OBS广角地震探测在海洋沉积盆地研究中的作用

海洋沉积盆地是地球系统中重要的构造单元之一,其形成演化涉及到壳—幔、岩石圈—软流圈以及沉积地层和沉积流体体系等一系列深浅部耦合作用和地球动力学机制的演变。海洋沉积盆地的研究既包括地球深部结构状态、物质组成和构造演化等区域构造方面,也包括盆地内部结构、构造特征以及沉积地层孔隙流体特征等盆地自身构造特征。海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer,OBS)广角地震探测,以其深度上穿透能力强和能够同时获取P波和S波速度结构等方面的优势,近年来在海洋沉积盆地区域构造演化、内部结构与构造以及沉积地层孔隙流体发育特征等研究中发挥了越来越重要的作用。在张裂大陆边缘的研究中,OBS广角地震探测所获取的地壳结构模型为划分"火山型"和"非火山型"张裂陆缘提供了直接证据,地壳拉张减薄的程度和空间变化特征为海洋沉积盆地构造演化的动力学模拟提供了约束条件。在盆地内部结构和构造特征方面,OBS深地震探测对盆地内部的盐体构造、岩浆底辟构造等提供了有效成像,并获取了盆地内部超压状态的分布特征,弥补了常规多道地震在探测深度和复杂地质构造背景等方面的缺陷。在海洋沉积盆地内部流体体系的研究方面,OBS深地震探测揭示了天然气水合物储集区的速度结构,进而计算获取了储集区的厚度以及水合物和游离气体在孔隙中的含量。当然,随着OBS地震探测技术的发展、数据处理能力的提高以及仪器设备参数的改善等,未来OBS广角地震探测在海洋沉积盆地动力学演化过程和机制方面的研究中将继续发挥更大更广泛的作用。     

中国西部大型盆地的深部结构及对盆地形成和演化的意义

地震层析成像是研究地球深部结构和动力过程的重要手段。文章简单介绍了岩石圈地震层析成像的几种基本方法。相对于人工震源地震勘探,基于天然震源的地震层析成像是提供盆地基底和周边深部背景的有效和极其经济的手段。笔者最近得到了中国大陆岩石圈高分辨率表面波层析成像的三维S波速度模型,该模型结合了地震和噪声互相关的数据,大大提高了射线覆盖,结果显示了中国西部与青藏高原接壤的三大盆地(塔里木、柴达木和四川盆地)共同特征:(1)盆地上地壳速度很低,反映了盆地沉积层很厚;(2)相对于周边山系,盆地中、下地壳的S波速度较快,上地幔顶部尤其明显;(3)盆地的地壳厚度比相邻的山脉区薄,同时莫霍深度在盆山结合带变化大。盆地内地壳和岩石圈地幔存在明显的横向结构,尤其是塔里木盆地和四川盆地。塔里木盆基底东西向中央古缝合带在地壳和岩石圈地幔的速度、莫霍面深度图中有清楚显示。笔者推测区域构造挤压的影响很可能涉及盆地的整个岩石圈,进而提出了一个简单的盆地形成的机械模型,即挤压隆升沉降模型,认为在挤压环境下,较弱的周边山系的岩石圈增厚和隆升,高强度的盆地块体在重力均衡下整体沉降,形成陆内叠合盆地。挤压应力可能导致巨大的塔里木和四川盆地产生岩石圈范围的褶皱变形。在西部盆地漫长的地质历史中,新生代的印藏碰撞和新元古代以来的多次构造运动产生的岩石圈挤压对西部盆地的形成和演化可能起了决定性的作用。     

用海洋地震方法研究岩石圈结构

文中介绍了两类海洋地震方法及其所取得的成果。单船多道地震方法首先用于海洋石油勘探,后来用于研究地壳结构。但是排列短,故只能研究上地壳结构。７０年代,美国哥伦比亚大学的科学家发明了双船地震方法,扩展了排列长度,可研究地壳—上地幔的速度深度结构。但是双船地震方法在海上资料采集、室内资料处理方面比较复杂,且成本高（用两条船）。到８０年代初,英国科学家设计了一种长排列、大容积气枪震源的单船地震方法,采集了整个岩石圈的地震反射剖面,用于研究横穿大陆边缘、沉积盆地及主要构造线的岩石圈之结构,取得了令人振奋的地质成果。     

渤海海底地震仪探测试验及初步成果

利用大容量气枪枪阵震源和海底地震仪在渤海首次开展人工地震深部地球物理探测试验。本次试验布设一条NWW-SEE向垂直构造走向的勘测线,共投放海底地震仪51台,回收成功50台。试验结果和数据分析表明,所使用的枪阵有足够的能量输出,海底地震仪记录震相丰富,可识别到Ps,Pg,PmP,Pn等多种震相。初至波层析成像结果表明,9 km以上地层速度结构存在明显的横向不均匀性,渤中地区新生代沉积基底埋深5～6 km,结晶基底埋深约9 km,郯庐断裂带内存在"U"型下凹的相对低速体并有向下切割的趋势。此次试验是我国在渤海深部探测中的成功示范,有效填补了渤海海域深地震测深数据的空白,为渤海深部地壳结构研究及含油气盆地形成演化研究提供了重要的基础资料。     

中国东西部典型盆地中—新生代热体制对比

沉积盆地的热体制和热历史是盆地动力学和油气成藏研究的重要内容,中国东西部盆地受不同构造背景和动力学机制影响,热体制存在明显差异。文中从盆地的热历史、热岩石圈厚度和岩石圈热结构3个方面对渤海湾和塔里木这两个中国东西部典型盆地中—新生代的热体制进行了分析,表明东西部盆地在中—新生代时期的热体制存在较大差异。中—新生代时期渤海湾盆地经历了早白垩世—晚白垩世早期(K1—K12)和始新世—渐新世(E2—E3)两期热流高峰,而塔里木盆地热流值是逐渐降低的过程;渤海湾盆地的热岩石圈厚度在中—新生代经历了早白垩世晚期和古近纪中—晚期两次快速的减薄高峰,减薄高峰时期岩石圈厚度仅为43~55km;而塔里木盆地则经历了中生代缓慢增厚—古近纪以来快速增厚的过程。由地幔热流与地表热流比值确定的岩石圈热结构揭示出渤海湾盆地经历了三叠—侏罗纪的"冷幔热壳"型和白垩纪以后的"热幔冷壳"型;塔里木盆地则由"热幔冷壳"型在新近纪末期转变为"冷幔热壳"岩石圈热结构。深部岩石圈的热结构和热状态的这种差异与岩石圈热-流变结构和岩石圈变形特征密切相关,通过对沉积盆地中—新生代时期的热历史和岩石圈热结构演化的研究,可以揭示沉积盆地深部的热状态,为中—新生代以来的成盆动力学机制研究提供有科学意义的参考。     

天山分段性的地球物理学分析

天山造山带纵向延绵 30 0 0多km ,其主要部分在国外。文中根据横跨天山的卡拉库姆—新都库什天然地震剖面、沙雅—布尔津综合地球物理剖面、库尔勒—吉木萨尔综合地球物理剖面以及可可托海—阿克塞剖面的探测研究结果 ,综合分析天山造山带的岩石圈结构、构造分段以及不同段盆山耦合特点的差异特征。卡拉库姆—新都库什天然地震剖面揭示了费尔干纳盆地由北向南插入到南天山之下约 2 0 0km深处 ;沙雅—布尔津综合地球物理剖面表明塔里木盆地向天山造山带“层间插入与俯冲消减” ,俯冲的最大深度约 180km ,而准噶尔盆地与天山造山带主要以走滑接触为主 ;库尔勒—吉木萨尔综合地球物理剖面又得出塔里木盆地与准噶尔盆地同时向天山造山带对冲的结论 ,俯冲的深度约 16 0km ;可可托海—阿克塞剖面位于天山造山带的东端 ,探测结果没有发现明显的岩石圈规模俯冲现象。这些资料对于天山造山带的分段性及盆山耦合类型的差别研究提供了岩石圈尺度的深部依据。     

长江中下游成矿带岩石圈结构与成矿动力学模型——深部探测(SinoProbe)综述

岩石圈结构和深部过程对理解成矿带和大型矿集区的形成十分重要。岩石圈尺度的地球动力学过程将在地壳中留下各种结构的或物质的"痕迹",这些"痕迹"可以通过地球物理的手段去探测。为深入理解长江中下游成矿带形成的深部动力学过程,作者在国家深部探测专项(SinoProbe)和国家自然科学基金重点项目支持下,在长江中下游成矿带开展了综合地球物理探测。方法包括宽频地震、深地震反射、广角反射/折射和大地电磁测深。数据处理和反演结果取得一系列新发现:(1)成矿带上地幔顶部存在低速体,在中心深度300km处有一向SW倾斜的高速体;(2)S波接收函数证实成矿带岩石圈较薄,只有50~70km;横波分裂结果显示,成矿带上地幔各向异性方向和强度与邻区有较大区别,显示平行成矿带(NE-SW向)的上地幔变形和流动;(3)深反射地震揭示成矿带上地壳曾发生强烈挤压变形,以紧闭褶皱、逆冲和推覆为特征;在宁芜火山岩盆地、长江断裂带和郯庐断裂之下出现"鳄鱼嘴"构造,指示上下地壳在挤压变形过程中解耦;深反射地震证实发生过陆内俯冲和叠瓦,并认为是岩石圈增厚和拆沉的主导机制;(4)广角反射和大地电磁反演给出了跨成矿带地壳剖面的速度和电性结构,速度和电阻率分布总体上与构造单元相吻合。本文分析和解释了这些发现的地质意义,并结合近年在长江中下游地区的地球化学研究进展,提出了成矿带地球动力学模型。该模型认为:中、晚侏罗世陆内俯冲、岩石圈拆沉、幔源岩浆底侵和MASH过程造就了长江中下游世界级成矿带的形成。     

青藏高原东北缘盆山结合部位深反射资料处理方法与初步地质认识

盆山结合带地质条件复杂、地形起伏大,深地震反射资料具有信噪比低、各种干扰波严重以及速度横向变化大等特点。针对盆山结合部位深反射资料的特点,主要利用ProMAX处理系统对横跨若尔盖盆地和西秦岭造山带结合部位的二维深地震反射资料(简称SP04-2剖面)进行折射静校正、叠前去噪、地表一致性处理、人机交互速度分析、剩余静校正循环迭代处理、地表基准动校正叠加和叠后去噪处理等方法试验研究,形成一套适应盆山结合部位深地震反射资料的处理方法和流程,最终得到SP04-2叠加剖面。该剖面首次揭示出若尔盖盆地—西秦岭造山带盆山结合部位的岩石圈结构,为研究盆山深部接触关系提供了可靠的地震学依据。     

松潘地块若尔盖盆地与西秦岭造山带岩石圈尺度的构造关系——深地震反射剖面探测成果

若尔盖盆地和西秦岭造山带作为青藏高原东北缘典型的新生代盆山构造,其接合部位的岩石圈结构及其深部构造关系为青藏高原东北缘板块碰撞的深部过程等研究奠定基础。横过盆山结合部位的深地震反射剖面长约63km,记录时间30s(TWT),探测深度超过莫霍面深达岩石圈地幔。该剖面首次揭露出青藏高原东北缘的盆山结合部位地壳和上地幔盖层的结构,发现了若尔盖盆地和西秦岭造山带下地壳以北倾为主的强反射特征,这种北倾的反射特征提供了若尔盖盆地俯冲到西秦岭造山带之下,而西秦岭造山带逆冲推覆到若尔盖盆地之上的地震学证据,初步揭示出若尔盖盆地和西秦岭造山带在挤压构造体系下形成的岩石圈尺度的构造关系,近于平坦的Moho反射特征反映两者在造山后期又经历了强烈的伸展作用。     

洋岛-海山研究进展及其对于重建洋板块的意义

在中国区域大地构造研究中,对洋岛-海山/洋底高原的识别尚未引起足够重视.为深入研究中国大陆洋板块构造,系统回顾了洋岛-海山/洋底高原的基本概念、基本特征和增生造山过程.洋岛-海山/洋底高原是在海底扩张、大洋壳演化过程中由于地幔热点/柱作用形成的有异常厚度洋壳的区域,是大洋岩石圈的重要组成部分.洋岛-海山/洋底高原在垂向上具有典型的二元结构,下部以镁铁质、超镁铁质岩石为主,上部以碳酸盐岩建造为主.现今大洋盆地中大面积分布着正在演化中和正在俯冲的洋岛-海山,根据比较大地构造学原理,古洋岛-海山的存在指示古大洋盆地的存在,是研究造山带的重要载体.认为地史时期大洋盆地中有相当数量的洋岛、海山,在俯冲增生碰撞造山过程中保留下来的古洋岛-海山残块以构造岩片（块）形式夹持在俯冲增生杂岩中,随大洋盆地关闭;其作为缝合带的重要组成部分,是识别对接带的重要判别依据之一.      

深地震反射剖面揭露大陆岩石圈精细结构

深地震反射技术已被国际地学界公认为是探测岩石圈精细结构、解决深部地质问题的有效技术手段。自上世纪70年代中期以来,以美国为首的等西方国家和中国相继开展了深地震反射探测技术实验,使用该技术揭露盆地、造山带岩石圈的形成和演化、地球动力学过程,并应用于油气资源远景评价、矿产资源勘察等领域,取得了丰硕的成果。本文扼要介绍深地震反射剖面技术的发展及其部分应用实例。     

华南和南海北部陆缘岩石圈速度结构特征与沉积盆地成因

新近地震层析资料表明, 华南和南海北部陆缘岩石圈及下伏的软流层中存在规模宏大的低速异常带, 它们在研究区新生代演化历史中曾发挥重要的控制作用.其中, 岩石圈底面及内部的巨型NW向异常低速带表明中生代末至新生代早期的神狐运动不仅在华南与南海北部陆缘产生NE向张裂构造体系并催生出内陆-陆架-陆坡沉积盆地, 还导致南海海盆的早期扩张.软流层NNW向的异常低速带则反映岩石圈SSE向的蠕动直接导致南海中央海盆的海底扩张及陆缘地区的持续裂解.研究区深部速度结构特征是历史动力过程所残留的痕迹, 华南陆缘和南海北部新生代沉积盆地的形成和发展, 与岩石圈及软流层的结构和运动方式密切相关.      

应用近代地学理论指导普查找矿工作

根据近二十多年来对地球的调查,获得了大量有关洋底地壳的性质和演化的新资料,从海底地貌及其几何特征,到地震、磁异常、古地磁及海底沉淀物的分布等许多新资料,都可以用海底扩张和板块构造的理论来解释.大多数现代构造活动正是发生在板块边界上,而板块边界和大陆一大洋边界已成为一些主要矿产资源集中的地方,也是重要的地震活动和火山爆发集中的地方.     

塔里木盆地地震波速扰动及泊松比成像

大型克拉通盆地地壳上地幔组构有什么特征？其内部结构有何变化？这是目前备受关注的科学问题之一。在新世纪体波地震层析成像的研究进入区域地壳上地幔探测的视野,这个问题可通过体波地震层析成像来研究。文中结合塔里木盆地内的宽频地震记录以及新疆地震台网、中国数字地震台网资料对塔里木地区进行了同台同源的P波和S波地震层析成像, 重点研究区域分辨率横向达到0.5°×0.5°,纵向达到10 km间隔。通过体波到时地震层析成像反演,得到了研究区域精细地壳P波和S波速度结构。根据P波和S波速度扰动和泊松比三维图像,分析了塔里木盆地内部岩石圈波速和泊松比内部结构的信息,通过上中地壳的地震层析成像,地壳波速与泊松比结构反映了满加尔的基底、流体活动性和地温结构利于油气的成熟和保存。一般情况下莫霍面上下方波速及泊松比异常分布模式有明显区别,但塔里木盆地中央顺托果勒呈现穿透莫霍面的异常模式,解释为二叠纪岩石圈火山作用留下的“指纹”。这些信息对油气远景区定位有一定意义。     

南海岩石圈结构与油气资源分布

南海是中国唯一发育有洋壳的边缘海,是世界四大海洋油气聚集中心之一。油气勘探表明,南海的油气田分布在北部、西部和南部陆缘沉积盆地内,而大中型油气田集中分布在西部海域盆地中,自北而南有莺歌海—琼东南盆地、万安盆地、湄公盆地、曾母盆地和文莱—沙巴盆地,且以含气为主,含油次之。此外,这一区域深水区还存在多个潜在的大型含油气盆地。研究发现,南海的油气分布与深部岩石圈结构有密切关系。在构造上,南海的含油气盆地位于岩石圈块体边缘或之上,受控于大型岩石圈断裂的发育与演化。在油气富集的盆地中,莫霍面显著凸起,与盆地基底形成镜像,地壳厚度最薄处仅数千米厚,热流值明显较周围地区高,热岩石圈厚度大大减薄。地震层析成像结果反映,这些盆地深部发育一条规模宏大的北西向上地幔隆起带,自红河口向东南穿越南海西部海盆,一直延伸到婆罗州东北部地区,在宏观上控制了南海的油气分布与富集。     

南黄海盆地地层生热率及岩石圈热结构

岩石圈热结构的研究不仅可以了解岩石圈深部动力学演化机制,也是含油气区油气资源评价的重要组成部分.由于南黄海盆地生热率数据的匮乏,阻碍了岩石圈热结构的研究进展.本文通过GR（伽马值）-A（岩石生热率）的经验关系,计算了南黄海盆地沉积地层的生热率;在大地热流、地层生热率、南北向贯穿盆地的二维多道地震剖面及OBS2013地壳速度结构剖面的约束下,建立了南黄海盆地地壳生热模型,计算了盆地的岩石圈热结构.岩石圈热结构计算结果表明：（1）南黄海盆地北部坳陷、中部隆起及南部坳陷3个次级单元的平均莫霍面温度依次为602.2±15.25℃、592.7±2.56℃、650.6±20.24℃;（2）平均热岩石圈厚度依次为99.7±2.20 km、101.7±0.51 km、88.2±2.49 km;(3)壳幔热流比分别为0.76±0.02、0.88±0.01、0.71±0.15,具有“冷壳热幔”的特征.研究结果表明,南黄海盆地现今具有与全球新生代拉张构造区相似的较高热流,处于构造活动区向构造稳定区转换的过渡阶段.此外,现今南黄海盆地3个次级单元展现的不同岩石圈热结构特征,可能与印支期至早燕山期扬子块体与华北...     

琼东南盆地深水区岩石圈伸展模式及其对裂后期沉降的控制

为了揭示盆地深水区演化及裂后期大规模沉降的成因机制, 在琼东南盆地典型的、高品质地震剖面地质构造精细解释基础上, 结合岩石圈变形的挠曲悬臂梁模型和挠曲均衡模型, 应用正演和反演模拟技术, 定量恢复了该盆地所处地区的上地壳、地壳以及岩石圈的伸展程度.结果表明, 琼东南盆地自陆架边缘到深水坳陷区, 岩石圈上地壳的伸展系数较小, β值最大为1.23~1.32;整个地壳的伸展系数变化较大, 盆地边缘隆起区的β值在1.1~1.2之间, 向盆地中部β值逐渐增大到3.14;而对整个岩石圈而言, 其伸展系数β值由陆架到陆坡深水盆地也从1.2逐渐增大到4.2.根据对南海地区的构造及岩石圈和地壳的结构分析认为, 与McKenzie的岩石圈均一伸展以及由热控制的裂后期缓慢沉降过程不同的是, 上述与深度相关的岩石圈伸展减薄是由南海西北次海盆扩张过程中深部物质的离散上涌流动所导致的下地壳的快速而强烈的塑性流动所引起的, 并由此建立了琼东南盆地的形成演化模式, 来解释和探讨深水坳陷区及裂后期快速而大规模沉降的成因机制.      

关于岩石圈有效弹性厚度的地质理解

简要回顾了岩石圈均衡理论的发展及岩石圈区域均衡和挠曲理论在岩石圈动力学研究中起的作用,阐述岩石圈有效弹性厚度(Te)的概念和特征。强调Te的研究是地质学和地球物理学的紧密结合,即通过岩石圈挠曲理论和区域均衡原理,对地形和重力资料进行谱分析计算,来获取岩石圈的物理性质信息。计算的Te(和相应的挠曲刚度)是岩石圈等效的强度,与爆破地震、地震层析成像和大地电磁测深等方法观测到的岩石圈和地壳厚度不同,它们之间只有通过岩石圈的屈服刚度包络面(YSE)才能比较。大洋和大陆岩石圈YSE的理论计算,表明Te值显著小于地震学的地壳和岩石圈厚度。尤其对于大陆岩石圈,地壳厚度、热年龄和应变率均可显著影响岩石圈的强度。本文还以滇西为实例介绍了对相干值曲线计算的新认识和当前岩石圈Te研究的最新趋势。     

祁连山东北缘武威盆地隐伏构造

祁连山东北缘武威盆地是阿拉善地块南缘主要的含油气盆地,也是石炭系页岩气勘探的热点区域。长期以来,由于武威盆地为第四系覆盖,盆地的结构和构造存在很大争议。通过地震剖面探测和钻探地层分析,对武威盆地西部的结构和构造进行了厘定。地震剖面和钻探揭示,研究区前寒武纪基底之上主要发育下部寒武系、中部新近系和上部第四系3套构造层。下构造层构造复杂,发育下寒武统(大黄山组)断陷盆地、下寒武统冲断-褶皱带和下白垩统断陷盆地。下构造层的构造分析,结合区域地层和构造特征,提出武威盆地经历了早寒武世NE—SW向伸展变形、侏罗纪末—白垩纪初NE—SW向地壳缩短变形及早白垩世NE—SW向伸展变形3期构造演化过程。武威盆地东、西部的地层序列和构造差异表明,武威盆地以武威-蔡旗构造隆起带为界,可划分为东、西2个构造单元。     

固体地球科学研究的前沿

七十年代末期以来,科学界将岩石圈作为固体地球科学研究的中心。本文拟对此作些说明,并对中国科学院这方面的工作谈点看法。 从两则新闻报道谈起 去年11月21日人民日报转载日本报纸的报道:“太平洋上的岛屿正以每年四至八厘米的速度向日本列岛方向移动。……这次实验首次测出太平洋板块的运动……。” 这一简短消息能够引起许多回忆。 1912年魏格纳提出大陆漂移说后,经过四十年代以后的洋底调查,于六十年代初又提出了海底扩张说。到了六十年代晚期出现了板块构造说,主张地球的岩石圈能分成若