中国东部海域海底地震探测

**章 绪论 《中国东部海域海底地震探测》是依托青岛海洋科学与技术试点国家实验室鳌山科技创新计划项目(项目编号：2015ASKJ03-1)、“973”计划项目“典型弧后盆地热液活动及其成矿机理”之课题“构造地质过程及其对热液活动的控制”(课题编号：2013CB429701)和国家自然科学基金国际(地区)合作交流项目“黄海及邻区壳幔结构及深浅构造关系的综合地球物理研究”(项目编号：41210005)取得的主要成果之一。这些项目总体研究周期为2012年至2017年，其主要目标是：针对我国南黄海、东海深部地质的关键科学问题和海底地震仪( ocean bottom seismograph， OBS)深部地震探测的关键技术难题，研发针对性的深部探测关键技术，实施 OBS深部地震探测，获得南黄海、东海深部地震探测剖面，进而得到研究区壳幔结构特征，揭示火成岩、断裂体系、沉积盆地和深部构造之间的相互关系，探讨太平洋板块俯冲的远程构造效应等科学问题。 根据南黄海、东海 OBS深部地震探测的科学目标，上述三个项目针对 OBS深部地震勘探的技术难题，开展了 OBS资料采集与处理关键技术攻关研究工作，实施了南黄海海陆联合深部地震探测和东海陆架盆地-冲绳海槽 OBS深部地震探测，获得了地壳速度结构剖面，取得了对南黄海深部地质、扬子块体与华北块体结合带在海区分布及接触关系，以及冲绳海槽地壳性质与演化规律等新认识。 一、中国东部海域深部地质探测历程 (一)南黄海 在本项目实施前，对南黄海的深部构造探测主要是采用重力、磁力探测和天然地震层析成像进行的。郝天珧等(2002，2003)分析了黄海地区的重力异常特征，利用布格重力异常数据反演计算出黄海地区的莫霍面深度在29km左右，仍属于大陆地壳，得出黄海东部存在一个 N-S向的断裂带；地震层析成像显示其为深达岩石圈的深大断裂带，该断裂带北部与山东半岛五莲-青岛断裂相连，南部与韩国济州岛南缘断裂相连，构成中朝与扬子块体的“ Z”字形拼合边界。张训华等(2008，2013)通过对南黄海海域重力、磁力资料反演处理得出莫霍面埋藏深度在28～33km变化，从海区向大陆，莫霍面深度呈阶梯状向下倾伏，但总体上等深线走向为 NE-NNE向，岩石圈厚度为80～100km。这一结论得到众多专家学者的研究结果的支持( Zhang et al.，2007；杨金玉，2010)。吴健生等(2014)利用地震资料和重力资料反演的方法得出下扬子地区的莫霍面深度为30～33km，莫霍面深度起伏不大，说明地壳相对稳定，接近于均衡状态。胥颐等(2008，2009)利用地震层析成像揭示出速度异常分布，认为南黄海东部和西部分属不同的构造块体，推测南黄海与朝鲜半岛之间可能存在一个近南北方向的深断裂——黄海东部断裂。南黄海北部的千里岩隆起是苏鲁造山带在海区的延伸，徐佩芬等(2000)通过地震层析成像结果，认为苏鲁造山带的岩石层结构具有“鳄鱼楔状”速度结构特征，即华北地壳楔入扬子中地壳并覆盖在扬子岩石层古俯冲带之上，这种在碰撞带深部存在的楔状构造是具有普遍意义的(Xu et al.，2002)。 众所周知，苏鲁超高压变质带是印支期扬子块体向中朝块体俯冲折返形成的。在陆上苏鲁地区，超高压变质带西以郯庐断裂为界，东临黄海，以北主要为华北块体，以南则为扬子块体。扬子与华北块体于印支期发生碰撞拼贴，苏鲁造山带为两块体碰撞形成的过渡带，向海区延入千里岩隆起区。由于海区缺乏地质露头和深部地震探测资料，对苏鲁造山带向朝鲜半岛延伸大致有两类观点。 1.苏鲁造山带延伸至朝鲜半岛，朝鲜半岛分属两大块体[图1.1(a)] 以刘光鼎(1992)提出的苏鲁造山带与临津江带相连为主要代表观点，许多学者进行了不同方面的阐述。任纪舜(1999)提出了苏胶-临津江造山带， Zhang(1997)认为过临津江带(IB)后经日本海继续向北与中国东北地区延吉带相连； Yin(1993)则认为经临津江带后向南延入沃川带( OB)，与湖南剪切带组成中朝-扬子的缝合； Chwae和 Choi(1999)提出苏鲁造山带经临津江后顺揪哥岭( Jooggaryeong)断裂向南延伸至沃川带；蔡乾忠(2002，2005)提出胶北造山带-千里岩隆起-临津江造山带是中朝块体与下扬子块体的分界线。也有学者认为苏鲁造山带与沃川带相连，认为京畿地块中近东西向延伸的洪城-奥德山带为两块体碰撞带在朝鲜半岛的位置( Oh et al.，2006a，2006b)；近年来在京畿地块(GM)西南发现洪城杂岩( Zhai et al.，2007)，使得越来越多的学者将苏鲁造山带延伸至京畿地块洪城地区；侯泉林等(2008)则提出自临津江至沃川带构成了一条较完整的中生代造山带，为大别-苏鲁造山带在朝鲜半岛的东延。 图1.1 黄海及毗邻地区构造关系模式图 (a)据刘光鼎，1992；郭兴伟等，2014；(b)据郝天珧等，2003，2004 2.造山带没有延入朝鲜半岛，朝鲜半岛整体上属中朝块体[图1.1(b)] 张文佑(1983，1986)认为扬子块体陆域北界为嘉山-响水断裂带，海区为千里岩隆起南缘断裂，结合带在朝鲜半岛西侧海域内为断层接触；万天丰(2004)认为黄海东缘断裂与济州岛南缘断裂及青岛-五莲-荣成断裂组成中朝块体和扬子块体的“ Z”字形边界；郝天珧等(2003，2004)依据黄海重磁反演和地震层析成像资料识别出朝鲜半岛西侧存在一条 NNE向大型右行走滑断裂——黄海东缘断裂带，可能沿朝鲜半岛西缘向南绕过济州岛，然后到日本方向；胥颐等(2008，2009)根据 P波速度各向异性特征认为黄海东缘断裂为块体缝合线； Chang和 Park(2001)认为缝合线为黄海中部北西向转换断裂；翟明国等(2007)推测朝鲜半岛和中朝块体在晚古生代之前属于同一陆块，并提出了扬子块体与朝鲜半岛的拆离-逆掩模式； Ishiwatari和 Tsujimori(2001)认为中朝与扬子的分界线一直延伸到台湾以东的石垣岛( Ishigaki)。 因此，实施海区的 OBS深部探测，对于厘定华北与扬子块体在海区的接触关系及碰撞结合带的展布，意义重大。 (二)东海 为研究控制东海陆架盆地、冲绳海槽盆地等构造单元的形成演化的大地构造背景，我国与周边国家及地区进行了大量的深部地质地球物理调查工作，主要采用多道地震、重力、磁力与 OBS探测等技术方法，进行了区域地质结构与深部地质特征的调查研究工作。其中，深部地质特征调查主要有：长江口—琉球海沟的地学断面调查(图1.2中的 A线)，长度725km的跨越东海陆架盆地、冲绳海槽、琉球海沟延伸到菲律宾海的地震-重力-磁力综合探测测线(图1.2中的 B线)，建立了反映沉积盆地和深部地壳宏观结构、岩石圈厚度展布，以及火成岩分布等地质特征的2D综合地质、地球物理模型(高德章等，2004，2006)；日本的岩石圈计划、中国台湾地区的 TAICRUST计划等一系列调查研究计划，在冲绳海槽及琉球海沟等海域完成多条 OBS深部地学探测剖面，揭示了冲绳海槽地壳的宏观结构特征(尚鲁宁等，2014)。 迄今为止，在我国东海地区仍有一些存在争议的科学问题。其中，昀重要的就是西太平洋昀年轻的、具备高热流和活跃构造运动的边缘海盆地——冲绳海槽盆地的地壳属性归属问题。针对这一正在经历快速拉张减薄作用的弧后盆地，目前存在拉张型大陆地壳(周祖翼等，2001；高德章等，2004；Arai et al.，2017)、过渡型地壳(郝天珧等，2004，2006)、新生大洋地壳( Lee et al.，1980；Kimura et al.，1986；梁瑞才等，2001)等多种观点。冲绳海槽地区地壳属性的厘定是众多海洋地质科学家关注的焦点，也是涉及中日海上划界的重要地质论证资料。开展深部壳幔结构研究，揭示深部构造特征，是解决这一问题的理想手段，这需要大量高精度的深部地球物理资料的数据支持。 图1.2 东海构造区划图(据尚鲁宁等，2014) 阴影部分代表基底隆起，橙色粗虚线为琉球火山前锋，红色实线为主要的断裂带： MFB.宫古断裂带， YKFB.鱼山-久米断裂带，ZKFB.舟山-国头断裂带， TFB.吐噶喇断裂带。紫线为冲绳海槽中央地堑： YoG.与那国地堑，YaG.八重山地堑， SG.先岛地堑，KG.庆良间地堑，AG.粟国地堑，IG.伊平屋地堑。 A与 B为重力、磁力、地震联合探测剖面(据高德章等，2004)。OBS2015：2015年 OBS探测测线 二、OBS深部地震探测技术发展历程 地震波(纵波、横波)在传播介质中非法线入射情况下，在速度、密度发生改变的分界面上会发生反射情况，同时也会出现传播方向改变的透射现象和地震波性质的转换。当非法线入射的地震波为纵波时，在物性界面处可形成反射纵波、透射纵波，以及反射横波、透射横波；同理，当倾斜入射的地震波为横波时，也会形成上述四种类型的地震波。由 Zoeppritz方程的计算分析可知，非法线入射的地震波随入射角的变化，反射波与透射波的能量发生改变：当入射角等于临界角时，在产生折射波的同时，透射波能量急剧下降，反射波能量急剧增大；当入射角大于临界角时，则发生大能量的广角反射。 在海洋深部地震探测中，深部地层速度高、密度大，界面波阻抗差异小，造成小入射角地震反射能量弱，而广角地震[ wide angle (aperture)reflection and refraction profiling， WARRP]勘探利用广角反射能量大的特点，可以获得深达莫霍面的地震反射信号。但是，广角地震需要大能量激发和大排列接收的特殊观测系统，拖缆地震勘探受地震船的拖曳能力限制，无法实现对深部地层的广角地震勘探。因此，能够实现与地震船分离的独立接收地震波的装备——OBS应运而生。 (一)国际 OBS问世于1960年，是当时美国为确定地下核试验的位置而研制的( Richards，1960)。由于其具有不受调查船束缚的独立布放、自主记录的特点，问世后得到世界各国海洋科技工作者的重视。随着 OBS技术的发展和制造成本的下降，以及海洋地球科学发展的急切需求，以 OBS为技术手段的海洋地震观测系统被广泛应用于天然地震观测及人工震源深部地质调查中(夏少红等，2016)，成为地球物理仪器与探测技术发展中的一个新的研究点，在海洋科学的研究中发挥着重要作用。从20世纪70年代开始，美国、日本及欧洲一些发达国家相继投入了大量的人力、物力研发 OBS装备和技术，并将其作为一种常规的调查手段应用于海洋科学研究中。美国率先应用 Texas仪器公司生产的 OBS监测千岛群岛到堪察加近海海域天然地震，同年苏联莫斯科大学也研制了 OBS，在印度洋进行了观测试验，得出了印度洋中央海岭的微震主要发生在两条平行峡谷里的重要结论(Kasahara and Harvey，1977；卢振恒，1999)。从20世纪80年代开始，利用大容量气枪阵列震源+OBS的广角/折射地震探测方法，在印度洋( Trey et al.，1999)、南极洲罗斯海域(Charvis and Operto，1999)、日本海沟( Miura et al.，2005)、地中海( Bohnhoff et al.，2001；Drakatos et al.，2005；Sachpazi et al.，2007；Martinez et al.，2008；Davide et al.，2009)、挪威海(Breivik et al.，2003)等许多具有重大地质意义的海域进行过海洋深地震探测实验，获得了一系列研究成果(阮爱国等，2004；吴振利等，2008；夏少红等，2016；刘训矩等，2019)。 到目前为止，利用 OBS深部地震探测技术开展了多个深部地壳探测计划，比较著名的有台湾