332 中国科学 D辑 地球科学 2006, 36 (4): 332~341 SCIENCE IN CHINA Ser. D Earth Sciences 青海湖湖底构造及沉积物分布的地球 物理勘探研究*

安芷生① 王 平②** 沈 吉③** 张毅祥② 张培震④ 王苏民③ 李小强① 孙千里① 宋友桂① 艾 莉① 张叶春② 姜绍仁② 刘兴起③ 汪 勇③

(① 中国科学院地球环境研究所, 西安 710075; ② 中国科学院南海海洋研究所, 广州 510301; ③ 中国科学院南京地理与湖泊研究所, 南京 210008; ④ 中国地震局地质研究所, 北京 100029)

摘要 青海湖高密度地球物理勘探揭示了湖底沉积物的埋藏深度及其分布特征. 结果表明, 青海湖湖底沉积物存在三个重要界面: T1是全湖均一的界面, 其上超覆沉积物全湖均有分布, 且大致等厚; T5是一个新构造沉积旋回开始的界面, 其上沉积物的沉积环境相对稳定; Tg是青海湖湖盆的基底面. 湖盆内自北向南分布的五条断裂带控制了青海湖盆地的构造格架, 形成以海心山为主体的中央隆起带和南北两个拗陷盆地. 湖底沉积物的厚度各处有较大差异, 其中最厚沉积分布于南北两个拗陷盆地内, 就本次电火花系统所能达到的深度, 北部拗陷内沉积物厚度超过560 m, 南部拗陷内沉积物厚度超过700 m. 根据地震层序地层与湖岸钻孔揭示的岩性地层对比, 青海湖沉积物的岩性主要为泥质粉沙、黏土质粉沙、粉沙质黏土和含砾粉沙质黏土等.

关键词 沉积物 地球物理勘探 青海湖

收稿日期: 2005-03-05; 接受日期: 2005-11-23 * 国家重点基础研究发展规划项目(批准号: 2004CB720200)和国家自然科学基金重点项目(批准号: 40331003)共同资助 ** 联系人, E-mail: jishen@niglas.ac.cn

1 前言 当前, 随着全球变化研究的进一步深入, 人们愈来愈关注其生存的大陆环境演化及未来发展趋势, 作为全球系统的一部分, 陆地环境在全球变化研究中的作用正日益增强, 由此, 国际大陆钻探计划(ICDP)应运而生[1~3].

青海湖是中国最大的内陆封闭湖泊, 面积4400

km2, 流域面积29660 km2. 青海湖位于东亚季风、印

度季风和西风激流三者的汇聚带, 地理位置上处于中国东部季风湿润区与西北干旱区的过渡带, 湖区西接青藏高原、东邻黄土高原、北部为沙漠干旱区, 因此该湖泊对气候变化十分敏感[4~8]. 独特的区域地

理位置使青海湖沉积物的研究具有十分重要的科学意义. 为推动“青海湖环境钻探”大型国际合作计划, 中国科学院地球环境研究所联合中国科学院南京地 第4期 安芷生等: 青海湖湖底构造及沉积物分布的地球物理勘探研究 333 www.scichina.com 理与湖泊研究所和中国科学院南海海洋研究所于2001, 2002和2003年连续三年分四期对青海湖湖底沉积进行了地球物理勘探, 完成电火花测线约1000 km, 高分辨率的浅地层剖面测量130 km, 测线范围覆盖了整个青海湖湖盆. 本文运用上述勘探研究中的电火花剖面测量资料, 分析青海湖湖底构造断裂及沉积物的分布特征, 揭示沉积物的埋藏深度, 并通过地震剖面的反射特征与湖岸已有钻孔资料的对比, 探讨青海湖湖底沉积物的岩性特征. 2 研究方法与测线布设 本次地球物理勘探采用美国EG&G公司生产的电火花剖面系统(EG&G Sparker Profile System), 该系统反射能量为4000和8000 J, 反射频率100~600 Hz, 记录长度为1000 ms, 可穿透沉积物的最大深度为1000 m. 电火花剖面揭示的反射界面, 其深度和时间的转换采用南海地层层速经验值(图1), 湖水的声速根据其含盐量(13.88 mg/L)采用1500 m/s, 由于南海的沉积层速度与青海湖的沉积层速度存在一定的差异, 因此实测的青海湖湖底沉积物深度可能发生偏差, 其偏差范围小于10%. 地球物理勘探测线布设以南北向为主测线, 近似垂直于湖盆构造走向, 湖盆中部测线间距为6 km, 两侧测线间距为10 km; 联络线为NW-SE向, 平行于湖盆的构造走向, 测线间距为6 km; 在湖盆的南侧设计了两个4 km × 4 km和一个6 km × 6 km的方格状

测量区, 进行了较为详细的地球物理勘探(图2). 本次地球物理勘探租用青海湖渔场“天湖”号大型科考船, 地球物理勘探设备的平面分布见图3. 湖内定位采用美国Ashtech公司生产的差分GPS定位仪和加拿大Coastal公司生产的Hypack导航定位软件系统, 定位精度优于3 m.

3 研究结果及讨论 地球物理勘探的测线基本控制了整个青海湖湖盆. 对电火花剖面资料的地球物理解译主要依据剖面上的地震反射特征, 包括反射波的振幅、频率、相位、连续性以及波组的整体反射结构等.

3.1 电火花剖面揭示的反射界面和地层层序 根据电火花剖面的地震反射特征, 可以把青海

图1 南海地层层速经验值 334 中国科学 D辑 地球科学 第36卷

SCIENCE IN CHINA Ser. D Earth Sciences 图2 青海湖地球物理测线分布 图3 地球物理勘探设备平面分布 第4期 安芷生等: 青海湖湖底构造及沉积物分布的地球物理勘探研究 335

www.scichina.com 湖湖底沉积物的地震反射界面划分为T0, T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8和Tg共10个, 对应的地震层序分别为A, B, C, D, E, F, G, H, I(图4). 层序A: 介于T0和T1之间, 是一套水平的层状反射结构, 反射波振幅强、连续性好、频率高. 该层序在沉积盆地中心厚, 向盆地边缘减薄. 在海心山附近及北部次级沉积盆地表现为明显超覆沉积. 层序B: 介于T1和T2之间, 反射特征与层序A相似, 但它的局部有扭曲现象, 频率略低, 成层性好. 在青海湖南部次级盆地内该层序近于等厚分布, 但靠海心山一侧由于受断层影响发生减薄甚至尖灭. 层序C: 介于T2和T3之间, 是一套水平的层状反射结构, 反射波振幅强、连续性好、频率较高、成层性好. 在南部次级盆地近等厚分布, 靠海心山一侧发生减薄甚至尖灭. 层序D: 介于T3和T4之间, 为一套近水平的层状反射结构, 层序厚度较大. 上部反射波的振幅强, 频率也较高; 下部在局部区域其反射特征与上部有差异, 表现为振幅减弱, 连续性略差, 且同相轴有所弯曲. 该层序在盆地中心的厚度较大, 边缘较薄, 靠近海心山中央隆起带发生尖灭. 在湖盆西南部该层序超覆于下伏不同层序之上. 层序E: 介于T4和T5之间, 是一套近似平行的

地震反射结构, 反射波振幅强、连续性差、频率低. 底界T5是一个倾斜面, 整套层序在盆地中心厚, 边缘薄,

最终尖灭, 是一套成层性较差的层序地层. 层序F: 介于T5和T6之间, 是一套倾斜的层状结

构, 反射同相轴较连续、振幅较强、频率较低. 在盆地中心区因受电火花系统穿透能力的限制, 没法了解其内部结构特征, 仅在盆地斜坡处可以追踪. 层序G: 介于T6和T7之间, 其反射特征与层序F

相似, 但其反射波的振幅较弱、连续性也差, 是一套成层性较弱的沉积, 同样仅在盆地边缘可以追踪. 层序H: 介于T7和T8之间, 是一套倾斜的似平

行反射结构, 反射波振幅强, 连续性较好, 频率较低, 同相轴有弯曲现象. 是一套层状的互层型沉积, 它也是仅在盆地边缘可以由电火花剖面反映出来. 层序I: 介于T8和Tg之间, 是一套同相轴有些弯

图4 电火花剖面揭示的反射界面和地震层序(青海湖西南部) 336 中国科学 D辑 地球科学 第36卷

SCIENCE IN CHINA Ser. D Earth Sciences 曲但近似平行的反射结构, 反射波的振幅较强, 频率低. 其底界Tg为一明显的隆起剥蚀面, 可见剥蚀面的绕射波, 代表了青海湖盆的沉积基底. 3.2 青海湖沉积物的分布特征及其湖底构造 网格状地球物理勘探测线揭示了青海湖湖底沉积物的空间分布特征(图 5). 层序A, B, C, D和E是近似水平的层状沉积, 其沉积环境比较稳定; 层序F, G, H和I沉积后受后期构造运动影响, 经历了变形、抬升等过程, 从而形成目前的倾斜层状反射特征; 其中层序F和G沉积后, 由于构造抬升, 部分遭受了剥蚀. 青海湖沉积物有三个重要的界面, T1是全湖均一的界面, T1以上的地层全湖盆均有分布, 且大致等厚(在沉积盆地中心略厚); T5界面是一个新的构造沉积旋回的开始, 其上沉积环境相对稳定; Tg是晚新生代青海湖湖盆的基底. 地层层序的分布特征及连续性揭示湖盆内存在五条NEE向的区域性断裂, 自北向南分别为F1, F2, F3, F4和F5(图 5), 这些断裂控制了青海湖盆地的构造格架以及盆地内沉积物的厚度, 形成青海湖盆地两凹(北部盆地和南部盆地)一隆(海心山中央隆起)的空间格局. 同时还有一些局部的次一级断裂, 这些断裂主要分布于青海湖的北部和西部, 它们控制着次一级的沉积. 3.2.1 北部盆地 由F1和F2断裂控制, 呈NEE向展布, 其内为青海湖北部凹陷. 北部盆地内反射界面T6以上的地层连续性好, T5以上的沉积厚度约为500 m. 电火花剖面揭示北部盆地内沉积地层具有挤压特征(图6), F1以北地层抬升, 靠近北岸的沉积地层被局部剥蚀; F2以南地层弯曲、抬升并被南倾的断层F3所隔断, 垂直断距达到200 m. F3以南至海心山, T1与T4之间的地层发生挤压变形并被抬升, 最终剥蚀殆尽. 3.2.2 南部盆地 由F4和F5断裂控制, 呈NEE向展布, 其内发育两个凹陷: 东部凹陷和西部凹陷, 两个凹陷之间未见断裂分割. 东西两个凹陷构成马鞍形沉积盆地, 电火花剖面揭示南部盆地的反射界面比较平缓, T6以上地层层序呈近似水平状(图 7). 西部凹陷内反射面T5以上的沉积厚度约为550 m; 东部凹陷内反射面T5以上

的沉积厚度约为520 m. 南部盆地内未见有明显的正断层或逆冲断层, 总体而言南部盆地的沉积环境相对稳定.

3.2.3 海心山中央隆起带 为海心山与鸟岛一线组成的北西向隆起带, 由断裂带挤压、逆冲所形成. 在海心山附近, 除层序A保持水平层状特征外, 其余各层序均表现为朝海心山方向抬升、弯曲的特征(图8), 这很大程度上是海心山隆升以及南北向的构造挤压所致. 青海湖断裂构造及凹陷沉积的分布特征显示, 南部沉积盆地是一个拉张的宽阔断陷, T6以上反射界