南海东北部陆缘基底磁异常反演与解释

雷文敏，吴健生

（同济大学 海洋地质国家重点实验室，上海 200092）

南海是一个边缘海，具有独特的构造格局和丰富的海底资源，深受国内外学术界的关注.20世纪90年代以来，在珠江口盆地新生界基底之下发现了具有沉积地层特点的地震反射特征，开始了南海北部陆缘中生界的研究.郝沪军等［1］提出了将地震反射层判断为中生界的3点依据，认为潮汕坳陷内沉积了上三叠统—下侏罗统、下白垩统和上白垩统等3套海相地层.21世纪以来，在南海潮汕坳陷地区的科探井证实了南海北部陆缘中生界海相地层的存在［2］，也奠定了南海北部中生界作为油气勘探新领域的地位.作为正在探索的油气勘探新领域，迫切需要从区域上来认识南海东北部中生界基底的属性等特征.

迄今在南海东北部有近60个钻孔遇到前新生界基底.王家林等［3］结合钻井和岩石物性，定性地推断了珠江口盆地前新生界基底主要由古生代变质岩、中生代中酸性侵入岩、中生代沉积岩、中基性岩浆岩、中生代变质岩组成.陈冰等［4］在计算新生代沉积基底深度的同时，也在此约束下反演了基底视磁化强度.郝天珧等［5］根据岩石磁性及钻井岩芯测定结果总结得出南海基底岩石及地层磁性特征，并且反演海域磁性基底的宏观分布，推测珠江口盆地坳陷区内以变质基底为主，南部隆起区内存在局部的岩浆岩隆起.胡登科等［6］通过反演研究南海东北部的高磁异常带，认为东沙隆起的基底存在中生代酸性火山岩带.这些地质和地球物理研究，揭示了南海东北部前新生界基底的一些基本特征.以往南海东北部陆缘基底视磁化强度反演是选取新生界基底为顶界面.岩石物性的研究表明，中、新生代沉积层无磁性.因此磁异常反演时，新生界底面并不能作为磁性顶界面，随着研究区厚度可达几公里的中生代地层的发现，不考虑这套地层的影响将会给基底视磁化强度反演结果带来不合理性.本文根据重力反演所得的前中生界基底深度资料，进行视磁化强度反演并进行了推断解释.

1 资料基础

1.1 基底磁异常提取

本文重点研究在17°～24°N，112°～120°E范围内的南海东北部地区，包括北部断阶带、珠江口盆地、潮汕坳陷、台西盆地、南部隆起带及其东南部，主要由一系列新生代盆地和中生代沉积区组成.

陈冰在文献［4］中对南海东北部磁异常，综合采用压制因子法和阻尼因子法，进行变倾角化极，且进行了分区（图1），其中北部异常区（图1中A）主要位于陆架区，一般以低值正、负异常为主，异常总体为NE向，局部为NEE和NW向，区内珠江口盆地的3个凹陷区出现较平缓的异常.中部异常区（图1中B）主要位于陆坡区，磁异常呈NE向展布，异常变化大.区内有一条NE向展布的高值磁异常，异常值一般约300nT，最大值达350nT以上.南部异常区（图1中C）主体位于南海的中央海盆，以正负相伴的磁条带为主.东部磁异常区（图1中D）是与海沟方向一致的负值异常.本文对上述化极磁力异常ΔT⊥，进行二代小波［7］多尺度分解，提取三阶逼近场（图2）作为基底产生的异常.处理后研究区出现相当明显的低—高—低相间，走向NE的条带.

图1 南海东北部磁力化极异常图Fig.1 Magnetic reduction-to-pole anomaly map of the Northeast of the South China Sea

图2 研究区磁异常三阶逼近场Fig.2 Third-order approximation field of magnetic anomaly of the studied area

1.2 前中生界基底深度新资料

江凡［8］在新采集的能够较好揭示中生界基底信息的地震资料约束下，利用重力异常消除新生界地层影响后，在全区开展单一密度界面反演，并对重点区块开展联合反演，得到完整且合理可靠的区域中生界底界面深度.本文用其求取的中生界底界面深度［8］作为基底磁性层的顶深（图3）.中生界底界面深度呈现较明显的SW—NE的构造走向.惠州凹陷、西江凹陷、恩平凹陷、潮汕坳陷、白云凹陷均对应着较深的中生界底界，其中，潮汕坳陷存在相当厚的中生代地层，厚度值在3.0～6.0km之间.东沙隆起则对应着较浅的中生界底界.番禺低凸起的中生界底界深度由西向东从8.0km向2.5km逐渐变浅.另外，韩江凹陷、海丰凹陷与陆丰凹陷中生界底界面较其他凹陷浅.

图3 磁性基底顶界面深度Fig.3 Top interface depth of the magnetic basement

2 视磁化强度反演与解释

2.1 反演原理

基底的视磁化强度反演采用空间域迭代的方式.假设磁性基底的顶界面为S，深度为h，平均深度为H，底界面为W，深度为D，如图4所示.S面以上围岩磁化强度J＝0，S面和W 面之间的磁化强度为所求的未知数.

图4 磁性界面及棱柱体组合体模型Fig.4 Magnetic interface and prism combination model

具体计算时，用棱柱组合体模型模拟起伏磁性界面，棱柱体水平尺寸分别等于测网的点距与线距，棱柱体单元内部均匀垂直磁化，各个棱柱体的磁化强度可以不同.单个棱柱体在观测点P（x，y，0）产生的磁异常为

式中：（x，y）为观测点坐标；（x1，y1）为场源坐标；（x′，y′）为长方体左上角点坐标；a和b分别是棱柱体长和宽.

起伏界面可以用N×M个棱柱组合体代替，第（xh，yp）点上磁异常写为

式中：M和N 分别是x和y方向的测点数；Gij为格林函数.Za⊥和Gij为已知值即为所求.

利用最小二乘法求解线性方程组，如果计算值与观测值之间偏差达到最小或迭代次数达到要求则停止迭代.在算法实现过程中，设计滑动窗口以提高计算效率，下延异常至平均界面以减弱边界效应，并且在下延过程中加入正则化因子以增加计算的稳定性.

2.2 反演结果

以中生界底界面为上顶面，取磁性基底底界面深度为18km，采用上述空间域迭代方法反演求取前中生代基底的视磁化强度分布.开平1-1-1井于1884.0m以下见变质粉砂岩［4］.变质粉砂岩的岩石磁化强度为1.36×10-3A·m-1.据此标定此区域的视磁化强度值，并作为反演的约束.在拟合均方差为4nT时得到了南海东北部前中生代基底的视磁化强度分布，见图5.

图5 研究区前中生代基底的视磁化强度分布Fig.5 Apparent magnetization distribution of the pre-Mesozoic basement of the studied area

反演结果表明，从大范围上来看，视磁化强度分布与新生界基底构造单元分布不具有对应性，例如白云凹陷明显被分成两个区块.本文将视磁化强度分布分为三个大的区块.区域视磁化强度低值区（图5，Ⅰ区），在西江凹陷、恩平凹陷、阳江凹陷、文昌凹陷、神狐暗沙隆起、开平凹陷和顺德凹陷存在低值带，约20×10-3A·m-1；区域视磁化强度高值区（图5，Ⅱ区），在珠一坳陷中东部、东沙隆起西部、番禺低凸起存在NE向高值带，至白云凹陷西部和云开低凸起转向NW走向，强度约为180×10-3A·m-1；区域视磁化强度负值区（图5，Ⅲ区），在台西南盆地及其南部区域、潮汕坳陷及其南部区域、白云凹陷东段及其东南部区域存在负的视磁化强度带，幅值为25×10-3～220×10-3A·m-1.

2.3 基底岩性推断

根据南海东北部陆缘的视磁化强度分布图，结合地质特征、岩石物性、地球物理场特征以及钻井资料和地震资料，推断了基底的岩性分布.

研究区存在一个明显的磁化强度高值带，贯穿了台西盆地、珠一坳陷东部、东沙隆起西部、白云凹陷西部及云开低凸起，直至南部隆起带.前人指出东沙隆起为中生代晚期岛弧，其基底存在中生代酸性火山岩带［6］，也对应了该区.从视磁化强度分布图上可以看出，高值区的北段，韩江凹陷、海丰凸起、陆丰凹陷、惠州凹陷走向为NE，强度值中高，幅值在50×10-3～150×10-3A·m-1，推断为中高磁性的中酸性侵入岩.从形态和强度分析，可能是具有高剩磁强度的晚侏罗世中酸性火山岩引起，构造配置上推测属弧后盆地类型.而高值区的南段，云开低凸起东南部和南部隆起区走向为NW向，强度值特高，幅值在100×10-3～200×10-3A·m-1，应是中生代中基性、基性岩浆岩.本文推测高值区北段可能受制于陆壳，而南段特高值则可能是受次洋壳的改造作用.研究区西部的视磁化强度低值区，分析认为是一套下古生代浅变质岩.研究区东南部，出现近NS向的视磁化强度负值分布块，反演揭示视磁化强度幅值在25×10-3～200×10-3A·m-1.负的视磁化强度说明岩石保留的是剩余磁性，并且可能是反向磁化.通常洋壳的剩余磁化强度比感应磁化强度大，这是解释条带状海洋磁异常的前提［9］.本文认为视磁化强度负值区基底具有洋壳或准洋壳性质，与邵磊等［2］在潮汕坳陷发现海相中生代地层呼应，并进一步落实了海相地层的规模.地震纵波速度［10］在上述视磁化强度负值区的提高也支持了本文的推断，见图6.此外，视磁化强度负值区在台西南盆地与潮汕坳陷之间被一条较弱的负值带分割开来，据此推断该分隔带可能是岛弧链或是古南海（特提斯海）的洋中脊.

图6 研究区10.0km深度切面的地震纵波速度分布图Fig.6 Seismic P-wave velocity distribution in 10.0km section of the studied area

3 结论

随着南海北部陆缘中生代地层的发现与证实，磁异常反演时新生界底面并不能作为磁性顶界面，还需要考虑其下的中生代沉积层.江凡［8］在新采集的能够较好揭示中生界基底信息的地震资料约束下，从重力异常反演得到了可靠的前中生界基底深度.本文在此基础上采用空间域迭代反演方法求取前中生界基底的视磁化强度分布，并据此进行分区.去掉中生代厚度层后的反演结果突出显示了视磁化强度高值带，胡登科等［6］指出东沙隆起为中生代晚期岛弧，其基底存在中生代酸性火山岩带，对应了该区.本文反演揭示高值带的走向由北东向转为北西向，且北西向部分强度值特高，据此推断其北段为中生代中酸性侵入岩，南段为中生代中基性、基性岩浆岩，并且高值区北段可能受制于陆壳，而南段特高值则可能是受次洋壳的改造作用.尤其重要的是在中生代地层厚度较大的潮汕坳陷等构造区块，反演结果突出显示了视磁化强度负值区，推断潮汕坳陷及其东南部基底具有洋壳或准洋壳性质，与邵磊等［2］在潮汕坳陷发现海相中生代地层的存在呼应.本文进一步落实了海相地层的规模，并依据视磁化强度负值区在台西南盆地与潮汕坳陷之间被一条较弱的负值带分割开来，推断该分隔带可能是岛弧链或是古南海（特提斯海）的洋中脊.

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