南海西沙海槽地壳结构的海底地震仪探测与研究

南海西沙海槽地壳结构的海底地震仪探测与研究 () 文章编号 :100023053 20000220009210 南海西沙海槽地壳结构的海底 3 地震仪探测与研究 1 1 1 1 1 丘学林,周蒂,夏戡原,苏达权,吴世敏, 2 2 叶三余, E. R . Flueh ( 1 . 中国科学院南海海洋研究所 ,广东 广州 510301 ; ( ) 2 . 德国基尔大学海洋地学研究中心 GEOMAR, )基尔 D - 24148 ,德国 摘要 :利用中德合作在南海西沙海槽首次获得的海底地震仪探测数据 ,通过震相分析和走时 模拟 ,研究了该区的纵波速度模型和地壳结构特征 。结果显示 ,新生代沉积层厚 1 —4 km ,其 - 1 - 1 下的地壳纵波速度从 5 . 5 km?s 向下逐渐增加到 6 . 8 kms? ,下地壳未见有明显的高速层 , 地壳厚度在剖面两侧为 25 km ,向中部逐渐减薄至 8 km ,莫霍面在剖面中部上隆 ,其速度反差 - 1 - 1 强烈 ,从地壳底部的 6 . 8 km?s 跳跃到上地幔顶部的 8 . 0 kms? 。这一地壳结构反映出新生 代拉张裂谷的特征 ,海槽两侧地壳结构相似 ,南北呈对称分布 ,没有或很少下地壳底侵 ,与南 海北部陆缘的东段有很大差别 。 关键词 :西沙海槽 ;地壳结构 ;莫霍面 ;海底地震仪 中图分类号 : P736 . 1 文献标识码 :A ( ) 1996 年秋 ,中国科学院南海海洋研究所 SCS IO等单位和德国基尔大学海洋地学研 ( ) 究中心 GEOMA R合作 ,在南海西北部进行了海底地震仪探测 ,在莺歌海盆地完成两条 () 测线 ,西沙海槽完成一条测线 图 1,其目的在于研究陆缘沉积盆地的速度结构和含油气 层系的关系 ,以及陆缘拉张裂谷的深部地壳结构特征和形成演化史 。莺歌海盆地的两条 1 测线已另文讨论,本文主要分析西沙海槽测线的初步成果和地壳结构特征 。 1 地质背景 西沙海槽位于南海西北部 ,是一条近 EW 走向 ,介于华南陆缘与西沙 —中沙群岛之 ( ) 间 的现代海槽 图1。西沙 —中沙地块发育元古代 —古生代基底 ,与南海北部陆架属同 收稿日期 :1999 - 06 - 18 ;修订日期 :1999 - 09 - 30 ( ) ( ) 基金项目 : 中 国 科 学 院 重 点 项 目 KZ952 - S1 - 416 及 重 大 项 目 KZ951 - B1 - 406 , 国 家 自 然 科 学 基 金( ) ( ) ( ) 49804005,广东省自然科学基金 980680,以及中德政府间海洋科技合作项目 92 - G - 3资助 。 ( ) 作者简介 :丘学林 1964 —,男 ,研究员 ,博士 ,从事海洋地球物理和深部地质构造研究 。 3 丘学林 、吴世敏曾获德国 BMB F DL R 资助在 GEOMAR 进行合作研究 3 个月 。参加海上实测工作的还有中国 科学院南海海洋研究所‚实验 2?号调查船全体船员和实验部 、海洋构造地球物理研究室及 GEOMAR 的部分科学家 , 特此致谢 。 一块体 ,该块体在中生代基本处于上升隆起状态 ,新生代的陆缘张裂运动 ,使西沙 —中沙 2 —4 地块与华南陆缘分离 ,才逐渐形成了西沙海槽。海槽水深 1 500 —3 000 m ,东部与南 海西北海盆相连 ,西部与琼东南盆地相通 ,地壳性质从东到西由洋壳逐渐过渡为陆壳 。前 5 ,8 —12 人在该区做过许多地质地球物理工作,特别是原地质矿产部与美国合作在西沙海 6 ,13 —15 槽东段进行过双船深地震探测 ,获得了莫霍面等深部地震信息。1996 年 9 —10 16 ,17 月 ,我们沿中德合作在 1987 年完成的多道反射地震测线 SO49 - 23,穿过西沙海槽 的中段和琼东南盆地的东部 ,进行了海底地震仪探测 。本文根据所获资料分析研究西沙 海槽和琼东南盆地东部的地壳结构特征 ,并探讨其形成演化史 。 图 1 南海西北部海底地震仪台站和测线位置图 5 6 7 盆地边界引自龚再升 , ESP 剖面和测线位置取自 Nissen ,底图用 GM T 制作 。 Fig. 1 OB H p rofiles in no rt hwestern part of So ut h China Sea 2 数据采集和处理 海上作业由 南 海 海 洋 研 究 所‚实 验 2 ?号 地 球 物 理 考 察 船 实 施 , 测 线 长 237 km , 呈 ( ( ) ) N N W - SSE 方向 ,横跨西沙海槽中段 图 1。10 台数字式海底地震仪 OB H由 GEO2 18 MA R 提供,投放间距约 25 km ,全部成功回收 。震源为船上的气枪系统 ,4 支气枪组成 的源阵总容量达 48L ,工作压力 13M Pa ,每分钟激发一次 ,航速 6 节 ,炮间距约 185 m 。气 枪系统和海底地震仪在作业前后都用 GPS 时间信号进行调校 , 两者的时间误 差 小 于 10 ms ,野外作业期间海况良好 。 将海底地震仪记录的连续数据按放炮次序剪裁编排 ,并以 SE GY 格式储存为共接收 第 2 期 丘学林等 :南海西沙海槽地壳结构的海底地震仪探测与研究 11 - 1() 6 . 0 kms? 按炮点位置绘出单台记录剖面 图 2。本文首先分析 10 台海底地震仪记录剖面的震相特征 ,并根据已有的多道反射剖面和区域地质资料建立地壳结构的初始模型 ,然 19 后用射线追踪程序 MacRay计算各震相的理论走时曲线 ,将理论计算和实际观察的走 时曲线相比较 ,用猜测试错的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 不断修改结构模型 ,使理论计算结果逐步向实测曲线逼 近 ,经过多次计算和比较 ,最终获得一个较符合实际的模型 。 图 2 西沙海槽测线 27 号海底地震仪台站记录剖面图 a . 水深及海底地形 ; b. 按放炮时间 、位置和折合速度剪裁编排成的共接收点记录 , 也可看 ( ) 作震源位于海底地震仪处的共炮点记录 。数据经带通滤波 频带 5 —10 Hz处理 , 折合速- 1 度为 6 km?s ,即图中的折合时间 = 走时 - 偏移距/ 6 Fig. 2 Seismic reco rd of OB H27 and identified p hases 震相特征和射线追踪 3 综合分析 10 台海底地震仪的记录剖面 ,根据各地震波组的运动学和动力学特征 ,参 考射线追踪的理论计算结果 ,可以识别出 P2 , P3 , P4 , Pi P , Pg , Pm P 和 Pn 等 7 组震相 。现 ( ) 以 27 号海底地震仪的记录剖面 图 2为例 ,分析各地震相及相应时距曲线的特点 ,并通 () 过射线追踪及其走时曲线的分析 ,说明计算模型和实测资料之间的关系 图 3。 对应图 2 ,3 中的 P2 , P3 , P4 震相是浅部沉积层的折射波 ,其中 P2 , P3 较为发育 ,其视 - 1 速度分别为 2 . 17 和 3 . 49 km?s ,表明沉积层浅部地震波速较低 ,时代较新 ,构造变动较 - 1 少 ,呈水平层状产出 。P4 为较深沉积层的折射波 ,其视速度为 4 . 35 km?s 。图 3 显示 , 地震波穿过浅部数公里深的沉积物 ,折射回到海面形成 P2 , P3 , P4 震相 ,其理论走时曲线 与实测结果吻合很好 。顶部层 1 的折射震相因与直达波相邻很近而未能观察到 ; 反射波 亦难于辨认 。 第 2 期 丘学林等 :南海西沙海槽地壳结构的海底地震仪探测与研究 13 Pg 和 Pi P 分别为结晶基底的回折波和广角反射波 , Pg 是出现最多 、信号最强的一组 震相 ,可在偏移距 15 —90 km 间连续追踪 ,但是 ,由于沉积基底界面复杂 ,极少看到理想层 状模型的直线型或下弯型 Pg 走时曲线 ,由平均斜率计算出来的视速度不能反映基底界 面附近的地震波速 ,因此许多 Pg 震相需要借助初始模型的建立和走时曲线的试算才能 () 确定 。如 27 号海底地震仪记录中 图 2,虽然台站南北两侧都记录到清晰的 Pg 震相 ,但 两者的形态各异 ,视速度相差很大 ,反映了结晶基底的复杂构造 。Pi P 只在测线中部少数 几台海底地震仪记录中见到 ,其走时曲线向上弯曲 ,射线追踪的结果与实际观测很吻合 () 图 3。位于记录剖面北半支偏移距 5 —20 km 间 , P3 , P4 , Pi P 和 Pg 震相连成一个完整的 三重走时曲线 ,反映了沉积盆地基底界面有较大的速度反差 。但是 ,在记录的南半支并未 出现相似的三重曲线 , Pg 和 P3 , Pi P 等浅部震相有大约 0 . 5s 的走时跳跃 , Pg 的视速度只 - 1 有 3 . 7 kms? 。出现这些异常是因为在图 3 距离 11 km 处有一个基底高尖隆起 ,速度较 高的基底断隆插在厚层沉积物内 ,穿过高尖隆起的射线到时较快 ,而两侧的到时相对较 慢 。 Pn 和 Pm P 是地壳底部莫霍面的首波和反射波 , Pn 较弱 ,只在 27 号台站记录北半支 - 1 () 偏移距 40 —60 km 处较为清晰 图 2,其视速度仅为 7 . 47 kms? ,但计算模拟证实 Pn 视 速偏低是因为莫霍面向下倾斜所致 。Pm P 震相很清晰 ,可以从偏移距 20 —110 km 内连续 - 1- 1 追踪 ,其视速度从近距离的 15 —20 km?s 逐渐降低到远距离的 6 . 5 kms? , Pm P 的振幅 能量开始很弱 ,大约在偏移距 31 km 处开始迅速加大 ,在 35 —40 km 处能量最强 ,此后又慢 慢 20 减弱 。曾融生指出 ,莫霍面反射波在临界点附近会突然增强 ,据此估计 Pm P 震相的 临界距离大约在 31 km 处 。理论计算的 Pm P 临界距离是 30 . 5 km ,与实测值一致 ,射线追 踪得到的理论走时曲线与实际曲线基本符合 ,但在中段偏移距 40 —60 km 间 , Pm P 的初至 因与 Pn 较为靠近而较难辨认 。地震记录的南半支 Pm P 不发育 ; 在距离 40 —50 km 间见 有一较明显的震相 ,可能是 Pg ,50 km 外的震相很模糊 ,可能有 Pn 存在 。 ( ( ) ) 26 号海底地震仪记录了相似的地震震相 图 4,射线追踪 图 5显示南半支发育的 Pm P 来自地幔隆起顶部莫霍面的反射波 。 地壳的速度结构模型及其地质意义 4 根据全部 10 台海底地震仪的震相分析和走时模拟得到的最终模型及其地质解释 ,编 ( ) 绘出西沙海槽地壳结构剖面 图 6,模型中基底面和莫霍面两个主要速度界面将剖面由 上到下分成新生代沉积层 、前第三纪基底和上地幔顶部 3 大部分 。 4 . 1 新生代沉积层 地壳的上部发育有 1 —4 km 厚的新生代沉积层 ,由 3 到 4 层可水平追踪的沉积层组 - 1成 ,层内有微小的速度梯度 ,层间也有 0 . 1 —0 . 8 km?s 的速度差异 ,顶层为现代松散沉积 - 1 物 ,其下 2 层的平均 P 波速度分别为 2 . 1 和 3 . 5 kms? ,在深度分布上与反射地震解释剖 17 - 1 面上的中新世 —全新世沉积层相对应,最下一层平均 P 波速度为 4 . 2 kms? ,可能属 17 老第三纪地层。新生代沉积以剖面中部最厚 ,向两侧基底逐渐抬升 ,沉积层也随之减 薄 。 图 4 西沙海槽测线 26 号海底地震仪台站记录剖面图 图示格式同图 2 。 Fig. 4 Seismic reco rd of OB H26 and identified p hases 4 . 2 前第三纪基底 - 1 新生代沉积层之下是速度为 5 . 5 —5 . 6 km?s 的基底 ,分界面上的速度反差达 1 . 4 — - 1 2 . 1 kms? , 是地壳中第一个显著反射 - 折射界面 。27 号海底地震仪南侧 11 km 处的基 17 底高尖隆起 ,不但得到折射震相的证实 ,而且在多道反射剖面上亦能见到。基底面以 下的前第三纪地壳在计算模型上分为 3 层 ,但基底地壳中的分层并不明显 ,其分层界面上 - 1 速度反差很小 ,上下之间基本呈过渡关系 , P 波速度从顶部的 5 . 5 —5 . 6 km?s 逐渐增加 - 1 到底部的 6 . 8 kms? ,地壳厚度在剖面两侧为 25 km ,向中部逐渐减薄到 8 km ,若以 6 . 4 km- 1 s? 速度等值线划分上地壳和下地壳 ,则减薄主要发生在上地壳 。 4 . 3 莫霍面和上地幔顶部 地壳底部的莫霍面是另一个显著的地震波反射 - 折射界面 ,其纵波速度反差强烈 ,从 - 1- 1 下地壳底部的 6 . 8 kms? 跳跃到上地幔顶部的 8 . 0 kms? ,莫霍面深度在剖面两侧大于 - 1 25 km ,向中部上隆至 15 km ,莫霍面以下的上地幔 P 波速度从 8 . 0 kms? 向深部缓慢增 加 。 5 讨 论 西沙海槽剖面中部的沉积层较厚 ,折射剖面的沉积层与反射剖面的分层有较好的对 应关系 ,沉积层之下的地壳结构较为简单 , P 波速度从上到下逐渐增加 ,上下地壳的分界 第 2 期 丘学林等 :南海西沙海槽地壳结构的海底地震仪探测与研究 15 20 ,21 德面的情况相类似。莫霍面的强烈上隆使地壳呈中间薄 、两边厚的典型拉张裂谷特征 。海槽两侧的地壳结构相似 ,南北基本呈对称分布 。地壳底部未见有明显的高速层 ,并 且莫霍面速度反差大 ,反映张裂过程中没有大规模的地幔底侵 。 图 6 西沙海槽地壳结构剖面 ( ) 据图 3b 和图 5b 中的最佳计算模型及其地质解释 。a . 纵横比例尺相同 ; b. 纵比例尺 即深度放大 4 倍 , 图中数字表示该点附近的 P 波速度 ,浅部沉积薄层中的数字代表该层的平均 P 波速度 。 Fig. 6 Crustal st ruct ure of Xisha Tro ugh 6 ,13 ,14 西沙海槽剖面以东约 50 km 处是中美合作双船反射地震的西剖面,两剖面所- 1 得到的模型有许多相同之处 。但我们得到的基底地壳速度较低 ,由 6 . 4 kms? 等速线划 分出来的上地壳厚度较大 ,南北两侧对称分布 ,下地壳底部无明显的高速层 。这些特征是 我们同步模拟 10 台海底地震仪记录的结果 ,分辨率和可信度较高 。而双船反射地震的深 6 ,13 ,14 ,对于西沙海槽的复杂结构 ,其计算结果可能会有一定的误差和多 地震相很微弱 解性 。 6 ,13 5 ,22 将西沙海槽剖面与华南陆缘东段的双船反射地震剖面和海底地震仪剖面比较 ,两者有很大的差别 ,东部剖面发育巨厚的下地壳高速层 ,莫霍面由陆向洋逐渐抬升 , 地壳厚度随之逐渐减薄 。这些现象表明南海北部陆缘西段与东段地壳结构有很大的差 异 ,前者裂谷特征明显 ,缺少大规模底侵 ,可能属非火山型大陆边缘 ,而后者下地壳中底侵 第 2 期 丘学林等 :南海西沙海槽地壳结构的海底地震仪探测与研究 17 6 结 论 对西沙海槽海底地震仪资料的计算处理和分析研究获得以下几点认识 : ()1 海槽下的沉积层厚达 4 km ,沉积基底断裂断块 、半地堑半地垒发育 ,基底面形态复杂 。 - 1 () 2 前第三纪地壳速度结构较简单 , P 波 速 度 由 上 到 下 从 5 . 5 km s? 逐 渐 增 加 到 6 . 8 - 1 kms? ,剖面中部莫霍面抬升 ,地壳减薄至 8 km ,呈典型的拉张裂谷剖面 。 西沙海槽()3 两侧的地壳结构相似 ,南北对称分布 ,暗示海槽两侧在张裂前属同一地块 。 下地壳缺() 4失明显的高速层 ,莫霍面上下的速度反差大 ,说明地壳下部底侵不发育 。 南海北部边()5 缘西段和东段的地壳结构有很大差异 ,它们可能经历了不同的构造演化 过程 ,其大 陆边缘属性可能也有所不同 。 参考文献 : ( ) 1 夏戡原 ,周 蒂 ,苏达权 , 等. 莺歌海盆地速度结构及其对油气勘探的意义 J . 科学通报 , 1998 , 43 4 : 361 — 367 . 地矿部第二海洋地质调查大队. 南海地质地球物理图集M . 广州 :广东省地图出版社 ,1987 . 2 ( ) 何廉声 ,王光孙 ,石效超. 西沙海槽 ———新生代裂谷J . 地质论评 ,1980 ,26 6:486 —489 . 3 ( ) 陈圣源 ,陈永清. 试谈西沙海槽的发展演化及地球物理场特征J . 海洋地质研究 ,1982 ,2 4:50 —62 . 4 龚再升 ,李思田 ,谢泰俊 ,等. 南海北部大陆边缘盆地分析与油气聚集M . 北京 :科学出版社 ,1997 ,510 . 5 Nissen S S , Hayes D E ,Buhl P , et al . 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S out h Chi na S ea I nst i t ute of Ocea nology , T he Chi nese A ca de m y of S ciences , Gua ngz hou 510301 , Chi na ; )2 . G EO M A R , Resea rch Center f or M a ri ne Geosciences , W ischhof st r . 1 —3 , Kiel D - 24148 , Ger m a ny ( ) Abstract : The aut ho rs analyzed t he Ocean Bot to m Hydrop ho ne OB Hdata , w hich were available fo r t he first time in t he Xisha Tro ugh of t he So ut h China Sea by t he Sino2Ger many cooperatio n . The different seismic p hases were identified and t heir t ravel time arrivals were mo deled to st udy t he P2wave velocit y and crustal st ruct ure of t his area . The result s show t hat t he Cenozoic sedimentary layer o n t he top is 1 —4 km t hick . The P2wave velocit y increases - 1 - 1 f ro m 5 . 5 km?s o n t he top of t he basement to 6 . 8 kms? at t he bot to m of t he crust . No high2velocit y layer appears in t he lower crust . The p re2Tertiary crustal t hickness decreases gradually f ro m 25 km o n bot h sides to 8 km in t he middle . The Mo ho interf ace is uplif ted in t he cent ral part of t he sectio n . The V has large co nt rast o n t he Mo ho and jump s f ro m 6 . 8 P - 1 - 1 km?s to 8 . 0 kms? . The symmet rical and similar crustal st ruct ure o n t he bot h sides of t he Xisha Tro ugh show s t he characteristics of t he t hinned co ntinental crust by Cenozoic rif t2 ing. There is lit tle lower crust underplating , w hich is very different f ro m t ho se fo und acro ss t he easter n part of t he co ntinental margin in t he no rt her n So ut h China Sea . Key words : Xisha Tro ugh ; crustal st ruct ure ; Mo ho interf ace ; Ocean Bot to m Hydrop ho ne ()OB H