《海洋地球物理》专辑前言

海洋占地球表面面积的三分之二,但在更广阔的海底在地球物理观测上存在着巨大的空白,不仅影响了地震灾害和海啸灾害的机制研究和预警能力,而且制约了对地球内部结构和演化的研究,以及对海底资源的勘探开发和利用(Romanowicz,2008)。

南海上地幔各向异性结构及动力学含义

南海处于欧亚板块、太平洋板块和印度—澳大利亚板块的交会区,是西北太平洋一系列边缘海中最大的边缘海。关于南海的打开以往研究提出了如印度板块与欧亚板块碰撞驱动挤出以及古南海俯冲拖拽等诸多模型。本文力图通过南海海盆及周边各向异性结构来约束南海演化机制。基于同济大学2012和2014年在南海中央海盆进行的两次被动源宽频带海底地震观测试验回收的10台OBS记录仪近1年的地震数据,本文采用三种不同的横波分裂方法,获取了中央海盆针对两次远震的XKS分裂结果以及南海周边20次区域地震提供的S震相分裂结果。SKS分裂结果显示,南海中央海盆下方存在快轴方向为NE-SW向的各向异性,其成因可能与海底扩张时期沿洋脊方向的地幔流以及南海海洋板块俯冲拖拽的地幔流有关。南海及其周边上地幔存在强各向异性,且不同方位观测到的各向异性不同,快轴方向与前人SKS横波分裂结果、GPS和板块运动一致,较好地对应了区域构造运动或者地幔对流模型。各向异性结果与印度—欧亚板块碰撞驱动挤出模型以及古南海俯冲板块拖拽模型预期结果一致,与理想的地幔柱上涌驱动模型不一致。由于海盆各向异性观测特别有限,各向异性结果不能证实亦不能证伪“大西洋型”海底扩张模型、弧后扩张模型和板缘破裂模型,后续还需要更多的观测结果来证实或证伪上述模型。

主动源海底地震仪记录数据的时间问题及原因分析

简要概括了国产主动源海底地震仪(OBS)数据处理中常见的时间异常现象,以OBS2020-1测线的实际处理为主并结合了OBS处理中对数据异常校正取得的部分进展为实例,通过检查数据记录格式、计算相邻数据文件间的时间差、对比不同处理方法所得剖面、分析初始时间和采样时间是否异常、使用数据重采样等手段,对OBS时间异常问题进行了分类处理和校正。分析显示,国产OBS在数据记录中普遍存在的时间问题大部分均能解决,通过本文提供的方法可以避免处理不当所导致的OBS地震剖面出现同相轴“断阶”、“倾斜”,甚至“缺失”等现象,确保了有效震相的完整性,有效解决了OBS数据时间异常问题,提高了数据的质量和利用率,为后续开展走时层析成像奠定了良好的基础,并为今后主动源OBS数据处理流程和方法提供了借鉴。

香港与珠三角地区海陆联合地震探测的数据处理

介绍了香港与珠三角地区海陆联测地震数据处理的一般流程及方法,讨论了导航数据记录时间存在误差的问题及其解决方法,对数据处理程序进行了改进,使之更加通用化。提出了数据处理中需要改进之处,对较远的地震台站采用滤波、均衡、剪切等处理手段,突出弱震相,压制强噪音。广东和香港地区的大部分固定台站均可清晰识别出有效信号,这是首次利用固定台站记录到远距离海上气枪信号,最远接收距离达到240多公里,获得了较好的观测结果。

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,其地壳结构研究不仅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。

香港地区海陆地震联测及深部地壳结构研究

为了探明南海北部海陆过渡带的深部地壳结构,我们在香港外海域进行了一次海陆地震联测的实验,利用固定地震台网远距离接收海上气枪信号,接收距离远达200多km,并利用此次实验的测线1剖面模拟得到了海陆过渡带的深部地壳速度结构.速度结构模型表明：研究区海陆过渡带的地壳结构非均匀性较明显,由陆至海沉积层有一个突然增厚的特点;莫霍面深度约为26-29 km,上地壳P波速度约为5.5-6.4 km/s,下地壳P波速度为6.5-6.9 km/s.在担杆列岛往海方向有一个低速破碎带,其上地壳P波速度为5.2-6.1 km/s,下地壳P波速度为6.2-6.4 km/s,结合野外地质调查的结果,推测它可能为滨海断裂带.在担杆列岛往陆方向香港和深圳之间的研究区域,莫霍面有较大起伏,可能与此处发育的海丰断裂有关.

海洋广角地震数据校正方法探讨

海洋广角地震数据的采集具有高投入、高风险及高难度等特点,这使得从海洋上采集到的地震数据显得异常宝贵,但往往由于各种客观条件(如气候条件、定时定位条件、仪器条件及人为因素等)的限制,导致采集到的地震数据存在一些缺陷。以南海地区开展的海陆地震联测及海底地震仪(OBS)探测的试验数据为例,对导航数据时间误差、部分陆地固定台站的时间误差、海底地震仪定位偏差等问题进行了分析,并提出了具体的数据校正方法,同时对这些校正方法的原理也进行了相应的分析和探讨。从校正后的结果看,原本存在明显问题的数据得到了有效解决,为更深入地解决海洋人工地震数据存在的各种问题提供了技术路线。

南海岩石层及边界构造的地球物理特征

南海经历了中生代主动大陆边缘到新生代被动大陆边缘的转换,其岩石层地球物理场具有明显的块、带特征.本文通过综合分析南海地区深地震探测、面波层析成像、重磁异常以及地热与岩石层流变学等各种地质地球物理资料,对南海地壳及岩石层的综合地球物理特征进行了深入总结,发现深地震探测剖面所确定的洋、陆壳转换位置与空间重力异常梯级带位置较为一致,据此拟定了南海洋、陆壳的转换边界;依据多条地壳结构剖面中拉张减薄的程度确定了正常减薄陆壳、洋陆壳过渡带及洋壳等属性特征,并初步圈定了南海下地壳高速层的分布范围.对比分析了南、北陆缘地壳结构及其拉张减薄的变化特征,从综合地球物理特征的相似性上推测了北部陆缘的中西沙陆块与南部陆缘的南沙礼乐滩陆块具有共轭对称性.依据S波速度梯度变化确定了南海岩石层厚度分布情况,揭示出南海北部陆缘存在一条岩石层厚度的减薄带,且该减薄带与高热流带具有较好的一致性.在综合分析的基础上,以深地震探测剖面与重、磁异常变化的对应性为基础,划定了南海边界构造的位置.

海陆地震联测流动台站布设及信号分析

利用海上大容量气枪作为震源,陆上固定台网和流动台站作为接收台阵的海陆地震联测试验在南海北部已开展多次,其中流动台站的布设一直是野外试验中至关重要的工作之一。作者以2011年海南岛海陆地震联测试验为基础,对野外流动台站的布设过程及注意事项进行了分析总结;从同一震源不同台基记录信号的差异性、不同震源同一台基记录信号的变化特征以及相近接收距离不同台基记录的信号特征等方面对以下3个不同类型台基上流动台站接收到的气枪信号进行了对比分析,发现接收到的气枪信号与台基的稳定性、环境噪音的大小存在紧密关系。在相近接收距离下,当布设台基为山脚成片的基性岩石时,流动台站接收到的信号信噪比很高,且波形持续时间较短,能量较为集中;当布设台基为河边冲积的岩石时,流动台站接收到的信号信噪比较差,且波形持续时间较长,能量较为分散,导致信号的到时难以分辨;而当布设台基为山顶半悬浮大块岩石时,流动台接收到的信号的信噪比最差。从处理的地震剖面可知,台基为成片出露的基性岩石时,震相数据最为清晰,拾取也更准确。

南海北部晚新生代岩浆活动的发育特征与构造意义

南海北部陆缘具有极其独特的岩浆活动特征,其岩浆活动在大陆张裂和破裂期间表现的较为薄弱,而在裂后期尤其是海底扩张停止之后的晚新生代时期却变得极为强烈。通过总结南海北部晚新生代玄武岩浆的岩石学、年代学、地球物理学等方面的研究成果,从发育规模、物质属性、构造模式以及通道特征等方面系统揭示了岩浆活动的发育特征及其隐含的构造意义。结果显示:(1)南海北部晚新生代玄武岩均显示洋岛玄武岩(OIB)的物质属性,且与世界典型热点火山OIB具有相似的同位素分布范围;(2)南海北部海底火山的侵入和喷出体积量与世界典型的大火成岩省具有可对比性;(3)岩石圈伸展过程中所形成的张性断裂可能为后期玄武岩浆的活动提供了良好的通道;(4)沉积地层中所发现的岩脉与岩墙复合体与海底火山活动应该具有相同的岩浆来源;(5)全球和区域地震层析成像结果均显示了一条清晰的深部低速通道,暗示了南海北部晚新生代玄武岩浆活动可能与深部地幔柱存在紧密联系。

南海北部海陆过渡带地壳结构的研究现状及展望

首先总结了前人在南海北部海陆过渡带获得的研究成果:由重磁异常、水深及卫星影像等资料推测滨海断裂带存在于南海北部海陆过渡地区;介绍了最近在南海北部海陆过渡地区开展的海陆地震联测试验,其结果显示有一个穿透整个地壳的低速破碎带发育于海陆过渡地区,推测它为滨海断裂带在速度上的表现,另外广泛分布于华南大陆的中地壳低速层在海陆过渡处也有较好发育;总结了天然地震层析成像在南海北部海陆过渡带的研究成果。最后结合目前的研究现状,指出了今后我们的研究方向:在逐步完善目前海陆地震联测试验的基础上,同时开展海陆过渡带的多道地震数据采集及地球化学研究;加强海陆过渡带的地震监测,进行震源机制解和人工地震与天然地震联合成像的研究。

南海北部沿海地区地震活动与发震构造

南海北部沿海地区位于华南陆块与南海的交接地带,经历了复杂的地质演化过程,形成了典型的板内地震活动带。本文通过收集研究区固定地震台网记录的地震数据,开展了双差走时地震重定位计算,获得了更为精确的地震震源参数。从地震活动的时空特征可知,南海北部沿海地区地震活动较为活跃,空间上主要形成了几个典型的集群型震群,如南澳岛外海地震群、阳江地震群、新丰江水库地震群以及海南岛岩浆活动地震群等。时间上,研究区每年地震活动的数量与分布模式基本稳定,主要集中在典型的震群区,其他地区零星分布较少的地震。典型震群区地震的分布主要集中在中上地壳(<20 km),下地壳也偶有地震发生。但不同震群区地震的分布形态存在一定差异,南澳岛外海地震分布呈“L”型,以NE向地震活动为主,也存在NW走向的地震分布趋势。阳江地区地震活动主要呈现南、北两个震群,其中南部震群主要呈近E-W向展布,地震活动比北部震群更强烈;北部震群覆盖面积较小,大体以S-N走向展布。新丰江水库地震活动主要分布在贮水盆地的西北部和东南部两个峡谷区,其中约78%的地震集中在水库大坝附近的峡谷区,总体呈NW-SE走向;西北部上游峡谷的震群在2010年以前很少被观测到,而2012年以后却呈明显增加趋势。海南岛地区地震活动主要呈现4个集群,所有集群的震源深度都具有近垂直状的通道分布特征,表明海南地区地震活动与岩浆流体活动存在紧密关联。同时,通过对比分析典型震群区地壳结构和发震构造,我们发现不同震群区发震构造差异性明显,南澳岛外海与珠江口地区的地震主要受NE向和NW向交错断裂以及地壳内部薄弱层和下地壳高速侵入体的控制和影响;新丰江水库地震主要受断裂带内部流体活动和水库静水压力的影响;海南地震活动可能与地幔柱造成的浅表岩浆流体活动有紧密关联。这些结果说明南海北部沿海地区发震构造与地壳结构的强烈非均质性有关,不能用统一模式给予解释,各震群主要受当地局部构造和流体作用的影响。

大容量气枪震源及其波形特征

大容量低频组合气枪震源已成功应用于南海北部海陆联测实验及陆上水库实验，其信号传播最远距离可达255km．为了探讨气枪信号的波形特征，从广东省地震台网数据中选择了台基相同、震级与震中距相近的珠海台的地震记录，将气枪震源、天然地震和爆破三种震源的波形特征进行了对比分析，结果表明，气枪信号特征明显，信号主频4～8Hz，振幅±0．15μm·s^-1，波形一般具有3～5个峰值，并随时间有规律变化，易于准确识别．实验探测结果说明，这种能量强、重复性好、探测精度高、绿色环保的枪阵组合震源可广泛应用于海洋与陆地深部结构研究．

珠江口海域滨海断裂带的地震学特征

利用2010年珠江口外海陆地震联测数据,探测到滨海断裂带在担杆岛外12km处发育,断裂带主体倾向东南、宽约20km,沉积层在断裂带内迅速增厚引起陆上固定地震台站的Pg震相在对应断裂带位置的走时明显滞后.通过震相分析和走时正演拟合,获得了滨海断裂带两侧由浅至深的纵波速度结构模型,断裂带内部沉积层速度为1.8～3.5km/s,上地壳速度5.2～6.1km/s,下地壳速度为6.3～6.6km/s,莫霍面的埋深由滨海断裂带陆侧的29km抬升至其海侧的27km.滨海断裂带两侧的地壳结构特征明显不同,证实了该断裂带是华南陆区正常型陆壳与南海减薄型陆壳分界断裂的性质.在华南沿海和海陆过渡带的下地壳顶部探测到厚约3km、层速度为5.5～5.9km/s的低速层,往海域逐渐减薄尖灭.壳内低速层是地壳中的力学软弱带,与近似正交的NEE向滨海断裂带和NW向断裂带共同组构成了该区地震活动的孕震构造.

华南沿海地区地壳厚度与泊松比研究

华南沿海地区地壳厚度和泊松比分布是了解该地区板块运动和地球内部物质结构的重要依据.本文利用广东台网和福建台网共75个固定地震台记录到的2001—2008年远震波形的接收函数,通过H-κ叠加法获得了74个台站下方平均地壳厚度和泊松比值的有效估计,结合该区断裂分布、地震活动和地形地貌特征,得出以下结论：（1）该区地壳厚度范围在26-32km之间,由陆向洋、自北向南减薄.泊松比0.23-0.28,由陆向洋增加,地壳厚度与泊松比变化分别和地表地形呈正相关和负相关;（2）地壳厚度和泊松比呈块状和带状分布,对应该区的断裂活动,其过渡带变化地区与地震分布一致,震群区和地幔上隆区对应泊松比的急剧增加;（3）该区主要以中、酸性地壳物质为主,地壳厚度与泊松比在近海区的构造伸展作用和褶皱区的逆冲推覆作用影响下,分别呈正、负消长关系,揭示该区不同时代和不同区域构造演化模式的差异.

南海中北部OBS2006-3地震剖面中横波的识别与应用

纵横波联合探测可以获得丰富的地下结构信息。纵横波速比和岩石泊松比在预测岩石圈的岩性、物性等介质属性方面有重要的作用。通过对比南海中北部OBS2006-3地震剖面垂直分量和径向分量上的纵横波走时、视速度以及质点运动轨迹,识别出了转换横波震相。本文以OBS8和OBS10台站的数据为例,说明了横波识别的方法,并在拟合好的P波速度模型基础上,利用RayInvr软件对转换横波震相进行了射线追踪,确认了PwSs3、PgSs3、PmS等几组转换震相,计算了这两个站位下的波速比和泊松比。根据OBS2006-3测线下地壳高速层的P波速度(VP=7.20—7.25km·s-1)、S波速度(VS=4.20—4.23km·s-1)、泊松比(0.24)等参数,初步推断下地壳高速层是由上地幔岩浆底侵作用形成。

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。

南黄海OBS2013海陆联合深地震探测初步成果

为了研究渤海—山东半岛—南黄海一线的深部构造特征,利用海区气枪震源和陆区爆破震源探测,于2013年在胶东、渤海和南黄海布设了一条海陆联合深部地震探测剖面。海陆联测剖面包括渤海和南黄海两条海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer,OBS)测线和一条陆上地震测线,是首次在南黄海地区布设的OBS深地震测线。文章对南黄海段测线上的海底地震仪数据进行了数据预处理,其中包括地震数据解编处理、截裁处理等,结果表明,此次实验海底地震仪记录质量良好,可以清晰地识别出Ps、Pg、Pm P等多组震相,还首次观察到了来自千里岩隆起带上的P波震相,说明数据处理流程是可行的;再结合地质地球物理资料,初步分析了南黄海不同构造单元的震相特征,为下一步地壳速度结构的模拟及解释工作奠定了良好的基础。

南海北部洋陆转换带地震反射特征和结构单元划分

张裂大陆边缘和盆地主要通过岩石圈的伸展作用形成,被动大陆边缘岩石圈的减薄导致了岩浆的减压熔融,最终形成了洋壳和减薄的转换带。处理和分析了2010年中国科学院南海海洋研究所"实验2"号采集的南海北部地球物理调查的多道地震数据(MCS2010-1),总结了南海北部洋陆转换带的地震反射特征。转换带主要由北部裂陷期下沉区段,中部海山或埋藏海山隆起带和靠近海盆一侧的掀斜断块带组成。通过对比以前南海北部采集的反射地震数据和折射地震波速度模型,圈定了洋陆转换带的分布范围,洋陆转换带的宽度在南海东北部是225km,中部是160km,西北部是110km。依据零星的大于6级地震震中分布,揭示了南海北部洋陆转换带目前仍是一个地震构造活跃带。

珠江口外潜在强震区海陆地震联测的初步结果

海陆地震联测是研究海陆过渡带深部地壳结构的有效的地球物理方法。为了研究珠江口外潜在强震区的深部发震构造,对比分析了2004年和2010年珠江口外海陆地震联测的数据特征,重点对2010年海陆地震联测实验的OBS2010-1测线进行分析。通过对该测线采集数据的初步分析可知,此次实验数据质量较高且完善性好,多道地震探测获得了清晰的浅部结构,固定地震台、流动地震台和海底地震仪记录的震相信息丰富,固定台接收气枪信号的最远接收距离约为360km,为研究该潜在强震区的深部发震构造打下了良好的基础。