中国东海及邻近海域一条剖面的地壳速度结构研究

地壳速度结构研究

栾锡武1高德章2喻普之1赵津海2

(1.中国科学院海洋研究所,青岛266071;2.上海海洋石油规划设计研究院,上海200120)

摘要:1982年以来,中国科学院海洋研究所在东海海域进行了二十多个站位的遥测浮标折射地震测量,1991年又在东海陆架区进行了OBS测量.本文在我国东海海域选择了横穿东海陆架、冲绳海槽、琉球岛弧、琉球海沟和菲律宾海盆的一条剖面,利用上述折射地震资料及其它该剖面附近的折射地震资料,对该剖面的地壳速度结构进行了研究,并进行了速度年代对比.研究表明:剖面的速度结构在纵向上和横向上都表现出明显的差异,横向上可分为三隆三盆,纵向上大致可划分为

1.8~

2.2k m/s、2.4~2.8km/s、

3.0~3.6km/s、

4.2~

5.1k m/s和5.75~

6.0km/s的速度层.从地壳

的速度结构推测本海区至少有如下的沉积旋回:除冲绳海槽的中轴外,上新世至第四纪本海区沉积环境稳定,而冲绳海槽中轴可能一直处于构造活跃的状态;始新世为本区沉积的全盛期;渐新世该区域处于抬升的时期,隆起区、琉球岛弧隆起区在此时期的沉积被剥蚀殆尽,东海陆架和冲绳海槽此时期的沉积也受到相当程度的剥蚀.东海陆架盆地和冲绳海槽盆地的出现可能在5.75 ~6.0km/s的速度层沉积之后.菲律宾海盆为典型的大洋地壳结构.

关键词:东海及邻近海域;遥测浮标测量;OB S测量;地壳速度结构

中图分类号:P313.2;P315.2文献标识码:A文章编号:1004-2903(2001)02-0028-07

1引言

地壳速度结构研究是岩石圈结构研究的一项重要内容,其主要的研究手段是折射波法地震探测.最初的折射波法地震探测是单船折射地震探测[1],即在同一条船上进行地震波的激发与接受,由于折射地震的特点,这种方法有诸多的不便.后来发展了双船折射地震探测方法[2],这种方法使用两条船,其中一条船用于地震波的激发,另一条船用于折射波的接收,这种方法的特点是费用太高.再到后来发展了遥测浮标折射地震方法,其作业方式是,在船上进行地震波的激发,在浮标上进行地震折射波的接收,地震信号经浮标天线传送至船上.最近普遍发展了海底地震仪(OBS)的折射波观测方法,大大提高了观测的精度和观测深度.

为研究东海及其邻近海域的地震结构,自20世纪60年代开始,Murauchi等[2],Wageman 等[3],Leyden等[4],Kodaira等[5],Baba等[6],Hirata等[7],Ludwig等[8],Lee等[9]都在东海区域

收稿日期:2000-08-10.修订日期:2001-01-30.

基金来源:国家自然科学基金项目(40006004)和国家重点发展规划项目(G2000046703).

作者简介:栾锡武,男,1966年9月生,1999年于中国科学院海洋研究所获博士学位,现为中国科学院海洋研究所副研究员,从事海洋地球物理学研究.

进行双船、遥测浮标和OBS 的折射地震测量.从20世纪80年代开始,中国科学院海洋研究所在东海区域进行了二十多个站位的遥测浮标折射地震测量[10]和七个OBS 折射地震测量[11]

.本文在东海海域选择了一条剖面,利用这些折射地震资料对这条剖面的地壳速度结构进行了研究,并利用附近的钻井资料对地层年代进行了对比.

2 研究剖面的选取和折射地震站位的选取

菲律宾海板块和中国板块在东海邻近海域是沿北北东向的构造线在此碰撞、拼接的.本文的研究剖面西起温州外海,横穿东海陆架、冲绳海槽、

琉球岛弧和琉球岛弧和琉球海

图1 研究剖面位置及折射地震测点位置和钻井位置

Fig.1 Posi tion of the study Profile refraction measurement sites and holes sites

沟直至菲律宾海,剖面总长740海里(图1).本文的研究剖面和琉球沟弧盆系的构造走向垂直,目的是要弄清陆海两大板块岩石圈的构造差异.

为对该剖面进行研究,本文在该剖面附近选取了六个双船折射站位、13个遥测浮标站位和3个OB S 的测量结果(位置如图1).其中M15SW 、M17SW 、M19NE 、M18NE 、M20NW 和M20SE 六个站是1965年6月美国拉蒙特-多尔蒂地质观测所的/维玛号0科学考察船和日本的/文丸号0科学考察船进行的双船折射地震测量站位

[2]

;C314是1968年/康拉德号012航

#29#第16卷 第2期 栾锡武等:我国东海及邻近海域一条剖面的地壳速度结构研究

次在冲绳海槽的中轴进行的遥测浮标折射地震测量站位[3];V193)V197、V190、V191、V199九个站位是1971年9月美日合作/维玛号0调查船28航次所测浮标站位

[4]

;OKS3是1988年

日本实施岩石圈计划在南部冲绳海槽投放的17台OBS 之一[7];BS12S 、B S23E 是中国科学院海洋研究所在1983年进行的遥测浮标测量站位;OBS4是中国科学院海洋研究所1991年11月投放的一台OBS.表1给出了各测站的测量结果.

表1 本文研究剖面附近折射地震测量结果

Table 1 The refraction measurement results along the profile Studied in this paper

站 号Hw H2V2H3V3H4V4H5V5H6V6V7V1970.140.54 1.8 1.13 2.2 1.46 2.8 1.22 4.3 1.0

5.1

6.0

V1960.14 1.5 2.20.6 2.8 1.54

3.6 1.66

4.8

5.75

V1950.13 1.4 1.95 1.53 2.8 4.5V1940.13 1.1 2.10.76 2.553V1990.141 2.1 1.3 2.6 1.1 3.4 3.7 4.6 5.8V1930.120.8 1.950.84 2.4 1.17 2.6 1.67

4.2

4.9

V2010.170.79 1.95 1.65 2.65 5.45OKS30.70.8 1.8 1.7 2.8 2.9 4.5 4.8 6.0

7.0

7.0

8.0

V190 1.480.57 1.80.74 2.4 1.284 5.35

C314 1.790.8 2.110.4 3.6 4.25M 15SW 2.0 1.67 2.44 2.71 4.61 3.11 5.967.24

SB12S 2.0 1.58 3.40. 5.29 6.99SB23E 0.320.57 2.05 1.88 2.66 4.6M 17SW 2.30.59 2.0 2.56 2.950.33 3.988.99

5.03

6.43

M19NE 7.3 1.21 2.0 2.06 4.39 2.31 6.588.11M18NE 7.00.06 2.0 2.3 4.43 2.85 6.518.10M20NW 5.90.39 2.0 1. 4.98 3.39 6.58.09M 20SE 5.90.2 2.0 1.01 4.98 4.86 6.58.09V1910.140.83 2.00. 4.15 3.75 5.1 6.2OBS4

0.05

3

3.4

2

5.7

13 6.3

107.1

8.03 剖面的速度结构

图2是沿本文研究剖面的地壳速度结构图(D 为深度,L 为长度).从图上可以看出,沿剖面自西向东地壳速度结构差异明显,基本上表现出三盆三隆的构造特征.三隆为本剖面西部隆起区(闽浙隆起带的东缘)、隆起区、琉球岛弧隆起区;三盆为东海陆架盆地区、冲绳海槽盆地区和菲律宾海盆区.3.1 闽浙隆起区的东缘

剖面最西端的OBS4测站可分为三个速度层,最上部为3.4km/s 的速度层,厚3km,其

#30# 地 球 物 理 学 进 展 2001年

下为5.9~6.2km/s 的速度层,厚16km,最下部为7.2km/s 的速度层,深至29km.这一观测结果和附近灵峰1井和明月峰1井的钻井结果相吻合[12].灵峰1井在2370m 钻遇前寒武纪黑云母角闪斜长片麻岩,层速度为6.25km/s,明月峰1井在2930m 钻遇白垩系的花岗岩,其上的沉积盖层(1.9~2.4km/s 的速度层)都只有2~3km,显示为一个上隆.3.2 隆起区

本研究剖面中隆起区在V201浮标测站的下面,本浮标测站解释出三个速度层,分别为1.95km/s 、2.65km/s 和5.45km/s.上面的两个层位应该相当于OB S4的第一层,为沉积层,5.45km/s 的层位相当于OBS4的第二层.该浮标站位没有揭示更深的速度层.1.95~2.65km/s 的速度层直接与5.45km/s 的速度层相接触,上层沉积的厚度仅为2.44km,明显反映为一个隆起.这和该点东部和西部的速度结构都明显不同

.

图2 本文研究剖面的地壳速度结构(D 为深度,L 为剖面长度,单位km)

Fig.2 The Crustal Velocity Structure of the study Profile

3.3 琉球岛弧隆起区

本剖面在琉球岛弧区没有折射资料,但在剖面南部的琉球岛弧上有SB3e 测站,距剖面约100km,本文用该测站的资料代替.SB23e 站点所探测到的速度结构可分为三层,自上而下分别是2.05km/s,2.6km/s 和4.6km/s.上面两层的速度和第三层仍有很大的跳跃,但此处第三层的层速度已没有隆起区第三层的层速高.上两层厚度只有2.45km,在此处仍反映为一个隆起.

3.4 东海陆架盆地

东海陆架盆地有7个折射地震测点,从速度资料分析可以看出,东海陆架纵向分层明显,自上而下共存在5个速度层,速度分别为1.8~ 2.2km/s 、2.4~ 2.8km/s 、3.0~3.6km/s 、4.2~5.1km/s 、5.75~6.0km/s.而6.0km/s 以下的速度层没有揭示.

东海陆架盆地中各速度层横向上也有差异.1.8~2.2km/s 速度层在整个盆地中存在,在V194测点以东厚度非常稳定,为1km 左右.在V196、V197测点厚度较大,为1.7km 左右,西部明月峰1井的2.0km/s 的速度层也保持为1km;2.4~2.8km/s 的速度层在整个东

#31#第16卷 第2期 栾锡武等:我国东海及邻近海域一条剖面的地壳速度结构研究

海陆架盆地存在,只是厚度上有些变化,该层在V193和V197两个测点的厚度最大;3.0~3.6km/s 的速度层只是在陆架盆地的中部存在,表现为两个透镜体;4.2~5.1km/s 的速度层同样在整个陆架盆地存在,厚度很大.对比OBS4和钻井资料可知,整个4.2~5.1km/s 及以上的速度层为沉积盖层,本区沉积盖层的厚度有从西到东逐渐增大的趋势.OBS4和明月峰1井的沉积盖层只有3km 左右,V197测点的沉积盖层为5.5km,向东到V199测点,沉积盖层的厚度达7.5km.3.5 冲绳海槽盆地

冲绳海槽中,离本研究测线较近的折射地震测点有SB12S 和M15SW,位于冲绳海槽的中部槽底区,水深都在2000m.另外选取了离测线较远的C314、V190和OKS3三个测点,水深分别为1700m 、1480m 和700m,用于控制海槽西侧槽底和槽坡的速度结构.从这几个测点的速度结果可以看出,冲绳海槽的地壳速度结构在纵向上和横向上都有较大的差异.总体来看,纵向上可分出6个速度层,从上到下分别是1.8~2.11km/s,2.4~2.8km/s,3.4~ 3.6km/s,4.0~5.3km/s,5.96~6.0km/s 及7.0km/s 以下的速度层.最上面的两个速度层在本区发育,其下的3.4~ 3.6km/s 的速度层在个别地方出现,为透镜体,4.0~ 5.3km/s 的速度层在本区发育,且厚度很大.SB12S 测点位于冲绳海槽的中轴区,表现出和闽浙隆起区、隆起区类似的速度结构,最上部缺失1.8)2.11km/s 和2.4)2.8km/s 的速度层,3.4km/s 的速度层直接出露海底,其下也没有在本海区广泛出现的4.6km/s 左右的速度层,而是5.3km/s 的速度层,厚度很薄,该层直接覆盖在6.99km/s 的速度层上.此处也表现为明显的地壳隆起.所以在海槽区6.99km/s 以上的地层有从海槽中轴向西侧斜坡增大的趋势.3.6 菲律宾海盆

本研究剖面在菲律宾海盆的折射测站有M18NE 、M20NW 、M20SW 和M19四个测站.四个测站的结果表明,板块的地壳厚度为5.1~6.0km,三层结构清晰:层1厚0.06~ 1.21km,速度为2.0km/s;层2厚1.1~2.3km,速度为4.39~ 4.98km/s;层3厚2.3~4.86km,速度为6.5~6.58km/s,其下上地幔顶面速度为8.09~8.1km/s.为典型的大洋地壳速度结构.

4 结果讨论

本研究剖面最上部1.8~2.2km/s 和2.4~2.8km/s 的速度层在全区广泛分布,地层厚度变化不大,特别是上层基本上和海底平行,表明未经受过构造变动.4.2~5.1km/s 的速度层在全区发育,自西向东比较稳定,地层厚度普遍很大.3.0~3.6km/s 的速度层仅在东海陆架和冲绳海槽中出现,厚度很小,不连续,表现为沉积透镜体.本剖面的最西端、隆起区、冲绳海槽的中轴和琉球岛弧隆起区都出现速度层的缺失和减薄,底部速度层抬升,表现为明显的隆起.

结合熊绍柏等[13]

、廖其林等[14]

对福建与浙江东部沿海一带的地壳速度结构研究,本文将OBS4的三个速度层划分为上地壳层(3.4km/s)、中地壳层(5.9~6.2km/s)和下地壳层(7.1km/s).OBS4测点整个地壳的厚度为29km.目前,东海陆架盆地已有20多口钻井,钻井揭示的最古老地层为温东群正片麻岩[15].天外天1井证实,速度为1.8~2.2km/s 和2.4~2.8km/s 的速度层为上新世至第四纪的沉积,3.0~3.6km/s 的速度层为渐新世至中新世

#32# 地 球 物 理 学 进 展 2001年

的沉积,4.2~5.1km/s 的速度层为始新世的沉积层,5.75~ 6.0km/s 的速度层推测为侏罗纪到古新世的沉积,6.0km/s 的速度层推测为上古生界一套浅变质岩系[15].经菲律宾海盆的钻孔446和295证实,本剖面菲律宾海区速度为2.0km/s 的地层,主要为现代沉积,速度为4.39~ 4.98km/s 的地层由始新世的大洋玄武岩组成,速度为6.5~ 6.58km/s 的地层为下地壳,主要为橄榄岩伴生的辉长岩[16)18].

所以总体上看,整个东海陆架盆地为一大型的中)新生代沉积盆地,其上地壳应为古生代、中生代和新生代的沉积盖层,中地壳为变质基底层(或是岩浆岩层).从地壳的速度结构推测本海区至少有如下的沉积旋回:除冲绳海槽的中轴外(SB12S 测点),上新世至第四纪本海区沉积环境稳定,而冲绳海槽中轴可能一直处于构造活跃的状态;始新世整个区域处于沉降状态,为本区沉积的全盛期;渐新世该区域处于抬升的时期,隆起区、琉球岛弧隆起区在此时期的沉积被剥蚀殆尽,东海陆架和冲绳海槽此时期的沉积也受到相当程度的剥蚀.东海陆架盆地和冲绳海槽盆地的出现可能在5.75~6.0km/s 的速度层沉积之后.

参

考

文

献

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THE CRUST VELOCITY STRUCTURE OF A PROFILE IN THE

AREA OF EAST CHINA SEA AND ITS VICINITY

LUAN X-i wu 1) GAO Ge -zhang 2) YU Pu -zhi 1) ZHAO Jin -hai 2)

(1.Institute o f O ceanology,Chinese Ac ade my o f Sciences,Qindao 266071China ;

2.Shanghai Programming and Design Institute o f Marine Oil,Shanghai 200120China )

Abstract:Since 1982,the Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences(IOC AS)has con -ducted more than 20sonobuoy refraction measure ment in the area of East China Sea.In 1991,the IO -C AS also c onducted OBS measurement in the same area.Both the our refraction data and other au -thors .refraction data measured in the area of East China Sea have been used to study the crustal veloc -ity structure along a Profile which is across the East China Sea shelf basin,Okina wa Trough,Ryukyu Island,Ryukyu Trench and Philippine Sea in this paper.The ages of the velocity layer have also been deter mined in this paper.The crustal velocity structure is difference both along the chosen profile and from top to the depth.Along the profile there are three basins and three uplifts.From top to the depth there are 5velocity layers,which are layers of 1.8~2.2km/s, 2.4~2.8km/s, 3.0~3.6km/s,

4.5~

5.1km/s and 5.75~

6.0km/s.Based on the velocity structure we can know that the deposit environment was stable between Pliocene and Quaternary along the whole profile except the axis part of Okinawa Trough which had always been active and the deposit florescence was E ocene and the whole area was uplifting in the time of Oligocene and the sediments of that time upon the Diaoyudao uplift and Ryukyu island and also the area of East China Sea shelf basin and Okinawa Trough were denuded.The origination of the East China Sea shelf basin and the Okinawa Trough might be after the deposition of the velocity layer of 5.75~6.0km/s.

Keywords:East China Sea and its vicinity;Sonobuoy measurement;OB S measurement;Crustal ve -

locity structrue #34# 地 球 物 理 学 进 展 2001年