南海北部陆缘obs2018–h2测线地壳速度结构初步研究

南海北部陆缘obs2018–h2测线地壳速度结构初步研究

南海是太平洋的一个大型边境海，形成于自晚白亚纪以来的逐渐破裂。洋陆转换带(Continent–OceanTransition,COT)是位于减薄陆壳和洋壳之间的一个过渡地带,是伸展背景下大陆岩石圈与大洋岩石圈相互作用的特殊区域(在前人的一些研究中,南海北部陆缘不仅拆离断层发育,而且在其洋陆转换带处并未发现富岩浆型边缘特有的向海倾斜反射层,同时发育大量海倾的断层系统(南海北部陆缘兼具贫岩浆型(非火山型)与富岩浆型(火山型)陆缘的特征,具有特殊性与复杂性。为了更加深入地了解南海,揭示其从张裂到破裂的演化机制,国际大洋发现计划(InternationalOceanDiscoveryProgram,IODP)在南海北部陆缘开展的大洋钻探IODP367/368/368X航次,从陆向洋共在7个站位(图1)进行了钻探,其中站位U1499钻遇同裂谷或前裂谷的砾岩,但未钻遇基底(图2a);U1502钻到基底,但钻遇的是强烈热液蚀变的玄武岩(图2a),具有洋中脊型玄武岩的成分组成(2018年实施的OBS2018–H2测线穿过了IODP站位U1499和U1502(图1),深部地球物理探测与钻探相结合,深浅优势互补,可望解决从站位U1499到U1502如何在短距离实现洋陆转换及其深部结构特征如何变化的科学问题。本文以OBS2018–H2测线数据为依托,详细叙述了前期数据处理过程、初始模型的建立、震相的初步识别,并对地壳结构进行了初步分析。1海底地震仪测线2018年5—7月,通过搭载中国科学院南海海洋研究所的“实验2”号科考船,国家自然科学基金委“南海北部地球物理共享航次”顺利完成了南海北部洋陆转换带COT区域大规模三维深地震探测实验(本次实验使用的是中国科学院地质与地球物理研究所研制的便携式短周期海底地震仪(OceanBottomSeismometer,OBS)(本文重点讨论OBS2018–H2测线,它是三维地震探测实验中的一条近东西向的主测线,共投放OBS10台,采样率为100Hz,最终成功回收10台,回收率达到100%。测线长度约179km,穿过了IODP站位U1499和U1502,激发的有效炮数为849炮,放炮时间间隔为90s,放炮期间船速约为5节。另外,气枪放炮的同时,随船还进行了沿测线的多道地震数据的采集。该多道地震数据共24道,道间距为12.5m,多道拖缆长度为300m,采样时间间隔为2ms,但其中20道数据损坏,只余4道数据可用。2地震数据处理海上采集的数据包括Hypack导航数据、计时器数据、OBS原始数据及多道地震(Multi-channelseismicreflection,MCS)数据。这些原始数据不能直接使用,需要经过一系列的处理,包括数据格式转换、炮点和OBS位置校正、多道地震数据处理等。2.1数据重复代理2.1.1气枪裁截obs首先提取原始导航数据(Hypack文件和计时器文件)中记录的气枪每次激发的炮号、精确的放炮时间(GMT时间)、经纬度坐标、航向及航速等信息,然后根据标准格式输出标准导航文件UKOOA,用于后期按炮对OBS数据进行裁截处理(2.1.2obs数据格式转换数据首先对OBS原始数据进行解编处理,转化为SAC格式(2.2obs投放后在海水中的垂直分布由于波浪、海流及船给的水平初速度等因素的影响,OBS投放后在海水中并不是以类似自由落体的形式垂直下落,而是会从投放位置运动漂移数百甚至上千米(2.2.1成因分析及校正在放炮过程中,差分全球定位系统(DifferentialGlobalPositionSystem,DGPS)授时由Haypack记录到的炮点位置实际应该是DGPS的位置而并非气枪震源所在位置。产生的偏离包括“实验2”号科考船上DGPS点到船尾的硬连接(17m)和由船尾到水中气枪阵列的软连接(35m)。科考船行进过程中,船体受风浪影响会左右摇摆曲线前行,软连接部分无法随船体实时转向,从而造成DGPS与船尾的连线和船尾与气枪震源的连线并不平行,而是形成一定的角度(所有炮点校正到实际位置后,通过Matlab程序拟合为一条直线,以该直线作为后期速度模拟的测线,然后将所有炮点均投影到直线上得到新的炮点位置。校正前后炮点位置对比如图4所示,以50炮为间隔显示。由于OBS2018–H2测线由东向西放炮,船向西行驶,炮点位置由船上DGPS记录点校正到船后的气枪阵列处,因此,图4中可以看到校正后的炮点沿测线向东移动。2.2.2obs位置校正OBS实际海底落点与船上记录的投放点有一定的偏离,如果把投放点位置当作接收点的位置,后期拾取的震相会有比较大的偏差,所以需要对OBS的位置进行校正。直达水波震相(Pw)是气枪信号激发后在海水中传播,直接由OBS检波器记录,其炮点到OBS的时-距信息最简单可靠,常用来校正OBS位置。蒙特卡洛法是最常用的校正方法,曾应用于多次OBS位置校正工作(位置校正的重要判断标准是直达水波在校正后是否左右对称(2.3道内裁截与拼接OBS2018–H2测线在进行作业的同时,随船采集了沿测线的多道反射地震数据。多道反射地震数据的初始文件是SEGY格式记录的,使用SU软件包进行处理。多道地震的数据是分段独立记录的,其初始文件炮号范围不能与目标测线对应一致,所以第一步先进行裁截与拼接。首先读取SEGY文件将其转成SU文件,然后经过计时器班报和UKOOA文件对比,剔除无效炮,按照对应的炮号进行裁截与拼接。第二步,把4道叠加起来,得到叠加后的H2–stack.su文件,之后把偏移距offset加入其道头。第三步,对SU文件进行滤波、增益等处理后绘制出多道地震记录剖面图(图6a)。剖面的层位解释如图6b,中间的黄色部分为多道剖面LW3,来自3海底和基底的形态多道地震(MCS)数据含有丰富而可靠的浅部信息,可以很好地限制海底和基底的形态。因此,这里以多道为基础建立初始速度模型。多道上获取的层位信息是一个时间域的地质模型,需要通过时深转换把它转成深度域的地质模型。首先,根据经验设定,水层速度取均值1.5km·s4pg、pg震相及地壳厚度在完成了炮点和OBS位置校正之后,重新进行数据转换生成新的SEGY数据。然后利用地震处理软件SU进行可视化。这里以OBS36、OBS37、OBS09和OBS42台站为例,具体操作包括数据读入、自动增益控制、带通滤波,最终得到综合地震记录剖面(;)。根据震相对比原则及各震相记录特征,4个台站的综合地震剖面都能清晰识别出多组清晰的P波震相(图9),如Pw、Pg、PmP和Pn震相。其中,Pw是直达水波震相,呈左右对称、倒置的双曲线形态,常用于OBS位置校正。Pg是地壳内部折射震相,是能量最强的一组震相,可连续追踪,在OBS36左半支6～30km和右半支6～36km、OBS37左半支6～42km和右半支6～40km、OBS09左半支6～45km和右半支6～45km以及OBS42左半支6～58km和右半支6～32km范围内都能连续追踪到该震相。PmP是莫霍面反射震相,与Pw形态相似,呈左右对称的双曲线形态,由于速度更大,形态更为平缓,在一定范围内滞后于Pg震相,在OBS36右半支22～40km、OBS37左半支20～42km、OBS09左半支32～52km和右半支28～45km以及OBS42右半支17～20km范围内能够识别该震相。Pn是来自上地幔顶部的折射震相,视速度比Pg大且往往与Pg相交,OBS09没有看到明显的Pn震相,在OBS36右半支36～65km、OBS37左半支42～58km和右半支40～65km、OBS42右半支22～37km可以追踪到该震相。测线西侧OBS36台站,位于IODP站位U1499附近,其下方的海底地形较为平坦(图1),但两侧的Pg震相特征不同(图9a),左半支在偏移距17km时,走时突然增加,而右半支走时增加缓慢,主要是由于两侧基底起伏情况不同所引起(图6)。根据Pg和Pn震相交点的偏移距可以初步估算地壳厚度,如OBS36右半支Pg和Pn震相交点的偏移距为36km,取地壳的平均速度为6km·s测线东侧OBS09和OBS42台站位于石申海山附近(图1),石申海山由岩浆活动形成(从多道地震剖面(图6)来看,基底的双程走时在测线的西部和中部起伏较小而在东部的起伏相对较大,东部地壳受到更强烈改造;黄色部分多道地震剖面LW3莫霍面的双程走时与基底相比起伏相对较小;测线西侧OBS36与OBS37台站下的基底和莫霍面之间的双程走时间隔为2～3s,取地壳的平均速度为6km·s5obs震相初步识别本文以OBS2018–H2测线数据为依托,阐述了测线前期的数据处理流程,进行了震相初步识别,并对地壳结构进行了初步分析,得到以下几点认识:1)炮点与OBS位置校正效果良好。炮点位置校正消除了DGPS到枪阵中心的偏离;直达水波形态由OBS位置校正前的左右不对称变为校正后的对称形,校正后的OBS位置更接近于其实际落点;所有OBS的校正精度均在5ms以内,以平均海水声速1.5km·s2)基底在测线的西部和中部起伏较小而在东部的起伏相对较大;由测线西侧OBS36、OBS37台站的震相特征初步估算台