2. 中国科学院研究生院, 北京 100049;
3. 中海石油(中国)有限公司北京研究中心, 北京 100027;
4. 中国科学院广州地球化学研究所, 广州 510640
2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Beijing Research Center of CNOOC, Beijing 100027, China;
4. Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China
南海北部大陆边缘被认为是在加里东运动微板块间的拼贴、印支运动的缝合及燕山运动活动等多期次构造演化基础上,经两次不同方向海底扩张短期改造而形成[1~11].南海中央海盆地地壳被认为具有洋壳性质以来,国内外地质学家提出了许多南海以及南海北部大陆边缘的形成与演化模型,其中最具代表性的四类模型为:(1)南海是与印度-欧亚板块碰撞挤出构造有关的走滑拉分模型[12, 13];(2)与太平洋俯冲有关的弧后伸展模型[14, 15];(3)地幔柱成因模型[16];(4)多种动力共同作用的联合机制模型[17~21].这些模型的检验或者新模型的提出对于研究太平洋东缘地球动力学以及评估南海油气勘探潜力均具有重要的科学意义与实际价值,这些模型的合理性体现在是否较圆满地解释研究区的深部结构与构造状态以及包括琼东南-珠江口盆地在内的华南大陆及边缘海域地壳/岩石圈的伸展特征.
伸展因子是描述伸展型盆地地壳伸展程度的参数.研究不同尺度(上地壳、地壳和/或岩石圈尺度)伸展因子的变化特征有助于理解盆地成因机制[22],有助于理解南海北部大陆边缘形成和演化.南海北部陆缘分布着许多具有成因相似的新生代沉积盆地,如主要成盆期为古近纪和新近纪的台西南盆地、珠江口盆地、琼东南盆地、莺歌海盆地、北部湾盆地等[2~4].其中珠江口和琼东南盆地深水区为本文的研究对象.但各沉积盆地区地壳减薄方式、断裂样式、张裂期次等均存在差异性[1~4].我们将从整体研究多期次伸展总影响.本研究基于地壳结构计算的上地壳与全地壳伸展因子可以理解为各沉积盆地区多期次伸展作用贡献的总体效应,或可认为我们仅研究不同伸展期零级或一级近似(均匀化近似)伸展.该研究将有助于现有南海形成与演化模型在地壳岩石圈形变一阶特征的校验,并为更精细特征的解释提供基础.
2 珠江口-琼东南盆地地质与地壳结构特征已有深部地球物理探测结果表明[22~43]:珠江口、琼东南盆地发育于减薄的过渡型地壳之上,南海北部陆缘自北向南、由西向东,地壳厚度逐渐减薄.珠江口盆地北部地壳厚度约24 km,南部地壳厚度16~18 km.西部琼东南盆地地壳厚度为约22 km,到东部的台西南盆地减薄到16 km.
包括珠江口和琼东南盆地在内的南海北部陆缘盆地新生代明显地显示了张性环境下断陷盆地的特点,受NE向主干断裂控制形成了断陷带与隆起带相间分布的格局[2~4, 42].珠江口、琼东南盆地新生界具有明显的裂谷盆地特征---下断上拗双层结构.古近系与新近系、第四系的构造特征差别体现在:古近系构造层断层发育,形成一系列地堑、半地堑或箕状断陷;新近系和第四系构造层断层稀少,披覆于古近系之上.盆地中伪地堑与盆地反转现象的存在被解释为南海北部经历了多次张裂和成盆过程的结果.每期盆地及断裂的走向也不相同,表现为顺时针旋转.根据盆地构造沉降的周期性加速,不同裂陷幕之间的不连续面及断陷方向、沉降中心的改变分析,南海新生代裂陷过程在从北向南逐渐迁移的趋势下,东西段也具有一定的差异性[2~4, 42].这些地质地球物理场特征预示了研究区岩石圈伸展过程的复杂性.
3 地壳与全地壳伸展因子计算方法 3.1 上地壳伸展因子先考虑单个断层,伸展因子β(x)按余弦分布[44],即
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(1) |
式中,x是水平位置,W是纯剪切影响的范围,x0是断层位置坐标.
对于多个断层组合来说,某点的伸展因子βuc(x)为所有断层在该点的伸展因子的积:
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(2) |
计算上地壳伸展因子过程中,首先从剖面中读出基底断裂参数,包括断层位置、极性、倾角和水平断距等,运用(1)~(2)式,即可得到上地壳伸展因子βuc(x)的分布.
3.2 全地壳伸展因子假设地壳初始厚度为常数t0,则全地壳的伸展因子为[44]
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(3) |
其中tc(x)为地壳沿剖面在水平位置x处的地壳厚度.根据公式(3)求出全地壳伸展因子βc(x)的分布,伸展因子越大,地壳减薄程度越显著.
4 珠江口-琼东南盆地地壳结构探测及不同尺度伸展因子估算结果本项研究数据基础为珠江口-琼东南盆地区实施的14条深地震剖面(图 1所示)及其地壳结构解释成果[40].其中,上地壳厚度与地壳总厚度(去除海水层影响)数据由地壳结构解释成果[40]中,沿剖面以10 km间隔读出(剖面尾端不够10 km倍数点除外,在剖面尾端处读出相应数据).上地壳尺度伸展因子计算主要依据公式(1)和(2),利用的断层信息直接来自于中海石油(中国)有限公司北京研究中心的研究成果[3].其中,图 2(a~d)为4条地震剖面断层解释成果.由于剖面结构图上显示的断层均为大断层,实际上有若干小断层没有考虑进去,因此断层的总水平伸展量估计偏小,这样计算将会导致上地壳伸展因子结果偏小.琼东南盆地的伸展情况,假设小断层引起的水平伸展最大有40%未被发现,那么为了解决这一误差,伸展因子应扩大40%[45],因此计算中需要将上地壳伸展因子扩大40%,得到各条沿地震剖面的上地壳伸展因子βuc(x)的分布.全地壳尺度伸展因子计算依据公式(3)而开展.在计算伸展因子的过程中初始地壳厚度的选取是一个关键问题.南海的三维地壳结构研究[31~48]显示从华南陆地进入南海北部陆架时,地壳结构发生明显变化,并利用地震层析资料计算出潮汕地区的地壳厚度为30km.本研究拟选择32km作为南海北部陆缘伸展前的初始地壳厚度t0.该地壳厚度与华夏地块地壳厚度变化趋势较为吻合[47, 48].为此,我们对珠江口-琼东南盆地区上地壳与全地壳伸展因子进行了计算.由于篇幅限制,我们展示了沿相应剖面的上地壳与全地壳尺度伸展因子,如图 2(a1~d1)所示.
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图 1 珠江口-琼东南盆地深反射地震剖面位置图 Fig. 1 Geographical position of deep seismic reflection profiles in Zhujiangkou-Qiongdongnan basin areas |
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图 2 测线伸展因子分布及地震剖面解释 (A)M2;(B)M3;(C)M4;(D)M7. Fig. 2 Extension factor curves along the different profiles (A) Profile M2;(B) Profile M3;(C) Profile M4;(D) Profile M7 |
由图 2(a1~d1)可见不同测线及其不同部位伸展因子具有很强的非均匀性.比如测线M2上,110 km处上地壳与全地壳伸展因子达到2.0,其他部位伸展因子在1.5左右变化;测线M3上,约140 km处上地壳伸展因子约为2.0,其他部位伸展因子约为1.0左右;测线M4上,50 km左右处上地壳伸展因子为1.5左右,其他地区伸展因子为1.1左右,全地壳伸展因子为1.8左右,其他部位伸展因子为1.5左右;测线M7上,15 km左右处上地壳伸展因子达到4.0左右,而其他部位约为1.5~2.0.这说明琼东南盆地存在强烈的三维不均匀拉张现象,即不同盆地之间以及深浅之间均存在程度各异的非均匀伸展.
琼东南盆地区三维非均匀伸展作用还可体现在不同走向剖面的伸展因子存在的差异上,本研究中包括西南-东北向剖面(L2、L3、L1和L4)以及西北-东北向剖面(M5、M6、M8和M10).西北-南东向剖面伸展因子的变化幅度超过1,而西南-东北向剖面伸展因子幅度变化不到0.5,这表明沿西南-东北向地壳减薄程度小,而西北-东北向地壳减薄剧烈.
对比东部和西部剖面的上地壳伸展因子可以看出,东部的伸展因子在1.5以上,而西部的伸展因子要小于1.5,其差异可能归因于研究区东、西部具有不同的地壳构造和演化过程.地质地球物理等学科研究表明,东部剖面为拉张减薄的地壳,并伴有地幔隆起与地壳的上拱作用,而西部剖面主要是裂隙作用. M9剖面由南部隆起穿过白云凹陷抵大陆地壳,伸展因子由6减小到1.5,也体现了洋壳减薄的特征.
在获得各剖面不同尺度伸展因子基础上,我们采用克里金插值方法构建了研究区伸展因子分布图像(图 3、4).从图 3、4可见,三维非均匀伸展特征更为明显.其中,南海北部陆缘深水区全地壳伸展因子数值在1.45~2.2之间波动,大部分地区为1.5;上地壳伸展因子为1.5~3.2.区域分布图揭示了研究区内北礁凹陷、长昌凹陷、荔湾凹陷等大凹陷的伸展因子变化幅度大,说明琼东南和珠江口盆地新生代以来均经历了强烈的地壳减薄.琼东南盆地伸展因子平均为1.8,自中央向周边变小,最大值为3.2.珠江口盆地白云凹陷的伸展因子最大为2.5.总体上,各凹陷内的伸展因子由西北向东南变大,反映了地壳由大陆向海洋减薄的特征.
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图 3 琼东南盆地区上地壳伸展因子分布 Fig. 3 Spatial distribution of upper crust beneath Qiongdongnan basin areas |
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图 4 琼东南盆地区全地壳伸展因子分布 Fig. 4 Spatial distribution of whole crust beneath Qiongdongnan basin areas |
通过比较不同走向地震剖面伸展因子特征,可以理解盆地伸展的主方向.在该研究区北东-南西向剖面以及北西-南东向剖面为我们开展地壳伸展各向异性研究提供了重要机遇.图 5为琼东南盆地区几个凹陷与隆起区相交剖面上地壳与全地壳伸展因子对比结果.由图 5可见:如果北西-南东向与西南-北东向伸展因子相同或相近,在图 5中投影点将位于与坐标轴呈45°角的连线及其附近.图 5显示永乐和神狐隆起,北东-南西向较南东-北西向上地壳伸展因子大,位于该连线上方,其他凹隆如乐东-陵水、松南-宝岛、长昌、顺德凹陷以及南部隆起均位于连线下方,即南东-北西向均较北东-南西向伸展因子大.即琼东南盆地区地壳伸展以北西-南东为优势方向,这与地质、地球化学推断的太平洋板块北西俯冲方向[49, 50]一致,也与该方向上地壳岩石圈厚度变化趋势[31, 46~48]相协调.
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图 5 琼东南盆地不同凹陷与隆起区北东-南西向与北西-南东向地壳伸展因子对比图 连线表示北东-南西向与北西-南东向地壳伸展因子相同. Fig. 5 The compareson of extensional factors of different depression and uplifts in the studied area, between NE-SW and NW-SE profiles The dash line denotes to the extensional factors of NW-SE and NE-SW directions are equal |
上地壳伸展因子代表了脆性上地壳的伸展程度;全地壳伸展因子大小实际与热流活动的强弱相对应[42].岩石圈的减薄,总是伴随许多地幔隆起的高点或壳下底侵,以及由此产生的频繁的热事件和区域性高热流[42].由上地壳与全地壳伸展因子的相关性分布(图 6)可以看出,琼东南盆地各构造单元内的上地壳与全地壳伸展比例不同,长昌凹陷最大,乐东-陵水凹陷其次,松南-宝岛凹陷最小,反映了长昌凹陷和乐东-陵水凹陷的壳内变形程度比松南-宝岛凹陷的大.长昌凹陷和松南-宝岛凹陷的全地壳伸展因子较乐东-陵水凹陷的大,可以解释为琼东南中东部热事件频繁,加热过程的持续时间较长[42].琼东南盆地区地壳伸展的横向非均匀性可能体现了珠江口-琼东南盆地区东西部伸展过程或伸展机制的差异[2~4, 42],但小尺度范围内伸展机制存在如此大差异仍令人费解.我们推测板缘平行方向上地壳伸展的横向非均匀性可能是太平洋岩石圈俯冲角或地幔岩性空间差异造成岩浆产出时空差异的结果.如图 6可见,长昌与乐东-陵水凹陷地壳伸展因子较为接近,松南-宝岛凹陷地壳伸展因子明显偏大,可能由于松南-宝岛凹陷下方可能存在地幔岩石熔融的局部强化现象.
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图 6 琼东南盆地内3个凹陷区的上地壳与全地壳伸展因子相关性分布图 虚线表示上地壳与全地壳伸展因子相同. Fig. 6 The distributeion map of upper/whole crustal extensional factors of three depressions in Qiongdongnan basin areas. The dot line indicates the extensional factors of upper and whole crust are equal |
图 2~4可见,琼东南盆地区各凹陷与隆起区上地壳与全地壳伸展因子具有不同程度的差异,即存在地壳伸展存在尺度相关性.类似的结果在全球其他构造区也有发现.人们分别研究了位于大西洋东部系列盆地如Goban Spur,Galicia Bank,Vøring,位于太平洋西部的Exmouth高原,S.Vulcan/ Bonaparte等以及位于太平洋东侧的中国南海、华北平原上地壳、全地壳与岩石圈尺度伸展因子[45, 51~53].为了便于分析,将这些结果综合展示为图 7.由图 7可见,无论是大西洋还是太平洋东西两侧大陆边缘上地壳伸展量均较全地壳伸展量小,相应地,其伸展因子也具有相同的深度依赖性.但相对而言,太平洋西岸大陆边缘区上地壳伸展量远小于全地壳伸展量,说明构造环境对岩石圈演化的重大影响.
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图 7 太平洋东西部,印度洋东部以及大西洋东部大陆边缘盆地区地壳伸展因子深度依赖性对比 大西洋东部和印度洋东部大陆边缘盆地区伸展因子数据来自文献[45, 51]等以及本文研究结果. Fig. 7 Comaprisons of depth-dependent extensional factors of continental margins among the eastern Atlantic, the eastern Indian Ocean and the western Pacific The data come from references[45, 51]and this study |
由上述研究可见,无论是各剖面上,还是区域上均存在不同程度的上地壳与全地壳伸展因子差异性.下面,我们将分析出现这类与地壳伸展尺度相关性现象的可能原因.大量研究表明,产生地壳伸展尺度相关性因素很多,诸如估算随机误差、地震方法尚无法分辨次级断裂效应、断裂几何特征近似效应、二次产生断裂效应、非脆性伸展、熔融物质上涌至岩石圈与相变效应、地幔蛇绿岩化、海平面之上的裂谷效应、地幔柱对沉降的影响、挠曲耦合、低角度伸展拆离的岩石圈伸展效应,以及下地壳浮力驱动流效应等[44].其中,计算误差具有很强的随机性,我们计算的上地壳与全地壳伸展因子差异在统计意义上讲仍然存在;至于地震无法分辨次级断裂效应,借鉴国际研究经验,放大35%~40%,可以补偿次级断裂对计算结果的影响;断裂几何形状效应,在时间域叠加剖面上断裂几何形状未见明显的改变;海平面上裂谷作用可能剥蚀部分上地壳断块,破坏断裂记录,导致上地壳伸展因子的低估:南海北部大陆边缘在10~5Ma时发生的一次构造热事件[42](对应于珠江口盆地的东沙运动、东海盆地的龙井运动或台湾的海岸山脉运动)使珠江口盆地东部发生块断升降,隆起区遭受剥蚀,导致部分生物(有孔虫和钙质超微)化石带缺失[2, 3, 11],上地壳伸展因子有可能被低估,但研究区凹隆相间分布格局表明现有伸展因子整体格局并不会改变.如果岩石圈伸展因子>1.5,地幔减薄因子为地壳伸减薄因子2.2倍以上.地幔柱效应通常与裂谷后热次降事件同时发生,地幔蛇绿岩化不会出现伸展与减薄随深度增加的现象.结合考虑上述因素,我们认为地壳伸展因子的深度相关性可能是客观存在的.尽管岩石圈伸展机制可分为3大类型,即纯剪切模型、分布剪切模型和简单剪切模型.国内外通常采用两个端元模型即纯剪切模型[52]与简单剪切模型[53]解释岩石圈的伸展机制.前一个模型中预测伸展因子与深度无关;后者被认为岩石圈伸展由低角度岩石圈尺度伸展拆离所控制,且伸展因子随深度变化.显然,南海北部陆缘琼东南盆地区伸展因子特征可能与简单剪切岩石圈伸展拆离模型中的“上板块”位置相一致.宋海斌等[8]研究认为南海北部大陆边缘可能属于共轭大陆边缘.在岩石圈伸展环境下,共轭大陆边缘将会同时出现深度相关的伸展与地幔挤出构造[44, 53],这可以较合理地解释南海北部大陆边缘琼东南盆地区地壳伸展的深度相关性以及系列上地幔岩石的出露[52].该解释从另外一个角度支持华南大陆经历的太平洋低角度平俯冲[40~55].但是值得说明的是该解释的合理性以及拆离面深度(上下地壳分界或岩石圈底界?)等均有待后续系列研究工作的开展.
6 结论我们利用南海北部大陆边缘琼东南盆地区深反射地震剖面的地壳分层模型,计算了沿剖面上地壳与整个地壳的伸展因子.结果表明:
(1)琼东南盆地区具有明显的地壳尺度内伸展的深度相关性.琼东南盆地各构造单元内的上地壳尺度伸展因子变化范围为1.0~2.0,地壳尺度的伸展因子变化范围为1.2~2.5.
(2)琼东南盆地各构造单元内的上地壳与全地壳伸展具有明显的非均一性.南海北部陆缘深水区全地壳伸展因子数值在1.45~2.2之间波动,大部分地区为1.5;上地壳伸展因子为1.5~3.2.区域分布图揭示了研究区内北礁凹陷、长昌凹陷、荔湾凹陷等大凹陷的伸展因子变化幅度大,说明琼东南和珠江口盆地新生代以来均经历了强烈的地壳减薄.琼东南盆地伸展因子平均为1.8,自中央向周边变小,最大值为3.2.珠江口盆地白云凹陷的伸展因子最大为2.5.总体上,各凹陷内的伸展因子由西北向东南变大,反映了地壳由大陆向海洋减薄特征.长昌凹陷和乐东-陵水凹陷的壳内变形程度比松南-宝岛凹陷的大.长昌凹陷和松南-宝岛凹陷的全地壳伸展因子较乐东-陵水凹陷的大,可以解释为琼东南中东部热事件频繁,加热过程的持续时间较长,拟或是太平洋岩石圈俯冲角或地幔岩浆产出的时空非均匀性响应.
(3)琼东南盆地各构造单元内的上地壳与全地壳伸展具有明显的非均一性与各向异性.南东-北西剖面较之北东-南西向剖面地壳伸展因子大,预示着地壳伸展以北西向为优势.
(4)琼东南盆地各构造单元内地壳伸展伸展因子的深度相关性可能是共轭大陆边缘低角度拆离简单剪切体系下,伴随地幔挤出的大尺度岩石圈伸展结果.
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