邢 濤 張訓(xùn)華 張向宇

(1. 國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣州 510075; 2. 青島海洋地質(zhì)研究所 青島 266071)

南黃海位于中國大陸和朝鮮半島之間, 兼跨三大構(gòu)造單元。南黃海的北部靠近山東半島, 以成山頭-長山串一線為分界與北黃海相連, 屬中朝塊體。南黃海的西界為山東半島南部和蘇北平原, 南黃海中部則為揚子塊體。南黃海的南部以啟東咀-濟(jì)州島一線為分界與東海相連, 處于閩浙隆褶帶, 屬華南塊體(邢濤等, 2005)。南黃海及其鄰近區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造, 從北部到南部, 依次有千里巖隆起、南黃海北部盆地、中部隆起、黃海南部盆地、以及勿南沙隆起(金翔龍等, 1982; 侯方輝等, 2008)。上述構(gòu)造被一系列多期次、多層次的斷裂切過, 從而形成復(fù)雜的構(gòu)造體系(郝天珧等, 2002)。本文研究區(qū)具體位置如圖1中紅框所示。

在南黃海對基底結(jié)構(gòu)開展研究, 對于明確整個海域的深部構(gòu)造, 探究中朝塊體與揚子塊體、揚子塊體與華南塊體構(gòu)造之間的關(guān)系及其相互作用, 以及分析南黃海盆地區(qū)域構(gòu)造特征與形成演化過程等方面, 都有重要的理論意義。同時, 對于在該海域?qū)崿F(xiàn)油氣突破以及做好新的油氣遠(yuǎn)景評價也有重要的現(xiàn)實意義。

本文重點使用一維頻譜分析方法, 對磁力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行磁性基底埋深反演, 并進(jìn)一步結(jié)合地質(zhì)地球物理綜合手段, 主要針對南黃海的磁性基底特征和重磁異常進(jìn)行分析及綜合解釋。

1 所用資料與處理方法

本文所采用的數(shù)據(jù)取自“我國海域1︰100萬地質(zhì)地球物理系列圖編制”項目和“南通幅項目的調(diào)查”的重磁異常數(shù)據(jù), 采用的坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84, 統(tǒng)一使用墨卡托(正軸等角圓柱)投影, 統(tǒng)一投影參數(shù)為中央經(jīng)線123°00′E、標(biāo)準(zhǔn)緯線34°30′N。具體技術(shù)路線圖見圖2。

1.1 重磁異常延拓

為削弱局部異常, 突出深部異常, 將重力、磁力異常數(shù)據(jù)作了向上延拓處理。對研究區(qū)布格重力異常、磁力異常分別向上延拓10km處理, 所得結(jié)果與異常圖對比如圖3、圖4所示(圖4空白部分為磁力異常數(shù)據(jù)缺失區(qū)域)。

1.2 典型剖面地質(zhì)-地球物理綜合分析

圖1 南黃海及其鄰域地質(zhì)構(gòu)造示意圖Fig.1 Position and geological structure of the Southern Yellow Sea

為了對研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造有更全面的認(rèn)識, 為接下來的磁性基底反演提供約束, 在研究區(qū)選取一條縱穿南黃海北部盆地和南部盆地的SN走向的剖面進(jìn)行地質(zhì)-地球物理綜合解釋。典型剖面具體位置如圖3、4中紅線所示。綜合剖面圖見圖5, 共分為三部分, a部分為布格重力異常曲線和自由空間重力異常曲線; b部分為磁力異常曲線; c部分為地震地質(zhì)解釋剖面圖。

如圖5所示, 沉積基底面的變化是導(dǎo)致該典型剖面的布格重力異常曲線上下起伏的主要因素。其中南黃海盆地里的凹陷區(qū)域與布格重力異常的低值相對應(yīng), 而盆地里凹陷邊界處的斷裂帶則與布格重力異常的梯度劇變相吻合。與波動較大的布格重力異常不同的是, 典型剖面的磁力異常曲線分布則相對穩(wěn)定,變化相對緩和, 曲線的峰值也相對較小, 南黃海斷陷盆地內(nèi)的斷塊活動則有可能是造成這種曲線分布的主要原因。

1.3 磁性基底反演方法原理

為得出磁性基底深度分布, 我們對海區(qū)的原始磁力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行反演。本文所采用的是一維頻譜分析法, 即頻率域的切線法, 對磁力異常網(wǎng)格化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理, 計算出磁性基底深度數(shù), 繪制磁性基底深度等值線圖, 為進(jìn)一步的磁性基底特征研究提供依據(jù)(王懋基等, 1991, 1992; 宋正范, 1997)。

在剖面位場數(shù)據(jù)的變換過程中, Filon傅里葉變換更接近于理論點極的結(jié)果, 可以更好地識別高頻段的異常, 從而提高推斷的分辨率。本文采用Filon數(shù)值方法計算異常的功率譜。

圖2 綜合解釋技術(shù)路線圖Fig.2 The flowchart of integrated interpretation

剖面上的對數(shù)功率譜與頻率的關(guān)系(Spectoret al,1970)如公式(1)所示:

式中l(wèi)nE(q)為對數(shù)功率譜,q為頻率變量,H、S和C分別是深度因子、寬度因子和厚度因子;h、a和t則分別為源總體的平均深度、平均寬度和平均厚度值,const代表常數(shù)值。

如果S=C=1(當(dāng)2a＜h和t＞h), 則公式(1)為

將公式(2)代入公式(3)得

于是:

圖3 布格重力異常上延對比圖Fig.3 Upward continuation of Bouguer gravity anomaly result

圖4 磁力異常上延對比圖Fig.4 Upward continuation of magnetic anomaly result

圖5 地質(zhì)-地球物理綜合剖面圖Fig.5 Geological-geophysical profile

式中,k為斜率,

有些特殊情況下, 如果2a＞h或t＜h, 就會在衰減曲線段發(fā)生變化, 使得深度估計過深或者在曲線上產(chǎn)生峰值, 這樣還需要再對曲線進(jìn)行校正。

應(yīng)用由上述原理編寫的磁力異常反演軟件, 對研究區(qū)的磁力異常進(jìn)行反演。在異常圖上應(yīng)用切線法, 對網(wǎng)格化異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 利用一維頻譜分析得出異常體的埋深。在研究區(qū)圖幅內(nèi)均勻取點處理, 得出圖幅內(nèi)磁性基底深度數(shù)據(jù), 繪制磁性基底深度等值線圖(圖6)。

圖6 磁性基底埋深等值線圖Fig.6 The depth contours of the magnetic basement

2 磁性基底特征分析和綜合解釋

2.1 磁性基底特征分析

圖6給出南黃海的磁性基底埋深等值線分布, 如圖所示, 南黃海的磁性基底深度變化范圍為2—10km。海區(qū)內(nèi)磁性基底埋深的變化起伏比較大, 分布圖中可以看到多個局部的隆起與凹陷區(qū), 反映出磁性基底的構(gòu)造格局。南黃海的磁性基底主要以“中間埋藏淺而四周深”為特點(郝天珧等, 2010), 構(gòu)造走向以EW、NE向為主, 其中最大埋深位于朝鮮半島西側(cè),而最小埋深位于南黃海中部隆起帶上。結(jié)合對比磁力異常上延10km的等值線分布, 可以看出磁力異常特征與磁性基底埋深有一定的對應(yīng)關(guān)系。

2.2 綜合解釋

通過對圖4—6的解讀, 在重力及磁力異常對比、磁力異常的變化幅度及磁性基底特征分布三個方面反映了海區(qū)的斷裂、盆地以及隆起的特征。重磁異常上延后的等值線圖更為突出了深部異常, 再結(jié)合磁性基底埋深圖進(jìn)行分析, 有助于加深認(rèn)識區(qū)域構(gòu)造特征, 進(jìn)一步對磁性基底特征進(jìn)行綜合解釋和研究。

對于南黃海的重力異常和磁力異常分布而言,最顯著的特征即為NE或NNE走向斷裂的構(gòu)造分帶(郭玉貴, 1997)。在南黃海及鄰域內(nèi), NE或NNE走向的斷裂構(gòu)造帶由北西往東南方向排列主要包括: 郯城—廬江斷裂帶、大別山—膠南—臨津江對接褶皺帶、以及江山—紹興—光州斷裂(溫珍河等, 2011)。

通過對磁性基底分布特征的研究, 我們發(fā)現(xiàn)研究海域所廣泛沉積的震旦系—中、下三疊統(tǒng)以海相為主的地層中包含著兩套磁性巖系。其地層厚度在7—8km之間, 處在揚子塊體的海洋延伸帶上。兩套磁性巖系呈上下兩層結(jié)構(gòu), 下層為前寒武紀(jì)變質(zhì)巖系, 上層為火山碎屑巖系, 其地質(zhì)年齡處于中生代。此雙層巖系在長期的地質(zhì)演化過程中經(jīng)歷了褶皺變質(zhì)和隆起等過程, 并與火山巖的入侵伴生。同時由于明顯的界限存在, 研究海域的磁場區(qū)呈塊狀(楊慧良, 2009),與周圍環(huán)境呈現(xiàn)截然不同的特征, 這也從側(cè)面反映了整個塊體的獨立性。

結(jié)合南黃海的構(gòu)造特征和重磁異常特征可將研究區(qū)分為四個構(gòu)造單元來進(jìn)行綜合解釋: I. 華北—狼林地塊、II. 揚子—京畿地塊、III. 華南—嶺南地塊、IV. 東海大陸架(邢濤, 2002), 每個大區(qū)下又可分為幾個小區(qū)。圖7為研究區(qū)布格重力異常分區(qū)圖, 圖8為磁力異常分區(qū)圖, 圖6中也給出相應(yīng)分區(qū)。

I 華北—狼林(中朝)地塊

圖7 布格重力異常分區(qū)圖Fig.7 Division of the Bouguer gravity anomaly

圖8 磁力異常分區(qū)圖Fig.8 Division of the magnetic anomaly

山東半島南側(cè)海域在本研究區(qū)內(nèi), 其近海磁場異常特征具有極其顯著的特征。總體的NE走向及負(fù)異常背景上所疊加的正異常圈閉呈現(xiàn)串珠狀線性分布(田振興, 2007), 揭示了斷裂帶及磁性物質(zhì)在其兩側(cè)的存在。同時我們也發(fā)現(xiàn)在重力異常圖上存在著一條30—40mGal取值的NE向高值帶, 對應(yīng)著千里巖隆區(qū)突出的線性特征。作為基巖隆起區(qū), 長期以上升作用為主決定了其磁性基底埋深較淺(在3—5km左右)的特征, 因此推斷其主要成分為前震旦紀(jì)變質(zhì)巖系, 并在上層局部地區(qū)存在著中生代沉積和火山巖系, 發(fā)育了一系列斷裂構(gòu)造, 沿斷裂有酸、基性巖漿的侵入和噴發(fā)。

II 揚子—京畿地塊

南黃海區(qū)域大部分位于揚子地塊。揚子地塊的南界是呈NE走向延伸的江紹—光州斷裂帶。北界是千里巖斷裂帶, 沿NE方向延伸一直可以達(dá)到朝鮮半島的海州一帶, 是南黃海與千里巖隆起區(qū)的邊界斷層,密集的重力異常梯級帶沿NE方向延伸。從磁力異常梯級帶的平緩變化特征出發(fā), 可在斷裂帶發(fā)育中得到相應(yīng)解釋: 位于南/北側(cè)的串珠狀負(fù)/正異常圈閉是其具體表現(xiàn)。揚子地塊的西界與江紹斷裂相連接, 在32—33°N附近與勿南沙隆起斷裂帶相交, 繼續(xù)向木浦—光州方向延伸并進(jìn)入朝鮮半島的東海岸海域。從重力異常分布來看, 有向NE向延伸的跡象。在海域部分, 磁力異常表現(xiàn)為串珠狀正異常圈閉的錯斷, 在浙西皖南一帶磁力異常正負(fù)變化相間分布, 取條帶狀NE向延伸。該斷裂帶延伸長度大, 切割深度相對較深, 是揚子塊體與華南塊體的分界, 使前寒武紀(jì)地層與古生代地層成斷層接觸。

從重力異常和磁力異常分布上來看, 揚子地塊內(nèi)最明顯的特征是在南黃海盆地范圍及周圍區(qū)域兩者都以負(fù)的異常值為主, 與之相反, 在鄰近江山—紹興—光州斷裂帶的區(qū)域則主要以正的重力和磁力異常值為主, 斷裂主要有NE向、NW向、EW向和近SN向四組。

II1南黃海北部盆地異常區(qū)

南黃海北部盆地是一個明顯的負(fù)重力異常分布區(qū), 進(jìn)一步可劃分為南部、中部和北部三個東西向帶狀、面積大小各不相同的次異常圈閉, 總體走向為NEE向。在中部隆起與北部盆地之間存在一個重力梯級帶, 梯度變化在20mGal以上, 磁性基底在該處快速變深, 對應(yīng)的磁場也出現(xiàn)了500nT左右的強(qiáng)變化異常, 因此推測此處存在EW向斷裂, 成為了該盆地的南緣邊界。該斷裂屬張性正斷層, 沿斷裂有淺層侵入體。另一組斷裂為NNW向, 共有兩條, 近東西向負(fù)磁力異常帶被錯動成三段。其中西段和中段之間的磁性體埋深差別很大, 斷裂以西, 埋深達(dá)7km左右, 而斷裂以東埋深抬升為4km, 兩側(cè)存在3km左右的落差。沿該西段負(fù)磁力異常帶向西延展, 可到蘇北的連云港附近。由于前震旦紀(jì)弱磁性的變質(zhì)巖系存在, 此區(qū)域的磁力負(fù)異常呈帶狀分布, 前人的陸地巖石磁性特征研究為此假設(shè)做出了佐證(林珍等, 2009)。盆地內(nèi)有厚度變化不均勻的弱磁性中新生代沉積層,前震旦系結(jié)晶基底埋藏較深。

II2南黃海中部隆起區(qū)

南黃海中部隆起區(qū)為重力異常相對升高區(qū)域,大部分區(qū)域以10mGal左右的異常為主要背景, 異常分布以東西兩側(cè)較高, 中間相對平緩。在過渡帶(123°10′E)附近有一明顯梯度帶, 兩側(cè)異常差值在10mGal以上。因此可將該區(qū)分為東、中、西三部分。從上延的布格重力異常圖上可以看出, 分布形態(tài)比布格異常更清晰。西段的重力異常高, 夾持在北部盆地和蘇北盆地的重力異常低之間; 中段的重力異常低, 位于南黃海北部盆地和南部盆地之間; 東段的重力異常高, 明顯地標(biāo)示出南黃海盆地的東界。重力異常的變化反映了構(gòu)造基底的起伏變化, 總體上為淺埋藏的結(jié)晶基底。根據(jù)磁力異常的分布顯示, 在東段與中段之間的交接處, 磁性基底埋深值深至6km左右。而在東段, 磁性基底埋深相對較淺為3km左右。由此, 東段和中段的磁性體埋深差異可達(dá)到3km左右, 與此落差相對應(yīng), 在布格重力異常分布圖上, 顯示此處存在梯度變化, 約10mGal。除此之外, 在磁力異常分布圖上可以看到, 此區(qū)域有一個規(guī)則且對稱分布的帶狀異常, 其磁力異常最大值超過500nT。結(jié)合上面的討論分析, 認(rèn)為在中段可能對應(yīng)著一個較大規(guī)模的近SN走向的深部斷裂(郝天珧等, 2002; 郝天珧等, 2003), 從而一個顯著的對比特征在古生代地層的厚度特征方面可以被預(yù)見。

在中部隆起區(qū)東段磁力異常表現(xiàn)為正負(fù)相間的分布特征。區(qū)域內(nèi)西區(qū)表現(xiàn)為系列塊狀的正異常區(qū)域分布(123°20′E以西); 東區(qū)表現(xiàn)為以-100nT為絕大多數(shù)下限的負(fù)異常區(qū)域。在這兩個正負(fù)異常區(qū)之間夾有面積較大變化異常區(qū), 分布著密集的閉合的正異常值。

通過上文磁力異常的分布情況, 我們可以得到如下推斷: 在研究區(qū)域存在著兩條深大斷裂帶, 它們對結(jié)晶基底的深度和巖性有著可能性控制。此特征在研究區(qū)域中部隆起區(qū)的東段較為顯著: 在123°10′E附近, 磁性基底埋深分布直接反映著基底斷裂的近南北向特征。伴隨著斷裂帶的東-西走向, 磁性基巖埋藏深度也存在著淺-深的變化, 由2—3km變化到5—7km并伴隨著8km的極端深度。從而可以推斷此為基底深斷裂帶。另一條北西走向的斷裂帶則控制了結(jié)晶基底的巖性?；跀嗔阎g的諸多異常變化特征,我們可以推斷此區(qū)域的巖系分布為在前寒武紀(jì)變質(zhì)巖系的基底之上存在覆蓋著中生代火山碎屑巖系。

II3南黃海南部盆地和勿南沙隆起區(qū)

西側(cè)的南黃海南部盆地規(guī)模比蘇北盆地小得多,并與之連成一體, 重磁異常都為團(tuán)塊狀的負(fù)異常分布區(qū)。該區(qū)重力異常較低, 有較厚的下第三系存在,為中、新生代沉積坳陷區(qū)的反映。中、新生代弱磁性沉積層厚度較厚, 前震旦系結(jié)晶基底埋深較深, 部分可達(dá)7km, 局部磁力高對應(yīng)于盆地內(nèi)新生代玄武巖、輝巖、燕山期閃長巖、花崗巖和印支期花崗巖。

東側(cè)的勿南沙隆起區(qū)為正重力異常分布區(qū), 變化也較平緩, 與陸地蘇南隆起相連。勿南沙隆起是以中生代、古生代地層組成的隆起, 布格異常變化趨勢為東高西低。勿南沙隆起區(qū)的磁力異常則以較平緩的負(fù)異常為主。該區(qū)基底巖石磁性微弱, 其巖性應(yīng)以淺變質(zhì)碎屑巖系為主, 推測其巖性可能為千枚巖、板巖、片巖以及碳酸鹽巖類所構(gòu)成的弱磁性基底, 基底埋深為3—6km。基于該區(qū)域磁異常分布的平滑性, 我們可以推斷出研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的如下特征: 基巖埋藏的深入性, 地質(zhì)構(gòu)造的緩和性以及巖漿活動的平穩(wěn)性。

III 華南—嶺南地塊

華南—嶺南地塊夾持在江山-紹興-光州斷裂和東海陸架之間。在斷裂帶的東南側(cè), 主要是分布較為均勻的負(fù)磁力異常。在斷裂帶的西北部分則主要是大量正閉合的磁力異常中心。在重力異常分布中此斷裂帶是一個梯級帶。在華南—嶺南地塊中間對接處出現(xiàn)錯斷跡象, 在它們的結(jié)合部位, 出現(xiàn)斷陷引起的重力、磁力異常平緩變化的負(fù)異常特征, 缺失有關(guān)隆褶和火山活動引起的異常特征。

變化尤為劇烈的華南—嶺南地塊磁場直接表征著較淺的結(jié)晶埋藏基底, 其2—4km的深度與中新生界的地層對應(yīng)。同時, 正磁力異常條帶分布的強(qiáng)度與高磁性特征玄武巖的后期侵入, 及其沿南黃海中部—濟(jì)州島斷裂帶的發(fā)育存在著直接聯(lián)系。

IV 東海大陸架

圖幅內(nèi)東南側(cè)為東海大陸架的虎皮礁隆起部分(梁瑞才等, 2006;韓波等, 2010)。該部分的磁性體埋深一般不會超過5km, 作為基底的變質(zhì)巖系呈現(xiàn)出弱磁場背景, 主要是燕山期花崗巖類的反映(吳健生等,1992, 2005)。

3 結(jié)論

本文利用南通幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的重磁異常數(shù)據(jù),針對典型剖面進(jìn)行了地質(zhì)-地球物理綜合分析, 并在這些條件約束下進(jìn)行南黃海磁性基底反演, 所得到的主要結(jié)論如下:

(1) 在磁力資料處理中, 一維頻譜分析作為一種磁力異常的反演方法, 在研究區(qū)磁力異常埋深反演上取得了良好的應(yīng)用效果。在一維頻譜分析方法中,采用Filon變換可以更好地識別高頻段的異常, 從而提高推斷的分辨率。

(2) 南黃海屬于揚子塊體向海域的延伸部分, 研究海域所廣泛沉積的震旦系—中、下三疊統(tǒng)以海相為主的地層中包含著兩套磁性巖系。上部的中生代火山碎屑巖系, 在長期的地質(zhì)演變過程中伴隨著褶皺、變質(zhì)和隆起并且伴有火山巖入侵等過程。下部的弱磁性基底由前震旦紀(jì)變質(zhì)巖系組成, 與下伏地層呈不整合接觸。在海區(qū)內(nèi), 磁性基底埋深的變化起伏比較大,分布圖中可以看到多個局部的隆起與凹陷區(qū), 反映出磁性基底的構(gòu)造格局。

(3) 南黃海區(qū)域可分為華北—狼林地塊、揚子—京畿地塊、華南—嶺南地塊、東海大陸架四大構(gòu)造區(qū)塊, 通過重磁異常變化特征和磁性基底特征分析, 為研究區(qū)斷裂等區(qū)域構(gòu)造特征解釋提供了可靠的依據(jù)。

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