西沙群岛位于南海北部被动大陆边缘斜坡区，拥有岛屿面积大于8km²。除高尖石为火山角砾岩组成的基岩岛外，西沙群岛环礁全是由珊瑚、贝屑为主的珊瑚礁组成，珊瑚礁盘大，部分海岸发育有海滩岩，主要坐落在大陆坡1000m深水台阶上^{[1, 11, 12]}(图 1)。西沙群岛的基底是新生代张裂的基底断块，西沙隆起呈北东东、东西向和北东向展布，在南海张裂和海底扩张期间，地壳下沉接受海侵，沉积了总厚度近1200m的生物礁相碳酸盐岩^[13-20]。晚中新世，西沙海区产生一组北西向断裂，并切割了早期的东西向和北东向构造，沿断裂有强烈的火山活动，形成高尖石等海底火山岩。第四纪以来，地壳间歇性升降运动引起海平面的变化，接受了约215~260m厚的生物礁相灰岩和生物碎屑灰岩沉积^[21]。距今约3000~4000年前，西沙地区海平面基本稳定在目前的位置，而一些沙洲岛以及部分海滩岩则是近1000~2000年才出现的，这些岛礁洲滩及其成岛作用直至现今仍在受着风海流的不断改造而处于继续变化之中^[22]。

对南海北部陆缘地球物理调查和部分钻井资料揭示，西沙海区生物礁自中新世开始发育，中新世中期极具繁盛^[23-27]。目前，西沙群岛永兴岛和琛航岛设计钻探了5口岛礁钻井，这5口钻井的深度分别为西永1井1384.68m，西琛1井802.17m，西永2井600.02m，西石1井200.63m，西科1井1268m(图 2)。西永1井揭示出古老变质基岩，或中生代火成岩基底^[18]，西科1井进一步证实了岛礁基底是中生代的变质岩和侵入花岗岩，年龄在侏罗纪(152.9±1.7Ma)—早白垩世晚期(107.8±3.6Ma)^[15]。各个学者对这些钻井的层序地层划分方案不尽相同，其中很大一部分是由于古生物地层、岩石地层和地球化学标志在地层划分时的不一致性导致的^{[1, 18, 19, 28-30]}。前人已经建立了西沙海域的生物礁碳酸盐台地的发育演化模式，把西沙的碳酸盐台地发育划分为4个阶段，分别是初始阶段(早中新世早期)、繁盛阶段(早中新世晚期—中中新世中期)、衰退阶段(中新世晚期)和淹没阶段(晚中新世—现今)^[31-33]。本文结合前人对西沙海域生物礁钻孔的层序地层和地震层序地层划分方案^[33](图 2、图 3)，对宣德环礁晚新生代礁相地层进行了划分和厘定，以便对该区进行生物礁发育规律的预测。

图  2  西沙群岛钻孔区域地层对比(据文献[30]，有修改)

Figure 2.  Stratigraphic correlation of the five wells on Xisha Islands

图  3  西沙碳酸盐台地地震层序划分(Wu et al, 2014)

Figure 3.  Seismic stratigraphy in Xisha carbonate platform

地震采集使用中国海洋油田服务总公司南海503船在2017年8月31日至9月6日完成。这是我国最早在现代环礁潟湖内开展多道地震资料调查，数据采集的偏移距为90m，电缆长度为600m，道间距为6.25m，炮间距为12.5m，数据的覆盖次数为24次。多道地震数据处理采用CGG的GeoCluster6100及5000版本地震资料处理软件，在PC-CLUSTER计算机上完成。关键处理技术包括：(1)去噪：采用分频去噪压制随机野值、Radon变换压制线性噪音、偏移前在共偏移距面压制随机噪音(图 4)；(2)多次波：采用SRME(Surface relatedmultiple elimination)方法, 衰减较强的海底多次波；采用预测反褶积法压制层间多次波；(3)速度分析：精细速度分析，偏移速度百分比扫描迭代；(4)剩余多次压制：采用分频、分时方法，压制剩余多次波(图 5)；(5)克希霍夫叠前时间偏移，其中关键参数为偏移孔径和偏移角度。处理过程中我们对此分别进行了试验，根据试验结果确定了最终生产采用的参数；(6)叠后去噪：为了保证有效波的成分，同时使得偏移后输出成果利于后续解释需要，结合原始资料品质特征，资料特征进行叠后地震剖面修饰处理(图 6)。

图  4  初始叠加剖面

Figure 4.  Preliminary seismic imaging before migration

图  5  剩余多次压制

Figure 5.  Attenuation of remained multiple

图  6  叠后压噪前后对比

Figure 6.  Comparison of seismic poststack before and after noise attenuation

偏移孔径是指沿INLINE方向偏移算子最大空间延伸的距离，它决定了偏移成像道对偏移成像的贡献大小，即对偏移成像的好坏起着很重要的作用，偏移孔径太大则噪音成分加大，偏移孔径太小则造成偏移归位不理想，这里的偏移孔径为半径(图 7)。本次地震试验结果表明运用偏移孔径400m(1000ms)、600m(3000ms)地震反射同相轴归位效果较佳(图 7A)，已达到解释要求，加大偏移孔径反而带来不必要的噪音(图 7 B, C, D)。偏移角度是指偏移成像过程中保留的最大角度，它不仅限制了偏移算子的空间扩展范围，而且对偏移算法也有很大的影响，同时也对偏移运算量的大小有一定的影响。因此，选择合理的偏移角度对偏移成像也是非常重要的。理论上偏移角度大，对断面和地层倾角较大的层位成像效果好，但角度过大会带来偏移噪音，因此要经过试验选取最适合的偏移参数。本次试验的角度为30°、60°、90°(图 8)。试验结果显示偏移角度对本区的地震处理并无明显的影响(图 8)，起主要作用的是偏移孔径。

图  7  偏移孔径实验效果图

Figure 7.  Experimental effect of offset aperture

图  8  偏移角度试验

Figure 8.  Experimental effect of offset angle

宣德环礁发育一直延续至今，因此记录了西沙海域碳酸盐台地生物礁由兴到衰的整个历史，是研究西沙碳酸盐台地层序地层发育演化及其控制因素的天然实验室。本文在多道地震资料的解释过程中，采用层序地层学方法，描述地震反射同相轴的终止特征，建立起全区的层序地层格架。在层序地层格架的约束下，再描述不同时期的生物礁、海底滑坡、漂积体等地质体的沉积特征和时空演化规律，最后讨论层序发育的控制因素。结合钻孔的层序划分结果^[28-30]并参考前人的区域地震层序划分方案^{[31, 33]}，我们首先识别出来Tg(基底)、T50(中中新世底)、T40(晚中新世底)、T30(上新世底)、T20(第四纪底)、T0(海底)6个地震层序界面，各个界面的反射特征见表 1。

这些反射界面进一步把永乐环礁区地震层序分为SQ1(下中新统)、SQ2(中中新统)、SQ3(上中新统)、SQ4(上新统)和SQ5(第四系)(图 9)。各个地震层序特征和演化规律如下：

图  9  XDS5地震层序解释剖面

Figure 9.  Seismic interetation of profile XDS5

(1)SQ1(下中新统)

SQ1地层的地震层序特征为西部以平行亚平行结构为主，且地震反射同相轴往基底隆起区上超，东部地层底部以丘状杂乱结构为主，存在生物礁地震反射异常，其丘状杂乱结构顶部为平行亚平行结构。Wu等通过对西沙海区的岛上西科1井、西永1井的岩芯资料和大量勘探地震数据的分析发现，早中新世是碳酸盐岩在西沙隆起区域开始沉积的时期，生物礁建隆主要集中发育在基底隆起区的西部和西南部^[33]。根据本次我们在宣德环礁区(基底隆起区的东部和东北部)所获得的地震资料，可以发现现代宣德孤立台地所在的基底隆起区早中新世才开始接受沉积。早中新世早期，宣德环礁基底右侧斜坡(迎风区)的生物礁建隆沿着西沙隆起的边缘大量发育，到早中新世晚期由于海水持续上升，西沙隆起边缘区的生物礁被淹没，古碳酸盐台地萎缩至现代宣德孤立台地基底隆起区，此时东部的三沙峡谷开始发育(图 10、11)。

图  10  XDS5西部斜坡地震层序解释剖面

Figure 10.  Seismic interpretation of profile XDS5 on the west slope

图  11  XDS5东部斜坡地震层序解释剖面

Figure 11.  Seismic interpretation of profile XDS5 on the east slope

(2)SQ2(中中新统)

SQ2地层的地震层序特征为西部以平行亚平行结构和丘形杂乱结构为主(图 10)，东部大部分是丘状杂乱结构、波状反射结构(图 11)。中中新世是整个西沙碳酸盐台地发育的一个鼎盛时期^{[31, 33]}。结合地震剖面的生物礁地震反射异常，可以推测在宣德现代孤立台地的基底隆起区西部背风区开始发育生物礁，而在东部的迎风区大量发育生物礁。碳酸盐岩的生长形成了追赶型模式，层序上呈现出明显的向上加积的形态，表明此时海平面持续上升，且其上升速度和碳酸盐岩的生长速率接近，在宣德环礁的东西侧斜坡都能识别出两期生物礁沉积。中中新世晚期，随着海平面上升速度的加快，碳酸盐岩的沉积逐渐向地势高部位迁移，西部斜坡发育向上生长的塔状沉积体，东部斜坡发育一套波状结构的漂积体，该时期属于海侵体系域的后期阶段，海平面达到最大。

(3)SQ3(上中新统)

SQ3地层的地震层序特征为两侧斜坡均以平行亚平行结构为主，但西部斜坡上发育S形前积反射结构。晚中新世时期与中中新世时期的生物礁发育情况不一，其生物礁主要发育在西沙隆起上的少数构造高部位^{[31, 33]}。在宣德现代孤立台地的隆起区西部上斜坡发育生物礁，深部斜坡不发育，东部斜坡持续发育漂积体。由此可以看出，整个晚中新世宣德环礁区整体处于海水高位时期。

(4)SQ4(上新统)

SQ4地层的地震层序特征为宣德环礁西部斜坡主要以平行亚平行结构为主，东部除了平行亚平行结构外还发育一些杂乱结构。上新世时期整个西沙碳酸盐台地大部分发育深海平原沉积，局部发育生物礁沉积^{[31, 33]}。在宣德现代孤立台地的基地隆起区西部主要发育稳定的深海平原沉积，根据波阻特征的差异，在西部斜坡向海一侧可以再分为两期沉积，早期沉积体的地震反射特征为强振幅连续的平行亚平行结构，可解释为深海平原沉积，内部还夹杂着弱振幅弱连续的杂乱结构的重力流沉积，晚期沉积体的地震反射特征为弱振幅中连续性的平行亚平行结构，向台地一侧，沉积体的顶部地层地震反射特征演变为强振幅高连续性的平行亚平行结构(图 10)；东部斜坡区持续发育波状结构的漂积体沉积，但在漂积体沉积中夹杂着一些重力流沉积，一些河道开始发育，其中有些延续至今。

(5)SQ5(第四系)

SQ5地层的地震层序特征为两侧斜坡均以平行亚平行结构为主，其中夹杂着杂乱结构(图 10、11)。宣德现代孤立台地边缘往下发育了大量弱振幅连续反射前积反射向上转变成强振幅连续的上超, 在现代海底浅层的台地边缘区有强振幅连续的丘状反射(图 12)。第四纪和上新世有一个共同的特征是大部分西沙碳酸盐台地区处于深海平原沉积^{[31, 33]}。在宣德环礁区斜坡大部分区域同样发育半深海沉积，除了半深海泥沉积，靠近环礁区的地层中还夹杂着大量的重力流沉积，斜坡上发育大量的潮汐水道(图 10)。值得注意的是，在环礁区发现在第四纪早期台地边缘环礁一侧后退了约8km，说明在第四纪早期发生了迅速海进，导致台地迅速萎缩，大约从345m(0.46s)等深线萎缩至30m(0.04s)等深线处(大约是现今的孤立台地边界)(图 12)，形成一个宽约8km的台阶。台地后退之后，海平面恢复稳定，台地不断向台阶输送物质。第四纪晚期，可在台阶形成的斜坡上发现地震反射同相轴上超形成强振幅连续平行亚平行结构，推测是海水开始继续上升，在台地边缘斜坡开始沉积细粒沉积物。

图  12  XDS1环礁区地震层序解释

Figure 12.  Seismic interpretation of profile XDS1 on the modern atoll

(1) 利用得到的高分辨率岛礁地层地震剖面，在现代岛礁地层识别出Tg(基底)、T50(中中新世底)、T40(晚中新世底)、T30(上新世底)、T20(第四纪底)、T0(海底)6个地震层序界面，划分为5个地震层序，分别是SQ1(下中新统)、SQ2(中中新统)、SQ3(晚中新统)、SQ4(上新统)、SQ5(第四系)。

(2) 宣德环礁区碳酸盐岩在SQ1时期才开始在基底上沉积，生物礁在基底斜坡迎风区的一侧较发育；SQ2开始时期基底斜坡两侧都发育生物礁，晚期快速海进，生物礁被淹没；SQ3大部分时期处于海水高位，生物礁在宣德环礁上斜坡及高于上斜坡的位置发育；SQ4时期台地持续萎缩至现代海底等深线300m的范围；SQ5早期发生快速海进，台地边缘向环礁一侧大约退了8km，晚期持续海进。