南海北部被动陆缘洋陆转换带张裂–破裂研究新进展

文章基于深地震探测数据与大洋钻探资料,研究了南海北部被动陆缘洋陆转换带张裂–破裂机制科学问题。2018-2023年在国家基金委共享航次的协助下,实施了三维深地震探测实验,共投放海底地震仪52台次,海底电磁仪2台次,放炮数量达8750炮,累积获得了294Gb的第一手数据,并取得了一系列的创新性成果:1)首次获得南海北部陆缘洋陆转换带深达上地幔的三维速度结构,精准确定了研究区洋陆转换带三维空间展布范围宽度为10~20km;2)揭示南海北部陆缘异常活跃的岩浆作用,提出了不同时间段的构造与岩浆相互作用方式,岩浆活动随着伸展作用不断向洋迁移并逐渐占据主导地位;3)建立了边缘海独特的张裂–破裂地质演化模型,最后一期强烈的岩浆活动导致岩石圈破裂,形成由玄武岩为主的“鳄鱼嘴”构造,同时张裂–破裂过程沿其陆缘走向又存在显著的构造–岩浆差异性。

南海洋脊跃迁的深地震探测数据分析

洋脊跃迁事件是海底扩张阶段受强烈构造和岩浆作用的普遍现象,地球物理资料表明洋脊跃迁事件存在于南海多期次海底扩张过程中,然而关于洋脊跃迁的深部速度结构特征尚不清楚.2021年国家自然科学基金共享航次实施了深地震探测测线OBS2021-1,该测线横穿南海东部次海盆洋脊跃迁(J3)区域.本文介绍了该测线数据的采集情况,完成了导航文件(Ukooa文件)的制作、原始数据的格式转换、炮点位置和海底地震仪(OBS)位置校正的前期数据处理工作.结果表明,OBS2021-1测线数据质量良好,经过炮点和OBS位置校正后,OBS综合地震记录剖面可识别出多组清晰的P波震相,包括Pw、Pg、PmP以及Pn震相.根据同船采集的多道地震处理解释和国际大洋发现计划(IODP)钻探数据,建立了沿测线的初始速度模型.使用RayInvr软件初步获得了OBS2021-1测线下方的正演速度结构模型,识别洋脊跃迁的深部速度结构特征.数据处理结果表明南海洋脊跃迁的地壳厚度增厚,在多道地震剖面上存在渐新世地层的缺失,为进一步研究南海洋脊跃迁过程与构建南海形成演化历史奠定了研究基础.

南海西南次海盆深部结构研究进展与展望

西南次海盆位于南海渐进式扩张的西南端,共轭陆缘结构和残留扩张脊保留完整,是研究南海深部结构和动力学机制的关键区域。前期研究发现,西南次海盆洋陆过渡带较窄、同扩张断层发育、地震反射莫霍面不清晰、具有慢速扩张等特征。然而,由于不同探测方法获取的地壳结构具有多解性,使得西南次海盆洋陆转换过程、慢速扩张洋壳结构与增生模式以及龙门海山岩石性质与地幔成因机制等基础科学问题尚存争议。为此本文建议在西南次海盆开展地质取样获取海山岩石样品,确定其年龄与性质,分析扩张后海山形成的深部动力过程;并对关键构造部署高精度的地震反射/折射联合探测,结合岩石物理分析,对西南次海盆进行构造成像和物质组成参数正反演,以实现壳幔尺度的地震学透视,为探索西南次海盆洋陆转换过程和洋壳增生模式提供重要的证据,以丰富和完善南海的动力学演化模式。

南海巴士海峡三维OBS探测的异常数据恢复

为了探明南海东北部马尼拉俯冲带北段的地壳结构属性,2016年4—6月,"实验2"号科考船执行基金委共享航次,在巴士海峡区域实施三维海底地震仪(OBS)深地震探测实验.实验总共投放48台国产便携式OBS,最终回收41台,放炮测线长2300km,有效放炮10800次,获得了宝贵的第一手数据资料.但初步处理显示,新研发的25台OBS数据异常,未能识别有效震相,给后续计算模拟带来极大困难.为此,本文对异常数据进行了深入分析,通过数据格式检查、导航放炮时间查对、相邻台站信号对比、外部时间和内部时间分析等手段,发现数据异常的原因是采样间隔发生了变化,由设置的4.0ms变为实际的4.5ms,导致内部时间出错,无法正确裁截和对齐震相.新版仪器为节能优化,调低了CPU主频,导致在较高采样率情况下,实际采样间隔比预设要长,这是造成数据异常的主要原因.通过修正采样间隔和数据重采样的方法,我们成功恢复了异常数据,获得了清晰的地震剖面.此项研究不仅挽救了宝贵的地震数据,为下一步地壳结构研究提供数据基础,而且提升了国家基金委共享航次的科学意义,可为今后国产仪器的研发和使用提供重要参考.

西南印度洋洋中脊热液A区海底地震仪数据处理初步成果

在西南印度洋热液活动A区(49°39′E)开展的三维海底地震仪(OBS)探测实验为研究该区域的深部地壳/上地幔结构提供了重要基础,而OBS数据处理是获取研究区三维速度结构的基础环节。文章介绍了此次实验中所用的3种不同类型OBS(国产、法国和德国OBS)的数据处理流程,包括地震数据解编处理、截裁处理和地震信号的可视化处理;并以第2790炮为例分析了3种类型OBS记录数据的波形和频谱特征。结果表明,由于受不同类型OBS的频带、传感器和拾震器等影响,国产与法国OBS都能记录到长周期和短周期噪音,而德国OBS只记录到短周期噪音;但经带通滤波后,3种类型OBS都能够很好地压制噪音,突出有用的气枪信号;对比3种类型OBS(分别以OBS04、OBS08和OBS23为例)沿主测线X1X2的综合记录剖面,发现3种类型OBS都能够记录到多组清晰可靠的P波震相,如直达水波、Pg、PmP和Pn震相,为下一步A区的三维层析成像奠定了坚实数据基础。

西南印度洋洋中脊热液活动区综合地质地球物理特征

西南印度洋洋中脊(SWIR)是超慢速扩张洋脊的代表,是海洋地学研究热点.本文从SWIR多波束水深数据、重、磁数据和地震结构等几方面,阐述了SWIR热液活动区(49°39′E)的综合地质地球物理特征.SWIR热液活动不仅与扩张速率有关,构造作用更是一个重要控制因素;热液活动区位于Indomed和Gallieni转换断层之间,从水深地形上看,该区段洋脊是SWIR上水深最浅的区域之一,水深与MBA存在良好的镜像关系,MBA和RMBA低值意味着较厚的地壳厚度与较高的地幔温度,洋脊段27地壳厚度大于9km,可能是受到Crozet热点的影响;磁条带数据表明,此区段洋脊南北两翼呈不对称扩张,形成南翼的浅离轴域比北翼宽;在洋脊段28发现的活动热液喷口刚好位于热液蚀变形成的低磁强区内,具有良好的硫化物资源.这些认识必将为在该区首次实施的三维地震探测研究的地质地球物理解释及活动热液喷口的动力学机制研究打下坚实基础.

西南印度洋中脊龙旂热液区(49°39′E)的地震波各向异性研究进展与展望

龙旂热液区(49°39′E)是超慢速扩张西南印度洋中脊(SWIR)上发现的首个活动热液喷口,也是我国开展海底多金属硫化物资源勘探和走向深海大洋的重点研究区域。前期三维层析成像研究成功地揭示了该区的深部结构特征,但仅仅是提供了静态信息,相比之下,地震波各向异性研究是揭示其深部动力学机制的有效手段之一。本文简要介绍了龙旂热液区开展的主动源和被动源海底地震仪(OBS)探测实验,并初步分析了前期三维层析成像的走时残差数据,发现其与方位角之间存在显著的余弦函数关系,表明该区速度结构存在各向异性,但其各向异性来源尚不明确。探索各向异性来源将有望揭示该区的热液循环机制,为认识超慢速扩张SWIR热液区形成的动力学演化过程提供科学依据。因此,本文拟在前期研究基础上,利用主动源和被动源OBS地震数据,通过纵波方位各向异性和横波分裂联合分析的方法,重点研究地壳和地幔各向异性特征,并结合三维速度模型与区域地质背景资料,对获得的快波方向和快、慢波到时差参数进行深入分析,阐明地壳内裂隙分布、应力场变化和地幔流动特征,从而揭示龙旂热液区的热液循环机制、岩石圈形变和深部动力学过程等科学问题。

西南印度洋中脊三维地震探测中炮点与海底地震仪的位置校正

在海上实施三维地震探测过程中,人工震源枪阵中心与船上GPS的距离及地震探测作业中的船行方向造成炮点实际位置与预设位置有一定偏差;自由落体投放的OBS由于海流的影响会偏离原定设计位置(投放点),因此,炮点与海底地震仪(OBS)的位置校正是三维地震结构研究中的基本环节.本文利用艏向信息校正了炮点位置;采用蒙特卡洛和最小二乘法方法对海底地震仪的位置进行了校正,并探讨了直达水波曲线特征.结果表明OBS位置一般偏离设计点1km左右,其误差范围在20m以内,校正后的OBS记录剖面展示了真实的记录情况.该研究结果为下一步西南印度洋的三维层析成像研究提供了坚实数据基础,同时为今后南海的三维深部地壳结构探测提供经验与借鉴.

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9.2×10^5 km^3,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.

慢速、超慢速扩张洋中脊三维地震结构研究进展与展望

慢速与超慢速扩张洋脊是研究岩浆活动、构造运动、热液循环等相互作用的最佳场所;其复杂的三维空间的地震结构是构建构造动力学机制的基础。文章首先结合国际深海研究发展趋势,回顾了慢速扩张洋脊的三维地震结构研究进展,发现慢速扩张洋中脊与快速洋脊相似,也存在岩浆房或熔融体;然后,重点结合我国2010年1—3月首次在西南印度洋洋中脊开展的三维地震探测实验,提出了今后超慢速洋中脊的重要研究方向;此次地震数据初步处理结果表明,数据质量良好,为下一步三维层析成像研究打下坚实基础;相信此次研究将在超慢速扩张洋脊的形成演化机制上取得突破性进展,提升我国在国际大洋中脊研究中的地位。

初至波层析成像的反演参数选取：以南海中央次海盆三维地震探测数据为例

FAST(first arrival seismic tomography)软件是获取复杂地区三维深部结构的最常用工具之一,而反演参数选取是快速有效地获得真实合理的地震结构的关键环节。以南海中央次海盆三维地震探测数据为基础,采用先固定其中一个参数、选取另外一个参数、再综合选取的控制变量法,详细地介绍了FAST反演参数组合的选取过程。选取结果表明,反演参数组合(阻尼因子λ=2,平滑度权重因子sz=1,反演次数I=4)为南海中央次海盆三维地震结构的最佳反演参数,由此获得的最佳初步速度模型表明中央次海盆具有典型慢速扩张的洋壳结构。此项反演参数选取工作不仅为珍贝-黄岩海山链精细三维地震结构的正式模拟奠定了基础,同时为FAST软件在其他地区的应用提供了丰富的经验与借鉴。

马尼拉海沟俯冲带前缘(21°N)海底地震仪数据处理初步成果

在马尼拉海沟俯冲带前缘开展了二维海底地震仪(OBS)探测实验,布置了一条东西走向的深地震测线——OBS2015-2。以该测线上的2个台站(OBS04和OBS08)为例,阐述了此次实验所用短周期国产OBS的数据处理流程。包括从原始数据到SAC格式、再到SEGY格式的转换;同时包括炮点位置校正和OBS位置校正。数据处理结果表明,OBS2015-2测线的数据质量良好,综合地震剖面显示来自深部的震相(如Ps P、Pg、Pm P等)信息十分清晰。利用Rayinvr软件正演试算,进一步确认了震相类型,特别是来自于输入板块莫霍面的反射震相非常丰富,为马尼拉俯冲带的输入板块地壳底界面的确定提供了重要的数据基础。

潮汕坳陷中生代沉积层纵横波速度结构

潮汕坳陷残留有巨厚的中生代沉积层,是南海油气勘探的重要区域。已经开展了大量的多道地震反射工作,同时也有折射地震和海底地震仪研究,但尚未开展纵横波联合研究。纵横波联合探测,可以获得更多的地下结构信息,对油气勘探有重要的意义。在OBS2006-3剖面潮汕坳陷中生代沉积层纵波速度结构的基础上,对转换横波震相进行了射线追踪和走时模拟。结果表明,潮汕坳陷中生代沉积层厚度较大,最大厚度达到8km,纵波速度从顶部的4.4km.s–1增加到底部的5.3km.s–1,相应的横波速度由2.6km.s–1增大到3.0km.s–1,泊松比为0.24—0.26,波速比为1.74—1.80,其成分可能包含有砂岩、泥岩和火山岩。同时根据该区的地球物理特征,结合前人的研究,分析了油气勘探潜力。

南海IODP 367-368钻探区深地震探测的OBS站位设计分析

借助于国际大洋发现计划平台,于2017年2月—6月间在南海实施第三次科学钻探(IODP 367-368航次)。海底地震仪(OBS)深地震探测和国际大洋发现计划(IODP)钻探成果相结合,可以对南海北部洋陆转换带(COT)边界及地质属性的确定提供更好、更全面的深部地质过程解释。文章基于IODP 367-368钻探提出的三种可能设想(下地壳出露、最老洋壳出露、上地幔出露),分别建立了三种初始速度模型。利用Rayinvr及Tomo2d软件,对每一种初始模型分别开展了不同OBS间距的射线追踪和走时模拟测试对比,以及模型的分辨率测试。测试结果表明:OBS间隔为7km比间隔为10km具有更好的射线路径与密度覆盖;对于上地幔出露模型,需要足够长的探测测线(>100km),才能有效得到30km深处信息;分辨率测试说明,OBS间距需要设置小于或等于7km时,才能有效分辨20km速度异常体(即模糊带)。

海底地形校正在正确拾取OBS震相中的重要作用

海底地震仪(ocean bottom seismometer,OBS)探测是获得海底深部地壳结构的首选方法。正确拾取OBS记录中折射/反射震相,对获得准确的深部速度结构非常重要。当OBS布设在崎岖海底时,起伏的海底地形会影响OBS地震记录剖面中Pg、Pm P、Pn等岩石圈内部震相的展布特征,如南海东部次海盆中横穿珍贝-黄岩海山链的A4M4地震测线和西南印度洋中脊横穿扩张脊的Y3Y4测线,强烈的地形高差变化增加了这些测线上OBS台站地震剖面的震相识别难度。在震相拾取之前,通过地形校正方法消除海底地形对震相的影响;地形校正后,根据震相视速度及其展布趋势可以准确地识别震相,有效地提高了震相识别的可靠性。地形校正方法在上述地区的震相识别与速度结构研究方面发挥了重要作用,同时为今后在其他地形变化复杂地区的OBS震相识别提供了经验与借鉴。

南海东部马尼拉俯冲带深部结构新认识

2015—2018年,国家自然科学基金重大研究计划"南海深海过程演变"的重点支持项目"南海东部马尼拉俯冲带深部结构探测与研究"以马尼拉俯冲带为研究重点,从深部地球物理的角度探索南海形成演化史与运行规律。项目执行期间,在国家基金委共享航次协助下,先后开展和参与5次综合地球物理探测,共投放海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer,OBS)台站73台次,海底电磁仪(Ocean Bottom Electro Magnetometers,OBEM)仪器5台次,累积放炮达13872炮,成功获得了60台OBS数据和5台OBEM数据。同时,取得了一系列创新性研究成果:(1)基于人工地震探测及天然地震层析成像结果,确定南海东北部的地壳属性为受到张裂后期岩浆活动影响的减薄陆壳(12~15km),划分了南海北部陆缘洋陆边界(Continent-Ocean Boundary,COB);(2)根据多道地震反射剖面,划分了马尼拉俯冲带北部增生楔前缘的精细结构;(3)圈定了南海停止扩张时洋壳范围;(4)初步构建了南海与菲律宾海板块构造演化模型。本项目为重大研究计划"南海深海过程演变"核心科学问题(海底扩张的年代与过程)提供了实质性的证据,同时为南海构造演化生命史的"骨架"提供了重要的基础数据,具有深远的科学意义。

OBS2018-H2测线反射与折射数据联合揭示南海北部陆缘洋陆转换带的深部地震结构

南海北部陆缘洋陆转换带是减薄陆壳和正常洋壳之间的过渡区域,蕴藏着南海从张裂、破裂至初始海底扩张的重要信息.OBS2018-H2测线穿过了国际大洋发现计划(IODP)的钻探站位U1499和U1502,是一条平行于南海北部陆缘构造走向的深地震测线.我们利用测线上10台海底地震仪记录的走时数据,采用RayInvr正演和Tomo2d反演相结合的方法,获得了深达上地幔的速度结构;同时结合高精度多道反射地震数据以及IODP367/368/368X航次的钻探资料,将速度模型划分为西部残存的减薄地壳区(0~63 km)、中部岩浆构造转换带(63~120 km)和东部中下地壳剥露区(120~180 km)三部分;然后综合与该测线垂直的Lw7反射地震剖面,建立了南海北部陆缘张裂-破裂地质模型.研究揭示在晚始新世至早渐新世(34~30 Ma)时期,陆壳快速伸展减薄,引发了软流圈的强烈上涌,并伴生大量岩浆侵入到减薄地壳;熔融物质在~30 Ma破坏减薄陆壳并触发岩石圈破裂,快速(~28.7 Ma)过渡到火成岩地壳增生,形成了相对狭窄的洋陆转换带.该研究揭示了南海陆缘洋陆过渡带的深达上地幔的地震速度结构,以及复杂的构造-岩浆相互作用,为全球张裂-破裂过程研究提供了重要参考.

国产海底地震仪的时间记录与原始数据精细校正

海底地震仪(OBS)的时间记录对数据处理是至关重要的.实践发现,部分国产便携式OBS的数据记录存在较大的内部时间误差,并且实测地震剖面异常的同相轴"断阶"、"倾斜"现象时有发生.我们通过自激自收试验,对这些异常现象进行了验证,确认其来源于OBS数据文件内部时间漂移,以及数据处理程序存在的缺陷.统计表明,A、B型OBS内部时间漂移量在250Hz的预设采样率下为0～40ms,L、S型OBS在100Hz下为0～90ms.这个量级的时间漂移,会对OBS数据处理、计算模拟产生影响.进一步,我们采用计算实际采样间隔、调整采样间隔、数据重采样的方法,对这种误差进行校正,并且改进了相关的OBS数据处理程序.本文的研究加深了对OBS数据时间记录误差的认识,得到了OBS数据文件内部时间漂移的分布规律,使得中等及较大程度的内部时间漂移的精细校正得到重视,进而完善了OBS数据处理步骤和流程,对OBS数据的有效利用进行了重要补充,为国产OBS的广泛使用、仪器研发提供了重要参考.

三维OBS探测实验中炮点和OBS位置校正新方法

炮点和海底地震仪(ocean bottom seismometer,OBS)位置校正是三维地震数据处理的基本环节,也是获取高精度三维速度结构的关键所在.本文基于南海洋陆转换带(Continental-Oceanic-Transition zone,COT)IODP367/368钻探区开展的三维OBS深地震探测数据,开展了炮点及OBS位置校正研究,新的校正方法主要体现在三个方面:(1)利用连续三个炮点的平均航向对中间炮点进行位置校正,更真实地反映气枪枪阵与船体之间的软连接状态;(2)根据"滑动窗口"思想将海水声学速度阈值划分成N等份,通过循环测试获得全局最优的OBS位置校正结果,改进了前人方法只能获得局部最优解的问题;(3)针对单条测线穿过的OBS,通过加入其临近测线的直达水波走时,构成视双测线OBS位置校正法,提高了校正精度.49台OBS位置校正结果表明,除3台单测线法校正的OBS在垂直测线方向存在较大不确定性外,其余误差范围均为35m左右.本文改进的OBS位置校正方法,不仅提高了单条测线穿过的OBS位置校正精度,保证后续三维地震结构研究的可靠性,而且为今后类似的OBS位置校正提供了经验和借鉴.

宽频带海底地震仪的地震重定位对马尼拉俯冲板片形态的约束

将宽频带OBS用于海底天然地震长期观测,在国内尚处于实验阶段.2015年在马尼拉俯冲带北段开展了为期6个月的宽频带海底天然地震观测试验.根据回收的1台海底地震仪(OBS04)与国际地震台网的718台陆地地震台站,共记录到7562个P波走时和5002个S波走时数据,利用Hyposat地震定位方法,对马尼拉俯冲带北部(119°E—123°E,19°N—22°N)在2015年8月至2016年2月期间的264个地震进行了重定位.地震重定位的结果及定位误差分析表明,在海域布设的OBS04台站让地震观测的空间分布更为合理,提高了地震定位精度;重定位后的震中分布更为集中,与地质构造吻合良好;浅部的地震活动较为活跃,分布密集,与浅部断层发育有关;重定位后的4条震源深度投影剖面,从不同角度较好地约束了俯冲板片上边界的板片形态,板片倾角在浅部0~30 km区间约为10°~22°,随着深度的增加,俯冲板片逐渐变陡,在深度120~180 km处倾角约为41°~58°.该项研究为马尼拉俯冲带北段的板片形态提供了重要约束,而且为今后长期天然地震观测提供了重要而宝贵的经验与借鉴.