2011, Vol. 54
2. 中国科学院研究生院,北京 100049
2. Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
南海是西太平洋最大的边缘海之一，总面积约350万km2，地质构造复杂，油气资源丰富.自80年代以来，国内外学者在南海进行了大量的地质与地球物理调查，并取得了丰硕的成果[1～5].但是南海共轭大陆边缘的构造属性、南海扩张机制等问题仍需要进行深入探索.国家基础研究973计划分别在“十五”和“十一五”期间启动“中国边缘海的形成演化及重大资源的关键问题”及“南海地球物理场及深部动力学特征”研究项目，旨在对上述关键问题的解决获得相应的地质、地球物理证据.其中许多关键问题与深部构造有密切的关系.黄忠贤等[1]曾利用面波处理结果得到南海的莫霍面分布及上地幔结构.胥颐等[2]则利用Pn波处理结果对南海的莫霍面起伏进行了讨论.这些讨论都认为南海的构造单元分布与莫霍面起伏关系密切.因此，利用各种地球物理数据反演南海莫霍面深度的成果陆续发表[3， 4].然而，这些研究并未对莫霍面埋深及起伏特征与构造单元之间的关系进行详细的讨论.本文在前人工作的基础上[3～6]，通过对南海及其邻区空间重力异常数据的处理，结合南海及邻区地形数据，以近年声纳浮标探测和海底地震仪探测(OBS/OBH)剖面所得到的莫霍面深度资料为约束，得到了南海及其邻区布格重力异常图、莫霍面深度图和地壳厚度图.为了进一步认识不同构造单元与莫霍面分布之间的关系，对研究区九条剖面的重力异常和莫霍面分布进行了分析.本文得到的结果和认识为进一步研究南海重力场特征、推断南海地质构造以及预测油气前景提供依据.
2 数据来源与重力场特征 2.1 数据来源及处理方法本文研究区范围为104°E～124°E，0°N～25°N(图 1).重力数据为网格大小0.1°×0.1°的空间重力异常数据(图 2)，布格重力异常应用网格大小为5km×5km 的地形数据进行计算，采用的方法为全布格改正方法[7， 8].传统的布格校正方法在海底地形比较平坦滨海及浅海区可以忽略地形影响，然而在陆坡及深海地形起伏较大的地区，对海底地形造成的重力影响进行校正十分必要.全布格改正的目的就是要消除海底地形的影响，更为准确地反映海域布格重力异常，最终得到布格重力异常结果如图 3所示.
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图 1 研究区地形图 Fig. 1 The topographic map in the study area |
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图 2 研究区空间重力异常图 Fig. 2 The map of the spatial gravity anomaly in the study area |
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图 3 研究区布格重力异常图 Fig. 3 The map of the bouguer gravity anomaly in the study area |
与前人得到的南海地区的莫霍面深度图[5， 6]正演所得的区域场进行对比，本文认为补偿圆滑滤波法得到的区域场能合理的反演研究区莫霍面分布特征.根据综合地质地球物理解释原则[6]，通过引入多条海区地震测深剖面数据对反演得到的莫霍面深度结果加以约束，反复修改地质模型，减少多解性.自80年代以来，国内外学者在南海进行了大量的地质与地球物理调查，包括大量的声纳浮标探测数据[9]、ESP-E、ESP-W双船扩展剖面[10]、以及多条海底地震仪探测剖面[9～18]等成果资料，本文将这些结果数字化后作为约束反演的控制点.在此基础上，本文采用带控制点的三维界面反演方法[3， 4]得到研究区的莫霍面深度图.其基本思路为：
(1) 结合已知控制点的信息和区域重力异常场特征，估算非线性项对应的界面埋深误差，并改进初始模型.
(2) 根据改进后的模型进行正演计算得到重力异常正演值，利用已知控制点对应的计算重力异常与实测重力异常的差值预测整体测网的误差，并据此改进迭代反演的过程，构建联合优化目标函数.
(3) 求解该优化问题，并施加正则化以保证解的收敛性，反复迭代至合理结果.本次反演采用控制点数据51个(图 4)，研究区莫霍面深度反演结果的平均偏差为1.9km，标准偏差为0.11，结果表明带控制点三维界面反演方法的效果较好，具有较高的可信度.
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图 4 研究区莫霍面深度图（·:控制点数据) Fig. 4 The map of Moho depth in study area(· :the control points) |
研究区的空间重力异常的变化范围在-280～320mGal之间(图 2).大陆地区和海南岛的空间重力异常值变化较为平缓，而深海地区的等值线分布则比较密集，重力异常值变化相对剧烈.整个区域内正异常的极值点出现研究区东部，包括台湾、吕宋岛、苏禄群岛和加里曼丹岛等地区，负异常的极值区分布则比较分散，主要分布于海沟、海槽区.华南地区、海南岛、北部湾盆地和莺歌海盆地的自由空间异常均以负值为主.珠江口盆地整体表现为从陆到洋从负值向正值的变化.南海北部陆架区异常值自西向东渐增，方向以北北东与北东为主.南海北部陆坡地区在东经114°以西表现为北东向负异常带状异常，而以东方向杂乱，但仍可看出以北东向为主.西沙、中沙群岛区重力异常变化较大，构成以北东向为主的相间排列异常带.南海海盆区异常值范围为-20～20mGal，以北东东与东西向为主，西南海盆异常值降低，方向为北东.南沙群岛方向以北东为主，异常值高低镶嵌为±40mGal.苏禄海区内以正异常为主，方向为北东向.
布格重力异常的变化范围在-280～380 mGal之间(图 3).随着水深增加异常值增大，布格重力异常与地形之间的“镜像”关系十分明显(图 1、3)，其总体表现为从华南地区向南海海盆的逐渐增高.华南地区、海南岛、台湾岛、中南半岛与加里曼丹岛具有负的布格异常值，在海域表现为正的异常值，负异常极值区分布于研究区的西北部，正异常的极值点主要分布在研究区东北部西菲律宾海区、东南部的苏禄海、苏拉威西海以及南海海盆.研究区布格重力异常总的趋势自西北向东南逐渐增大.西沙、中沙群岛的布格重力异常表现为北东东向的重力异常正值区，大陆地区和海南岛的布格重力异常值为负值和零值.零值只出现在北部陆架、莺歌海的大陆边缘及海南岛的周边，表现为海洋向大陆重力异常的延续.南海北部陆架地区布格重力异常值以北东-北东东向为主，异常场值西低东高，变化范围在-40～20mGal之间.南海海盆区异常值在280～320mGal之间，场值相对平稳，尖峰状空间重力异常对应海域海山链.西南海盆呈北东向，中央海盆近东西向.南沙群岛区异常值在100mGal左右，苏禄海区异常值在80～300mGal之间，主体方向均为北东向.苏拉威西海异常值在100～380 mGal之间，主体方向近东西向.西菲律宾海区异常值在200～380 mGal之间，主体方向南北向.
3 莫霍面深度及其分布特征南海发育在华南大陆边缘和西太平洋之间既有洋壳也有陆壳，莫霍面起伏变化剧烈，地壳结构复杂(图 4，5).总体而言，华南地区、海南岛、台湾岛、中南半岛、加里曼丹岛与吕宋岛等地区莫霍面深度较为倾伏，相对而言中央海盆、西菲律宾海、苏禄海和苏拉威西海四区莫霍面明显抬升，等深线变化剧烈.研究区内华南地区莫霍面深度为30～44km；北部陆架地区莫霍面深度在26～30km 之间，中南半岛莫霍面深度在30～36km 之间，为大陆型地壳；西沙、中沙群岛地区莫霍面深度在20～26km 之间，地壳厚度在18～24km 之间；南沙群岛地区莫霍面深度在17～26km 之间，地壳厚度在14～24km 之间，以过渡型地壳为主；中央海盆、苏禄海、苏拉威西海和西菲律宾海等地区沉积层很薄，莫霍面深度为8～10km，地壳厚度为2～6km，属于大洋型地壳.
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图 5 研究区地壳厚度图 Fig. 5 The map of crustal thickness in study area |
南海莫霍面深度整体趋势为从南海中央海盆经大陆边缘明显呈阶梯状向下倾伏，中央海盆的莫霍面深度约10km 左右，地壳厚度约6km.经海沟至岛弧，界面深度由12km 急剧变深至20～30km，再到中国大陆沿海及陆架地区莫霍面深度在30km左右，最后在研究区的西北地区，即华南东区及中南半岛，莫霍面深度较大在32～40km 之间.
4 莫霍面埋深与研究区内不同构造单元的关系研究区可分为三个地形单元：大陆、过渡带和大洋.大陆地形单元包括华南地区、中南半岛及其陆架区和南海北部陆架区，该区莫霍面深度有陆架地区的28km 向下倾伏至深度达34km 的华南地区，在四川、贵州一带莫霍面深达40km 以上，属于大陆型地壳；过渡带地形单元包括边缘海盆、岛弧和海沟地形；大洋地形单元研究区内只包括西菲律宾海盆的一小部分.研究区内大陆地势最高，大洋最低，而过渡带则为巨大的斜坡，而正是由于大洋板块向大陆板块的俯冲使得过渡带地形与大西洋地区单纯的斜坡所不同，形成了海沟、岛弧、边缘海盆地形体系，进而地形也出现复杂化，因而过渡带地区的地形起伏是研究区内变化最大的，而研究区内莫霍面分布与海底地形呈镜像关系，故而研究区莫霍面起伏变化也比较大.南海北部地区的地球物理特征、地壳结构和构造演化前人做了大量的成果[19～26]，南海中央海盆地区也做了很多工作[27， 28]，本文在前人的基础上，总结出研究区内莫霍面分布特征与海沟、岛弧、沉积盆地、海盆、海槽等构造单元的关系.除了利用已知的OBS/OBH 剖面以外(图 6～8)[10～18]，本文还通过9条剖面来进行讨论(图 9～14).
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表 1 研究区莫霍面反演结果与已知控制点结果对比 Table 1 The contrast of Moho depth between gravity inversion and known control points in study area |
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图 6 南海OBS1993剖面（a)与OBH1996剖面(b)地壳结构图[14,15,17] Fig. 6 The crustal structure of profile OBS1993 (a) and OBH1996 (b) inSouthChina Sea[14,15,17] |
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图 7 南海OBS1995剖面地壳结构图[16] （a）剖面左段；（b）剖面右段. Fig. 7 The crustal structure of profile OBS1995 in South China Sea[16] (a)The lett of profile； (b) The right of profile. |
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图 8 南海东北部海陆联测剖面地壳结构图[11,15] （a）陆上部分；（b）OBS2001剖面. Fig. 8 The crustal structure of onshore and offshore seismic survey profile in northeastern South China Sea[11,15] (a)Profile AB； (b)Profile OBS2001 |
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图 9 AA'-CC'剖面空间重力异常与布格重力异常图((1)马尼拉海沟（2)西菲律宾海槽） Fig. 9 The free air gravity and bouguer gravity of profileAA'，BB'，and CC' |
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图 10 AA'-CC'剖面地形与莫霍面深度图 ((1)马尼拉海沟（2)西菲律宾海槽） Fig. 10 The terrain and Moho depth of profileAA'，BB'，andCC' |
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图 11 DD'-FF'剖面空间重力异常与布格重力异常图 ((1)马尼拉海沟(2)南沙海槽盆地) Fig. 11 The free air gravity and bouguer gravity of ProfileDD' EE' andFF' |
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图 12 DD'-FF'剖面地形与莫霍面深度图 ((1)马尼拉海沟（2)南沙海槽盆地） Fig. 12 The terrain and Moho depth of profile DD'，EE' and FF' |
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图 13 GG'-Ⅱ'剖面空间重力异常与布格重力异常图 Fig. 13 The free air gravity and bouguer gravity of Profile GG'，HH'，and Ⅱ' |
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图 14 GG'-Ⅱ'剖面地形与莫霍面深度图 Fig. 14 The terrain and Moho depth of profile GG'，HH'，and Ⅱ' |
(1) 莫霍面埋深与海盆的关系
边缘海盆指位于大陆和岛弧之间的边缘海的深海部分，它包括盆底深海平原和周边的大陆坡、岛坡.研究区内的边缘海盆有：南海中央海盆、苏拉威西海盆和苏禄海盆(图 8，10，12).
南海中央海盆水深超过3.5km，呈北东-南西方向延伸，其莫霍面等深线变化范围为8～14km，地壳厚度为4～10km，属大洋型地壳.苏禄海盆和苏拉威西海盆在等深线图中表现为同心圆状分布.其中，苏拉威西海盆莫霍面深度为6～14km，地壳厚度为2～10km，根据本文反演结果，本文认为苏拉威西海盆亦属于大洋型地壳.而苏禄海盆莫霍面深度为10～16km，地壳厚度为8～12km，根据本文反演结果以及双船折射资料，推断它应属于准大洋型地壳[6].
(2) 莫霍面埋深与海沟的关系
研究区海沟和岛弧的莫霍面形态独特，海沟的莫霍面从16km 变化至22km 左右，地壳厚度为14km～18km，而岛弧的莫霍面由20km 左右变化至28km 左右，它们组成一条明显的莫霍面梯级带，这也是莫霍面等深线陡变地区之一.
海沟大多分布在过渡带的边缘，是一种狭长状的负地形，海沟和海槽在形态上相似，一般把大于5km的称为海沟，而小于5km 的则称为海槽.研究区内的海沟有：马尼拉海沟；海槽有：北吕宋海槽、西吕宋海槽和南沙海槽(图 8，10).研究区内的海沟和海槽地壳厚度范围一般在14～24km 之间，地壳性质属于过渡壳.
(3) 莫霍面埋深与岛弧的关系
岛弧包括露出海平面的岛屿和海底的岛架与岛坡，研究区内的岛弧比较多.岛弧处的莫霍面形态下凹，地壳厚度最深可达28km.因为岛弧地区的地壳一般都存在较厚的花岗岩层，所以岛弧表现出陆壳的性质(图 8，10，12).
(4) 莫霍面埋深与新生代沉积盆地的关系
研究区新生代沉积盆地可根据成因分为五类[6]:(1)离散型盆地，(2)聚敛型盆地，(3)剪切型盆地，(4)重力沉降型盆地，(5)复合型盆地(陆缘张裂-弧后前陆盆地).根据本文得到的剖面结果，聚敛型盆地、剪切型盆地、复合型盆地莫霍面形态下凹，而离散型盆地和重力沉降型盆地的莫霍面呈抬升或下降的趋势，具体形态特征如下表所示.
根据图 6～14和表 2～6的统计结果，本文总结了研究区构造单元莫霍面形态特征统计表(表 7)，绘制了研究区沟-弧-盆体系构造简图(图 15)，并得到以下认识：
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表 2 研究区莫霍面埋深与海盆的关系 Table 2 The relationship between Moho depth and marine basin in study area |
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表 3 研究区莫霍面埋深与海沟的关系 Table 3 The relationship between Moho depth and trench in study area |
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表 4 研究区莫霍面埋深与岛弧的关系 Table 4 The relationship between Moho depth and island arc in study area |
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表 5 南海典型盆地莫霍面形态特征 Table 5 The morphology characteristic of Moho in typical Basins of South China Sea |
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表 6 南海9条剖面各构造单元空间重力异常、布格重力异常、地形和莫霍面深度形态统计表 Table 6 The morphology table of spatial gravity anomaly, bouguer gravity anomaly, terrain and Moho depth of tectonic units of 9 profiles in South China Sea |
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表 7 研究区构造单元莫霍面形态特征统计表 Table 7 The morphology characteristic of the tectonic units in study area |
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图 15 研究区沟-弧-盆体系构造简图 Fig. 15 The diagram of the trench, island arc, back-arc basin system in study area |
(1) 研究区海底地形与空间重力异常形态相似，且水深较大的地区布格重力异常与空间重力异常相差较大，由此可见海底地形对布格重力异常的影响很大，而本文采用全布格改正的方法是必要的；
(2) 研究区莫霍面深度的形态与布格重力异常形态近似，因此研究区莫霍面产生的区域场对布格重力异常起主要作用；
(3) 根据已有的地震剖面推测下地壳的高速层主要分布在在南海北部大陆边缘的东北部，沿陆坡分布，而西北部则没有发现；
(4) 研究区内海底地形与莫霍面呈镜像关系，如果只根据海底地形的急剧加深而来确定洋陆过渡带(OCT)是不科学的.根据DD′和II′剖面所示，我们可以看到海底地形的急剧加深处对应的莫霍面深度在20km 以上，实际的洋陆过渡带与利用海底地形判定的洋陆过渡带范围相差几十公里；
(5) 根据OBS1995 剖面和AA′-EE′剖面所示，欧亚板块向东俯冲到地壳厚度为14～18km 的马尼拉海沟之下；
(6) 海沟-岛弧-弧后盆地系统是西太平洋主动大陆边缘的重要构造体系，海沟带呈重力负异常带，岛弧在大陆型地壳上形成，因下方有俯冲的洋壳而呈重力正异常，南海的弧后构造是岛弧带后的具洋壳的盆地，称为弧后盆地，表现为重力正异常高值.
5 结 论本文采用全布格改正方法对南海地区空间重力异常进行处理，进而得到研究区的布格重力异常.并利用近年来莫霍面深度的地质地球物理探测成果作为约束，反演得到研究区莫霍面深度图.为了进一步了解研究区莫霍面分布特征与各构造单元的关系，本文根据研究区已有地震剖面和选择的九条剖面进行分类统计，得出以下结论：
(1) 海底地形对布格重力异常改正值的影响很大，水深越大，其影响也越大，本文采用全布格改正方法是必要的.
(2) 莫霍面深度趋势与布格重力异常分布趋势近似，说明研究区莫霍面产生的区域场是布格重力异常的主要成分.
(3) 研究区内海沟、海槽构造单元的莫霍面分布呈狭长状分布，梯度变化较大，形态下凹；岛弧构造单元莫霍面分布多呈椭圆同心圆状、马鞍状、山脊线分布，梯度变化小；海沟、海槽和岛弧均表现为过渡壳性质.
(4) 海盆构造单元莫霍面分布呈闭合同心圆状、马鞍状分布，中心低四周高，梯度变化较大，形态上隆，深度最小，地壳性质为洋壳.
本文所得到的结果和认识对研究区内进一步的地质地球物理调查、岩石圈的研究以及油气预测均具有重要意义.另外，本文根据一系列的统计结果绘制出南海沟-弧-盆体系构造特征简图，以期为进一步研究南海地质构造单元提供依据.
致谢本文得益于刘光鼎院士的学术思想，在此深表感谢.青岛海洋地质研究所雷受研究员、杨金玉副研究员、张菲菲助研、广州海洋地质调查局陈邦彦研究员为本文提供数据资料和建议，在此表示诚挚的感谢.
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