华南海陆过渡带的地壳结构与壳内低速层

壳内低速层与地质构造背景的联系已逐渐引起人们的重视。华南沿海众多的地震测深剖面揭示出地壳不同深度上存在着壳内低速层。根据海陆联合深地震探测取得的数据,通过射线追踪和走时模拟方法,获得了沿OBS-2001测线海陆过渡带的地壳结构。根据低速层的走时间断特性辨识了海区地壳中部低速层。剖面中壳内低速层分布在新塘经南澳岛至南澳岛东南约150.0 km的陆架区,尖灭于东沙隆起,其顶面深度为10.0—18.0 km,速度为5.5—5.9 km.s-1,与上、下岩层的速度差均为0.5 km.s-1,其空间展布较为稳定,厚度为3.0—4.0 km,推断其为华南沿海陆上低速层的延伸,含水矿物脱水和部分熔融可能是引起该区壳内低速层弹性波速下降的主要因素。该区壳内低速层的研究对于深入认识岩石圈结构及动力学作用过程具有重要的地质地球物理意义。     

南海北部海陆过渡带地壳平均速度及莫霍面深度分析

南海北部海陆过渡带是一条深地震探测的空白带,其地壳结构研究不仪可以揭示华南沿海地区地震活动规律和构造活动特征,而且可以将以往在海上和陆上使用深地震探测所获得的地壳结构模型进行有效的衔接.鉴于南海北部海陆过渡带地壳结构的重要性,2004年我们在香港外海域进行了一次海陆地震联测实验.本文以此次实验中广东和香港地区固定地震台网以及担杆岛流动台所获得的数据为基础,对各台站接收到的Pg和PmP震相进行了近似横向均一的二维结构模拟,获得了各台站对应的地壳平均速度和PmP反射点处的莫霍面深度值.其结果显示研究区地壳平均速度普遍为6.2km·s-1左右,比全球地壳平均速度6.45km·s-1要低,这可能与普遍发育于华南沿海地带的中地壳低速层有关.研究区东边的SHW台所获得的地壳平均速度为6.7km·s-1左右,要明显高于全球地壳平均速度,它可能是由于局部异常结构所造成的,其与地幔岩浆的侵入作用可能存在一定联系.研究区莫霍面深度在26-35km左右,变化趋势较为明显,从北西向南东方向逐渐变浅,属于地壳减薄型结构,推测其可能与南海北部边缘的形成演化有密切联系.研究表明南海北部海陆过渡带是一个明显的转换地带,它的深部地壳结构特征应该与南海的扩张演化有密切联系,这些认识推进了华南地区和南海北部陆缘地壳结构和构造属性的深入研究.     

南海北部地球物理特征及地壳结构

为了研究南海地壳结构，中国和日本合作在南海北部首次进行了以炸药为震源的综合地球物理调查。经初步分析其地壳结构主要特征为：南海北部地壳分为沉积层、上地壳层、中地壳层及下地壳层。大陆架及上陆坡地壳厚度大、稳定。下陆坡地壳厚度除中地壳外，其他壳层厚度减薄且不稳定。深海盆地壳分３层，厚度虽薄但相对稳定，其底部缺失７．３ｋｍ·ｓ－１的高速层。测区内地壳总厚度：陆壳２６—３０ｋｍ，过渡壳１３—２２ｋｍ，洋壳为８ｋｍ。     

南海北部地球物理特征及地壳结构

为了研究南海地壳结构，中国和日本合作在南海北部首次进行了以炸药为震源的综合地球物理调查。经初步分析其地壳结构主要特征为：南海北部地壳分为沉积层、上地壳层、中地壳层及下地壳层。大陆架及上陆坡地壳厚度大、稳定。下陆坡地壳厚度除中地壳外，其他壳层厚度减薄且不稳定。深海盆地壳分３层，厚度虽薄但相对稳定，其底部缺失７．３ｋｍ·ｓ＾－１的高速层。测区内地壳总厚度：陆壳２６－３０ｋｍ，过渡壳１３－２２ｋｍ，洋壳     

南海北部陆缘西部的地壳结构

通过中美科学合作,在南海北部陆缘西部采集了一条地壳剖面,从阳江地区开始,经珠三坳陷、神弧-东沙隆起、西沙海槽至西沙-中沙台地.结果表明,珠三坳陷的地壳已减薄至23km,去掉新生代沉积,则只有15km厚.西沙海槽的地壳结构已具备裂谷特征,地壳强烈减薄,厚14.47km;下地壳有高速地壳层,层速度为7.1km/g,厚6.7km.说明在新生代,南海北部陆缘西部受过强烈拉张,地壳减薄;上地幔部分熔融物质沿强烈拉张处侵入到地壳底部,使其地表形成裂谷.在西沙海槽的南部和北部,地壳结构差异很大,推测这里可能是由两个古老地块沿西沙海槽缝合起来,新生代早期的张性事件,又将这条古缝合线拉开,形成新生代裂谷──西沙海槽.     

南海北部陆缘的地壳结构及构造意义

研究发现,南海北部陆缘地壳厚度从陆架、陆坡至深海平原呈阶梯状减薄。上地壳薄,下地壳厚,上地壳厚度占整个地壳厚度的百分比在１６．０％￣４４．９％之间,约为１／５￣１／３。下地壳下部存在高速地壳层,陆缘东部普遍存在,中部和西部则零星出现;推测这种地壳层在新生代前的地壳中已存在,但厚度较薄,在新生代张性构造运动中,熔融的上地幔基性岩浆侵入到地壳底部,或进入下地壳,冷却后形成高速地壳层。陆缘地壳结构存在横     

南海北部陆缘地壳结构探测结果分析

深部地震和重力资料反演揭示了南海北部陆缘地壳结构在总体上由北部的华南沿海（厚约30km）向南部的洋盆（5──8km）逐渐减薄。南海的近SN向拉张不仅造成南北方向地壳结构的巨大变化，也造成东西向的明显变化。在南海北部陆缘的西部，局部拉张产生了一系列裂谷构造。西沙海槽作为一条狭窄的陆内裂谷向西延伸，海槽南北两侧地壳厚度超过25km，海槽中部地壳减薄至不足10km。西端的莺歌海盆地地壳厚仅5km，缺少明显的壳内反射－折射。在珠江口盆地中部，地壳厚度在下陆坡明显减薄，地壳下部存在较薄的（3──4km）高速层（地震波速7．2──7．5km·s－1）；在珠江口盆地东部，地壳底部存在约 10km厚、300km宽的高速层。在台湾地区，由于弧陆碰撞，曾经减薄的陆壳在碰撞带增厚，莫霍面深度超过30km。南海北部陆缘在裂谷拉张和海底扩张期间岩浆活动平静，表明南海北部陆缘为非火山型陆缘。     

南海深地震探测的重要科学进程:回顾和展望

南海是西太平洋最大的边缘海之一,研究其深部地壳的结构对深入认识南海共轭边缘的构造属性、深海盆形成演化历史、含油气盆地的形成机制均具有十分重要的科学意义。南海地壳结构的深地震探测从构造区域上可分为南海北部陆缘、南海南部陆缘、南海中部深海盆等几个海域,在探测技术上经历了声纳浮标、双船扩展剖面(expanding spread profile,ESP)、海底地震仪(ocean bottom seismometer,OBS)探测3个阶段。特别是近20年OBS探测蓬勃发展,从南海北部、发展到南海南部、再到南海中部,从二维直线探测到三维网格探测。这些探测和研究得到了宝贵的深部地壳结构信息,为南海的形成演化理论提供了重要依据,同时也推动了国产OBS的应用和人才队伍的培养。而最新完成的深海盆三维OBS探测标志了一个新的历史阶段,具有非常深远的科学意义。     

南海北部陆缘区中特提斯构造演化研究

通过对南海及周边地区特提斯构造遗迹的综合分析，并与东亚、东南亚地区特提斯构造对比，认为南海北部陆缘区存在可以进行东、西向对比的中特提斯构造。相应的中特提斯洋因北巴拉望－礼乐－南沙地块与华南大陆边缘在白垩纪中期的碰撞而关闭。南海北部陆缘区中特提斯构造向西可以与加里曼丹的Metratus缝合线和苏门答腊的Woyla缝合线对比，向东经台湾海峡、琉球群岛与日本佐用带对比。南海北部陆缘区中特提斯构造的确认对正确解释南海北部陆缘区地壳结构在东西向和南北向的差异、重新认识华南陆域内地质构造演化以及对南海北部陆缘区油气资源勘探均具重要意义。     

南海北部海陆联合深地震探测及其地质学意义

南海北部海陆地震联测经历了旧气枪震源的初始试验、大容量气枪的引进与改造、陆上台站和海底地震仪联合接收等3个阶段,填补了海陆过渡带深部结构的研究空白,其结果显示滨海断裂带在速度结构上表现为低速特征,并揭示了南海北部陆缘地震带的深部发震构造与地壳内部低速结构和交叉断裂的耦合作用存在紧密联系。西沙和南沙海陆联测为北部联测的进一步工作,可以构建穿越南海北部陆缘、西沙地块到南沙地块等陆缘的超长地壳结构剖面,对我们揭示南沙地块内部微块体结构、南沙地块及其邻区的深部速度结构以及南沙地块与周边海盆、陆块间过渡带的综合地质地球物理结构,了解南沙地块现今的构造状态与构造变迁历史,解译南沙地块裂离演变过程等具有重要意义。     

南海成因机制及北部岩石圈热-流变结构研究进展

南海是西太平洋地区最大的边缘海之一,其北部具有被动大陆边缘特征。南海的形成演化动力学过程对理解该区地质、资源、环境等科学问题有重要意义。综述了近年来在南海北部大陆边缘开展的岩石圈热状态、流变学及南海成因机制和国际上伸展盆地成因数值模拟等方面的研究进展。南海北部大陆边缘区的大地热流相对较高,平均为75 mW/m2,其中绝大部分为来自地幔热流的贡献。莫霍面温度亦较高,从陆架向海盆方向,深部地温越来越高。岩石圈具有温度高、强度低和强烈流变分层等特征,且下地壳表现为韧性流动变形。伸展盆地成因模拟研究已从运动学向动力学模拟过渡,并逐渐强调岩石圈流变学性质的影响。目前对南海成因机制的理解仍存在争议,大陆裂解过程中岩石圈热-流变结构随时间的变化是控制南海形成演化的关键因素,对南海形成中岩石圈的热-流变学结构随时间的演化过程需要进行深入研究。     

南海北部陆缘地震带的活动性与发震机制

南海北部陆缘地震带是一条板内地震活跃带,对其进行研究对于华南沿海的防震减灾和南海北部的新构造活动研究具有重要意义。通过地震活动性分析发现,该地震带可以划分为闽南―粤东、阳江、雷琼3个地震活跃区和珠江口地震弱活动区。结合区域构造背景分析发现,印藏碰撞导致的华南地块往E―SEE向运动并且该区东侧菲律宾海板块高速向NW向运动是该地震带的主要构造背景;二者的高速碰撞以及华南地块与西南、南侧块体的挤压剪切产生了巨大的应变能,这些应变能通过区内的滨海断裂带与壳内低速层进行传递、调整。在受挤压、剪切影响强烈的东、西部区域,除了在NW向与NE向的小规模断裂交会部位形成小震密集区之外,还在NW向断裂与滨海断裂带的交汇区域产生应力、应变积累,引发大震、强震。而在中部受影响较弱的珠江口区域,局部断裂稀疏,因而未出现小震密集区,并且大震、强震空缺。     

南海南北陆坡地壳拉张特征对比

南海南北共轭边缘不仅蕴藏了丰富的油气资源,而且记录了南海扩张过程的重要构造信息。通过选取南海南北陆坡区的5条地震剖面,按照不同地壳初始流变结构计算剖面的拉张因子,通过南北结果对比与数值模拟过程揭示的信息,得到以下几点认识:1)南海北部地壳拉伸程度大于南海南部,这不仅与南海南部后期经历挤压碰撞有关,而且与中生代二者所处的构造位置不同有关;2)珠江口盆地与礼乐盆地具有不同的地壳初始状态,推测在南海共轭陆缘形成过程中,二者不相对应;3)南海南部地壳拉张因子由北向南逐渐变大,是古南海向南俯冲的体现。     

南海西北部与红河地区地球物理场及其地壳深部结构特征

分析了南海西北部与红河地区地球物理场特征，计算了研究区重、磁资料的一阶小波细节变换、四阶小波逼近变换。根据重力场资料以及南海北部盆地钻井取样的测试结果，同时参考在研究区进行的地震勘探结果，对研究区的地壳结构进行了反演计算。结果表明，研究区域地壳结构较为复杂，地壳厚度在17—38km之间，总的趋势由陆向洋地壳厚度逐渐减薄，反映出该区域地壳具有陆壳、过渡壳的性质，同时存在上地幔隆起区及凹陷区。用地震层折成像结果与重力资料计算出的地壳分布趋势进行了对比验证。根据地幔对流结果探讨了研究区深部地球动力学特征及其与深部地壳结构的关系。     

从南海与大洋磁异常的相关性探讨南海的成因

对南海与大洋盆地条带状磁异常的相关分析表明，相关系数为０．１１—０．６５９，存在弱线性关系。这从一个侧面反映出边缘海洋壳与大洋壳本质上的差异。边缘海洋壳是玄武岩浆侵入并吞蚀破碎的大陆边缘地壳后形成的不同于大洋壳的新型洋壳。南海盆地磁异常显示其洋壳是新老不一、厚薄不匀的新洋壳的拼合叠覆体。     

从南海与大洋磁异常的相关性探讨南海的成因

对南海与大洋盆地条带状磁异常的相关分析表明，相关系数为０．１１－０．６５９，存在弱线性关系。这从一个侧面反映出边缘海洋壳与大洋壳本质上的差异，边缘海洋壳是玄武岩浆侵入并吞蚀破碎的大陆边缘地壳后形成的不同于大洋壳的新型洋壳。南海盆地磁异常显示其宙是新老不一，厚薄不匀的新洋壳的拼合叠覆体。     

南海北部地壳结构重震联合模拟

收集了中德合作调查的SO49-18测线北段地震剖面和水深数据,结合区域的声呐浮标、OBS和双船折射等成果信息,利用重力数据,采用LCT综合反演软件,对南海北部的地壳结构进行重震联合模拟,建立了初始2.5维地球物理模型,并由该模型计算出正演理论空间重力异常曲线.同时,采用匹配滤波技术对实测空间重力异常的不同深度异常进行分离,并与计算空间重力异常曲线进行比较,在物性参数合理的范围内逐层进行模型修饰,使计算与实测空间重力异常曲线相吻合,建立了地壳结构初始深度模型.结果显示,南海北部地壳结构总的特点是:从陆架到陆坡,地壳厚度不断减薄,呈连续阶梯状变化,上地壳厚度较小,下地壳厚度较大;北部洋陆过渡带,莫霍面埋深急剧变浅;西北次海盆地壳厚度(莫霍面埋深)较薄;中沙海台,地壳厚度相对较大.     

滑行波震相对珠江口地区壳内低速层的约束作用

深入研究珠江口地区海陆过渡带壳内低速层的结构和构造特征对于理解板内地震的发震机理、孕震构造及该区域的地壳结构具有重要的地质地球物理意义。利用2015年珠江口区域海陆地震联测L2-ME测线上的19个地震台站(包括陆上台站14台, 海底地震仪5台)记录到的地震数据来探明该区域低速层的结构和构造特征。在常规震相的基础上, 加入了大量的滑行波震相(Ph)进行结构模型计算, Ph震相的增加使得地壳内部10~20km范围内的射线覆盖密度有了显著提高, 从而获得了L2-ME测线下方更为精确的地壳纵波速度结构模型。结果发现, 模型中测线下方13~18km深度范围内稳定连续展布的壳内低速层被清晰成像, 其内部速度稳定在5.7~6.0 km·s^-1之间, 与上下层界面速度差分别为0.5km·s^-1、0.4km·s^-1, 低速特征明显。该低速层厚度由陆侧的3.5km左右降至海侧的1km, 呈现出向海侧逐渐减薄的趋势, 低速层底界面起伏变化较大且具有与莫霍面相似的起伏特征。     

南海西沙海槽地壳结构的海底地震仪探测与研究

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— 4km ,其下的地壳纵波速度从 5.5km·s- 1 向下逐渐增加到 6.8km·s- 1 ,下地壳未见有明显的高速层 ,地壳厚度在剖面两侧为 2 5km ,向中部逐渐减薄至 8km ,莫霍面在剖面中部上隆 ,其速度反差强烈 ,从地壳底部的 6.8km·s- 1 跳跃到上地幔顶部的 8.0km·s- 1 。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。     

我国南海历史性水域线的地质特征

40a的海洋地质、地球物理实测研究表明,九段线不仅是显示我国南海主权的历史性水域线,而且总体上也是南海与东部、南部和西部陆区及岛区的巨型地质边界线。根据实测数据,本文将从地质成因、来源、演化的角度论述此南海历史性水域线的合理性。主要结论包括:历史性水域线的东段在地形上基本与马尼拉海沟一致,海沟西侧为南海中央海盆洋壳区,东侧为菲律宾群岛。根据国际地质研究的资料,菲律宾群岛始新世以前位于较偏南的纬度,后来于中晚中新世(距今16~10Ma)仰冲于南海中央海盆之上,因此菲律宾群岛是一个外来群岛。而黄岩岛在马尼拉海沟以西,是中央海盆洋壳区的一个岛礁,与菲律宾群岛成因不同。南海历史性水域线的南段在地形上基本与南沙海槽一致,伴随南沙地块由北部陆缘向南裂离,古南海洋壳沿此海槽以南俯冲至加里曼丹岛陆壳之下,因此南沙地块与加里曼丹陆块为两个来历不同的地块。南海历史性水域线西段的分布在地形上与越东巨型走滑断裂带基本一致,可能与西沙地块、中沙地块、南沙地块从南海北部陆缘向南滑移有关。南沙地块北缘陡直的正断层结构,突显中央海盆是拉裂形成,其基底和中新生代地层与北部珠江口盆地的地层结构可以对比,说明南沙岛礁原属我国华南大陆南缘,后因南海的形成裂离至现今的位置。