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热带海洋学报 >

2023 , Vol. 42 >Issue 1: 135 - 144

DOI: https://doi.org/10.11978/2022029

海洋地球物理学

利用接收函数方法约束西沙碳酸盐岩台地沉积厚度与速度结构

  • 黄海波 , 1, 2 ,
  • 丘学林 1, 2, 3 ,
  • 龙根元 4, 5 ,
  • 矫东风 4, 5 ,
  • 韩孝辉 4, 5
展开
  • 1.中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室(中国科学院南海海洋研究所), 广东 广州 511458
  • 2.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 511458
  • 3.中国科学院大学, 北京 100049
  • 4.海南省海洋地质资源与环境重点实验室, 海南 海口 570206
  • 5.海南省海洋地质调查研究院, 海南 海口 570206
黄海波。email:

黄海波 (1987—), 安徽淮南人, 男, 副研究员, 从事南海深部结构研究。email:

Copy editor: 姚衍桃

收稿日期: 2022-02-16

  修回日期: 2022-04-10

  网络出版日期: 2022-04-15

基金资助

国家自然科学基金项目(42176081)

国家自然科学基金项目(42174110)

南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0204)

海南省海洋地质资源与环境重点实验室开放课题(HNHYDZZYHJKF003)

收起

Thickness and velocity structures of the carbonate platform sediments in the Xisha Islands constrained by receiver function method

  • HUANG Haibo , 1, 2 ,
  • QIU Xuelin 1, 2, 3 ,
  • LONG Genyuan 4, 5 ,
  • JIAO Dongfeng 4, 5 ,
  • HAN Xiaohui 4, 5
Expand
  • 1. Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology (South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences), Guangzhou 511458, China
  • 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 4. Hainan Key Laboratory of Marine Geological Resources and Environment, Haikou 570206, China
  • 5. Marine Geological Institute of Hainan Province, Haikou 570206, China
HUANG Haibo. email:

Copy editor: YAO Yantao

Received date: 2022-02-16

  Revised date: 2022-04-10

  Online published: 2022-04-15

Supported by

National Natural Science Foundation of China(42176081)

Key Special Project for Introduced Talents Team of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou)(GML2019ZD0204)

Open Project of Hainan Key Laboratory of Marine Geological Resources and Environment(HNHYDZZYHJKF003)

National Natural Science Foundation of China(41274110)

Fold

摘要

碳酸盐岩台地的沉积厚度和弹性波速度是评估珊瑚礁发育规模以及结构稳定性的重要参数。本文根据西沙地区琛航岛和永兴岛流动地震台站所记录的远震接收函数波形, 通过识别沉积底部产生的转换横波及其多次波震相, 精确拾取震相走时信息。同时参考岛屿钻井资料和人工地震探测结果, 计算获得了台站下方碳酸盐岩台地的沉积厚度、平均纵波速度和波速比。结果显示: 永兴岛和琛航岛下方沉积体的平均纵波速度约为3.5km·s-1, 波速比约为2.42, 平均厚度分别约为1.35km和1.55km。计算获得的平均厚度与西沙钻至基底的测井结果较为一致(约1.257km)。琛航岛沉积厚度略大于永兴岛(约200m), 表明碳酸盐岩台地沉积基底的起伏或与生物礁沉积相的差异有关。

关键词： 碳酸盐岩台地; 速度结构; 波速比; 接收函数; 西沙群岛

本文引用格式

黄海波 , 丘学林 , 龙根元 , 矫东风 , 韩孝辉 . 利用接收函数方法约束西沙碳酸盐岩台地沉积厚度与速度结构[J]. 热带海洋学报, 2023 , 42(1) : 135 -144 . DOI: 10.11978/2022029

Abstract

Thickness and elastic wave velocity are important parameters for evaluating the size and structural stability of coral reef. This study collected the receiver functions from two portable seismic stations on the Chenhang Island and Yongxing Island in the Xisha area, South China Sea. Travel times of the P-to-S converted waves and their multiple phases generated at the base of the carbonate platform are accurately picked up. At the same time, the thickness, average P-wave velocity, and velocity ratio of the carbonate platform sediments were calculated based on the drilling data and artificial seismic exploration results. The results show that the average P-wave velocity of the platform sediments on the Yongxing Island and Chenhang Island is about 3.5 km·s-1, the Vp/Vs ratio is 2.42, and the average thicknesses are about 1.35 km and 1.55 km, respectively. The calculated thicknesses are consistent with that of the well on the Yongxing Island which reaches the reef bottom at about 1.257 km. The sediment thickness of the Chenhang Island is slightly larger than that of the Yongxing Island (about 200m), which reflects the fluctuation of the basement beneath the island or is related to the reef growth faces.

Keywords carbonate platform; velocity structure; Vp/Vs ratio; receiver function; Xisha Islands

西沙碳酸盐岩台地(以下简称台地)位于南海西北部陆缘, 其重要组成部分珊瑚礁体主要生长在北东向展布的伸展基底之上, 与该区断块发育密切相关(图1)。西沙台地区岛礁的生长历史和基底组成记录了南海西北部的碳酸盐沉积、海平面升降、气候变化以及伸展沉降、岩浆侵入等动力过程, 是研究南海共轭陆缘构造沉积演化的重要依据。西沙海域地形特征反映了典型的珊瑚礁体沉积模式, 包括礁缘、泻湖等地貌(余克服 等, 1995)。水下碳酸盐岩台地在多期的地表出露、剥蚀以及淹没事件后, 形成了较好的孔隙度、渗透率以及堵隔层, 油气可沿大规模断层向上运移并在生物礁和碳酸盐岩储层中成藏。油气勘探实践表明, 生物礁油气藏发育规模较大并具有较高产能(甘玉青 等, 2009)。因此, 西沙地区的碳酸盐沉积模式和结构研究具有重要的资源开发意义, 有利于评估南海含油气盆地碳酸盐岩储层的勘探潜力(解习农 等, 2011)。
图1 西沙海域岛礁以及岛屿地震台站分布[据陈俊仁(1978)]

该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2020)4632号的标准地图制作, 底图无修改。红色五角星为地震台站, 其中永兴台位于宣德环礁, 琛航台位于永乐环礁; 黑色五角星为高尖石

Fig. 1 Distribution of the reef islands in the Xisha area (after Chen, 1978). Red stars are the seismic stations on islands, in which the Yongxing Station lies on the Xuande Atoll and the Chenhang Station lies on the Yongle Atoll; Black star represents the Gaojianshi reef

碳酸盐岩台地的岩石组成和造礁过程受到区域构造演化、海水温盐环境以及生物群落的共同影响, 其非均质性、孔隙裂纹和生物组分等决定了沉积体呈现的物理、力学特性(王国忠, 2001; 赵强, 2010; 杨永康 等, 2016)。随着岛礁资源开发和建设的深入开展, 针对礁体在风浪、剥蚀等海洋动力和地质过程影响下的稳定性开展了大量研究, 包括钻孔测井、岩石力学试验和地球化学分析等(王新志, 2008; Ma et al, 2011; 肖向阳 等, 2018)。西沙群岛已有的钻井包括西永1井(孔深1384.68m)、西永2井(孔深600.02m)、西琛1井(孔深802.17m)、西石1井(200.63m)、西科1井(孔深1257.52m)和琛科1井(孔深928.75m)。位于永兴岛的西永1井钻取礁体沉积厚度1251m, 钻遇的基底为前寒武纪变质岩系(张明书, 1990); 西科1井位于和永兴岛相连的石岛, 该井底部钻遇片麻岩和花岗岩结晶基底(Wu et al, 2021); 位于琛航岛的西琛1井是针对生物礁的全取心钻井, 揭示的地层均为碳酸盐岩礁体沉积, 未钻遇基底(张明书 等, 1997; 魏喜 等, 2007)。对钻取礁体的岩石分析揭示了西沙珊瑚礁的生长过程, 前人据此推断了西沙地区的新生代构造以及沉积基底沉降(詹文欢 等, 2006; 魏喜 等, 2008)。永兴岛礁体底部的风化壳表明西沙地块基底曾长期抬升并遭受风化侵蚀(Zhu et al, 2017); 位于琛航岛的琛科2井首次钻遇玄武质火山碎屑岩, 表明西沙基底后期受到岩浆活动改造(Zhang et al, 2020)。这些钻井信息反映了西沙台地沉积基底的复杂性, 为珊瑚礁体生长提供了多样的地质构造环境。然而, 西沙群岛的钻井并非全部钻穿台地珊瑚礁体或具有测井记录(图2)。西永1井虽钻遇基底且开展了测井工作, 在一定程度上提供了永兴岛下方的沉积厚度及力学性质的重要信息。但由于不是全取心井位, 较少的岩心资料使得礁体沉积的岩石学属性及其整体表现出的地球物理特性无法深入研究。同时, 西琛1井虽然属于全取心井位, 但没有钻穿整个礁体并且缺失测井记录。因此, 有关这些台地的沉积厚度信息和岩石学特性也未能获得, 从而制约了岛屿之间钻井资料的对比以及可能存在的台地演化历史差异的分析。
图2 西永1井和西琛1井的测井信息[据魏喜等(2007)、马玉波等(2010)]

Fig. 2 Well logs of the Xiyong-1 and Xichen-1 drillings (based on Wei et al, 2007; Ma et al, 2010)

地震波速度和波速比能在一定程度上反映岩石的力学特性和矿物属性(Christensen et al, 1995)。近年来, 随着南海资源开发的不断发展, 对南海北部陆缘碳酸盐岩台地的地震探测基本实现了全覆盖(Ma et al, 2011)。然而, 西沙浅水岛礁区由于浅滩和暗礁广布, 长期缺乏针对台地深部结构的地震勘探和研究。传统的水域地震反射调查可获得台地的沉积相分布和礁体形态, 但由于偏移距的限制, 探测深度和分辨率有限(段志刚 等, 2016), 对台地沉积的整体厚度和基底埋深还存在较大争议。本研究基于西沙岛礁地震台记录到的远震波形数据, 利用纵、横波转换走时信息实现了对台地及其基底尺度结构的直接观测, 根据所获得的台地沉积厚度和速度结构探讨了西沙台地演化差异以及岛礁稳定性。

1 数据和方法

远震接收函数方法通过对地震台记录到的三分量记录进行反褶积处理, 分离出速度间断面对入射体波的响应函数, 从而获得转换横波及其多次波的振幅和到时信息(Langston, 1979)(图3a)。该方法在大陆地区已取得广泛应用, 揭示了大陆地壳/上地幔的横波速度变化信息, 刻画了俯冲板片、软流圈顶界面、地幔过渡带等重要界面的起伏特征(Akuhara et al, 2015; Huang et al, 2015; Thurner et al, 2015)。在海区, 由于海底地震仪分布较为稀少、观测时间较短, 同时受到海底软泥、水流对仪器耦合性和噪声水平的影响, 接收函数方法的实际应用还比较缺乏 (Audet, 2016; Huang et al, 2019b)。对于海洋岛屿和珊瑚礁地区, 目前仅有少量针对单台仪器下方地壳结构的研究(Leahy et al, 2005; 黄海波 等, 2011)。受制于单台观测的局限性, 所获得的深部结构可信度仍存在较大争议, 并且无法对其结构细节进行刻画。碳酸盐岩台地沉积与基底的速度差异存在多样性。根据组成基底岩石的物质属性, 这种速度差异可能产生具有不同振幅和走时特点的转换波震相。对于西沙台地而言, 其基底由前寒武纪变质岩组成, 可能还受到后期岩浆活动的改造。无论对于何种属性的基底面, 台地沉积与其形成的速度差异都为远震P波转换成S波提供了良好条件, 据此可根据震相理论走时来约束台地沉积厚度和速度信息(图3b)。
图3 接收函数转换震相射线路径示意图(a)和理论走时(b)

计算使用的远震射线慢度为0.07, 约相当于震中距50º

Fig. 3 Ray paths of the converted phases in receiver function (a) and the travel times (b). The ray slowness in the modeling is 0.07, related to earthquakes from epicenters of 50º

对于厚度为H的地层, 台站位于地层顶部, 底部间断面产生的转换震相Ps、PpPs以及PpSs+PsPs与直达P波的走时差为:
$\begin{aligned}T_{\mathrm{Ps}}=H\times V_{\mathrm{P}}^{-1}\\ \times\left[\sqrt{k^{-2}-(V_{\mathrm{P}}\times p)^2}-\sqrt{1-(V_{\mathrm{p}}\times p)^2}\right]\end{aligned}$
$\begin{aligned}T_{\mathrm{PpPs}}=H\times V_{\mathrm{P}}^{-1}\\ \times\left[\sqrt{k^{-2}-(V_{\mathrm{P}}\times p)^2}+\sqrt{1-(V_{\mathrm{p}}\times p)^2}\right]\end{aligned}$
$T_{\text{PpSs+PsPs}}=2H\times V_{\text{P}}^{-1}\times\sqrt{k^{-2}-(V_{\text{P}}\times p)^2}$
式中: k为纵横波速比, p为射线慢度, Vp为地层的纵波速度。
根据以上公式, 通过对来自不同方位和震中距的接收函数进行转换横波震相的搜索和振幅叠加, 可以估算台站下方的地壳厚度和波速比(传统H-k搜索法) (Zhu et al, 2000)。该方法被广泛应用于大陆地区的深部结构研究中, 这些地区的台站往往位于基岩之上, 不需要考虑浅层结构对转换震相走时的影响。然而, 较厚的沉积层往往具有很低的地震波速度, 与其基底形成显著的地震波转换界面, 所产生的震相会对正常的接收函数波形造成影响(朱洪翔 等, 2018)。
为了说明浅部结构产生的转换横波震相的波形特征, 本研究建立了如图4的理论模型。模型顶部覆盖了2km厚的低速沉积层, 横波速度只有1.8km·s-1, 莫霍面埋深为34km(图4a)。根据这一模型模拟的接收函数波形中, 可以看到来自沉积层底部的转换横波及其多次转换震相, 时间在0~2s之间(图4b)。在不消除低速沉积层影响的情况下, 利用传统H-k方法获得的地壳厚度和波速比都会出现偏差(图4c)。可见, 浅部沉积层由于波速比明显高于常见地壳岩石的波速比, 因此会影响转换波震相的走时, 使得地壳平均厚度和波速比的估算偏大。因此, 基于公式(1)—(3)对存在较厚地表沉积层或者珊瑚礁体的地表附近介质进行独立处理, 不仅可以获得浅层结构的重要信息, 也是揭示更为准确的深部结构的重要前提。这为本文研究组在西沙岛礁区这样一个存在碳酸盐岩沉积和珊瑚礁堆积的海域进行类似研究提供了理论基础和指导。
图4 有沉积盖层的理论模型以及计算得到的接收函数和叠加结果

a: 地壳速度模型; b: 理论接收函数; c: H-k叠加结果

Fig. 4 Theoretical receiver function and stacking results of the model with sedimentary layer covered. (a): crustal structure model; (b): theoretical receiver function; (c): H-k stacking results.

琛航岛和永兴岛分别位于西沙群岛永乐环礁的东南部和宣德环礁东部(图1)。架设于琛航岛的流动地震台站开始记录时间为2008年4月, 记录周期为1年, 仪器采用RefTek130采集器和Guralp CMG 3T宽频带地震计。架设于永兴岛的固定地震观测台站自2001年开始记录, 运行至今, 该仪器采用CTS-1地震计。琛航台和永兴台分别记录到19个和38个来自于环太平洋地震带和喜马拉雅-印尼地震带的远震事件, 前人曾利用这些数据研究并获得了台站下方的地壳和上地幔结构(黄海波 等, 2011)。

2 结果与讨论

前人利用西沙的天然地震数据, 研究并获得了台站下方的横波速度结构(丘学林 等, 2006; 黄海波 等, 2011)。结果表明, 两岛屿地壳厚度为26~28km, 其顶部均存在约2km厚的低速层, 可能为珊瑚礁体沉积。由于这些研究主要针对深部结构开展, 所用接收函数的分辨能力较低(高斯滤波因子为1.5), 故无法获得珊瑚礁体沉积厚度和速度的准确结果。针对这一问题, 本研究对两个流动台站的接收函数进行了重新提取, 采取的高斯滤波因子为5.0, 相当于2.4Hz的低通滤波器(Ammon, 1991)。所获得的接收函数波形如图5a、5b所示, 可以看到来自于沉积底部的转换波主要位于0~3s之间。根据转换震相的振幅特征, 筛选并手动拾取了远震P波在台地底部产生的Ps、PpPs和PpSs+PsPs的震相走时, 结果如表1和图5c所示。走时结果显示, 琛航台和永兴台的转换震相Ps走时虽然相同, 但其多次波震相走时却存在明显差异。因此, 总体上两台站下方的沉积厚度差别不大, 所产生的不同转换震相走时可能无法在接收函数中得以分辨; 对于多次波来说, 因转换震相在沉积层中多次传播, 其时间差异得以体现(图3b)。另外, 据图4b以及前人理论计算(Cassidy, 1992)表明, 由于波形脉冲宽度所限, 较薄沉积层产生的Ps震相可能与直达P波相互干扰, 导致该震相拾取的走时提前。根据拾取的走时信息, 利用公式(1)—(3)并参考钻井资料和已有地球物理调查结果, 对台站下方的沉积厚度H、纵波速度Vp和波速比k进行对比研究。
图5 琛航台(a)和永兴台(b)的接收函数波形以及拾取到的转换波走时(c)

Pp: 直达P波; Ps: 基底面转换波; PpPs、PpSs+PsPs: 多次转换波。图c中绿色为琛航台数据, 红色为永兴台数据

Fig. 5 The converted and multiple phases from the sedimentary basement in the Chenhang Station (a) and Yongxing Station (b) and the picked travel times (c). Pp: direct P wave; Ps: converted phases from basement; PpPs and PpSs+PsPs: multiple phases

表 1 琛航台和永兴台的转换横波走时

Tab. 1 Travel times of the converted phases from the Chenhang Station and the Yongxing Station

台站 Ps PpPs PpSs+PsPs
平均值 最小值 最大值 平均值 最小值 最大值 平均值 最小值 最大值
琛航台 0.48 0.37 0.63 1.49 1.38 1.73 2.10 2.06 2.39
永兴台 0.49 0.36 0.64 1.25 1.02 1.47 1.80 1.73 1.90

2.1 台地沉积体纵波速度

公式(1)—(3)中, 震相走时对纵波速度的变化敏感性较低(Zhu et al, 2000), 因此在实际计算中台地沉积体的平均纵波速度主要参考已有资料, 并通过走时计算加以验证。物理力学实测结果表明, 受到珊瑚礁结构、沉积环境以及孔隙裂纹的影响, 珊瑚礁体纵波速度值离散性较大(孙宗勋 等, 1999; 郑坤 等, 2020): 马尔代夫地区速度值为2.32~4.65km·s-1, 西沙群岛和南沙群岛地区纵波速度分别为2.76~3.59km·s-1和2.53~4.17km·s-1。全球海域珊瑚礁体样本的平均纵波速度均在3.1~3.5km·s-1之间。多道反射地震揭示西沙台地区主要以珊瑚礁体沉积为主(马玉波 等, 2010), 广角地震的速度反演结果表明该沉积的平均速度约为3.5km·s-1(Huang et al, 2019a, 2021), 与珊瑚礁体的岩石样本实测结果一致, 代表了台地沉积的平均纵波速度值。因此, 本研究采用这一平均值对台地沉积的厚度和波速比进行估算。

2.2 台地沉积体厚度和波速比

西永1井和西科1井揭示的永兴岛和石岛珊瑚礁体沉积厚度约为1.3km(魏喜 等, 2007; 马玉波 等, 2010)。受转换横波射线路径影响, 利用转换震相走时计算的沉积厚度可能略大于钻井值(图3a)。本文根据这些钻井信息, 在沉积厚度1.0~2.8km和波速比1.8~2.8范围内, 计算了转换震相的理论走时。当所有震相走时的理论值和实测值之间的均方根误差最小时, 得到沉积厚度和泊松比的最优估计。由于Ps震相走时可能受到直达P波影响, 在计算均方根误差时Ps、PpPs和PpSs+PsPs震相的权重值分别取0.1、0.4和0.5。计算结果表明, 永兴台和琛航台下方的沉积厚度分别约为1.35km和1.55km(图6), 琛航台下方沉积厚度略大于永兴台(约200m), 两台站下方波速比可能存在细微差异(2.39~2.44), 平均值为2.42。
图6 琛航台(a)和永兴台(b)通过搜索估计的沉积厚度和波速比

五角星为走时差均方根最小时对应的值(厚度, 波速比); 灰度色标为走时差均方根

Fig. 6 The estimated thickness and velocity ratio of the Chenhang Station (a) and the Yongxing Station (b). The stars represent the thickness and velocity ratio that correspond to the minimum root-mean-square error; gray color scale shows the root-mean-square error distribution

前人曾利用短期布设的海底地震仪阵列所记录到的接收函数波形, 正演获得了西沙地区的浅部沉积和地壳结构信息(Huang et al, 2019b), 其沉积层的平均波速比值与本研究获得的结果较为一致。为了测试不同P波速度对计算结果的影响, 本文对不同的P波速度值都进行了走时均方根误差、沉积厚度和波速比的计算。结果表明不同P波速度情况下, 均方根误差和波速比值基本保持稳定(图7a、7b), 但沉积厚度变化相对较大。因此, 已有的岛礁钻井信息对于约束准确的台地沉积厚度值仍然至关重要。本研究估计的永兴岛沉积厚度(~1.35km)与西永1井实测资料基本一致, 表明所选取的沉积体平均P波速度值较为合理。
图7 纵波速度对走时差均方根(a)、波速比(b)和厚度(c)的影响

Fig. 7 Influences on the root-mean-square error (a), estimated k (b), and H (c)

南海陆缘伸展作用形成的基底断块为珊瑚礁体的生长发育提供了构造高点(解习农 等, 2011)。深部探测结果(Lei et al, 2016; 郭晓然 等, 2016)表明, 西沙海域沉积基底沿着断裂带起伏明显, 控制了该区碳酸盐岩台地的发育位置和沉积环境。琛航岛和永兴岛的台地沉积厚度和波速比勾画出了西沙地区珊瑚礁体的横向展布, 并反映了断裂活动和礁体内部孔隙流体对礁体岩石属性的影响(郑坤 等, 2019)。基底的形态直接决定着现代礁体的规模大小; 水动力条件影响、局部地质构造事件均能导致岛礁发育程度和物质来源的不同。另外, 井位在礁组合内所处的部位不同, 其沉积相可能也存在很大区别(赵强, 2010)。琛航岛和永兴岛钻井揭示的台地沉积岩性组合和沉积相存在明显差异, 这种差异即使在紧邻的永兴岛和石岛之间也比较明显(魏喜 等, 2007, 2008)。因此, 本研究揭示的台地沉积厚度差异体现了岛屿下方的基底断块形态, 这与该区普遍发育的断裂活动密切相关(冯英辞 等, 2015)。

3 结论

通过提取西沙永兴岛和琛航岛的远震接收函数波形, 识别并获得了来自碳酸盐岩台地沉积基底的转换横波震相走时。基于岛礁钻井和前期地球物理调查资料, 正演模拟了台站下方的沉积厚度和波速比。结果表明, 永兴岛和琛航岛沉积体的平均纵波速度约为3.5km·s-1, 波速比为2.39~2.44, 平均厚度分别约为1.35km和1.55km。台地下方基底的起伏或生物礁沉积相的差异是造成两个岛礁沉积厚度差异的主要原因。本研究为揭示南海碳酸盐岩台地的礁体沉积内部结构提供了重要途径, 也为岛礁演化对比、工程开发和基底稳定性评估等提供了参考。为了获得更为精细可靠的台地沉积结构, 今后还需架设更多岛礁地震台站, 并开展长期的地震观测, 从而提高远震数据信噪比和模拟精度。

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