中国南海地区重力剥离对莫霍面反演的影响分析

确定更为精细的中国南海地区莫霍面对认识该地区内部结构、形成机制及相关动力学问题具有重要意义.重力剥离的精度直接影响莫霍面反演结果的质量.本文将由XGM2019e解算的自由空气重力扰动进行地形水深、沉积层、固体地壳密度异常和岩石圈热膨胀重力剥离,提取出莫霍面重力扰动,结合线性回归法和地震资料估计反演参数,并采用直接迭代法反演南海莫霍面模型,最后利用地震资料对反演结果进行精度评定.研究结果表明：仅顾及地形水深重力剥离的莫霍面反演结果整体精度较高,为1.94 km;在沉积物较厚的陆坡盆地,忽略沉积层的影响可使莫霍面最大加深6.30 km,但在沉积物较薄的南海海盆,考虑沉积层重力剥离会降低反演精度;利用CRUST1.0进行固体地壳重力剥离会使反演结果的精度降低0.22 km,表明CRUST1.0在南海地区并不准确;热膨胀重力剥离对反演精度的影响不大,但若忽略该效应,可能会高估洋壳区的莫霍面深度．针对南海重力莫霍面研究,笔者建议:若无精细地壳资料,忽略固体地壳重力剥离;若主要关注南海海盆可忽略沉积层的影响,但应考虑热膨胀重力剥离;若研究区覆盖沉积盆地,则应考虑沉积层重力剥离,并仔细选取密度-深度...     

基于接收函数约束的川滇地区莫霍面深度反演研究

本文利用川滇地区宽频地震接收函数结果和WGM2012全球布格重力场模型数据,采用正则化参数和接收函数结果交叉验证得到最优莫霍面参考深度和上下界面密度差,使用基于球坐标系下的快速非线性重力反演方法建立川滇地区莫霍面深度模型.研究结果显示,川滇地区整体莫霍面深度介于30～69km,青藏高原内部地区莫霍面深度大于50km;四川盆地莫霍面深度在36～38km;攀枝花地区莫霍面出现明显的隆起和下凹,变化范围在42～48km;川滇菱形地块莫霍面深度在40～50km;滇西和滇南地块莫霍面深度由南向北逐渐变深,变化范围在38～44km.本文反演莫霍面深度与接收函数结果平均误差为0.18km,与该区域天然地震层析成像、人工地震探测以及重力数据反演结果基本一致,但细节更加丰富,进一步确认了莫霍面在攀西裂谷地区存在隆起,小江断裂带下方存在下凹的特征.该结果可作为精细化川滇地区地壳密度界面模型,为研究该地区岩石圈结构和地质构造演化提供参考.     

南海及邻区莫霍面深度分布特征及其与各构造单元的关系

为了研究南海及邻区莫霍面分布特征及其与边缘海盆、海沟、岛弧、新生代沉积盆地的关系等构造单元的关系,本文通过对研究区的空间重力异常数据进行全布格改正,得到研究区内的布格重力异常,并以近年来的声纳浮标探测与海底地震仪探测剖面所得到的莫霍面深度资料为控制点采用三维带控制点界面反演方法得到了研究区的莫霍面深度图和地壳厚度图.本...     

基于融合重力异常的大别造山带东段莫霍面反演研究

利用实测布格异常和EGM2008重力异常融合结果,采用频率域位场反演方法计算大别造山带东段莫霍面三维空间分布,结合区域地质构造和地震活动等资料讨论大别造山带东段莫霍面分布特征及其构造含义等。研究结果显示:①莫霍面空间分布体现了块体构造差异,大别造山带莫霍面最深,最大深度达42km,显示东大别造山带存在明显山根,扬子地块深度次之,华北地块最浅;郯庐断裂带及其东侧区域存在莫霍面上隆带;②大别造山带北侧和南侧莫霍面陡变带分别位于青山—晓天断裂附近和襄樊—广济断裂以北,体现华北地块和扬子地块向大别造山带之下俯冲的构造特征,指示了深部构造缝合带位置;莫霍面深度特征表明郯庐断裂带区域构造边界带属性明显,其切割深度至少达到壳幔边界,大别造山带商城—麻城断裂两侧经历了差异隆升;③研究区域绝大多数地震发生在莫霍面以上深度,莫霍面深度陡变带、上隆带及不同莫霍面深度特征区的转换带为区域地震活动提供了深部构造条件。     

基于球面重力反演苏拉威西地区莫霍面结构

基于球坐标系的地球物理反演能有效避免地球曲率的影响, 适用于大尺度构造研究.本文基于重力异常数据在球坐标系下反演莫霍面深度, 结合数据误差及光滑正则化项建立反演目标函数并求解, 同时将该方法应用于苏拉威西地区.苏拉威西地区具有复杂的断裂系统、年轻的俯冲带, 是研究俯冲起始机制等前沿科学问题的理想场所.目前研究区的地球物理观测尚不充分, 缺乏对莫霍面形成有效约束的地震数据, 对研究区莫霍面的整体认识较少.本文基于卫星重力观测数据, 通过匹配滤波方法提取与研究区莫霍面结构相关的重力异常, 并结合频谱分析确定该地区的莫霍面深度参考值.在反演中, 通过两次随机子抽样交叉验证选择最优的超参数, 包括正则化因子、莫霍面密度差以及参考莫霍面深度, 迭代反演获得莫霍面深度.反演结果表明: 研究区莫霍面平均深度为20.0 km, 深度变化范围为9.2~33.3 km.总体上, 海区莫霍面浅, 约10.0~20.0 km, 陆区莫霍面深, 约25.0~33.0 km, 该结果与Crust1.0全球模型、前人重力反演结果以及地震数据基本相符, 总体上反映了苏拉威西地区的莫霍面变化特征.

     

均衡模型在莫霍面反演中的应用综述

莫霍面是重要的地质与地球物理界面,对其深度分布的研究是地球物理领域的重要内容.莫霍面深度分布与地球均衡重力场之间有重要关系,但长期以来部分研究人员在使用重测-均衡方法探究莫霍面深度时或多或少地忽视了参考均衡模型的重要性,造成了均衡补偿模式理论发展与重测-均衡方法研究莫霍面深度之间的不同步.本文介绍了世界上常用的几种均衡补偿模式当前的发展状况,对均衡解释中的一些争议问题和应用性问题进行了讨论,并针对莫霍面深度反演问题,指出了传统重测—均衡方法尚需进行的改进,并从五个方面阐释了均衡理论对传统反演方法的贡献,并探讨了下一步可继续探究的方向.     

黄海及邻区莫霍面起伏特征

针对地壳构造形成的动力学机制,在广泛收集区域地质、地质构造和地球物理等资料的基础上,着重对重力数据进行了数字化、坐标、重力公式、投影方式和比例尺的统一化处理,进而进行了网格化处理.为将区域异常和局部异常分离开来,以便以对深部构造的系统研究,笔者选取趋势分析法分别对研究区内预处理后的布格重力异常数据(Δg)进行了三维多项式迭代拟合计算,得到了区域布格重力异常二阶、五阶、十阶趋势分析结果.继而,利用二级近似公式迭代法对布格重力异常五阶趋势分析区域异常数据进行了三维运算处理,得到了黄海及周边地区的莫霍面埋深值.分析了黄海及邻区莫霍面起伏特征,并进行了深部构造区划,探讨了深部断裂构造与莫霍面起伏间的成因联系,为深部构造和活动断裂演化的地球动力学研究提供了依据.     

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:海盆扩张终止后,壳幔并非均衡一致降温,而是以"地壳增温-地幔降温"方式进入热沉降阶段.海底扩张终结后,地壳继续增温约7 Ma之后才与地幔一同缓慢降温,同步进入后期热沉降.沿NH973-1剖面南、中、北段的地壳增温特点不同,在海盆扩张中心北侧约70 km之下7~9 km深度处,在9.6~4.6 Ma期间温度增幅一直保持在200℃以上,将该处地壳温度抬升至1100℃以上,具备了产生扩张期后岩浆熔融的温度条件.P-T图解分析也支持此期间如果地壳具备局部构造断裂形成的含水条件和减压条件,就可能因部分熔融产生岩浆活动.     

采用接收函数法反演佛子岭台基莫霍面深度及波速比

接收函数法是目前地震波研究常用方法,以佛子岭地震台数字化仪器记录的远震事件数据为基础,使用Wiener滤波方法进行接收函数计算,应用H-Kappa叠加法,通过Ps转换波等震相拟合,反演台基的莫霍面深度、波速比及泊松比.     

南海深部构造特征及其地质意义:来自重磁位场反演的认识

莫霍面和居里面是认识深部过程重要的地质与地球物理界面.为了进一步理解南海深部构造活动与洋盆扩张的关系,本文以OBS剖面和深反射地震剖面作为约束,对卫星测高重力异常进行海水、沉积层影响校正,采用最小曲率位场分离方法消除局部密度体的重力影响,获取了反映莫霍面起伏的重力异常,并利用双界面模型重力场快速反演方法计算得到了南海地区莫霍面深度值.通过与居里面起伏的对比研究,发现南海莫霍面和居里面整体均表现为"洋盆浅、周缘深"的菱形特征,两者在洋陆转换区呈现明显的窄梯级带特征,反映了南海扩张期岩石圈的强烈伸展减薄、南北向构造拉张作用等深部构造过程.洋盆莫霍面和居里面的西南向楔形形态是对南海由东向西渐进式扩张的深部构造响应.洋盆南部莫霍面浅于北部,这与扩张中心逐渐向南迁移的特征一致,而洋盆居里面南深北浅的特征则可能与洋盆的简单剪切扩张方式以及洋盆北部的岩浆活动更活跃有关.南海地区莫霍面和居里面呈现交错叠置关系,南、北陆缘表现为明显的深部构造差异,说明南海为非对称式扩张.北部陆缘区居里面深度浅于莫霍面,而洋盆区和南部陆缘区居里面深于莫霍面,这与南、北陆缘性质的差异和南部陆缘复杂的中-新生代俯冲碰撞等构造演化相关,而洋盆区居里面深于莫霍面的现象推测与大洋上地幔橄榄岩蛇纹石化导致的岩石磁性增强有关.     

东海陆架盆地重震联合解释推断研究

目前,我国海洋区域地质调查以重磁为主,辅以二维地震,用单一的物探方法难以探测海区沉积盆地中的各个密度界面,本文充分发挥地震、重力和磁力资料的特点,进行优势互补,利用重震联合界面反演技术,对东海陆架盆地的三个密度界面,上新统底界面、中新统底界面和沉积基底进行反演,利用反演结果对研究区的构造区划进行重新认识.东海陆架盆地西部凹陷基本缺失渐新统,海礁凸起南北两块的分界处东西方向的长度较短,钱塘凹陷向东北方向延伸较长,东部西湖凹陷地层发育齐全,新生代沉积厚度大,沉降幅度大,底界面在11794米左右.说明利用重震联合密度界面反演及解释是一项可行的技术.     

中国海-西太平洋莫霍面深度分布特征及其地质意义

中国海-西太平洋位于欧亚板块、印澳板块和太平洋板块的交汇处,构造运动剧烈,地质情况复杂,是认识板块运动、洋陆相互作用、物质交换和能量传递不可多得的窗口,而莫霍面深度对于研究壳幔结构以及深部动力过程有着重要的意义.本文使用最新的覆盖全球的重力和地形数据,收集了深地震测深、多道地震测深等剖面183条,数字化得到2982个控制点,使用带控制点的三维界面反演方法来约束反演过程,得到中国海-西太平洋莫霍面深度,由莫霍面形态分析可知大洋板块的俯冲和印澳板块与欧亚板块的碰撞对西太平洋边缘海的形成演化有着重要作用.结合地热、岩石圈厚度、地震活动等地质地球物理资料,分析得知研究区内各个海域莫霍深度和地壳性质的变化是处于不同构造演化阶段的表现.并在马里亚纳沟弧盆拟合一条重力2.5维剖面,结果表明热物质上涌导致了马里亚纳海槽处地幔密度减小,马里亚纳海槽以及帕里西维拉海盆到西马里亚纳海岭的下地壳高密度异常是由残留的岩浆岩引起的.     

融合多源海洋大地测量数据的南海海底地形多层感知机反演

本文融合SIO(Scripps Institution of Oceanography)发布的垂线偏差、重力异常和垂直重力梯度数据及NCEI(National Centers for Environmental Information)发布的船载测深数据, 利用多层感知机神经网络(Multi-Layer Perceptron, MLP)建立南海海域(108°E—121°E, 6°N—23°N)分辨率为1'×1'的海底地形模型(MLP_Depth).首先, 将642716个船载测深控制点的位置信息与周围4'×4'格网点处的地球重力信息(垂线偏差、重力异常、垂直重力梯度)作为输入数据, 将船载测深控制点处实测水深值作为输出数据, 训练MLP神经网络模型, 训练结束时决定系数R²为99%, 平均绝对误差MAE为39.33 m.然后, 将研究区域内1'×1'格网正中心点处的输入数据输入于MLP模型中, 可得格网正中心点处的预测海深值.最后, 根据预测海深值建立研究区域范围内分辨率为1'×1'的MLP_Depth模型.将MLP_Depth模型预测水深与160679个检核点处实测水深对比, 其差值的标准差STD(75.38 m)、平均绝对百分比误差MAPE(5.89%)与平均绝对误差MAE(42.91 m)皆优于GEBCO_2021模型、topo_23.1模型、ETOPO1模型与检核点实测水深差值的STD(108.88 m、113.41 m、229.67 m)、MAPE(6.11%、6.94%、18.37%)与MAE(47.33 m、52.24 m、130.08 m).同时, 为了研究不同区域内利用该方法建立的海底地形模型的精度, 本文在研究区域内分别建立了A、B区域的海底地形模型(MLP_Depth_A、MLP_Depth_B).经过验证得: MLP_Depth_A、MLP_Depth_B相比于MLP_Depth模型具有更高的精度, 更能反应海底地形的变化趋势.

     

南海重力异常的沉积层密度改正及其对区域构造特征分析的意义

南海位于太平洋板块、印澳板块和欧亚板块交汇处,自晚中生代以来历经张裂作用、海底扩张以及印藏碰撞、菲律宾海板块西向运动等构造事件的叠加改造,不仅形成了复杂多样的构造格局,而且堆积了厚薄不均的沉积层.为了考察沉积层密度改正对利用重力资料分析南海不同尺度构造特征的影响,本文利用南海各区域不同深度沉积层的地震波速度及钻孔密度等数据,建立了沉积层与沉积基底密度差随深度变化的二次函数关系式,并基于该关系式,计算了南海沉积层相对基底密度低而产生的重力异常值.结果显示,南海沉积层的重力异常值在海盆区介于-40~-60 mGal,而在堆积巨厚沉积物的莺歌海盆地可达到-135 mGal;相对于空间重力异常、布格重力异常,经沉积层重力异常改正后的地壳布格重力异常更能突出深部不同尺度的密度结构和莫霍面的起伏特征,其总水平导数模更突显了南海西北部红河断裂带的海上延伸;利用谱分析技术估算岩石圈强度时,经沉积层重力异常改正的地壳布格重力异常数据获得的岩石圈有效弹性厚度值更为符合地质实际,特别是在长条形的巨厚沉积区如莺歌海盆地和马来盆地.分析表明,重力异常的沉积层密度改正对揭示南海构造特征具有重要的意义.

     

Texture and tectonic attribute of Cenozoic basin basement in the northern South China Sea

Based on the drilling data,the geological characteristics of the coast in South China,and the interpretation of the long seismic profiles covering the Pearl River Mouth Basin and southeastern Hainan Basin,the basin basement in the northern South China Sea is divided into four structural layers,namely,Pre-Sinian crystalline basement,Sinian-lower Paleozoic,upper Paleozoic,and Mesozoic structural layers.This paper discusses the distribution range and law and reveals the tectonic attribute of each structural layer.The Pre-Sinian crystalline basement is distributed in the northern South China Sea,which is linked to the Pre-Sinian crystalline basement of the Cathaysian Block and together they constitute a larger-scale continental block—the Cathaysian-northern South China Sea continental block.The Sinian-lower Paleozoic structural layer is distributed in the northern South China Sea,which is the natural extension of the Caledonian fold belt in South China to the sea area.The sediments are derived from southern East China Sea-Taiwan,Zhongsha-Xisha islands and Yunkai ancient uplifts,and some small basement uplifts.The Caledonian fold belt in the northern South China Sea is linked with that in South China and they constitute the wider fold belt.The upper Paleozoic structural layer is unevenly distributed in the northern South China.In the basement of Beibu Gulf Basin and southwestern Taiwan Basin,the structural layer is composed of the stable epicontinental sea deposit.The distribution areas in the Pearl River Mouth Basin and the southeastern Hainan Basin belong to ancient uplifts in the late Paleozoic,lacking the upper Paleozoic structural layers.The stratigraphic distribution and sedimentary environment in Middle-Late Jurassic to Cretaceous are characteristic of differentiation in the east and the west.The marine,paralic deposit is well developed in the basin basement of southwestern Taiwan but the volcanic activity is not obvious.The marine and paralic facies deposit is distributed in the eastern Pearl River Mouth Basin basement and the volcanic activity is stronger.The continental facies volcano-sediment in the Early Cretaceous is distributed in the basement of the western Pearl River Mouth Basin and Southeastern Hainan Basin.The Upper Cretaceous red continental facies clastic rocks are distributed in the Beibu Gulf Basin and Yinggehai Basin.The NE direction granitic volcanic-intrusive complex,volcano-sedimentary basin,fold and fault in Mesozoic basement have the similar temporal and spatial distribution,geological feature,and tectonic attribute with the coastal land in South China,and they belong to the same magma-deposition-tectonic system,which demonstrates that the late Mesozoic structural layer was formed in the background of active continental margin.Based on the analysis of basement structure and the study on tectonic attribute,the paleogeographic map of the basin basement in different periods in the northern South China Sea is compiled.     

南海北部地壳密度结构:基于约束三维重力反演

地壳结构的揭示是研究陆缘伸展机制的基础.尽管在南海北部陆缘已开展了大量地壳尺度的二维地震探测,但目前还存在许多覆盖空白的地区,这些调查所得到的结果无法提供地壳结构的区域视图.为了揭示南海北部的地壳结构,本研究将水深和沉积物厚度信息作为约束条件,对空间重力异常进行区域三维反演,并利用地震研究的结果来衡量反演结果的质量.沿地震测线的密度切片显示,重力反演结果与地震研究结果具有良好的一致性.本研究通过选择两个与地震研究结果最匹配的密度异常等值面分别作为康拉德面和莫霍面,获取了莫霍面深度和上、下地壳的厚度.根据假设的相应初始地壳厚度,本研究进一步计算了全地壳、上地壳和下地壳的拉张因子.通过与已发表的居里面深度比较,发现南海北部大部分地区的居里面深度均位于莫霍面之下,其中西沙海槽的拉张因子β_w大于3.5并且缺乏岩浆活动,是地幔橄榄岩蛇纹石化的潜在区域.南海北部陆缘的地壳拉张因子显示其经历了伸展方向为128°和160°的两组张裂运动,分别对应于神弧运动和珠琼运动一幕及二幕,在张裂过程中应力场发生了顺时针旋转.此外,上、下地壳的拉张因子表明北部陆缘普遍存在正向和反向差异伸展,陆架区域表现为反向差异伸展,洋陆过渡带为正向差异伸展,推测这种正向和反向差异伸展可能是由下地壳流动导致的,由地壳厚度差异引起的横向梯度力、软流圈浮力和沉积物负载共同驱动.