殼地幔上涌形成蛇紋石化地幔,從而構(gòu)成洋陸過渡帶;(3)在張裂初始階段以典型的半地塹沉積為主等特點(diǎn)(Funcketal.,2004;Péron-PinvidicandManatschal,2009).然而,隨著地震地球物理資料的不斷補(bǔ)充與完善,越來越多的不同張裂細(xì)節(jié)被認(rèn)識(shí).這一對(duì)共軛陸緣存在著明顯的張裂不對(duì)稱,表現(xiàn)為兩者的拉張系數(shù)不同、兩邊的減薄速率不同等.南海在新生代就像大西洋在中、新生代一樣,也是經(jīng)過大陸巖石圈張裂(rifting)、破裂分離(breakup)和海底擴(kuò)張(spreading)生成的小洋盆.南海與大西洋相比,其張裂、破裂及海底擴(kuò)張都較為年輕,引起巖石圈變形的構(gòu)造因素仍然存在,是研究共軛陸緣較為理想的場(chǎng)所.對(duì)Newfoundland與Iberia這一對(duì)共軛陸緣的研究能為南海南北共軛陸緣的張裂體系研究提供思路與借鑒.3西南次海盆升級(jí)和油氣成礦作用此次南沙海域深地震探測(cè)數(shù)據(jù)的處理與格式轉(zhuǎn)換工作基本完成(丘學(xué)林等,2009;吳振利等,2010),目前在區(qū)域地質(zhì)基礎(chǔ)上構(gòu)建了初始速度結(jié)構(gòu)模型,完成了各種震相的走時(shí)拾取工作,今后的深部結(jié)構(gòu)模擬與構(gòu)造解釋研究應(yīng)重點(diǎn)集中在以下幾方面.(1)西南次海盆的深部結(jié)構(gòu)研究.西南次海盆位于西沙-中沙地塊和南沙地塊之間,是一個(gè)NE向開口的三角形盆地,開口在115°E附近與中央次海盆相連,兩個(gè)次海盆間以南北向轉(zhuǎn)換斷層(中南斷裂)為邊界,中南斷裂兩側(cè)的地質(zhì)與地球物理特征存在明顯差異(姚伯初,1995;Lietal.,2007).前人對(duì)該海盆擴(kuò)張時(shí)間的見解仍然存在分歧,對(duì)海盆內(nèi)沉積時(shí)代也有不同的看法.通過對(duì)該海盆的反射地震剖面對(duì)比解釋(Schluteretal.,1996;YanandLiu,2004),識(shí)別出T5(下中新統(tǒng))以上的地層.Gaoetal.(2009)對(duì)反射地震剖面解釋表明(圖2),西南次海盆洋殼部分在擴(kuò)張脊上發(fā)育厚的沉積,且沉積向兩側(cè)變薄變新.一種解釋是早期(晚始新世)擴(kuò)張形成的洋殼被沉積充填;另一種可能是西南次海盆并未發(fā)生全體的擴(kuò)張,在西南部保留了洋陸過渡階段的裂谷,而被定名為“中業(yè)北”的裂谷盆地曾受到同擴(kuò)張巖漿活動(dòng)的強(qiáng)烈侵?jǐn)_(圖2).李家彪(2011)認(rèn)為西南次海盆具有漸進(jìn)式海底擴(kuò)張模式,東段是火山侵入段,中段為中央裂谷,較為平坦的西段為陸坡延續(xù).可見,西南次海盆擴(kuò)張年代與擴(kuò)張模式仍然存在理論認(rèn)識(shí)的提升空間.從穿過西南次海盆的OBS2009-1測(cè)線的深部結(jié)構(gòu)研究中可望獲得基底及莫霍面的展布形態(tài)與速度分布特征,并從深部結(jié)構(gòu)的角度約束西南次海盆的形成演化模式.由于基底不受新近構(gòu)造地質(zhì)作用的影響,保留著擴(kuò)張脊、海溝、傾斜的陸塊等構(gòu)造幅度與構(gòu)造特點(diǎn),是識(shí)別歷史構(gòu)造特征及推斷形成演化動(dòng)力學(xué)機(jī)制的關(guān)鍵(Braitenbergetal.,2006).由于西南次海盆面積窄,形態(tài)對(duì)稱,共軛破裂點(diǎn)易于選取,該區(qū)深部結(jié)構(gòu)研究成果還將有助于推進(jìn)對(duì)大陸破裂過程的科學(xué)認(rèn)識(shí).(2)南海深海盆中海山性質(zhì)的研究.深海盆中分布的海山與南海中具有陸殼性質(zhì)的微陸塊(包括西沙、東沙、中沙,巴拉望等地塊)明顯不同(鄢全樹,2008).海山高差變化較大,其地殼厚度6～8km,莫霍面埋深10～12km,具有洋殼性質(zhì),一般沿著擴(kuò)張中心或深達(dá)巖石圈的斷裂等構(gòu)造薄弱帶分布,是南海形成演化過程中的產(chǎn)物,對(duì)其性質(zhì)屬性的研究直接關(guān)系到南海形成演化模式問題.西南次海盆中部的長(zhǎng)龍海山,有學(xué)者認(rèn)為是海底擴(kuò)張停止后多期火山噴發(fā)作用形成(姚伯初,1999).南北走向的中南海山較為特殊,是中央次海盆與西南次海盆的分界線,在南海擴(kuò)張過程中可能充當(dāng)了轉(zhuǎn)換斷層的作用(Lietal.,2007).中央次海盆中部的珍貝-黃巖海山鏈?zhǔn)菛|西向海山鏈的代表,前人研究表明,這個(gè)海山鏈?zhǔn)窃?6Ma前南海擴(kuò)張停止后晚期的火山作用形成的(TaylorandHayes,1980;Briaisetal.,1993;Yanetal.,2006).那么這個(gè)沿殘余洋脊方向發(fā)育的火山鏈的形成機(jī)制如何?是否為擴(kuò)張結(jié)束時(shí)剩余巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物(Yanetal.,2006,2008)在殘余擴(kuò)張脊下面是否存在巖漿房?最新的深地震測(cè)線數(shù)據(jù)將力求解決上述問題.(3)南海南北共軛被動(dòng)陸緣的對(duì)比研究.由于受板塊變動(dòng)的影響,