南海海域海洋地球物理基础数据的初步研究

南海海域海洋地球物理基础数据的初步研究

1南海海岛的地震勘探实践研究成果地球物理研究已经运行了多年，积累了大量研究成果。出版并相对系统的成果包括：刘广鼎主编的《中国海洋和邻区地质地球物理特征》和《中国海洋和邻区地质地球物理系列图》；地质矿产部第二地质调查办公室主任的《南海地质地球物理地球物理地球物理地球物理成像》。这些成果是当年海洋地球物理工作者的智慧结晶。这是南海地球物理勘探的里程碑，反映了当时中国地球物理勘探的最高水平。自1987年以来，许多中国科学家使用了这个数据，形成了许多成果[4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20]。然而，当时中国的实际海拔高度仅限于南海北部，国外的研究线结果仅为几十公里。对于巨大的南海来说，数据的数量是非常罕见的。其中大部分是单线研究。使用这些数据的绘制精度很低。因此，它极大地限制了地球物理场（如重、磁等地球物理场）的研究，以及南海基本地质区域的发育。即使到目前为止，南海仍有许多地方属于土地调查和项目调查阶段。总的来说，南海地区的研究水平仍然很低。随着卫星与航空地球物理测量技术的发展,南海地球物理调查能够全部覆盖.但是卫星与航空地球物理测量不能替代海洋船载地球物理测量,在调查船无法到达的地方,可用于补充.长期以来,我国南海磁法测量的日变改正主要依赖于海南三亚的地磁台站,三亚台站的纬度在N19°,南海N17°以南的绝大部分区域的日变改正用三亚台站的数据实际上非常不合适的,但是没有解决的办法.最近,国内开始引进海底日变站,新采集的资料的精度得到了极大地改善.但是,过去已采集的资料并没有得到改善.正是由于过去资料量少覆盖面少,海底地形测量技术精度又不够,重、磁测量的定位精度、改正精度也不够,而且处理方法不过关等因素,限制了南海海岛海山的地球物理性质研究.“海岛法”的颁布,海岛海山的研究将越来越得到国家的重视,但是目前海岛海山研究未能纳入正规,还处于初级阶段.近年来,针对南海的海岛海山,南海的学者还是做了不少的尝试.如李家彪利用“大洋一号”船在南海117E°—119.5E°,13.5N°—17.5N°区域范围内进行了全覆盖多波束调查,结合统一海区的磁力测量,获得北东向构造地貌与该区磁异常平剖图的条带磁异常的匹配关系.金钟利用1983年国家海洋局第二海洋研究所和南海分局、1980—1982年原地质矿产部第二海洋地质调查大队及1985年中法、1987年中德等在南海海盆进行地质地球物理(联合)调查所获取的海山地形和地磁异常资料,分别反演出16个海山的磁性参数以及海山古地磁偏角,反演海山磁性的基本约束参数是根据1979年中美合作南海调查拖网获得的3个玄武岩样品测得.可见,或工作覆盖面小,或资料太老,都不能形成南海海岛海山的重、磁场性质的综合认识,南海大部分的海岛海山地球物理认识成果基本上还处于空白状态.本文是利用“十一五”863国家重大项目的“2006AA09A101”课题的研究成果,在参考文献的海洋实测资料的基础上汇集、增加了近20年的我国海洋船载实际测量成果,成图的有效测线数据达到26万公里以上,以国土资源部广州海洋地质调查局及其前身的历年调查成果为主,还包括国家海洋局及国外在南海的部分调查成果,少数调查船不能到达的区域用航空、卫星数据填充.不仅南海北部资料更加充实,而且文献中未能涉及的南海南部、南海中部地区均有了非常详实的海洋调查船实测资料;是南海海域迄今为止最为完整、采样点分布最密、数据整理最完整合理的重磁成果.利用最新研发的变倾角化级技术,获得的磁力ΔZ⊥异常,并用于研究海岛海山为南海海域首次.填补南海海岛海山的地球物理研究的空白,对南海的形成、演化,以及资源的分布潜力,环境、海岛海山的综合利用等领域提供第一手资料.南海海山海岛的地球物理研究,为了方便描述及满足保密要求,仅限于目前公开发表的,如文献等中具有名称的正向高地.2重力异常图的进步南海海岛海山非常多,本文仅涉及几十个相对大的、公开发表文献中有名称的海岛与海山(图1).主要指东沙群岛、西沙群岛、中沙群岛、南沙群岛等南海诸岛,双子群礁、中业群礁、道明群礁、郑和群礁、九章群礁、尹庆群礁、南薇滩、安渡滩、礼乐滩、南方浅滩、台湾浅滩、北康暗沙、南康暗沙、曾母暗沙,以及北坡海山、笔架海山群、尖峰海山、双峰海山、玳瑁海山、石星海山、宪北海山、宪南海山、涨中海山、珍贝海山、黄岩海山、中南海山、龙北海山、龙南海山、长龙海山群、飞龙海山群、大珍珠海山、小珍珠海山这些在小比例尺图上能够明显识别的正向高地.南海重力场研究的数据来源于我国的海洋重力实际测量,空白及资料量不足的地方用卫星测高成果填充,此次成果与前人编制的空间重力异常图主要进步在于:(1)增加了1987～2007年度的南海重力实测资料,基本覆盖南海;(2)实测资料测点正常重力值全部采用1985年国际正常重力公式进行正常场改正;(3)以海洋实测的重力资料为主,全覆盖的卫星测高数据获得的高精度背景数据为辅.凡是有实测资料的区域,全部使用实测资料,空白处以及资料量不够的区域,用卫星测高反演的空间重力场获得的网格重力异常数据填充.编图过程充分利用了全覆盖的卫星测高反演的空间重力场的空间重力异常为背景值,剔除由于采集不当形成的错误数据,确保空间重力异常规律清晰,完全与南海的地形底图吻合.图2展示了南海的空间重力异常中大于20×10-5m·s-2的重力异常范围与南海海岛海山的匹配关系,紫色线是空间重力异常大于20×10-5m·s-2的范围.总体而言,南海海岛海山等正向高地均与重力高重合,空间重力异常大于20×10-5m·s-2的区域主要集中在南海的东南,西北区域相对较少,如果将南海看作近于四边形的外形,相对重力高的区域以南海广雅斜坡至台湾岛的北东向对角线为界,与这个区域岛屿海山等正向地形单元比较集中有关;礼乐斜坡、北康暗沙为入口,出现重力高的扇形区.南海的海岛海山的空间重力异常值均大于0,为高密度,其中:异常值>50×10-5m·s-2,这些高异常值的海山海岛有:西沙群岛、中沙群岛以及南沙群岛中的双子群礁、中业群礁、道明群礁、郑和群礁、九章群礁、尹庆群礁、南薇滩、安渡滩、礼乐滩、南方浅滩,海盆中的宪北海山、宪南海山、涨中海山、珍贝海山、黄岩海山、中南海山、龙北海山、龙南海山;异常值介于20至50×10-5m·s-2之间,这类海岛海山分布于三个区域,如东沙群岛、台湾浅滩、北坡海山、笔架海山群为代表的南海北部的正向高地,大珍珠海山、小珍珠海山为代表的海盆区高地,北康暗沙、南康暗沙、曾母暗沙为代表的南海南部高地;异常值<20×10-5m·s-2,异常值低甚至是负值的高地,如双峰海山异常极大值仅为3.2×10-5m·s-2;而尖峰海山重力异常为负值,地形却表现为向海倾斜的海脊,由于此处重力场的特点与地形特征是不匹配的,无法确定是重力测量还是测深的环节出了问题,因此尖峰海山有待于进一步落实,在本文将不讨论其地球物理特性.3测线误差的处理据文献,主体的数据来源是我国的海洋磁力实际测量,周边空缺的部分填补为20世纪70～80年代CCOP磁异常网格数据,调查船无法到达的区域为少量航磁成果填充.与前人编制的磁力ΔT异常图主要进步在于:(1)增加了1987～2007年度的南海磁力实测资料,基本覆盖南海.(2)采用国际地磁学与大气物理学协会(IAGA)2005年公布的国际地磁参考场,依据测点的观测时间进行正常场改正.(3)有文献针对正在工作或即将进行的磁力采集资料开展的日变改正方法、理论等的研究,但是对于历年已采集得到的老资料的重新处理没有提出解决的方案.本文首次利用南海周边的国际地磁台历年公布的磁日变资料,对原未进行日变改正的磁力测量成果全部进行日变改正,反复比较,选择精度高的数据体融入整体数据中,大幅提高了整体数据精度.(4)每一个独立数据体,均进行测线误差改正(调差);各独立数据体之间进行零线调整,所有数据处在同一个零线基准上(调平).虽然海洋磁力调查得到的成果为磁力ΔT异常,实测磁力ΔT异常由于受斜磁化的影响,异常本身与磁性地质体之间的对应关系复杂,采用磁力ΔT异常进行直接解释比较困难,因此,在对海洋磁测成果进行处理解释时,一般可先做化极处理,将磁性体引起的磁力ΔT异常转换为该磁性体在垂直磁化条件下产生的磁异常垂直分量,然后再进行其它处理解释,使异常解释简便易行,同时提高异常解释的准确程度;南海海域磁倾角从-16°至37°,跨度大,部分地区就在磁赤道0°附近,因此,这项处理技术,对于南海低磁纬度地区显得格外重要.因此,本文直接采用磁力ΔZ⊥异常研究成果匹配南海海山海岛的磁性对应关系.南海磁场化极的精度及方法的讨论,作者已在《南海磁场特征研究》一书中论述,基本上解决了磁倾角小、跨度大的问题,获得了较为可信的化极成果.本文直接引用南海磁力ΔZ⊥异常研究成果,针对研究需要,调整重、磁异常平面显示方式,突出海岛海山的特点.南海磁力ΔZ⊥正异常与海岛海山的匹配关系,如图3所示,橘红线就是南海磁力ΔZ⊥正异常的等值线,黑色为水深等深线.总体而言,南海了南海磁力ΔZ⊥正异常呈北东走向,四条北东向正异常区域相对较宽的条带,一是西沙、东沙群岛,二是盆西、中沙群岛,三是尹庆、中业、双子群礁,四是南沙海槽;海盆的磁力ΔZ⊥正异常区域相对细长,正异常的分布零星,西部北东走向,东部近东西走向.根据磁力ΔZ⊥正异常反映的磁性与密度的匹配关系(图3),在重力场特征基础上叠合磁场规律,根据南海海岛海山重磁场叠合特点,进而可以划分出三种类型:(1)大部分高磁高密度,磁力ΔZ⊥异常值>0nT,具有高磁高密度的双高特性的海岛与海山.此类型数量占海岛海山的70%以上,构成南海的海岛海山的主要类型.(2)一部分具有双重特性的海岛海山:高密度海岛海山部分呈现高磁性特征、部分为低磁性,低磁性指磁力ΔZ⊥异常值<0nT,如礼乐滩,其北部为高磁高密度,南部为低磁高密度.(3)少部分具有高密度低磁性特点的海岛海山:低磁性指磁力ΔZ⊥异常值<0nT,但是也分为两类:一是高密度、磁力ΔZ⊥异常绝对值相对低的磁性海山,磁力ΔZ⊥异常值绝对值介于0nT至50nT之间,如小珍珠海山;另一类是高密度、磁异常绝对值大的负磁性海山,即磁力ΔZ⊥异常值绝对值>50nT,如龙北海山、宪南海山,这是另一种成因的正向高地.表1统计了南海主要的海岛海山的空间重力异常值和正磁力ΔZ⊥异常值,给出吻合状态的评价.4岩石学和微量元素1984年广州海洋地质调查局采集了中央海盆海山拖网岩样资料,在玳瑁海山拖网取得具强磁性的玄武岩,且以剩磁为主,感应磁化强度为80×10-3～200×10-3A/m,剩余磁化强度为2200×10-3A/m.珍贝海山也是强磁性玄武岩,感应磁化强度为130×10-3～200×10-3A/m,剩磁强度为2800×10-3A/m.中南海山玄武岩风化样为弱磁性,感应磁化强度为30×10-3～60×10-3A/m,剩余磁化强度小于100×10-3A/m.海山剩磁与感磁比Q值为27.德国“太阳”号船的拖网取样发现,礼乐滩和卡拉绵群岛之间的海山上见有喷出的玄武岩(Kudrassetal.,1986).其中,在北巴拉望岸外的海山上采集到含橄榄石、斜辉石和斜长石的多孔玄武岩,在礼乐滩以东海山上采集到橄榄玄武岩碎块.南海钻井揭示了大量的火山岩,广泛分布,主要以中新生代为主,年龄跨度极大,从零点几个百万年到二叠纪的样品均有.南海西南海盆研究发现,在3个测站拖网获得花岗岩和沉积-变质岩样品.经显微构造分析与鉴定,这3个测站的样品分别为细粒黑云母花岗岩、石英变沉积岩和花岗闪长岩.全岩Ar-Ar和K-Ar同位素年龄测定1yDG测站细粒黑云母花岗岩年龄为109.7Ma和114.2Ma,离子探针测出其锆石年龄为120Ma,证实该花岗岩形成于早白垩世晚期.早期拖网资料的定位存在误差,但这些实际资料证实,玄武岩海山广泛分布,还存在花岗岩、变质岩海山,形成年龄较早.同时也显示,有高磁性和低磁性海山.王家林等统计了珠江口盆地45口井、709块标本的实测密度资料,58口井、4802个测井密度资料,了解该区的花岗岩密度在(2.54～2.71)×103kg/m3左右,其中黑云母花岗岩的密度较大,花岗岩磁性不强,与变质岩相近;中性的火成岩具有较强的磁性,其喷出岩的密度在2.50×103kg/m3左右,侵入岩密度在(2.54～2.69)×103kg/m3之间变化;变质岩的密度较大,为(2.70～2.79)×103kg/m3,磁性不强;基性的喷出岩(玄武岩)密度变化大,在(2.47～2.79)×103kg/m3之间,具有强感磁[(500～390)×10-3A/m]和强剩磁[(500～4000)×10-3A/m]另外,根据围区资料,中生界沉积岩的密度为(2.40～2.50)×103kg/m3.证实该区,花岗岩、变质岩的密度大,磁性不强;基性的喷出岩(玄武岩)密度变化大,具有强磁性.综上所述,结合南海海岛海山前述利用重磁场特征分类,推测这样三种类型的海岛海山可能具有如下的岩石类型对应关系:(1)密度高、磁性强的海岛海山,一般是基性的喷出岩(玄武岩)(图4a),这类海山的年龄较为年轻.(2)密度高、磁性低的海岛海山(图4b)可能是古老的花岗岩、变质岩组成,这类海山年龄较老.(3)具有高密度的海岛海山,部分具有高磁性,部分低磁性(图4c).花岗岩、变质岩海山的某个部位发生过火山喷发,有喷出岩的地方为高磁性,其余为低磁性.表2为按照此方式推测的海岛海山类型,进一步的岩性反演成果有待于今后的工作.而且花岗岩、变质岩海岛海山主要出现在南海以东经105°北纬3°到东经120°北纬25°的对角线以东区域,与大量基性喷出岩海岛海山同时存在,说明南海的演化至少分两期,基性喷出岩为主的海岛海山年轻,古老的花岗岩、变质岩组成的海岛海山较老,其分布有规律,必然与南海的成因与南海块体的分异状态有关.其中形成与演化的相关的内容将在其他论文中讨论.由于南海总体调查程度较低,针对海岛海山的取样及拖网资料非常少,文献是目前我国公开的仅有的拖网成果,文献是公开的最完整的南海井筒资料成果之一.此类成果主要集中在我国南海北部油气勘探区域,南海的中部、南部地区中国没有钻探资料