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.     

南海西南次海盆岩石圈结构及其地质意义

南海地区岩石圈资料稀少,阻碍了其形成演化过程的研究.为此,本次研究结合大地热流、空间重力异常、高程、大地水准面和地震数据,在南海西南次海盆反演了两条2.5维岩石圈剖面.本次计算基于三种假设：岩石圈地幔的密度取决于岩石温度;研究区岩石圈处于热稳定状态;研究区处于重力均衡状态.在剖面A-E中,岩石圈底界面从珠江口盆地的105 km迅速抬升到西沙海槽处的50 km,在西沙海槽、西沙-中沙群岛和西南次海盆变化不大,为50~60 km.在剖面F-I中,岩石圈底界面从西沙群岛-中建地块处的88 km向海盆逐渐抬升,在西南次海盆处为46~50 km,到郑和隆起再逐渐变深至64 km.我们比较了西南次海盆岩石圈的冷却模型和热稳定模型,根据冷却模型由水深和热流数据所推断的西南次海盆年龄比实际年龄差很多,说明冷却模型不适用于西南次海盆.通过对比剖面A-E和剖面F-I,说明了剖面A-E经历了更长时间的拉伸,证明南海西南次海盆在形成演化过程中是从北东向南西逐步打开的渐进式扩张.最后,我们综合分析西南次海盆及其大陆边缘的岩石圈结构、减薄陆壳区范围、碳酸盐台地的分布、下地壳韧性流动、流变结构和沉积层特征等多方面资料,认为西南次海盆在形成演化过程中岩石圈地幔首先破裂而地壳后破裂,属于type Ⅱ型非火山型大陆边缘.     

南海西沙海槽盆地重磁资料综合研究

本文综合利用广州海洋地质调查局历年来在中国南海西沙海域采集的重、磁、震资料,结合前人研究成果.采用了场源边缘识别、磁性体顶面埋深欧拉反演以及重、磁、震剖面联合反演等技术.针对西沙海槽盆地岩浆岩分布、重大断裂、深部构造等进行了综合研究.研究结果表明,盆地内岩浆岩主要形成于印支期和燕山期,大部分分布于盆地断阶带上;识剐出了NE向和EW向两组断裂.二者分别从北部和中部横贯盆地;盆地磁性基底埋深在6.0~12.6km之间。整体上呈"中部深、南北浅"的特征;西沙海槽盆地的莫霍面埋深在19~26 km之间,呈现出"南北深中部浅"的拉张裂谷特征.本文研究获取了西沙海槽盆地的基础地质构造特征.可深化盆地地质构造背景的认识,为该盆地下一步的油气工作提供基础研究资料.     

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.     

南海西北次海盆地壳结构：海底广角地震实验结果

利用完整穿越南海西北次海盆及其两侧大陆边缘的海底广角反射/折射地震测线,反演了该地区的地壳结构.该测线总长484km,共投放海底地震仪（OBS）14台,台站间距30km,组合枪阵激发总容量5160in3（1in3=16.3871cm3）.结合同测线多道地震资料,通过OBS数据的精细处理和初始建模,利用射线追踪正反演技术,获得了西北次海盆地壳速度结构模型.结果表明,地壳厚度从上陆坡的21km减薄至下陆坡的14km,在西北次海盆为7.7km;莫霍面埋深从上陆坡的21km上升到海盆中央的11km.西北次海盆和东部次海盆的地壳速度结构相似,都为大洋地壳,但不同的是层1（沉积层）增厚,层2减薄,该特点在东部次海盆尤其明显.西北次海盆及其两侧边缘构造形态和速度结构对称分布,存在共轭关系,其陆缘张裂机制属纯剪切模式.模型中的西北次海盆北侧陆缘下地壳没有发现高速层,这为南海北部陆缘西部非火山型地壳性质提供了新的证据.西北次海盆海底扩张规模小、时间短,且层2可能经历了玄武岩岩浆的不对称溢流,这可能导致西北次海盆磁条带异常的模糊化.     

关于西沙海槽正磁异常带的地球物理认识

南海北部西沙海槽存在东西向正磁异常带,长约350 km,前人推测为基性或超基性物质反磁化的反映.通过对西沙海槽大比例尺高精度航磁资料分带化极处理和反演拟合,发现西沙海槽正磁异常带由海槽北缘隐伏强磁性体斜磁化引起.磁性体埋深超过9 km,推测是残留洋壳（蛇绿岩）,为海南岛昌江—琼海断裂带或海南岛九所—陵水断裂带所代表的缝合带在南海北部的延伸段.     

南海西南海盆残余洋脊岩浆活动机制的热模拟研究

岩石地球化学资料表明,海底扩张停止后,南海深海盆仍然有残余岩浆活动.从地热学角度,依据浮力减压熔融机制,对南海西南海盆残留扩张中心不同黏性结构条件下的岩浆生成量、熔融持续时间和热演化过程等进行了模拟计算,并将计算结果与实测热流值、地震资料和岩石地球化学资料进行了对比分析.研究表明:南海深海盆海底扩张停止后,浮力减压熔融引起的亏损岩浆浮力对岩浆的生成有重要的控制作用,而残留岩浆浮力、热浮力和黏性剪切力对岩浆的生成影响很小.根据3种不同黏度条件下的熔融持续时间,可大致确定残余扩张中心下的岩浆活动期分别为5,12和15 Ma.在浮力减压熔融作用下,海盆之下会出现局部高温区,这可以解释地震探测到的西南海盆岩石圈中、上部存在的低速层现象.模拟得到的残余中脊不同黏性、温度和熔融比例等热物理条件下可能的岩性分布,为准确理解南海深海盆岩石地球化学资料提供了有力依据.     

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....     

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.     

南海西南海盆构造演化的热模拟研究

南海西南海盆的张裂和海底扩张是白垩纪末至中始新世南海形成过程中最重要的构造事件.本文采用三维有限单元法对该区的热演化过程进行了模拟计算.通过对变形、温度结构的计算,研究了西南海盆张裂变形、海底扩张持续时间、地幔物质上升、地壳岩墙沿扩张中心的挤入扩张活力、岩浆活动等.计算结果表明：由于其深部动力学条件不足,海盆一次扩张持续时间在10～15Ma之间,其后地幔物质的上升活动逐渐停止,地壳失去扩张动力,使得扩张中心成为残留扩张中心的死亡裂谷,而未构成中脊或中隆带.虽然该处地幔物质上升的潜力不足,但伴随局部的断裂,尤其是盆、缘边界的拆离拉张,仍能产生相当强烈的岩浆喷溢活动,导致此区海盆成型之后的海山崛起.     

根据深反射地震资料识别南海北部洋陆过渡带

洋陆过渡带是被动大陆边缘的重要特征,对于理解大陆岩石圈破裂,随后的海底扩张及被动大陆边缘的形成与演化至关重要.前人通过重磁、地震等地球物理资料对南海北部洋陆过渡带进行过一些研究,但不同学者利用不同资料所确定的洋陆过渡带位置存在较大差异.本文基于高品质深反射地震剖面对南海北部洋陆过渡带进行重新解释,根据莫霍面快速抬升、地壳急剧减薄特征确定洋陆过渡带的分布范围.结果表明,南海北部洋陆过渡带位于大陆边缘减薄陆壳与正常洋壳之间,是受岩浆活动改造了的厚度急剧减薄的地壳,洋陆过渡带地壳深部发生岩浆侵入.减薄陆壳莫霍面平均埋深为21.9 km,地壳平均厚度约20.2 km;正常洋壳莫霍面平均埋深为12.0 km,地壳平均厚度为8.1 km,洋陆过渡带莫霍面埋深和地壳厚度急剧变化,其宽度大致介于46～99 km之间.南海北部磁异常条带和自由空间重力异常分布,验证了本文确定的洋陆过渡带范围的合理性.综合分析认为,南海北部洋陆过渡带的特征介于典型火山型与非火山型之间.     

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.     

南海与拉布拉多海深部结构及扩张演化史对比

南海中央次海盆残余扩张脊的深部地震探测对于研究南海的形成演化和动力学机制至关重要.本文借助拉布拉多海残余扩张脊内部结构的研究,获得了扩张脊在扩张期和扩张后形成过程的认识.并从多个方面将拉布拉多海与南海进行对比分析,对残余扩张脊的形成环境和形成机制等得到了一些初步认识:两者同属于慢速扩张,扩张过程中,构造作用占主导地位,岩浆作用次之,扩张脊内部结构具有相似性;海盆扩张时期,两者都发生了洋脊跃迁,指示了重要了构造事件;两者的大陆边缘同属于非火山型不对称被动大陆边缘,海盆扩张初期岩石圈以拉张为主,岩浆活动较弱等.这些认识必将为南海中央次海盆残余扩张脊的内部结构研究以及后期的地质解释提供思路和依据.     

利用爆破地震揭示华北克拉通基底的高分辨速度结构——大丰—包头折射剖面的探测结果

大丰—包头剖面以"高密度观测点距与炮距"为特点,我们在1334 km测线上获得了21炮高信噪比的地震资料.在对Pg波震相特点分析基础上利用反演方法处理、构建了基底的精细结构图像,揭示了沿剖面不同构造地块基底结构的差异.苏北盆地基底埋深4.5~9.0 km、苏鲁隆起1.5~2.0 km,基底埋深与速度结构的强烈起伏变化可视其为华北与扬子板块碰撞、挤压构造环境下形成复杂的构造格局在地震学上的体现;鲁西隆起区基底埋深浅、速度高,结构稳定;华北盆地Pg波到时滞后、视速度低,基底埋深7.0~10.km,速度结构与基底面存在局部的起伏变化.诸多现象揭示出该区为新生代沉积巨厚、规模较大的基底坳陷区.同时在盆地内不同构造单元基底结构呈局部分块、凹陷与凸起并存的构造格局,显示出新生代沉积活动显著、变化强烈、结构不稳定的构造特点;太行山前断裂、聊兰断裂是具有显著地震学标志的断裂构造带,断裂两侧基底界面呈现出"断崖式塌陷"和速度结构的强烈横向非均匀性.综合研究认为,太行山前断裂是华北地区一条重要的构造带,它的复杂性不仅体现在两侧地形地貌、地层介质的截然不同,其基底埋深及速度结构、地壳及地幔岩石圈结构均存在显著的差异,其重要的标志是太行山以东不仅地壳厚度发生了相当规模的减薄,岩石圈的厚度也明显减薄,亦即形成了华北克拉.通破坏在东西部其基底一地壳一岩石圈的结构在空间上具有明显的差异性及强烈的横向非均匀性.     

南海东部海盆扩张过程的数值模拟

南海的形成演化一直是国内外关注的热点之一,南海的扩张发生在早渐新世-早中新世,并且在南海的扩张中至少包括一次洋脊跃迁.本文采用上升离散地幔流和热对流耦合模型模拟了南海东部海盆扩张、洋中脊跃迁和扩张停止后岩石圈的热结构演化和岩浆熔融过程.数值模拟结果表明,洋中脊跃迁是南海扩张中的一个重要的过程,由于洋脊跃迁使得在两洋脊之...     

由高密度磁异常测量数据分析南海海盆的扩张年龄与扩张模式

南海是西太平洋最大的边缘海,地处欧亚板块、太平洋板块和印度洋板块的交汇处.过去通过磁异常条带对比分析南海扩张年龄的研究很多,但是所依赖的资料有限.本文对南海海盆高密度大批量磁异常测量数据进行了系统分析,实现了平面2D磁异常数据的带通滤波处理,消除了短波长噪音和由深部下地壳和上地幔顶部磁源体引起的长波长背景信息,因此突出了海底扩张所引起的磁异常条带.利用CK95地磁倒转模型和Talwani磁异常正演方法,对南海东部和西南次海盆内的重点磁异常测线进行了正演分析.通过对不同测线之间、不同海盆之间以及同一条测线中的正演磁异常与实测磁异常之间进行对比分析,进一步验证了南海东部次海盆的扩张年龄为32～16.5 Ma;西南次海盆可能的扩张年龄仍具有较大不确定性,可能为42～33 Ma或者24～16 Ma.不同的时间模型所依赖的扩张速率的变化情况不同,全扩张速率随时间变化明显,但主要在40～80 km/Ma之间.单纯根据目前的磁异常资料很难确定西南次海盆与东部次海盆之间的扩张次序.单期次扩张模式很难解释中南断裂两侧的构造物理差异,这种差异可能主要受控于其基底岩石成分、岩石磁化率、岩浆活动、扩张速率以及深部物质冷却磁化的影响,基底深度的变化也对观测磁异常的强度有所影响.相对地,大部分扩张后玄武岩海山的存在对观测的磁异常的影响不明显,针对目前磁异常解释中不可避免的多解性问题,需要运用其他不同的手段和方法,譬如大洋钻探和深拖高分辨率磁异常测量等,来实现对南海不同次海盆扩张年龄的精确估计.我们目前的工作是通向对深拖高分辨率磁异常、船测和航测磁异常、以及卫星磁异常综合解释的第一步.     

利用地震光照成像法研究青藏高原东南缘岩石圈间断面结构及其动力学意义

为了进一步认识青藏高原东南缘的构造演化等动力学问题以及该区域的深部孕震机理,本文使用位于该区域内的中国地震科学台阵探测项目的台站所记录到的远震P波波形数据,采用地震光照成像法获取了岩石圈间断面的结构,并讨论了该方法的准确性和稳定性。研究结果显示,青藏高原东南缘的岩石圈西薄东厚,其中:滇缅泰地块腾冲火山附近最薄,约为60 km,其较薄的岩石圈可能是软流圈地幔物质上涌造成的;扬子地块岩石圈厚度从四川盆地向南逐渐减薄,特别是四川盆地下方最厚,可达190 km左右;滇缅泰地块腾冲火山下方150 km深度左右探测到明显的间断面,该间断面可能是腾冲火山原始岩浆源的位置即岩浆源。本研究所得结果 “印支地块与滇缅泰地块结构的连续性” 进一步为印度板块的推挤作用造成腾冲火山低速物质向东溢出的结论提供了地震学证据。此外,研究区域最北端的剖面显示,峨眉山大火成岩省的内带在50—250 km深度范围及其上方地壳内存在明显的局部高速异常,其不均匀分布特征可能与二叠纪火山喷发过程中岩浆底侵及中新生代以来多期次构造活动有关。      

南海西南海盆壳幔结构重力反演与热模拟分析

壳幔结构及扩张期后的岩浆活动是研究南海西南海盆形成演化的关键.本文针对NH973-1剖面开展壳幔密度结构重力反演,并依据重力反演的壳幔模型,定量模拟海底扩张期后的壳幔热结构与热演化过程.重力反演表明:西南海盆中央残余扩张脊之下存在一个较深的凹陷带,其下Moho面比两侧略深,呈现扩张期后的热沉降特点.热模拟发现:海盆扩张...     

华北构造区岩石圈二维P波速度结构特征:来自盐城-包头深地震测深剖面的约束

从长1300余公里的盐城-包头深地震宽角反射/折射剖面21次爆破所得到的地震记录截面中,识别出6组清楚的壳内震相和1组岩石圈界面反射震相,采用射线追踪技术得到了华北克拉通东部、山西断陷带和银川-河套裂陷带岩石圈二维P波速度结构.研究结果表明,太行山东、西两侧岩石圈结构差异明显,太行山不仅是重力梯度带,也是一条岩石圈厚度的突变带和岩石成分分隔带.太行山以东的华北克拉通东部中新生代岩石圈结构遭受强烈改造和破坏,岩石圈厚度减薄至70~80 km;华北盆地有巨厚的新生代沉积盖层,结晶基底最深处约7.0 km,地壳厚度减薄至约31.0 km;鲁西隆起区结晶基底相对较浅,埋深1.0~2.0 km,地壳厚度33.0~35.0 km;苏北盆地有较厚的新生代沉积,结晶基底最大埋深5.0~6.0 km,地壳厚度31.0~32.0 km;郯庐断裂是一条岩石圈级别的深大断裂,其两侧速度结构差异明显,在华北克拉通东部的岩石圈破坏中起着重要作用.太行山以西地壳厚度明显增厚,山西断陷带下方地壳厚度约46 km,且其下方中地壳上部存在速度小于6.1 km s?1的低速结构.结合其他地球物理探测研究成果,环鄂尔多斯块体的陕西-山西断陷带和银川-河套裂陷带岩石圈遭受的破坏是不均匀的,其岩石圈厚度在大同-包头附近约为80~90 km,在定襄-神木附近为75~137 km,在安阳-宜川附近为80~120 km.造成岩石圈不均匀破坏的原因可能是环鄂尔多斯古老的构造带在长期的构造演化过程中,受多期构造事件影响而活化,被多次改造弱化,弱化的程度与鄂尔多斯块体的作用有关,在新生代印度板块与欧亚大陆的陆-陆碰撞和青藏高原块体北东向推挤的作用下,其岩石圈受到进一步改造减薄.     

西沙群岛石岛浅部基底地壳应力测量及其地球动力学意义分析

西沙群岛独特的构造位置决定了其构造运动背景和地壳应力场动力源的复杂性.位于西沙群岛石岛、深达1268.07m的西科1A井在1257.52m钻遇花岗岩基底.在1125.8~1262.0m开展5次水压致裂地应力测量,获得最大水平主应力为17.09~20.85MPa,最小水平主应力为15.97~18.29MPa,估算垂直主应力为22.86~26.68 MPa,地壳应力结构为SVSHSh,以垂直主应力为主导,该应力结构特征有利于正断层活动,表明西沙群岛地壳基底处于拉张的应力环境.受西沙海槽断层影响,水平应力值较低.印模测试显示基底地壳应力方向以近东西-北西向为主,与已有的GPS测量、横波分裂和面波反演结果较为吻合,显示西沙群岛岩石圈尺度上变形一致性较好.西沙群岛地壳应力场的力源受板块运动和地幔物质上涌作用联合制约.综合南海西北部实测地应力数据分析,显示该区域主应力方向较为一致,应处于统一、稳定的构造运动背景之中.西科1A井水压致裂试验是我国首次涉海深孔地壳应力测量,具有重要的地球动力学意义,提供了研究南海地球物理场的宝贵基础资料.