南黃海磁性基底特征分析和綜合解釋*

邢 濤 張訓華 張向宇

(1. 國土資源部海底礦產資源重點實驗室 廣州海洋地質調查局 廣州 510075; 2. 青島海洋地質研究所 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)。南黃海及其鄰近區域的地質構造, 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)。上述構造被一系列多期次、多層次的斷裂切過, 從而形成復雜的構造體系(郝天珧等, 2002)。本文研究區具體位置如圖1中紅框所示。

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

本文重點使用一維頻譜分析方法, 對磁力異常數據進行磁性基底埋深反演, 并進一步結合地質地球物理綜合手段, 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

本文所采用的數據取自“我國海域1︰100萬地質地球物理系列圖編制”項目和“南通幅項目的調查”的重磁異常數據, 采用的坐標系統為WGS84, 統一使用墨卡托(正軸等角圓柱)投影, 統一投影參數為中央經線123°00′E、標準緯線34°30′N。具體技術路線圖見圖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、磁力異常數據作了向上延拓處理。對研究區布格重力異常、磁力異常分別向上延拓10km處理, 所得結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據缺失區域)。

1.2 典型剖面地質-地球物理綜合分析

圖1 南黃海及其鄰域地質構造示意圖Fig.1 Position and geological structure of the Southern Yellow Sea

為了對研究區的地質構造有更全面的認識, 為接下來的磁性基底反演提供約束, 在研究區選取一條縱穿南黃海北部盆地和南部盆地的SN走向的剖面進行地質-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部分為地震地質解釋剖面圖。

如圖5所示, 沉積基底面的變化是導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域與布格重力異常的低值相對應, 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, 我們對海區的原始磁力異常數據進行反演。本文所采用的是一維頻譜分析法, 即頻率域的切線法, 對磁力異常網格化數據進行分析處理, 計算出磁性基底深度數, 繪制磁性基底深度等值線圖, 為進一步的磁性基底特征研究提供依據(王懋基等, 1991, 1992; 宋正范, 1997)。

在剖面位場數據的變換過程中, Filon傅里葉變換更接近于理論點極的結果, 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數值方法計算異常的功率譜。

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

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

式中lnE(q)為對數功率譜,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代表常數值。

如果S=C=1(當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-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生變化, 使得深度估計過深或者在曲線上產生峰值, 這樣還需要再對曲線進行校正。

應用由上述原理編寫的磁力異常反演軟件, 對研究區的磁力異常進行反演。在異常圖上應用切線法, 對網格化異常數據進行處理, 利用一維頻譜分析得出異常體的埋深。在研究區圖幅內均勻取點處理, 得出圖幅內磁性基底深度數據, 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。海區內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, 反映出磁性基底的構造格局。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), 構造走向以EW、NE向為主, 其中最大埋深位于朝鮮半島西側,而最小埋深位于南黃海中部隆起帶上。結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關系。

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, 再結合磁性基底埋深圖進行分析, 有助于加深認識區域構造特征, 進一步對磁性基底特征進行綜合解釋和研究。

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走向斷裂的構造分帶(郭玉貴, 1997)。在南黃海及鄰域內, NE或NNE走向的斷裂構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, 我們發現研究海域所廣泛沉積的震旦系—中、下三疊統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構, 下層為前寒武紀變質巖系, 上層為火山碎屑巖系, 其地質年齡處于中生代。此雙層巖系在長期的地質演化過程中經歷了褶皺變質和隆起等過程, 并與火山巖的入侵伴生。同時由于明顯的界限存在, 研究海域的磁場區呈塊狀(楊慧良, 2009),與周圍環境呈現截然不同的特征, 這也從側面反映了整個塊體的獨立性。

結合南黃海的構造特征和重磁異常特征可將研究區分為四個構造單元來進行綜合解釋: 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), 每個大區下又可分為幾個小區。圖7為研究區布格重力異常分區圖, 圖8為磁力異常分區圖, 圖6中也給出相應分區。

I 華北—狼林(中朝)地塊

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

圖8 磁力異常分區圖Fig.8 Division of the magnetic anomaly

山東半島南側海域在本研究區內, 其近海磁場異常特征具有極其顯著的特征。總體的NE走向及負異常背景上所疊加的正異常圈閉呈現串珠狀線性分布(田振興, 2007), 揭示了斷裂帶及磁性物質在其兩側的存在。同時我們也發現在重力異常圖上存在著一條30—40mGal取值的NE向高值帶, 對應著千里巖隆區突出的線性特征。作為基巖隆起區, 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變質巖系, 并在上層局部地區存在著中生代沉積和火山巖系, 發育了一系列斷裂構造, 沿斷裂有酸、基性巖漿的侵入和噴發。

II 揚子—京畿地塊

南黃海區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到朝鮮半島的海州一帶, 是南黃海與千里巖隆起區的邊界斷層,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, 可在斷裂帶發育中得到相應解釋: 位于南/北側的串珠狀負/正異常圈閉是其具體表現。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, 繼續向木浦—光州方向延伸并進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, 揚子地塊內最明顯的特征是在南黃海盆地范圍及周圍區域兩者都以負的異常值為主, 與之相反, 在鄰近江山—紹興—光州斷裂帶的區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

南黃海北部盆地是一個明顯的負重力異常分布區, 進一步可劃分為南部、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, 對應的磁場也出現了500nT左右的強變化異常, 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7km左右, 而斷裂以東埋深抬升為4km, 兩側存在3km左右的落差。沿該西段負磁力異常帶向西延展, 可到蘇北的連云港附近。由于前震旦紀弱磁性的變質巖系存在, 此區域的磁力負異常呈帶狀分布, 前人的陸地巖石磁性特征研究為此假設做出了佐證(林珍等, 2009)。盆地內有厚度變化不均勻的弱磁性中新生代沉積層,前震旦系結晶基底埋藏較深。

II2南黃海中部隆起區

南黃海中部隆起區為重力異常相對升高區域,大部分區域以10mGal左右的異常為主要背景, 異常分布以東西兩側較高, 中間相對平緩。在過渡帶(123°10′E)附近有一明顯梯度帶, 兩側異常差值在10mGal以上。因此可將該區分為東、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, 明顯地標示出南黃海盆地的東界。重力異常的變化反映了構造基底的起伏變化, 總體上為淺埋藏的結晶基底。根據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到3km左右, 與此落差相對應, 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, 此區域有一個規則且對稱分布的帶狀異常, 其磁力異常最大值超過500nT。結合上面的討論分析, 認為在中段可能對應著一個較大規模的近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見。

在中部隆起區東段磁力異常表現為正負相間的分布特征。區域內西區表現為系列塊狀的正異常區域分布(123°20′E以西); 東區表現為以-100nT為絕大多數下限的負異常區域。在這兩個正負異常區之間夾有面積較大變化異常區, 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: 在研究區域存在著兩條深大斷裂帶, 它們對結晶基底的深度和巖性有著可能性控制。此特征在研究區域中部隆起區的東段較為顯著: 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晶基底的巖性。基于斷裂之間的諸多異常變化特征,我們可以推斷此區域的巖系分布為在前寒武紀變質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

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

東側的勿南沙隆起區為正重力異常分布區, 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。勿南沙隆起區的磁力異常則以較平緩的負異常為主。該區基底巖石磁性微弱, 其巖性應以淺變質碎屑巖系為主, 推測其巖性可能為千枚巖、板巖、片巖以及碳酸鹽巖類所構成的弱磁性基底, 基底埋深為3—6km。基于該區域磁異常分布的平滑性, 我們可以推斷出研究區域地質構造的如下特征: 基巖埋藏的深入性, 地質構造的緩和性以及巖漿活動的平穩性。

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, 主要是分布較為均勻的負磁力異常。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錯斷跡象, 在它們的結合部位, 出現斷陷引起的重力、磁力異常平緩變化的負異常特征, 缺失有關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晶埋藏基底, 其2—4km的深度與中新生界的地層對應。同時, 正磁力異常條帶分布的強度與高磁性特征玄武巖的后期侵入, 及其沿南黃海中部—濟州島斷裂帶的發育存在著直接聯系。

IV 東海大陸架

圖幅內東南側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, 作為基底的變質巖系呈現出弱磁場背景, 主要是燕山期花崗巖類的反映(吳健生等,1992, 2005)。

3 結論

本文利用南通幅區域地質調查的重磁異常數據,針對典型剖面進行了地質-地球物理綜合分析, 并在這些條件約束下進行南黃海磁性基底反演, 所得到的主要結論如下:

(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, 在研究區磁力異常埋深反演上取得了良好的應用效果。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, 在長期的地質演變過程中伴隨著褶皺、變質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變質巖系組成, 與下伏地層呈不整合接觸。在海區內, 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, 反映出磁性基底的構造格局。

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

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