瓊東南盆地地殼密度結(jié)構(gòu)重震聯(lián)合反演與巖性分析＊

劉一峰 張中杰 張素芳

（1.中國(guó)海洋石油總公司； 2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

南海北部大陸邊緣盆地位于太平洋構(gòu)造域與特提斯構(gòu)造域交接部位，其新生代構(gòu)造演化受到南海擴(kuò)張、紅河斷裂帶走滑作用以及菲律賓板塊擠壓等三大主控因素制約，并經(jīng)歷多幕裂陷期、區(qū)域熱沉降期和晚中新世以來(lái)的新構(gòu)造期三大構(gòu)造演化階段［1－3］。水深在300～3 000 m 之間的南海北部陸緣盆地區(qū)，由瓊東南盆地中央坳陷帶南部、神狐隆起南側(cè)珠江口盆地珠二坳陷及其南部的南沙—中沙隆起和一統(tǒng)暗沙隆起組成［2，4－6］，其主體處于陸坡區(qū)，地殼以洋陸過(guò)渡殼為主，其形成與演化一直是地球科學(xué)界探索的熱點(diǎn)，因此，基于長(zhǎng)電纜深大地震剖面和隨線重磁資料，采用重力與地震數(shù)據(jù)聯(lián)合反演技術(shù)分析該區(qū)深部結(jié)構(gòu)對(duì)于認(rèn)識(shí)其形成與演化具有重要意義。而作為南海北部大型含油氣盆地之一的瓊東南盆地，分析其深部結(jié)構(gòu)及特征對(duì)于理解該盆地形成機(jī)制、預(yù)測(cè)油氣成藏規(guī)律及潛力更具有現(xiàn)實(shí)意義。

利用高精度地震勘探和廣覆蓋重力資料綜合研究南海北部大陸邊緣盆地地殼結(jié)構(gòu)［7］及其特征的工作經(jīng)歷了20世紀(jì)70年代的聲納浮標(biāo)、80年代的雙船擴(kuò)展排列地震和90年代的海底地震儀探測(cè)等幾個(gè)階段。中國(guó)海洋石油總公司、原地質(zhì)礦產(chǎn)部、中國(guó)科學(xué)院等先后在南海開(kāi)展了多次的寬角反射與折射、深反射與海底地震探測(cè)［3］。相比之下，本次研究采用的2006年中國(guó)海洋石油總公司在南海北部陸緣深水區(qū)采集的14條長(zhǎng)電纜深大地震反射資料（圖1）具有覆蓋廣、精度高、橫向可對(duì)比性強(qiáng)等特點(diǎn)，且沿地震測(cè)線同時(shí)采集了重力數(shù)據(jù)、磁力數(shù)據(jù)及測(cè)深數(shù)據(jù)，具備了利用地震、重力等多種地球物理勘探成果開(kāi)展綜合研究的優(yōu)越條件。

圖1 南海北部深水區(qū)長(zhǎng)電纜深大地震測(cè)線位置圖

1 重震聯(lián)合反演方法選擇

重力勘探的基礎(chǔ)或應(yīng)用前提是勘探目標(biāo)存在密度差異，地震勘探則要求待勘探目標(biāo)存在波阻抗差異。通常，構(gòu)成地質(zhì)剖面的各地層密度與各層中地震波傳播的速度是不同的，這一特點(diǎn)為聯(lián)合使用地震勘探與重力勘探提供了有利前提。與此同時(shí)，在一定條件下或一定地區(qū)，地震波速與地層密度可以用某種簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系來(lái)近似表示。根據(jù)這些特征，目前存在3種主要的重震聯(lián)合反演方法，即速度約束的密度反演、聯(lián)合廣義反演和人機(jī)交互反演。

速度約束下的密度反演是在給定速度—密度耦合關(guān)系式的情形下進(jìn)行的。常用的速度—密度關(guān)系利用線性的伯奇（Birch）定律或指數(shù)型的加德納（Gardner）方程獲得。這種方法的反演結(jié)果精度很大程度上取決于地震速度的精度和速度—密度關(guān)系的合理性。

聯(lián)合廣義反演是對(duì)地震和重力2種觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)加權(quán)的聯(lián)合最小二乘反演，這種方法的難點(diǎn)在于如何選擇加權(quán)因子。由于實(shí)際速度與密度之間存在不確定性，因此這種方法目前仍處于理論研究階段，而且在構(gòu)造比較復(fù)雜的地區(qū)難以得到比較理想的效果。

人機(jī)交互反演靈活實(shí)用，目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛。與上述2種方法相比，人機(jī)交互反演不僅避免了加權(quán)因子的選取，不要求具有明顯函數(shù)表示的速度—密度關(guān)系，而且可以避免因速度—密度關(guān)系的不確定而帶來(lái)的困難和不足，還具有節(jié)省機(jī)時(shí)與內(nèi)存的特點(diǎn)。因此，本次研究選擇地震約束條件下的人機(jī)交互重力反演方法。

2 地殼密度結(jié)構(gòu)重震聯(lián)合反演的流程與思路

利用跨陸架—陸坡區(qū)重磁異常資料，以長(zhǎng)電纜地震深大剖面和2條海底地震儀剖面的巖石圈三維速度結(jié)構(gòu)與構(gòu)造［8－9］作為密度初始模型設(shè)計(jì)的依據(jù)，根據(jù)介質(zhì)密度與速度關(guān)系、測(cè)井資料及巖石物性分析，用實(shí)測(cè)的布格重力異常作為約束，完成研究區(qū)多條剖面的重震聯(lián)合反演，獲得研究區(qū)巖石圈三維密度結(jié)構(gòu)。其流程是：首先利用“剝皮法”由淺而深逐層計(jì)算不同界面重力異常，所得到的反演結(jié)果作為下一步地震解釋依據(jù)；然后修改地震解釋方案，根據(jù)修改后的地震解釋結(jié)果修改地層密度參數(shù)和界面深度，如此反復(fù)直到得到既能與地震解釋結(jié)果相近，又能達(dá)到較高擬合精度的反演結(jié)果；最后結(jié)合區(qū)域重磁、地震和地質(zhì)資料進(jìn)行綜合解釋，研究地震資料難以確定的深層界面。

由于自由空間重力異常既包含了海水層、海底地形起伏以及淺表地層中不均勻密度體的影響，又包含了地殼深部區(qū)域性密度分布不均勻的影響，因此需要采用合適的方法消除這些影響因素。本次研究首先采用迭代滑動(dòng)平均法消除自由空間重力異常中的高頻干擾，然后采用差值場(chǎng)法取向上延拓10 km后的剩余場(chǎng)作為重力觀測(cè)值進(jìn)行重震聯(lián)合反演，其中海水密度取1.03 g/cm3。瓊東南盆地地殼密度結(jié)構(gòu)重震聯(lián)合反演流程如圖2所示。

圖2 瓊東南盆地地殼密度結(jié)構(gòu)重震聯(lián)合反演流程圖

瓊東南盆地深水區(qū)三維重力異常模型及地殼密度體構(gòu)建的基本思路如下：

（1）定義多個(gè)垂直剖面的位置（圖3）。本次研究選用互相平行的6條測(cè)線（圖1中測(cè)線1～6）和與之垂直的3條測(cè)線（圖1中測(cè)線7～9）構(gòu)建密度結(jié)構(gòu)模型。

（2）設(shè)置初始密度模型，即以地震速度剖面解釋為依據(jù)，確定各測(cè)線不同密度塊體的數(shù)目、節(jié)點(diǎn)與線和線與層的連接關(guān)系，以及各層的初始密度和塊體編號(hào)。

（3）通過(guò)對(duì)初始模型的調(diào)整（如調(diào)整各節(jié)點(diǎn)的位置、增刪節(jié)點(diǎn)、改變密度值等），使計(jì)算的重力布格異常曲線與觀測(cè)的重力布格異常曲線盡量吻合，最終獲得研究區(qū)地殼三維密度結(jié)構(gòu)體（圖4）。

3 重震聯(lián)合反演結(jié)果的綜合解釋

瓊東南盆地布格重力異常值均為正異常，磁異常一般是負(fù)異常值。從研究區(qū)地殼結(jié)構(gòu)的地震速度［8］分析來(lái)看，沉積層總體上呈西北部厚度大、東南部厚度較薄的特征，并具有典型的下部斷陷、斷坳沉積和上部廣海型披蓋沉積的雙層結(jié)構(gòu)。

由于沉積層以下的地層沒(méi)有可靠的巖性數(shù)據(jù)，因此依據(jù)重震聯(lián)合反演結(jié)果對(duì)研究區(qū)地殼密度結(jié)構(gòu)的解釋主要參考以下密度特征和磁化率特征（表1）來(lái)進(jìn)行。

表1 瓊東南盆地長(zhǎng)電纜地震深大剖面反演所采用的巖石物性參數(shù)

3.1 沿測(cè)線的地殼密度結(jié)構(gòu)分析

地殼內(nèi)部地層密度是研究地殼物質(zhì)組成、理解巖石圈演化的重要信息［1，3］。通過(guò)三維重力異常模型建立與重震聯(lián)合反演，可得到南海北部陸緣深水區(qū)沿各長(zhǎng)電纜地震深大剖面的地殼密度結(jié)構(gòu)。限于篇幅，僅以其中2條測(cè)線為例進(jìn)行分析。

3.1.1 測(cè)線8重震聯(lián)合反演地殼密度結(jié)構(gòu)分析

測(cè)線8北東向分布，長(zhǎng)約635.474 6 km（圖1）。該測(cè)線重力異常為正異常，異常值為（28～71）×10－5m/s2；在0～400 km內(nèi)的重力異常值起伏較平緩，而在400～600 km內(nèi)的重力異常值達(dá)到極大值（圖5a），說(shuō)明瓊東南盆地各個(gè)凹陷與珠江口盆地白云凹陷的地殼密度結(jié)構(gòu)差異很大，主要是由下地殼層密度的差別引起的。

如圖5b所示測(cè)線8磁異常為負(fù)異常，異常值－98～－12n T。在距測(cè)線西端220～350 km處也表現(xiàn)出了負(fù)磁異常極值，推測(cè)該處即順德凹陷的磁性基底埋深較大。

圖5 測(cè)線8重震聯(lián)合反演剖面（具體位置見(jiàn)圖1）

3.1.2 測(cè)線2重震聯(lián)合反演地殼密度結(jié)構(gòu)分析

測(cè)線2東南向分布，長(zhǎng)約229.47 km（圖1）。如圖6a所示，該測(cè)線重力異常為正異常，異常值（8.4～112.2）×10－5m/s2。長(zhǎng)昌凹陷處為高密度高磁性體，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)情況推斷為新生代玄武巖和少量變質(zhì)巖。在25～50 km處，重力擬合較差，主要是由復(fù)雜崎嶇海底地形界面起伏形態(tài)而引起的。

如圖6b所示，測(cè)線2磁異常在－95.0～50.5n T之間變化。在距測(cè)線西端65～180 km處為兩翼對(duì)稱的負(fù)異常，推測(cè)磁異常主要由較深源磁性體引起，磁性基底埋深較大，這與測(cè)線8所揭示的長(zhǎng)昌凹陷的磁異常現(xiàn)象是一致的。

圖6 測(cè)線2重震聯(lián)合反演剖面（具體位置見(jiàn)圖1）

3.2 瓊東南盆地地殼密度結(jié)構(gòu)分析

圖7～11分別為瓊東南盆地深度為4、10、16、22、28 km處密度體平面切片圖。從圖7可以看出，松南—寶島凹陷、長(zhǎng)昌凹陷和順德凹陷的沉積層密度要比樂(lè)東—陵水凹陷、北礁凹陷的密度大，差異為0.25 g/cm3；從圖8可以看出，松南—寶島凹陷和長(zhǎng)昌凹陷內(nèi)為最大，達(dá)2.55 g/cm3；從圖9可以看出，盆地中部的密度比周?chē)s高出0.1 g/cm3；從圖10可以看出，在松南—寶島凹陷和長(zhǎng)昌凹陷為最大，達(dá)3.2 g/cm3；從圖11可以看出，盆地東南部的密度最大，為3.0～3.3 g/cm3。

對(duì)瓊東南盆地密度體結(jié)構(gòu)分析可以認(rèn)為，各個(gè)斷陷內(nèi)均具有砂巖—泥巖—砂巖三重沉積充填結(jié)構(gòu)；上漸新統(tǒng)陵水組在北部坳陷帶屬于過(guò)充填及平衡充填類型，發(fā)育砂巖—泥巖—砂巖三重沉積充填結(jié)構(gòu)，而在中央坳陷帶則屬于由砂巖—泥巖二重沉積充填結(jié)構(gòu)組成的欠充填型。

圖7 瓊東南盆地深度為4 km處密度體平面切片圖

4 瓊東南盆地地殼巖性分析

推斷深部地殼地層物質(zhì)組成的依據(jù)主要有以下幾個(gè)方面：①根據(jù)地殼深部地層密度和地震波速度與地表巖石或礦物的有關(guān)性質(zhì)對(duì)比進(jìn)行推測(cè)；②根據(jù)地殼深部地層的壓力、溫度，通過(guò)高溫高壓模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行推測(cè)；③根據(jù)來(lái)自地殼深部的物質(zhì)進(jìn)行推斷（火山噴發(fā)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有時(shí)能把地下深部（如上地幔）的物質(zhì)帶到地表）。

Christensen和Mooney［10］基于巖相學(xué)和地球化學(xué)的分析，將大陸地殼巖石分為安山巖、玄武巖、輝綠巖等29種，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得這29種巖石在地殼50 km深的范圍內(nèi)、以5 km為間隔的密度，以及在3種不同地溫梯度下的縱波速度和標(biāo)準(zhǔn)偏差，這為大陸地殼巖石性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的研究提供了完備詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)資料。

在瓊東南沿海巖石露頭和鉆井錄井資料研究的基礎(chǔ)上，本研究從上述29種巖石中選取上地殼層中常見(jiàn)的蛇紋巖、花崗片麻巖、石英巖、花崗閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、玄武巖、輝長(zhǎng)巖等7種巖石物性為參考，研究確定瓊東南盆地內(nèi)大型構(gòu)造單元的巖性。

根據(jù)瓊東南盆地地殼速度結(jié)構(gòu)［8］和密度結(jié)構(gòu)，利用其地表熱流資料反演計(jì)算得到地殼的溫壓分布，校正實(shí)驗(yàn)得到7種參考巖石的縱波速度參數(shù)［10］。用于溫壓校正的溫度剖面選自3SMAC模型。對(duì)于瓊東南盆地，選用了緯度18°N溫度場(chǎng)；再利用速度—密度非線性關(guān)系，計(jì)算得到7種參考巖石的密度值，從而獲得對(duì)應(yīng)于研究區(qū)特定溫度條件下參考巖石的速度—密度及其偏差數(shù)據(jù)（表2）。

表2 不同溫度條件下瓊東南盆地上地殼層7種參考巖石的密度、速度及偏差值

對(duì)于每個(gè)構(gòu)造單元，統(tǒng)計(jì)反演得到的瓊東南盆地地殼速度和密度參數(shù)的平均值以及取值的偏差范圍，然后與經(jīng)過(guò)溫壓校正后的7種參考巖石的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以參考巖石的速度—密度相關(guān)性作為約束，即可得到各構(gòu)造單元的巖性分布特征（圖12）。

圖12 瓊東南盆地上地殼層大型構(gòu)造單元的速度—密度分布圖

通過(guò)與參考巖石的速度—密度相關(guān)性分布的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，樂(lè)東—陵水凹陷上地殼巖性主要為蛇紋巖、石英巖、花崗片麻巖，松南—寶島凹陷為閃長(zhǎng)巖、玄武巖，長(zhǎng)昌凹陷和順德凹陷則為花崗片麻巖、石英巖、花崗閃長(zhǎng)巖和玄武巖。

5 結(jié)束語(yǔ)

南海是西太平洋最重要的邊緣海盆之一，其陸緣發(fā)育了10多個(gè)大型含油氣盆地和一批中小型盆地，蘊(yùn)藏著豐富的石油和天然氣等礦產(chǎn)資源。南海北部大陸邊緣是我國(guó)重要的能源基地，近期勘探表明南海北部深水區(qū)具有廣闊的油氣資源前景。充分利用海上大規(guī)模低成本采集的區(qū)域性長(zhǎng)電纜地震資料和重磁資料的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)綜合地球物理方法研究與解釋，開(kāi)展跨陸架—陸坡區(qū)巖石圈結(jié)構(gòu)特征和演化模式研究，可以為加深南海北部深水區(qū)油氣資源基礎(chǔ)研究提供新的途徑和依據(jù)。

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