海底广角地震剖面反演方法对比——以南海礼乐滩OBS剖面为例

广角地震测线（OBS973-2）位于南海南部陆缘,其地壳深部构造是研究南海共轭扩张及形成演化的直接证据之一.本文采用2D射线追踪技术,结合与之重合的多道地震测线（NH973-2）时深转换结果,对OBS973-2测线重新进行了正、反演研究,得到了礼乐滩及邻近海区的精细地壳结构.与前人结果相比,本文基于正反演速度模型,把测线分为陆壳区（0~200 km）、洋陆过渡区（200~280 km）和洋盆区（280~370 km）.地壳结构在不同区域差异明显,陆壳区沉积层厚度横向差异大,且速度横向不均匀,地壳整体厚度大（约20 km）,有横向速度差;洋陆过渡区速度和厚度横向均匀,地壳减薄（约8 km）;洋壳区地壳厚度减薄至6 km.与以往研究相比,新的认识集中在两个方面,（1）在方法上,综合广角地震和多道地震数据,借助正演和反演方法,能够得到更多更可靠的地壳结构信息.（2）在地壳结构上,结合广角地震与多道地震,得到洋陆过渡区莫霍面向海减薄的形态及其埋深（约12~18 km,海平面为0 km）;进一步验证礼乐滩区域在洋陆过渡区没有明显的高速层,为非火山型陆缘,其共轭扩张点为中沙地块;陆壳区上地壳强烈的拉张作用在速度模型表现出横向速度异常和低速区,在多道地震剖面上表现为大量10~20 km的正断层.     

南海西南次海盆与南沙地块的OBS探测和地壳结构

跨越南海西南次海盆南部陆缘和南沙地块中部的OBS973-1测线是南海南部首次采集的海底地震仪(OBS)广角反射与折射深地震测线,本文通过震相分析和走时正演拟合,获得了沿测线的二维纵波速度结构模型.模拟结果显示表层沉积物速度2.5～4.5 km/s,厚度1000～3000m,局部基底面起伏较大.结晶基底的速度从顶部的4....     

西沙地块地壳结构及其构造属性

西沙地块作为在南海形成演化过程中形成的微陆块,记录了南海演化历史的重要信息,其地壳结构、物质组成及构造属性是探讨南海形成演化的关键.基于采集到的OBS2013-3测线海底地震仪数据,用射线追踪和正演走时拟合方法,获得了西沙地块的二维纵波速度模型.模型显示沉积层速度为2.2~3.2km·s-1,厚度为0.8~3.0km,局部基底面起伏较大,上地壳顶部速度为5.0~5.5km·s-1,下地壳底部速度为6.9km·s-1,上地幔顶部速度为8.0km·s-1.西沙地块的地壳厚度平均为23km,上地壳厚度约为9km,下地壳厚度约为14km,莫霍面埋深为23~27km.从穿过西沙地块的纵、横两条大剖面推算,块体大小约为9.2×105 km3,与华南陆缘相比,表现为整体减薄的陆壳特征.西沙地块与南沙地块垂直于西南次海盆扩张脊分布,根据二者地壳结构的特征对比,二者互为共轭关系.     

中沙海域的广角与多道地震探测

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100km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25km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.     

西沙地块海底地震仪转换横波的数据处理与震相识别

主动源海底地震仪(OBS)转换横波震相的分析和模拟,能够从泊松比的角度更准确地约束地下结构和物质组成,有助于地壳精细结构和构造属性的研究.本文对南海北部陆缘西沙地块的OBS2013-3测线进行了转换横波数据处理和分析,通过能量扫描法求取极化角,并对OBS水平分量数据进行旋转,获取了径向分量数据.结合本测线的地质情况,求解佐布里兹(Zoeppritz)方程,得到了不同转换模式的能量分配关系,定量地指示了沉积基底和海底面为主导的P-S转换界面,Moho面为次一级转换界面.在OBS2013-3测线的各个台站径向分量地震剖面上识别出了一系列PPS和PSS型转换震相,最大偏移距达到130km,并进行了初步的正演模拟试算和验证.结合本测线实际情况,对OBS转换横波研究的基础问题进行了探讨.这些工作为后续的二维横波速度结构和泊松比结构模拟、物质组成和地壳属性分析打下了坚实的基础,为研究方法的进一步完善提供思路.     

南海海盆三维重力约束反演莫霍面深度及其特征

利用南海海盆及周边最新的重力,经过海底地形、沉积层的重力效应改正,并采用岩石圈减薄模型的温度场公式,校正了从张裂边缘到扩张海盆的热扰动重力效应.通过研究区的地震剖面和少量声呐数据得到的莫霍面深度点作为约束,采用基于"起伏界面初始模型"的深度修正量反演迭代公式,反演、计算了研究区的莫霍面深度及地壳厚度.结果表明,海盆区莫霍面深度在8~14 km之间,地壳厚度在3~9 km之间;东部海盆和西南海盆残留扩张中心沿NNE向展布向西南延伸至112°E,莫霍面深度超过12 km,地壳厚度在6 km以上,而西北海盆没有明显的增厚扩张中心;在西南海盆北缘的中沙地块南侧,存在一个近EW向地壳减薄带,地壳厚度在9~10 km;莫霍面深度14 km的等深线和地壳厚度9 km的等值线可指示洋陆边界位置.     

海底地震仪远震记录接收函数反演——以南海西南次海盆为例

由于海底环境和海底地震仪(OBS)结构的特殊性,用OBS远震记录进行接收函数岩石圈反演研究因为存在一定的困难,所以还很少见.在深入分析问题的基础上,以国产I-4C型宽频带OBS在南海西南次海盆记录的天然地震为实例,我们将傅里叶变换和小波变换相结合以压制海底地震仪记录中的非平稳干扰,获得了信噪比较高、震相清晰的地震记录,进而成功开展了远震记录的岩石圈结构接收函数反演.主要结论是:(1)OBS接收函数的求取是可行的,关键是压制非平稳干扰.(2)西南次海盆的Moho面埋深为海底下10~12km(地壳厚6~8km),沉积物厚度为1~2km,浅部地壳存在低速区,与沉积物和海底扩张停止后的岩浆喷发产生的岩石碎屑和裂隙有关.(3)在扩张脊中央Moho面上方6~12km存在S波低速区,推测扩张中心可能存在下地壳熔融或岩浆房,在17~30km区间S波速度呈负梯度,我们认为扩张中心更深的地方存在热物质的供给.     

南海西北次海盆深部热岩石圈结构及其对浅部构造演化的控制

西北次海盆是南海扩张早期形成的一个特殊的构造单元,其周边被西沙海槽、中沙海台、珠江海谷等裂谷和地块所围限,演化出一系列海山和断裂带等复杂地质构造,其深部构造伸展和岩浆活动均与岩石圈结构及其变形密切相关,但目前对其深部岩石圈结构的了解还较少.文章通过收集西北次海盆及其周边地区的声纳浮标、双船扩展剖面(ESP)、海底地震仪(OBS)、多波束和海陆联测等地震调查数据,详细获得其水深、基底、莫霍面的深度数据.根据热重力均衡方法精细计算得到南海西北次海盆及其周边地区的岩石圈基底埋深,结果表明其深度范围在25～110km之间,在海盆区最浅埋深为25～60km,陆缘增加至60～110km.其中,西沙海槽的南、北两侧的岩石圈结构明显对称,展现出具有夭折裂谷特点的岩石圈深部结构和热状态.中沙海槽和中沙海台的岩石圈基底埋深从60km向西南方向增加到70km,与地表形态一致.珠江海谷西侧岩石圈基底埋深在60～80km,该区岩石圈厚度的减薄与断层、凹陷的分布和岩浆活动有关.西北次海盆和东部次海盆岩石圈基底埋深均小于60km,最薄小于46km.结合大洋钻探、地震探测和浅部地形表明,南海西北次海盆的成熟洋盆范围位于岩石圈基底埋深在46km等深线以内的区域,海盆周围的裂谷和离散地块的演化过程,同时受到浅部构造运动和深部热物质活动的控制,其岩石圈结构表现出强烈不均一性.     

穿越南沙礼乐滩的海底地震仪广角地震试验

本文对穿越礼乐滩东北部向西北方向延伸进入中央海盆长369 km的广角地震剖面OBS973-2进行了反演研究,以期了解南海南部陆缘的地壳结构,同时探讨南、北陆缘的共轭问题.结果表明OBS973-2剖面的速度模型中三个沉积层的速度分别为1.8～2.0 km/s、2.0～2.7 km/s和3.5～4.0 km/s;沿剖面沉积...     

南海东北陆缘过渡性地壳的地震成像

根据2001年8月台湾和中国大陆合作开展的深部地震调查,给出了横跨南海(SCS)东北部被动大陆缘的地壳构造。将一条NW-SE向剖面上的48道地震反射数据和11台海底地震仪的反射和折射的垂直分量数据整合在一起,依次得到了沉积层上部(1.6~2.4km/s)、下部(2.5~2.9km/s)、压实层(3~4.5km/s)以及结晶地壳上部(4.5~5.5km/s)、中部(5.5~6.5km/s)和下部(6.5~7.5km/s)的成像。速度模型表明,压实沉积物的厚度(0.5~3km)和基底变化很大,这是由于南海海底扩张以后的岩浆入侵和火成岩活动导致的。更进一步从模型中识别出,在南海东北部边缘下陆坡之下的洋陆过渡带(OCT)的上/中地壳(7~10km厚)存在一些火山和火成岩,下地壳下面存在高速层(0~5km厚)。还得到了南海东北部陆缘洋陆过渡带的西北为薄陆壳、东南为厚洋壳的影像。但是这些过渡性地壳不能归类为洋陆过渡带,这是由于它们的地壳厚度、有限的火山、岩浆体和高速层所决定的。紧邻重力低区和从台西南海盆延伸而来的沉陷带的陆壳拉伸可能是欧亚板块向马尼拉海沟下插的结果,而厚洋壳的形成则是由于南海海底扩张之后洋壳中过度的火山活...     

南海地区地震背景噪声成像与壳幔深部结构

利用南海地区28个陆地地震台站和2个布设于太平岛和东沙岛的新增海岛地震台站2011—2016年间的连续地震背景噪声波形数据,使用互相关方法计算得到了台站间的互相关函数,并提取出Rayleigh面波群速度和相速度频散曲线.采用快速行进和子空间方法反演获得了南海及周边地区12～40s周期的Rayleigh面波群速度和相速度图像,并联合反演得到了研究区深至60km的三维S波速度结构.考虑到南海数千米厚海水层对于面波频散反演的严重影响,本文在反演模型中加入了水层,显著提高了反演结果的可靠性.成像结果表明:南海及周边地区地壳上地幔顶部S波速度结构存在显著的横向不均匀性,并与这一区域的主要构造单元具有较好的空间对应关系.在5～10km深度,莺歌海—宋红盆地区的低速异常特征可能与盆地较厚的沉积层有关.在5～15km深度,海域高速异常区与海盆空间位置具有高度一致性,推测与海盆区地壳厚度相对陆缘区明显偏薄有关.当深度从20km增加至30km,海盆区的高速特征扩展至了陆缘地区,反映了地壳厚度从海盆至陆缘逐渐增厚的趋势,与OBS(海底地震仪)深地震剖面给出的地壳精细结构结果一致.至35～60km深度,海盆的高速异常特征依然明显,且速度值随深度增加整体呈现上升的趋势,推测南海海盆区的岩石圈厚度应该大于60km.     

深地震探测的分辨率分析——以南海北部OBS数据为例

多次深地震探测结果表明南海北部陆缘地壳结构在走向和倾向上都有明显的变化.在一些相隔很近的测线上,探测的深部地壳结构却相差较大,为了分析这些探测结果中差异的原因和地壳结构变化的可靠性,本文以东沙东侧海域测线和东沙西侧海域测线为例,对采集的海底地震仪记录进行了时间、位置校正和初至波走时拾取,利用有限差分地震走时层析成像进行了走时反演,获得所在剖面的地壳速度结构,并分析了模型的横向分辨率,剔除模型中短波长的横向速度变化.分辨率检测结果表明,模型的横向分辨率随着深度快速下降,0～8 km深度范围可以分辨10 km的横向变化,8～17 km的范围能够分辨10～40 km,而17～33 km的范围只能分辨40～80 km.因此,折射波的横向分辨能力不高,在地壳深部难以分辨较小的横向速度变化,前人探测的南海北部6 km宽、延伸至莫霍面的滨外断裂带并不能清晰的识别.     

南海三维热岩石圈结构及地表构造响应

为系统了解南海海底热流特征和岩石圈热结构与地表构造的关系,本文首先以最新海底热流为约束,采用三维数值模拟方法计算得到整个南海的"热"岩石圈底部边界(底界)的埋深,然后开展详细分析壳、幔热流贡献以及岩石圈热结构与地表不同构造单元之间的对应关系.结果显示南海岩石圈底部边界埋深为30～100 km,最浅埋深集中分布在南海海盆水深大于3000 m的区域(如南海西北次海盆、西南次海盆和东部次海盆西侧),以及南海北部陆缘中部、莺歌海盆地、中建南盆地和南薇西盆地,体现了南海深部结构对地表不同构造单元的控制作用;靠近海盆东侧的马尼拉海沟具有较低的海底热流,对应岩石圈底界埋藏也较深,可能与南海和古南海洋壳俯冲有关;吕宋岛弧(119°E—122°E和13°N—17°N)表现出较高的海底热流,同时具有较浅的热岩石圈底界埋深,可能与南海板块和菲律宾海板块双向俯冲有关.     

南海东南部陆缘地壳结构特征及其构造意义

南海东南部海域沉积厚度较大,礁体发育,构造演化复杂,导致深部结构探测不清楚,制约了对南部陆缘地壳结构的认识.本文通过对新采集和重新处理的多道地震剖面解释,结合钻井、拖网资料,对浅部地层和构造进行约束,同时利用附近海底地震(OBS)测线的速度结构,对深部结构和界面解释约束;在此基础上,开展了重震联合反演,分析地壳密度空间分布特征,结合重力梯度特征对构造单元进行识别.通过对东西两条测线的上下和全地壳厚度、拉伸因子比较,发现南海东南部的东西部深部结构存在差异性;礼乐断裂可能是礼乐和郑和地块的分界,并控制了两个地块在南海扩张时期的相对运动.     

南海西北次海盆的磁条带重追踪及洋中脊分段性

由于缺少有效钻孔资料,对于南海扩张的时间一直存在较大的疑问.在南海三大海盆中,西北次海盆面积最小、磁条带特征不明显,因此对其扩张年代的争议最大.最新采集的高密度(小于10 km测线间距)船测地磁资料清晰地显示了西北次海盆磁条带的存在.在OBS和多道地震资料的约束下,利用船测地磁资料,本文对西北次海盆的地壳年龄进行了重追踪.根据定量的比较,西北次海盆的主体扩张始于35.8 Ma(C16n,2n),在34.7 Ma(C15)时其西南部开始扩张,扩张最终同时终止于33.2 Ma(C13n),整体的全扩张速率在40~50 mm/a之间.这表明南海的扩张可能首先起源于西北次海盆,在其结束扩张后,东部次海盆才开始打开(约30 Ma).得益于数据精度和密度的提高,利用化极后的磁力异常以及反演的磁化强度可以对西北次海盆进行二级中脊段的划分.我们共划分出六个中脊段和一个明确的转换断层.中脊的分段性与OBS反演的地壳厚度的变化相一致.转换断层东侧,中脊主体分为四个中脊段,每个中脊段长度均在30 km左右.转换断层西侧,存在一个长约50 km的中脊段和一个不确切的中脊段.中脊段上磁化强度的变化幅值和中脊段长度在整体上成正比.每个中脊段中央的磁化强度弱于中脊段两端的磁化强度,这与扩张速率相近的大西洋中脊的磁化强度特征一致.     

汕头－吕宋岛岩石圈速度结构与震源构造──台湾浅滩7．3级地震构造之一

汕头－吕宋岛岩石圈速度结构剖面，划分出华南陆缘古生代陆壳、陆架区晚古生代－中生代陆壳、陆坡带中生代－早第三纪过渡壳、新生代南海海盆洋壳及吕宋岛中生代－新生代岛弧陆壳与东吕宋海槽洋壳等地壳构造组分，并确定了上述地壳构造之间的边界断裂构造及其性质。结合地震震源分布及机制，初步确定了华南陆架盆岭构造带北、南两侧地震构造的控震构造与发震构造性质及其震源力学特征；１）指出１９９４年９月１６日台湾浅滩７．３级地震属于板缘壳幔地震及造成一千公里有感范围的原因；２）马尼拉海沟的海底地堑构造与南海海盆岩石圈地幔上隆是马尼拉海沟俯冲带震源显示正断层性质的原因，且为被动的或转换俯冲带；３）东吕宋海槽仍属于菲律宾海俯冲带性质；吕宋岛东西两侧俯冲带岩石圈板片震源深度的准三层分布，可能表明俯冲带岩石圈板片存在相应的低速滑移层。     

南海西南次海盆北缘海底地震仪测线深部地壳结构研究

基于2009年和2011年采集的海底地震仪数据,辅以多道地震数据,对南海西南次海盆北缘的地壳结构进行了探索.利用二维射线追踪的反演方法建立测线上的模型.利用声学基底面的反射波,下地壳顶界面的反射波和莫霍面的反射波走时的反演勾绘了地层中的不连续界面,利用自声学基底面下的折射波和来自上地幔的首波来反演整条测线的P波速度结构...     

南海海底地震仪异常数据的分析和处理

海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer,OBS)数据处理至关重要,是获取深部地壳结构的基础与前提.2006年实施OBS2006-2测线时,有2台OBS(OBS03,OBS06)数据出现异常,无法使用.由于海上航次花费巨大,采集到的数据弥足珍贵.本文采用数据格式检查、邻近台站对比分析、重采样等方法,成功地对这2台OBS数据进行了解编处理,得到了这两个台站的综合地震记录剖面;利用上述方法对2011年实施的OBS973-3测线中的异常台站OBS03进行了分析处理,同样得到了OBS03台站的综合地震剖面;通过查看两次海上实验班报发现,OBS2006-2测线之OBS06与OBS973-3测线之OBS03内部Sedis编号相同,为同一台记录仪器,再一次验证上述处理方法正确可行;然后对OBS2006-2测线2个台站进行震相识别与走时拾取后,利用前人纵波速度模型开展了射线追踪与走时模拟.此次对异常OBS数据的重新处理工作,不仅为OBS探测提供了宝贵的数据处理经验,而且将提高OBS2006-2测线地壳结构的可靠性和约束性,具有重要的研究意义.     

南海中北部地壳深部结构探测新进展

2006年8～10月间．国家海洋局第二海洋研究所使用德国SEDIS型三分量海底地震仪以气枪为震源在南海中北部开展了广角地震反射／折射勘测．这是我国大陆科研单位第一次自主开展长距离多剖面的海底地震仪人工地震探测。勘测线共三条。总长达1176．8km．工区最大水深4137m．共投放48台次,回收成功率95-8％。所获得的数据质量良好,深部信息丰富．可直观地分辨出照、Pn、PmP等震相,为南海中北部深部地壳结构、洋壳与陆壳分界和西北、西南次海盆的形成演化研究提供了重要的依据。     

南海共轭大陆边缘的构造对比及差异伸展模式

南海陆缘的伸展模式虽被广泛研究,但目前为止仍存在争议.本文基于最新的高质量多道地震数据、水深数据及其他地球物理资料,开展南海共轭陆缘构造不对称性的对比研究,并在此基础上探讨南海陆缘的伸展模式.揭示了南海陆缘在地形地貌、基底构造和陆缘断裂发育等方面具有空间差异性.在南北方向,北部陆缘基底呈现向海方向的阶梯状下降,而南部陆缘主要发育宽阔的掀斜断块基底,深度变化不大.两侧的断裂发育也具有不同的特点,在南部陆缘识别出大型拆离断层体系;在东西方向,南海东部和西南次海盆的陆缘分别发育了不同的构造单元.提出一种差异伸展模式解释南海陆缘空间差异的成因,认为拆离断层在南海新生代演化过程中发挥了重要的作用.以拆离断层为界,古华南陆缘上地壳主要发生单剪变形,而下地壳和上地幔则以塑性纯剪变形为主,上下两部分的形变区域在横向上具有不同的偏移距离,使得位于下板块的南部陆缘发育了不同的构造单元.南海东部较大的偏移距离导致边缘高原(礼乐滩)的发育,而西部较小的偏移距离则形成外部隆起(郑和隆起).现今南海的演化过程可能受到古南海关闭不同时性的影响.