南海東北部陸緣基底磁異常反演與解釋

雷文敏，吳健生

（同濟大學(xué) 海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092）

南海是一個邊緣海，具有獨特的構(gòu)造格局和豐富的海底資源，深受國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的關(guān)注.20世紀(jì)90年代以來，在珠江口盆地新生界基底之下發(fā)現(xiàn)了具有沉積地層特點的地震反射特征，開始了南海北部陸緣中生界的研究.郝滬軍等［1］提出了將地震反射層判斷為中生界的3點依據(jù)，認(rèn)為潮汕坳陷內(nèi)沉積了上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)、下白堊統(tǒng)和上白堊統(tǒng)等3套海相地層.21世紀(jì)以來，在南海潮汕坳陷地區(qū)的科探井證實了南海北部陸緣中生界海相地層的存在［2］，也奠定了南海北部中生界作為油氣勘探新領(lǐng)域的地位.作為正在探索的油氣勘探新領(lǐng)域，迫切需要從區(qū)域上來認(rèn)識南海東北部中生界基底的屬性等特征.

迄今在南海東北部有近60個鉆孔遇到前新生界基底.王家林等［3］結(jié)合鉆井和巖石物性，定性地推斷了珠江口盆地前新生界基底主要由古生代變質(zhì)巖、中生代中酸性侵入巖、中生代沉積巖、中基性巖漿巖、中生代變質(zhì)巖組成.陳冰等［4］在計算新生代沉積基底深度的同時，也在此約束下反演了基底視磁化強度.郝天珧等［5］根據(jù)巖石磁性及鉆井巖芯測定結(jié)果總結(jié)得出南?；讕r石及地層磁性特征，并且反演海域磁性基底的宏觀分布，推測珠江口盆地坳陷區(qū)內(nèi)以變質(zhì)基底為主，南部隆起區(qū)內(nèi)存在局部的巖漿巖隆起.胡登科等［6］通過反演研究南海東北部的高磁異常帶，認(rèn)為東沙隆起的基底存在中生代酸性火山巖帶.這些地質(zhì)和地球物理研究，揭示了南海東北部前新生界基底的一些基本特征.以往南海東北部陸緣基底視磁化強度反演是選取新生界基底為頂界面.巖石物性的研究表明，中、新生代沉積層無磁性.因此磁異常反演時，新生界底面并不能作為磁性頂界面，隨著研究區(qū)厚度可達(dá)幾公里的中生代地層的發(fā)現(xiàn)，不考慮這套地層的影響將會給基底視磁化強度反演結(jié)果帶來不合理性.本文根據(jù)重力反演所得的前中生界基底深度資料，進(jìn)行視磁化強度反演并進(jìn)行了推斷解釋.

1 資料基礎(chǔ)

1.1 基底磁異常提取

本文重點研究在17°～24°N，112°～120°E范圍內(nèi)的南海東北部地區(qū)，包括北部斷階帶、珠江口盆地、潮汕坳陷、臺西盆地、南部隆起帶及其東南部，主要由一系列新生代盆地和中生代沉積區(qū)組成.

陳冰在文獻(xiàn)［4］中對南海東北部磁異常，綜合采用壓制因子法和阻尼因子法，進(jìn)行變傾角化極，且進(jìn)行了分區(qū)（圖1），其中北部異常區(qū)（圖1中A）主要位于陸架區(qū)，一般以低值正、負(fù)異常為主，異?？傮w為NE向，局部為NEE和NW向，區(qū)內(nèi)珠江口盆地的3個凹陷區(qū)出現(xiàn)較平緩的異常.中部異常區(qū)（圖1中B）主要位于陸坡區(qū)，磁異常呈NE向展布，異常變化大.區(qū)內(nèi)有一條NE向展布的高值磁異常，異常值一般約300nT，最大值達(dá)350nT以上.南部異常區(qū)（圖1中C）主體位于南海的中央海盆，以正負(fù)相伴的磁條帶為主.東部磁異常區(qū)（圖1中D）是與海溝方向一致的負(fù)值異常.本文對上述化極磁力異常ΔT⊥，進(jìn)行二代小波［7］多尺度分解，提取三階逼近場（圖2）作為基底產(chǎn)生的異常.處理后研究區(qū)出現(xiàn)相當(dāng)明顯的低—高—低相間，走向NE的條帶.

圖1 南海東北部磁力化極異常圖Fig.1 Magnetic reduction-to-pole anomaly map of the Northeast of the South China Sea

圖2 研究區(qū)磁異常三階逼近場Fig.2 Third-order approximation field of magnetic anomaly of the studied area

1.2 前中生界基底深度新資料

江凡［8］在新采集的能夠較好揭示中生界基底信息的地震資料約束下，利用重力異常消除新生界地層影響后，在全區(qū)開展單一密度界面反演，并對重點區(qū)塊開展聯(lián)合反演，得到完整且合理可靠的區(qū)域中生界底界面深度.本文用其求取的中生界底界面深度［8］作為基底磁性層的頂深（圖3）.中生界底界面深度呈現(xiàn)較明顯的SW—NE的構(gòu)造走向.惠州凹陷、西江凹陷、恩平凹陷、潮汕坳陷、白云凹陷均對應(yīng)著較深的中生界底界，其中，潮汕坳陷存在相當(dāng)厚的中生代地層，厚度值在3.0～6.0km之間.東沙隆起則對應(yīng)著較淺的中生界底界.番禺低凸起的中生界底界深度由西向東從8.0km向2.5km逐漸變淺.另外，韓江凹陷、海豐凹陷與陸豐凹陷中生界底界面較其他凹陷淺.

圖3 磁性基底頂界面深度Fig.3 Top interface depth of the magnetic basement

2 視磁化強度反演與解釋

2.1 反演原理

基底的視磁化強度反演采用空間域迭代的方式.假設(shè)磁性基底的頂界面為S，深度為h，平均深度為H，底界面為W，深度為D，如圖4所示.S面以上圍巖磁化強度J＝0，S面和W 面之間的磁化強度為所求的未知數(shù).

圖4 磁性界面及棱柱體組合體模型Fig.4 Magnetic interface and prism combination model

具體計算時，用棱柱組合體模型模擬起伏磁性界面，棱柱體水平尺寸分別等于測網(wǎng)的點距與線距，棱柱體單元內(nèi)部均勻垂直磁化，各個棱柱體的磁化強度可以不同.單個棱柱體在觀測點P（x，y，0）產(chǎn)生的磁異常為

式中：（x，y）為觀測點坐標(biāo)；（x1，y1）為場源坐標(biāo)；（x′，y′）為長方體左上角點坐標(biāo)；a和b分別是棱柱體長和寬.

起伏界面可以用N×M個棱柱組合體代替，第（xh，yp）點上磁異常寫為

式中：M和N 分別是x和y方向的測點數(shù)；Gij為格林函數(shù).Za⊥和Gij為已知值即為所求.

利用最小二乘法求解線性方程組，如果計算值與觀測值之間偏差達(dá)到最小或迭代次數(shù)達(dá)到要求則停止迭代.在算法實現(xiàn)過程中，設(shè)計滑動窗口以提高計算效率，下延異常至平均界面以減弱邊界效應(yīng)，并且在下延過程中加入正則化因子以增加計算的穩(wěn)定性.

2.2 反演結(jié)果

以中生界底界面為上頂面，取磁性基底底界面深度為18km，采用上述空間域迭代方法反演求取前中生代基底的視磁化強度分布.開平1-1-1井于1884.0m以下見變質(zhì)粉砂巖［4］.變質(zhì)粉砂巖的巖石磁化強度為1.36×10-3A·m-1.據(jù)此標(biāo)定此區(qū)域的視磁化強度值，并作為反演的約束.在擬合均方差為4nT時得到了南海東北部前中生代基底的視磁化強度分布，見圖5.

圖5 研究區(qū)前中生代基底的視磁化強度分布Fig.5 Apparent magnetization distribution of the pre-Mesozoic basement of the studied area

反演結(jié)果表明，從大范圍上來看，視磁化強度分布與新生界基底構(gòu)造單元分布不具有對應(yīng)性，例如白云凹陷明顯被分成兩個區(qū)塊.本文將視磁化強度分布分為三個大的區(qū)塊.區(qū)域視磁化強度低值區(qū)（圖5，Ⅰ區(qū)），在西江凹陷、恩平凹陷、陽江凹陷、文昌凹陷、神狐暗沙隆起、開平凹陷和順德凹陷存在低值帶，約20×10-3A·m-1；區(qū)域視磁化強度高值區(qū)（圖5，Ⅱ區(qū)），在珠一坳陷中東部、東沙隆起西部、番禺低凸起存在NE向高值帶，至白云凹陷西部和云開低凸起轉(zhuǎn)向NW走向，強度約為180×10-3A·m-1；區(qū)域視磁化強度負(fù)值區(qū)（圖5，Ⅲ區(qū)），在臺西南盆地及其南部區(qū)域、潮汕坳陷及其南部區(qū)域、白云凹陷東段及其東南部區(qū)域存在負(fù)的視磁化強度帶，幅值為25×10-3～220×10-3A·m-1.

2.3 基底巖性推斷

根據(jù)南海東北部陸緣的視磁化強度分布圖，結(jié)合地質(zhì)特征、巖石物性、地球物理場特征以及鉆井資料和地震資料，推斷了基底的巖性分布.

研究區(qū)存在一個明顯的磁化強度高值帶，貫穿了臺西盆地、珠一坳陷東部、東沙隆起西部、白云凹陷西部及云開低凸起，直至南部隆起帶.前人指出東沙隆起為中生代晚期島弧，其基底存在中生代酸性火山巖帶［6］，也對應(yīng)了該區(qū).從視磁化強度分布圖上可以看出，高值區(qū)的北段，韓江凹陷、海豐凸起、陸豐凹陷、惠州凹陷走向為NE，強度值中高，幅值在50×10-3～150×10-3A·m-1，推斷為中高磁性的中酸性侵入巖.從形態(tài)和強度分析，可能是具有高剩磁強度的晚侏羅世中酸性火山巖引起，構(gòu)造配置上推測屬弧后盆地類型.而高值區(qū)的南段，云開低凸起東南部和南部隆起區(qū)走向為NW向，強度值特高，幅值在100×10-3～200×10-3A·m-1，應(yīng)是中生代中基性、基性巖漿巖.本文推測高值區(qū)北段可能受制于陸殼，而南段特高值則可能是受次洋殼的改造作用.研究區(qū)西部的視磁化強度低值區(qū)，分析認(rèn)為是一套下古生代淺變質(zhì)巖.研究區(qū)東南部，出現(xiàn)近NS向的視磁化強度負(fù)值分布塊，反演揭示視磁化強度幅值在25×10-3～200×10-3A·m-1.負(fù)的視磁化強度說明巖石保留的是剩余磁性，并且可能是反向磁化.通常洋殼的剩余磁化強度比感應(yīng)磁化強度大，這是解釋條帶狀海洋磁異常的前提［9］.本文認(rèn)為視磁化強度負(fù)值區(qū)基底具有洋殼或準(zhǔn)洋殼性質(zhì)，與邵磊等［2］在潮汕坳陷發(fā)現(xiàn)海相中生代地層呼應(yīng)，并進(jìn)一步落實了海相地層的規(guī)模.地震縱波速度［10］在上述視磁化強度負(fù)值區(qū)的提高也支持了本文的推斷，見圖6.此外，視磁化強度負(fù)值區(qū)在臺西南盆地與潮汕坳陷之間被一條較弱的負(fù)值帶分割開來，據(jù)此推斷該分隔帶可能是島弧鏈或是古南海（特提斯海）的洋中脊.

圖6 研究區(qū)10.0km深度切面的地震縱波速度分布圖Fig.6 Seismic P-wave velocity distribution in 10.0km section of the studied area

3 結(jié)論

隨著南海北部陸緣中生代地層的發(fā)現(xiàn)與證實，磁異常反演時新生界底面并不能作為磁性頂界面，還需要考慮其下的中生代沉積層.江凡［8］在新采集的能夠較好揭示中生界基底信息的地震資料約束下，從重力異常反演得到了可靠的前中生界基底深度.本文在此基礎(chǔ)上采用空間域迭代反演方法求取前中生界基底的視磁化強度分布，并據(jù)此進(jìn)行分區(qū).去掉中生代厚度層后的反演結(jié)果突出顯示了視磁化強度高值帶，胡登科等［6］指出東沙隆起為中生代晚期島弧，其基底存在中生代酸性火山巖帶，對應(yīng)了該區(qū).本文反演揭示高值帶的走向由北東向轉(zhuǎn)為北西向，且北西向部分強度值特高，據(jù)此推斷其北段為中生代中酸性侵入巖，南段為中生代中基性、基性巖漿巖，并且高值區(qū)北段可能受制于陸殼，而南段特高值則可能是受次洋殼的改造作用.尤其重要的是在中生代地層厚度較大的潮汕坳陷等構(gòu)造區(qū)塊，反演結(jié)果突出顯示了視磁化強度負(fù)值區(qū)，推斷潮汕坳陷及其東南部基底具有洋殼或準(zhǔn)洋殼性質(zhì)，與邵磊等［2］在潮汕坳陷發(fā)現(xiàn)海相中生代地層的存在呼應(yīng).本文進(jìn)一步落實了海相地層的規(guī)模，并依據(jù)視磁化強度負(fù)值區(qū)在臺西南盆地與潮汕坳陷之間被一條較弱的負(fù)值帶分割開來，推斷該分隔帶可能是島弧鏈或是古南海（特提斯海）的洋中脊.

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