科技前沿▏南海海底地震仪三维深地震探测的进展及挑战

赵明辉等溪流之海洋人生 2021-10-08

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南海作为西太平洋最大的边缘海之一，是我国走向深海大洋战略的突破口；其在新生代经历了早期张裂、破裂、海底扩张、到后期俯冲消减的近于完整的威尔逊循环过程，形成了一个具有独特演化模式的、贫岩浆型张裂陆缘的海盆。然而，研究南海存在两大难点，一是南海深海盆覆盖着沉积层，掩盖了海底扩张时期的海底构造；二是南海张裂期后与扩张期后的岩浆活动强烈，改变了先存的构造。为揭示南海形成演化过程，前人在1999年开展了第一次南海大洋钻探，即ODP184航次，通过在高沉积速率的陆坡打钻，获得了东亚季风在南海的记录；在2014年进行了第二次大洋钻探，即IODP349航次，在南海洋盆残留扩张脊附近打钻，以确定南海海盆扩张历史为主要科学目标。2017年2～6月，在南海开展了第三次大洋钻探，即IODP367-368航次，以揭示南海从张裂到破裂的演化模型与破裂机制为主要科学目标，这3次大洋钻探极大地丰富了对南海的形成历史、构造、沉积和古环境演变的认识，把南海研究推向了世界地学研究的前沿。

然而，为揭示南海从张裂到破裂的演化模型与机制，除了IODP钻探获取良好的由陆至洋、从沉积物至基底样品，以及钻孔岩心的地质地球化学等研究之外，更需要有地球物理探测的配合。特别是由于IODP钻探孔位有限、深度有限，最多只能获得沉积基底以下100～250m的样品，无法对更深层的岩石进行约束。因此，开展深地震探测至关重要。

海底地震仪(OBS)深地震探测技术，可以获取深至地幔岩石圈结构，是解决深部结构问题的有效手段。与长缆多道地震探测相比，OBS有效探测深度更大(可达35～40km)，探测范围更广(可达200～300km)，获得的深部速度更为可靠。尤其是OBS仪器有四分量记录，其垂直分量和水听器分量数据可以记录气枪激发的纵波(P波)震相，获得P波速度结构，两个水平分量记录着转换横波(S波)信息。由于S波对于流体的敏感特性，综合Vp、Vs、Vp/Vs与泊松比等信息可有效约束岩石类型，因此，P/S联合在判断蛇纹石化地幔和下地壳高速层方面，有着得天独厚的优势。

南海深地震探测经历了声纳浮标、双船扩展剖面(ESP)、海底地震仪深地震探测3个阶段。到了20世纪90年代，海底地震仪探测技术日益成熟，在南海北部和南部陆缘开展了多条二维深地震探测剖面(图1)，获得了大量数据质量好、深部信息丰富的地震资料．前期OBS 探测结果揭示了南海北部陆缘的地壳结构具有由陆向海呈阶梯式减薄的特征，没有发现向海倾斜反射层(SDR)，因而确定南海北部陆缘是贫岩浆型(非火山型)大陆边缘；探明南海北部IODP367-368钻探区发育有大型深水/超深水盆地，如珠江口盆地白云－荔湾凹陷，随着第一口深水井(LW3-1-1井)的成功钻探，白云－荔湾凹陷已成为南海北部最具深水油气资源潜力的战略区。然而，OBS二维深地震探测，人工震源只是沿测线单方向放炮，海底地震仪只记录到单方向的深部地震波信息，获得的二维速度结构剖面不能全面地展示具有复杂的三维空间变化的岩石圈结构，如: 南海北部陆缘洋陆转换带、残留扩张脊、马尼拉俯冲带等，有时甚至会陷入“盲人摸象”的误区，从而无法解释复杂的地质构造现象。2011年前后，在南海深海盆内完成了两个OBS三维网格探测，标志着南海OBS深地震探测由二维发展到三维，进入新的历史发展阶段。本文首先综述了OBS深地震探测在南海深部结构认识方面的重要作用，接着回顾了南海开展的4次OBS三维深地震探测实验及其重要突破性成果与认识，然后，详细介绍了为了解决南海洋陆转换带张裂－破裂机制科学问题，2018年5～7月在IODP367-368钻探区实施的三维深地震探测情况，最后阐明了解决关键科学问题所面临的挑战及其结论。

黑色实线为实施采集的二维深地震测线；标号为1、2、3、4的红色方框为已实施OBS三维深地震探测区域，具体OBS及测线位置见图2、3、4和5；红色方框IODP为2018年实施OBS三维探测的洋陆转换带区域，详细部署见图6。

图1 南海深地震探测现状

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一、南海三维深地震探测及重要进展

⒈南海深海盆OBS 三维深地震探测

海底扩张脊是重要的板块构造边界之一，更是洋壳开始形成的地方．国际上多个研究计划(RIDGE，InterRidge，ILP，IODP等)都把扩张脊及洋壳增生过程作为研究重点．海底地震仪探测技术及三维层析成像方法的成熟使用，极大地推动了全球三维深部地震结构研究，已成为探讨深部动力学机制的基础．南海是停止扩张的边缘海，其扩张脊我们称其为残留扩张脊(ESR)；南海残留扩张脊经历了一个中速－慢速－零速的过程，再加上停止扩张以后受到强烈的岩浆活动的改造，可以肯定南海残留扩张脊的深部地震结构一定会更加复杂，二维剖面研究不能全面地反映残留扩张脊复杂的三维空间变化。

南海西南次海盆呈喇叭形状(图1)，形成时间为25～16Ma，其残留扩张脊沿NE-SW方向，长160km，水深300～4300m，脊轴扩张中心宽有40～50km(图1，图2a)，后期岩浆活动形成的海山丰富，如龙南海山、龙北海山和中南海山，这些海山占据着残留扩张脊的位置．为了解洋脊下方的深部结构特征，2010年12月到2011年3月，部署了OBS 三维深地震探测实验(图2a)，4条测线共40台OBS，OBS间距为10～15km，大容量气枪震源为0．098m³，炮间距约为200m。但由于此次实验遭遇恶劣天气影响，只有26台OBS成功回收，为结构模拟带来一定困难与挑战，三维速度结构模拟工作仍在进行之中。二维主测线T1 探测结果显示残留扩张脊两侧洋壳不对称扩张(图2b，2c)，拆离断层(detachment fault)发育，由于在扩张期和扩张后岩浆供应量随时间和空间发生变化，从而导致地壳厚度的不同。然而，由于T1测线地震速度结构仅仅是二维正演模型，没有进行反演模拟的约束，对于低角度(24°)拆离断层以及上地幔低速带是否存在，二维正演速度结构模型中仍然存在许多推断与不确定性，期待接下来的三维速度结构模拟能够给出更多的验证。

图a对应于图1中的红色方框1，红色圆圈为OBS台站，白色为丢失OBS台站，黑色线段为放炮测线。图c据Zhang et al．(2016)修改

图2 南海西南次海盆OBS三维深地震探测图(a)，

T1测线二维速度结构模型(b)及地质解释模型(c)

而南海东部次海盆沿残留扩张脊方向上分布的珍贝－黄岩海山链，东西长约200 km，南北宽40～60km，山顶相对海底高差达4km。前人研究结果及IODP349航次结果，南海东部次海盆海底扩张年龄在33～15.5Ma；然而当海底扩张停止后，岩浆活动仍在继续，珍贝－黄岩海山链形成于东部次海盆的残留扩张脊区域，根据珍贝和黄岩海山样品测年，时间分别为7.7Ma和9.9Ma；来自于IODP349航次U1431站位的火山碎屑的测年为13～8Ma，也就是说，形成珍贝和黄岩海山链的大规模岩浆活动是在海盆停止扩张后的2.5～7.5Ma期间，至少持续了5Ma。那么这个海山链的形成机制如何？是否属于扩张结束时剩余岩浆活动的产物? 还是由于海南地幔柱的影响？

为此，2011年5月，在国家基金委重大研究计划“南海深海过程演变”项目支持下，由中国科学院南海海洋研究所主导，利用“实验2号”船，在东部次海盆开展了大规模的OBS三维深地震探测实验，部署了42台OBS，OBS间隔约10km，整个OBS台阵呈“丰”字型分布(图3)，回收41台，记录有效数据台站39台；震源系统由4支大容量1500L型号的BOLT气枪组成，震源总容量0.0983m³，共激发8252次有效炮点；该实验获得了大量数据质量好、深部信息多的地震资料，是截止目前为止在南海最成功的一次三维深地震探测实验，为获得深海盆扩张脊处的深部精细速度结构提供重要基础数据支持。OBS三维探测揭示南海东部次海盆残余扩张脊速度结构具有复杂的三维空间变化，分为4种洋壳类型: ①薄洋壳(＜5 km)，②典型洋壳(5～6km)，③以扩张期后岩浆活动为主的具有山根的厚洋壳(＞6km)和④以扩张特征为主的没有山根的厚洋壳(＞6km)。珍贝－黄岩海山链是海盆停止扩张后6～10Ma岩浆活动的产物，其形成受到构造与岩浆的双重作用，可能是由于海南地幔柱活动影响，通过浮力上涌减压熔融机制，岩浆沿着以前的构造薄弱带上涌，形成珍贝－黄岩海山链。关于东部次海盆背景噪音研究以及残留扩张脊的各向异性研究正在推进。

图a对应于图1中的红色方框2，红色圆圈为OBS台站，白色为丢失OBS 台站，黄色为没有数据台站，黑色线段为放炮测线；图b据Wang et al．(2016)修改，图中白色五角星为IODP349航次U1431站位，PSVR代表扩张停止后岩浆活动岩脊

图3 南海东部次海盆OB三维深地震探测图(a)

及横穿珍贝－黄岩海山链的三维速度切片解释模型(b)

⒉南海北部陆缘东沙隆起带三维深地震探测

南海东北部东沙隆起区是一个构造特征比较复杂的区域，发育有多个NE向相互平行的构造带，如高磁异常带、潮汕坳陷、北倾断裂带及磁静区。为了揭示该地区岩浆活动的强度和成因机制、中生代残留体的地壳属性、古俯冲构造体系的存在性和特征等构造信息，夏少红研究团队2014年在该区实施了主动源OBS 三维深地震探测(图4)，部署了53台OBS，OBS间隔约10～20km，主测线垂直于南海北部陆缘的构造走向，沿NW-SE向布设，回收48台OBS，记录有效数据OBS有30台(图4a)；震源系统由4支大容量1500L型号的BOLT气枪组成，震源总容量0.0983m³，共激发10955个炮点。

图a对应于图1中的方框3，红色圆圈为OBS台站，黑色线段为放炮测线；图b中红色椭圆表明海山椭圆的底部，黑色线表明东沙陆坡上的4条海山链，据Fan et al．(2017a，2017b)修改

图4 南海东沙隆起区OBS三维深地震探测图(a)

及东沙陆坡海山分布(b)

根据OBS三维探测中获取的多道地震数据以及前人发表的多道数据，在南海北部陆缘中东部共识别出了45座海山(图4b)，并利用椭圆锥体近似拟合海山单体形状，据此估算出了这45座海山的出露体积总量，达2644.89km³。通过统计海山椭圆底面长轴信息，发现其长轴优势方位角总体介于45°～90°之间，该方向与南海破裂期和扩张期产生的断裂体系走向(NE和NEE向)较一致，指示这些断裂体系极可能是形成张裂后期火山活动的岩浆通道。远震层析成像研究结果显示南海东北部上地幔存在一条明显的低速异常带，该低速异常带推测可能与南海北部裂后期发育的海底火山存在紧密联系。南海北部已有的海山底部的地壳结构，显示海山下伏的地壳底部均存在高速异常结构，且从单、多道地震数据上可以清晰地辨别海山浅部结构以及岩脉发育特征，穿越地壳的高速通道将下地壳高速异常体和浅部海山结构进行了有效衔接，揭示了南海北部下地壳高速体与上覆海山之间存在紧密的空间耦合关系。插值获得的初步三维地壳速度结构刻画了中生代残留盆地、构造薄弱带、下地壳高速体及壳内岩浆通道的空间展布特征，为阐明先存构造体对大陆边缘构造形态的控制作用、裂后期岩浆活动对贫岩浆型陆缘的改造作用提供了观测证据。三维反演工作正在进行，期待获得更精细的三维地壳结构。

⒊南海东北部马尼拉俯冲带三维深地震探测

马尼拉俯冲带是一条“吞噬”南海物质的边界，是构成完整的南海威尔逊循环的端点，更是了解南海的形成与构造演化的关键。最新天然地震层析成像研究表明，南海板片(南海东北部陆缘)已经沿着马尼拉海沟俯冲下去有400～500km深，与贝尼奥夫地震带的走向一致，其深部动力学过程依赖于时间与空间变化，具有三维各向异性特征；而且南海东北部地壳属性及洋/陆壳边界(COB)位置一直存在争议，南海东北部(21°N)是减薄陆壳？还是增厚洋壳？还是受到张裂期后岩浆活动影响的减薄陆壳？该减薄陆壳与马尼拉俯冲板片的关系是什么？2016年在南海巴士海峡区域开展的OBS三维深地震探测，将获得马尼拉海沟俯冲带(21°N)在三维空间上深部速度结构特征，有望为上述科学问题的解决提供重要科学依据。

中国科学院南海海洋研究所“实验2”号，在2016 年4～6月期间执行基金委南海北部地球物理共享航次调查任务，在巴士海峡区域(范围为118°～121．5°E、20°～22°N)完成了大规模的OBS三维深地震探测实验；总共投放了48台国产便携式OBS，站位间距约15 km，成功回收41台，回收率85%；放炮时间长达13天，完成16条地震测线(图5)，累计里程2300km，放炮间隔约90s，放炮数量高达10800炮。

对应于图1中的红色方框4，白色圆圈为OBS台站，黄色线段为放炮测线。图中红色线段为2015年采集的二维深地震测线OBS2015-2

图5 南海巴士海峡OBS三维深地震探测位置

为保证航次的顺利开展以及从外交安全考虑，所有放炮测线和OBS 站位均位于我国南海九段线以内。但由于部分OBS仪器是2016 年国产的新型号OBS，为节能优化，改版的OBS升级更新了CPU和存储介质，需要通过这个航次开展海试与验证，实际应用效果仍需提高与改进，前期对部分OBS台站出现的记录采样率问题进行了成功修正，目前获得有效记录数据的OBS台站28台(图5)。二维主剖面OBS2015-2测线速度结构(图5) 结果初步揭示，前人认为是E-W向海底扩张形成的磁异常条带(C15-C17)，其实是岩浆活动形成的具有高磁特征的火山岩脊，南海东北部的地壳本质是属于受到张裂期后岩浆活动影响的减薄陆壳，地壳厚度为12～15km，在下地壳底部存在高速层；三维速度结构模拟工作正在进行之中。

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二、南海IODP钻探区OBS三维深地震探测

中外科学家经过了4年的科学论证，2017年2～6月，IODP367-368航次成功在南海打钻，该航次以揭示南海从张裂到破裂的演化模型与机制为主要科学目标，大致沿着一条垂直于南海北部洋陆转换带(COT)测线设计了4个关键站位，分别位于外缘隆起带(41A)、深部圈层的海底剥露单元(14A)、洋陆转换带COT区(8B)、稳定扩张海盆最老洋壳(9B)。然而最新大洋钻探成果显示: 获得6口井岩心，其中有3口井钻遇基底(U1504，U1502和U1500)(图6)，位于外缘隆起的U1504井(原设计站位41A)揭示为减薄陆壳，原来设想的地幔出露的位置U1499井(原设计站位8B)没有钻遇基底，无法确定其地壳属性，而与U1499 相邻井位U1502和U1500却钻遇了洋壳玄武岩，在如此狭窄的洋陆转换带空间中减薄陆壳与洋壳之间如何转变？而且由于IODP钻探孔位有限、深度有限，最多只能获得沉积基底以下100～250m 的样品，无法对更深层的岩石进行约束；为了解决南海COT地质单元属性以及陆缘张裂－破裂机制问题，需要在横向上和纵向上取得更大范围的认知，约束深部地壳和岩石圈结构。

对应于图1中的红色方框IODP，图中红色方框为OBS三维探测区，黄色圆圈为四分量OBS站位，黑色线为项目实施的放炮测线，其中L1、L2和H1、H2为4条二维主测线，各布置13台OBS，其余为辅助放炮测线；粉红色线和橘色方框为中海油采集的长缆深反射剖面(包括2002DSRP测线)和三维反射工作区；红色五角星为IODP367-368航次钻探站位(1499，1500，1501，1502 和1504)；橘色方块为ODP184和IODP349航次站位

图6 南海IODP367-368钻探区OBS三维深地震探测部署

因此，以南海IODP367-368航次的钻探井位为中心部署了OBS三维探测网格(图6)，2 条NW-SE向主测线沿中海油公司的长缆多道测线(Line1570和Line1573)布置，2条NE-SW 向主测线同样沿着已有的多道反射剖面(图6中粉红色)布置，4条主测线分别布设13台OBS，在重点COT区段OBS站位间隔加密到5～7km，一共投放53台海底地震仪( 图6) ; 然后利用大容量气枪作为人工震源，沿着设计的14条测线及外围包络线(图6中红色方框)进行走航式放炮，气枪激发12000次以上。密集的OBS站位和炮点数据将为详尽刻画COT 的形态、速度、各圈层的岩石物性参数等提供基础数据。

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三、OBS三维深地震探测面临的挑战与认识

开展OBS三维深地震探测，首先将所有OBS仪器沿设计测线全部投入海底后，开始使用大容量气枪沿着设计网格进行人工震源的密集激发，当所有测线激发完成后，进行OBS回收。这就要求: ①开展三维海上探测需要有足够的OBS仪器，而且OBS仪器留底时间较长，如上述4次三维探测实验中一般部署40～60台，放炮时间为10～15 天；②为了获得更好的分辨率，在重要构造区带OBS间距需要加密，一般为5～8km；③在部署OBS三维探测实验时最好兼顾二维主测线，这样三维速度结构切片可以与二维速度结构模型相互对比研究，更好地约束重要构造区带的速度展布．即将在2018年5～7月实施的IODP钻探区三维深地震探测(图5)，将面临着以下挑战。

⒈OBS三维深地震探测能否解读洋陆转换带区三维岩石圈结构？

IODP367-368钻探结果表明，如此相近的井位，岩性相差如此巨大，那么，这个洋陆转换带的本质是什么，是什么变形过程导致最终的洋盆打开？OBS三维探测从三维层析成像的角度来对洋陆转换带进行全面透视扫描，不仅可以确定上、下地壳以及岩石圈地幔的三维空间厚度变化，而且可以揭示是否存在随深度变化的拉张和沿走向的分段、有着什么样的断裂系统、洋壳如何出现等等，这些均是判断陆缘伸展机制和破裂方式的最基本要素。钻探和深部结构探测所获得的资料与数据，记录了岩石圈由张裂到破裂的全部过程; 如何根据现今的构造与信息反推张裂－破裂时期的构造演化历史，是研究面临的最大挑战。

⒉OBS三维深地震探测能否判别速度异常层的空间变化?

张裂大陆边缘岩石圈在破裂前后，由于各圈层的流变结构差异以及岩浆量的多少，导致张裂－破裂样式各异，比如: 全岩石圈断裂型、下地壳出露型、上地幔出露型等；IODP367-368 钻探结果表明，位于洋陆转换带处U1499钻孔以砾岩层结束，没有钻遇结晶基底，不清楚出露的岩石类型是什么，而解决破裂机制问题首先要探明南海COT 是否存在剥露的蛇纹石化地幔，拆离剥露的物质不同将决定不同的张裂－破裂方式。下地壳辉长岩(Vp＝6.8～7.5km/s)与上地幔橄榄岩(Vp＝8.0～8.3km/s)用P波速度很好分辨；然而，当上地幔橄榄岩与水发生作用，形成蛇纹石化橄榄岩后，根据蛇纹石化程度的不同，其P波速度变化很大；当与辉长岩速度相同时，仅依靠P波速度无法区分地壳与地幔；此次三维OBS深地震探测中的4条主剖面(图5)将开展纵/横波联合反演，根据两者的纵/横波速比及泊松比不同，可以很好地区分下地壳辉长岩以及上地幔橄榄岩。因而，纵/横波联合的多分量OBS探测在洋陆转换带研究方面将发挥重要作用，可以弥补钻探在控制面积(一孔之见)和探测深度方面的局限性，这是其他地球物理方法不可替代的。

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四、结论

⑴南海由于自身海底覆盖有沉积层，掩埋了海底扩张时期的海底构造，而且扩张之后强烈的岩浆活动改变了先存的洋底构造，为了解决南海洋壳形成、岩浆活动、马尼拉俯冲机制等具有三维空间属性的重要科学问题，必须依赖于OBS三维深地震探测技术，才能有效地实现研究成果的有机集成与整体提升。深海盆的三维深地震探测获得了残余扩张洋脊下方的速度结构，揭示了洋壳增生方式与扩张停止后的岩浆活动机制。东沙隆起区三维探测展示了张裂期后的岩浆活动及其上涌通道。马尼拉俯冲前缘的OBS三维探测阐明了南海东北部地壳厚度为12～15km，下地壳存在高速层，属于受到张裂期后岩浆活动影响的减薄陆壳，进一步确定了洋/陆壳边界。

⑵岩浆活动及其形成机制一直是南海的亮点与难点，如何判断岩浆活动是发生在南海陆缘张裂期、还是张裂期后，在海底扩张期形成洋壳时，还是在扩张停止后？在建立地质结构模型时，仔细区分不同时期的岩浆活动，是描述南海形成演化过程的关键。

⑶通过上述4个三维OBS深地震探测在南海的实施，笔者积累了丰富的海上作业实战经验以及大批量室内数据处理能力，针对不同的科学目标与研究区各自复杂的特点，将采用不同的部署方案与处理技术。2018年5～7月即将在IODP钻探区实施的南海OBS三维深地震探测(图6)；采用IODP钻探与OBS二维/三维深地震探测等多种地球物理手段相结合，力争用地震波“照亮”整个洋陆转换带的深部岩石圈结构，综合大洋钻探研究成果，从全局角度建立张裂－破裂过程与机制的地质概念模型。

【作者简介】本文作者/赵明辉杜峰王强丘学林韩冰孙龙涛张洁夏少红范朝焰，分别来自中国科学院南海海洋研究所、中国地质调查局广州海洋地质调查局、自然资源部第二海洋研究所和中国科学院大学；第一作者赵明辉，1967年出生，女，中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室，研究员，博士，从事海洋地球物理与深部结构研究；本文为基金项目，国家自然科学基金项目(41730532，91428204，41576070，41376063)、广东省基金团队项目(2017A030312002)、国家自然科学基金委员会共享航次(NORC-08)；文章来自《地球科学》（2018年第10期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。