琼东南盆地地壳密度结构重震联合反演与岩性分析＊

刘一峰 张中杰 张素芳

（1.中国海洋石油总公司； 2.中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室）

南海北部大陆边缘盆地位于太平洋构造域与特提斯构造域交接部位，其新生代构造演化受到南海扩张、红河断裂带走滑作用以及菲律宾板块挤压等三大主控因素制约，并经历多幕裂陷期、区域热沉降期和晚中新世以来的新构造期三大构造演化阶段［1－3］。水深在300～3 000 m 之间的南海北部陆缘盆地区，由琼东南盆地中央坳陷带南部、神狐隆起南侧珠江口盆地珠二坳陷及其南部的南沙—中沙隆起和一统暗沙隆起组成［2，4－6］，其主体处于陆坡区，地壳以洋陆过渡壳为主，其形成与演化一直是地球科学界探索的热点，因此，基于长电缆深大地震剖面和随线重磁资料，采用重力与地震数据联合反演技术分析该区深部结构对于认识其形成与演化具有重要意义。而作为南海北部大型含油气盆地之一的琼东南盆地，分析其深部结构及特征对于理解该盆地形成机制、预测油气成藏规律及潜力更具有现实意义。

利用高精度地震勘探和广覆盖重力资料综合研究南海北部大陆边缘盆地地壳结构［7］及其特征的工作经历了20世纪70年代的声纳浮标、80年代的双船扩展排列地震和90年代的海底地震仪探测等几个阶段。中国海洋石油总公司、原地质矿产部、中国科学院等先后在南海开展了多次的宽角反射与折射、深反射与海底地震探测［3］。相比之下，本次研究采用的2006年中国海洋石油总公司在南海北部陆缘深水区采集的14条长电缆深大地震反射资料（图1）具有覆盖广、精度高、横向可对比性强等特点，且沿地震测线同时采集了重力数据、磁力数据及测深数据，具备了利用地震、重力等多种地球物理勘探成果开展综合研究的优越条件。

图1 南海北部深水区长电缆深大地震测线位置图

1 重震联合反演方法选择

重力勘探的基础或应用前提是勘探目标存在密度差异，地震勘探则要求待勘探目标存在波阻抗差异。通常，构成地质剖面的各地层密度与各层中地震波传播的速度是不同的，这一特点为联合使用地震勘探与重力勘探提供了有利前提。与此同时，在一定条件下或一定地区，地震波速与地层密度可以用某种简单的函数关系来近似表示。根据这些特征，目前存在3种主要的重震联合反演方法，即速度约束的密度反演、联合广义反演和人机交互反演。

速度约束下的密度反演是在给定速度—密度耦合关系式的情形下进行的。常用的速度—密度关系利用线性的伯奇（Birch）定律或指数型的加德纳（Gardner）方程获得。这种方法的反演结果精度很大程度上取决于地震速度的精度和速度—密度关系的合理性。

联合广义反演是对地震和重力2种观测数据进行相对加权的联合最小二乘反演，这种方法的难点在于如何选择加权因子。由于实际速度与密度之间存在不确定性，因此这种方法目前仍处于理论研究阶段，而且在构造比较复杂的地区难以得到比较理想的效果。

人机交互反演灵活实用，目前在国内外应用比较广泛。与上述2种方法相比，人机交互反演不仅避免了加权因子的选取，不要求具有明显函数表示的速度—密度关系，而且可以避免因速度—密度关系的不确定而带来的困难和不足，还具有节省机时与内存的特点。因此，本次研究选择地震约束条件下的人机交互重力反演方法。

2 地壳密度结构重震联合反演的流程与思路

利用跨陆架—陆坡区重磁异常资料，以长电缆地震深大剖面和2条海底地震仪剖面的岩石圈三维速度结构与构造［8－9］作为密度初始模型设计的依据，根据介质密度与速度关系、测井资料及岩石物性分析，用实测的布格重力异常作为约束，完成研究区多条剖面的重震联合反演，获得研究区岩石圈三维密度结构。其流程是：首先利用“剥皮法”由浅而深逐层计算不同界面重力异常，所得到的反演结果作为下一步地震解释依据；然后修改地震解释方案，根据修改后的地震解释结果修改地层密度参数和界面深度，如此反复直到得到既能与地震解释结果相近，又能达到较高拟合精度的反演结果；最后结合区域重磁、地震和地质资料进行综合解释，研究地震资料难以确定的深层界面。

由于自由空间重力异常既包含了海水层、海底地形起伏以及浅表地层中不均匀密度体的影响，又包含了地壳深部区域性密度分布不均匀的影响，因此需要采用合适的方法消除这些影响因素。本次研究首先采用迭代滑动平均法消除自由空间重力异常中的高频干扰，然后采用差值场法取向上延拓10 km后的剩余场作为重力观测值进行重震联合反演，其中海水密度取1.03 g/cm3。琼东南盆地地壳密度结构重震联合反演流程如图2所示。

图2 琼东南盆地地壳密度结构重震联合反演流程图

琼东南盆地深水区三维重力异常模型及地壳密度体构建的基本思路如下：

（1）定义多个垂直剖面的位置（图3）。本次研究选用互相平行的6条测线（图1中测线1～6）和与之垂直的3条测线（图1中测线7～9）构建密度结构模型。

（2）设置初始密度模型，即以地震速度剖面解释为依据，确定各测线不同密度块体的数目、节点与线和线与层的连接关系，以及各层的初始密度和块体编号。

（3）通过对初始模型的调整（如调整各节点的位置、增删节点、改变密度值等），使计算的重力布格异常曲线与观测的重力布格异常曲线尽量吻合，最终获得研究区地壳三维密度结构体（图4）。

3 重震联合反演结果的综合解释

琼东南盆地布格重力异常值均为正异常，磁异常一般是负异常值。从研究区地壳结构的地震速度［8］分析来看，沉积层总体上呈西北部厚度大、东南部厚度较薄的特征，并具有典型的下部断陷、断坳沉积和上部广海型披盖沉积的双层结构。

由于沉积层以下的地层没有可靠的岩性数据，因此依据重震联合反演结果对研究区地壳密度结构的解释主要参考以下密度特征和磁化率特征（表1）来进行。

表1 琼东南盆地长电缆地震深大剖面反演所采用的岩石物性参数

3.1 沿测线的地壳密度结构分析

地壳内部地层密度是研究地壳物质组成、理解岩石圈演化的重要信息［1，3］。通过三维重力异常模型建立与重震联合反演，可得到南海北部陆缘深水区沿各长电缆地震深大剖面的地壳密度结构。限于篇幅，仅以其中2条测线为例进行分析。

3.1.1 测线8重震联合反演地壳密度结构分析

测线8北东向分布，长约635.474 6 km（图1）。该测线重力异常为正异常，异常值为（28～71）×10－5m/s2；在0～400 km内的重力异常值起伏较平缓，而在400～600 km内的重力异常值达到极大值（图5a），说明琼东南盆地各个凹陷与珠江口盆地白云凹陷的地壳密度结构差异很大，主要是由下地壳层密度的差别引起的。

如图5b所示测线8磁异常为负异常，异常值－98～－12n T。在距测线西端220～350 km处也表现出了负磁异常极值，推测该处即顺德凹陷的磁性基底埋深较大。

图5 测线8重震联合反演剖面（具体位置见图1）

3.1.2 测线2重震联合反演地壳密度结构分析

测线2东南向分布，长约229.47 km（图1）。如图6a所示，该测线重力异常为正异常，异常值（8.4～112.2）×10－5m/s2。长昌凹陷处为高密度高磁性体，根据区域地质情况推断为新生代玄武岩和少量变质岩。在25～50 km处，重力拟合较差，主要是由复杂崎岖海底地形界面起伏形态而引起的。

如图6b所示，测线2磁异常在－95.0～50.5n T之间变化。在距测线西端65～180 km处为两翼对称的负异常，推测磁异常主要由较深源磁性体引起，磁性基底埋深较大，这与测线8所揭示的长昌凹陷的磁异常现象是一致的。

图6 测线2重震联合反演剖面（具体位置见图1）

3.2 琼东南盆地地壳密度结构分析

图7～11分别为琼东南盆地深度为4、10、16、22、28 km处密度体平面切片图。从图7可以看出，松南—宝岛凹陷、长昌凹陷和顺德凹陷的沉积层密度要比乐东—陵水凹陷、北礁凹陷的密度大，差异为0.25 g/cm3；从图8可以看出，松南—宝岛凹陷和长昌凹陷内为最大，达2.55 g/cm3；从图9可以看出，盆地中部的密度比周围约高出0.1 g/cm3；从图10可以看出，在松南—宝岛凹陷和长昌凹陷为最大，达3.2 g/cm3；从图11可以看出，盆地东南部的密度最大，为3.0～3.3 g/cm3。

对琼东南盆地密度体结构分析可以认为，各个断陷内均具有砂岩—泥岩—砂岩三重沉积充填结构；上渐新统陵水组在北部坳陷带属于过充填及平衡充填类型，发育砂岩—泥岩—砂岩三重沉积充填结构，而在中央坳陷带则属于由砂岩—泥岩二重沉积充填结构组成的欠充填型。

图7 琼东南盆地深度为4 km处密度体平面切片图

4 琼东南盆地地壳岩性分析

推断深部地壳地层物质组成的依据主要有以下几个方面：①根据地壳深部地层密度和地震波速度与地表岩石或矿物的有关性质对比进行推测；②根据地壳深部地层的压力、温度，通过高温高压模拟实验进行推测；③根据来自地壳深部的物质进行推断（火山喷发和构造运动有时能把地下深部（如上地幔）的物质带到地表）。

Christensen和Mooney［10］基于岩相学和地球化学的分析，将大陆地壳岩石分为安山岩、玄武岩、辉绿岩等29种，并通过实验测得这29种岩石在地壳50 km深的范围内、以5 km为间隔的密度，以及在3种不同地温梯度下的纵波速度和标准偏差，这为大陆地壳岩石性质与结构的研究提供了完备详实的实验资料。

在琼东南沿海岩石露头和钻井录井资料研究的基础上，本研究从上述29种岩石中选取上地壳层中常见的蛇纹岩、花岗片麻岩、石英岩、花岗闪长岩、闪长岩、玄武岩、辉长岩等7种岩石物性为参考，研究确定琼东南盆地内大型构造单元的岩性。

根据琼东南盆地地壳速度结构［8］和密度结构，利用其地表热流资料反演计算得到地壳的温压分布，校正实验得到7种参考岩石的纵波速度参数［10］。用于温压校正的温度剖面选自3SMAC模型。对于琼东南盆地，选用了纬度18°N温度场；再利用速度—密度非线性关系，计算得到7种参考岩石的密度值，从而获得对应于研究区特定温度条件下参考岩石的速度—密度及其偏差数据（表2）。

表2 不同温度条件下琼东南盆地上地壳层7种参考岩石的密度、速度及偏差值

对于每个构造单元，统计反演得到的琼东南盆地地壳速度和密度参数的平均值以及取值的偏差范围，然后与经过温压校正后的7种参考岩石的参数进行对比，以参考岩石的速度—密度相关性作为约束，即可得到各构造单元的岩性分布特征（图12）。

图12 琼东南盆地上地壳层大型构造单元的速度—密度分布图

通过与参考岩石的速度—密度相关性分布的对比发现，乐东—陵水凹陷上地壳岩性主要为蛇纹岩、石英岩、花岗片麻岩，松南—宝岛凹陷为闪长岩、玄武岩，长昌凹陷和顺德凹陷则为花岗片麻岩、石英岩、花岗闪长岩和玄武岩。

5 结束语

南海是西太平洋最重要的边缘海盆之一，其陆缘发育了10多个大型含油气盆地和一批中小型盆地，蕴藏着丰富的石油和天然气等矿产资源。南海北部大陆边缘是我国重要的能源基地，近期勘探表明南海北部深水区具有广阔的油气资源前景。充分利用海上大规模低成本采集的区域性长电缆地震资料和重磁资料的优势，通过综合地球物理方法研究与解释，开展跨陆架—陆坡区岩石圈结构特征和演化模式研究，可以为加深南海北部深水区油气资源基础研究提供新的途径和依据。

［1］ 刘光鼎.中国海区及领域地质地球物理系列图［M］.北京：地质出版社，1994.

［2］ 龚再升，李思田，等.南海北部大陆边缘盆地分析与油气聚集［M］.北京：科学出版社，1997.

［3］ 滕吉文，王谦身，魏斯禹.中国地壳构造的基本轮廓［J］.石油物探，1982，2：14－30.

［4］ 张功成，米立军，吴时国，等.深水区—南海北部大陆边缘盆地油气勘探新领域［J］.石油学报，2007，28（2）：15－21.

［5］ 姚伯初，刘振湖.南沙海域沉积盆地及油气资源分布［J］.中国海上油气，2006，18（3）：150－160.

［6］ 王振峰，李绪深，孙志鹏，等.琼东南盆地深水区油气成藏条件和勘探潜力［J］.中国海上油气，2011，23（1）：7－13.

［7］ ZHANG Z J，ZHANG X，BADAL J.Composition of the crust beneath southeastern China derived from an integrated geophysical data set［J］.Geophys，2008：113.

［8］ 张中杰，刘一峰，张素芳，等.南海北部珠江口—琼东南盆地地壳速度结构与几何分层［J］.地球物理学报，2009，52（10）：2461－2471.

［9］ 张中杰，刘一峰，张素芳，等.琼东南盆地地壳伸展深度依赖性及其动力学意义［J］.地球物理学报，2010，53（1）：57－66.

［10］ CHRISTENSEN N I，MOONEY W D.Seismic velocity struc－ture and composition of the continental crust：a global view［J］.Journal of Geophysical Research，1995，100（6）：9761－9788.