地球物理学报  2011, Vol. 54 Issue (12): 3070-3078   PDF    
南海东部海盆扩张过程的数值模拟
许鹤华1, 马辉1, 宋海斌2, 陈爱华1     
1. 中国科学院边缘海地质重点实验室,南海海洋研究所,广州 510301;
2. 中国科学院地质与地球物理研究所油气综合地球物理重点实验室, 北京 100029
摘要: 南海的形成演化一直是国内外关注的热点之一,南海的扩张发生在早渐新世-早中新世,并且在南海的扩张中至少包括一次洋脊跃迁.本文采用上升离散地幔流和热对流耦合模型模拟了南海东部海盆扩张、洋中脊跃迁和扩张停止后岩石圈的热结构演化和岩浆熔融过程.数值模拟结果表明,洋中脊跃迁是南海扩张中的一个重要的过程,由于洋脊跃迁使得在两洋脊之间形成一个部分熔融岩浆区,岩浆部分熔融的存在使洋脊之间海底火山分布也相对较多以及地形相对较高,同时造成南侧的洋脊两侧地形以及海山都分布不对称的现象,这反过来也能论证跃迁模型的可行性.
关键词: 张裂大陆边缘      上升离散地幔流      热流      洋中脊跃迁      岩浆熔融     
Numerical simulation of Eastern South China Sea basin expansion
XU He-Hua1, MA Hui1, SONG Hai-Bin2, CHEN Ai-Hua1     
1. Key Laboratory of Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China;
2. Key Laboratory of Petroleum Geophysics, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
Abstract: The formation and evolution of South China Sea has been one of the hot spot of attention at home and abroad. The expansion of the South China Sea happened in early Oligocene-early Miocene, and the expansion of South China Sea includes ridge transition once at least. This paper uses a model of rising divergent mantle flow and convection coupling to simulate the expansion of eastern sea basin of the South China Sea, the ridge jump, and the process of lithosphere hot structure evolution and melting of magma after expansion. Numerical simulation results indicate that the ridge jump is an important process of the South China Sea expansion. Ridge jump forms a magma chamber between the two ridges, and the existence of the magma chamber makes the submarine volcanoes relatively more and also the terrain relatively high between the ridges. At the same time, it also leads to the terrain of both sides of south side ridge and the distribution of submarine volcano asymmetric, which in turn can also demonstrate the reasonability of the ridge jump model.
Key words: Rifted continental margin      Upwelling divergent mantle flow      Heat flow      Ridge jump      Mantle melting     
1 引 言

大陆的张裂、破裂,以及洋底扩张中心的形成是板块构造理论的核心内容,也是一种重要的地球动力学过程.张裂作用是岩石圈的一种基本构造作用,张裂作用形成大陆裂谷、沉积盆地,张裂作用还导致岩石圈发生破裂,最终形成海底扩张和大陆张裂.张裂开始于拉张应力作用,然后应变逐渐积累和聚集,最终岩石圈发生破裂,海底扩张和大洋岩石圈的诞生则伴随最大程度的拉张.

张裂作用由两个基本的地质作用显着表现出来,变形和岩浆作用.裂谷作用有两种模型:主动裂谷作用和被动裂谷作用.主动裂谷作用是先有地幔上涌,大陆岩石圈抬升引起侧向拉升导致岩石圈张裂;被动裂谷是岩石圈受远端的侧向拉力作用,导致岩石圈减薄,进而引起地幔物质上涌,最终岩石圈发生张裂.究竟是什么条件导致了大陆的张裂,自板块学说提出以来,这问题一直没有得到很好的回答.

南海是我国最重要的边缘海,许多学者对南海的形成演化过程做了大量的模拟研究,已有的有关南海张裂的数值模型大多是集中在岩石圈热流变结构、拉张减薄的运动学过程和动力学机制[14],而对岩石圈破裂及破裂过程中岩浆作用的数值模型较少.最近Kusznir等提出了一种新的张裂大陆边缘形成模型[5],该模型认为在上升离散地幔流的作用下,大陆岩石圈减薄,并最终导致大陆岩石圈裂解与海底扩张的形成.本研究将应用该模型模拟南海东部海盆张裂过程的岩浆活动和温度场演化.

2 地质背景 2.1 南海洋盆期次

南海地处欧亚大陆、太平洋和印度洋三大板块交会处,南海海盆地质构造介于大陆型地壳和大洋型地壳之间.而南海海盆周缘被四个不同类型的边界所围:北边是北部陆架张裂大陆边缘,西边是南北向越南陆坡大型平移断裂带,南边是已停止活动的南沙海槽碰撞构造带,东边是正在活动的马尼拉海沟俯冲带[6].

南海海盆洋壳东宽西窄,南海中央次海盆具有东西向对称分布的磁条带(11~5d),认为其形成的地质时代为32~17 Ma[7].南海海盆北老南新,扩张脊在32~30 Ma发生于西北和东部次海盆,扩张方向NW-SE(约160°);30~26 Ma西北次海盆停止了扩张,扩张作用只限于东部中央海盆,海盆上沉积物较厚,扩张方向近南北向;26~24 Ma,扩张轴向南跃迁,扩张作用由东向西南传播,张裂由中央海盆迅速发展至西南次海盆,此期间磁条带相互近平行,在15.5 Ma左右结束海盆扩张,海盆上的沉积物较薄[8],磁条带如图 1.孙珍等通过物理模型试验模拟认为,由北部湾和珠江口盆地发育的断裂模式可知大陆裂谷及早期海底扩张发生于32~26 Ma,期间伸展应力场由SE 向转为SSE 向;24 Ma 后,转为NW-SE 向扩张,最后终止于15 Ma,印证了Briais理论的正确性[910].

图 1 南海海底磁异常条带及对应的年龄 Fig. 1 The magnetic anomaly lineation and age in South China Sea
2.2 洋盆海底地形特征

南海海盆位于南海中央偏东,呈扁菱形,长轴方向N40°E,长约1570km,最宽处约750km.海盆外缘陆架、陆坡清晰可辨,四周环绕华南大陆、中南半岛、加里曼丹、巴拉望、吕宋、台湾等岛屿,海盆内分布有深海平原、海底火山等.现代南海海盆指南海中部具有新生代洋壳的区域,平均水深超过4000 m,最大水深达5559 m,是西太平洋大陆边缘面积最大、水深最深的边缘海.海盆大致以3000 m 水深线为界,在15°N 线附近,海盆被EW 向分布的黄岩海山链分割成南北两部分,并可进一步细分为西北海盆、北海盆、中部海山区、西南海盆、中央海盆等五个海底地貌区[1112].新的卫星测高获得的水深数据表明,除了在南海中央海盆扩张脊附近分布有高耸、断续的近东西向海山链外,在南海深海平原上还存在一些北西向的连续线状凸起特征.这些线状特征高约500m,宽10~30km,绵延数百至千公里(图 2).

图 2 南海中央海盆地形图 Fig. 2 Topography of the central basin

南海中央海盆位于南海中部,南北长900km,东西宽450km,面积约40km×104km.海底为平坦深海平原,分布着一系列的海山,呈东西向分布.沿15°N 分布的以黄岩海山为主体的黄岩岛海山链东西长240km,南北宽40~60km,山体相对海底高差达4000m.其西南边界处,有一南北向的中南海山,南北长100km,东西宽40km,高出海底4000m,该海山将中央海盆与西南海盆分开[13].

从区域地形图来看,南海海盆总体深度较大,深度都大于3km,但受南海海盆多期次扩张影响,使洋盆地形以黄岩海山链为界,海山链以北包括西北次海盆、中央海盆北部的海底地形相对较高,深度普遍在3000~4000 m 之间;而海山链以南的西南次海盆和中央海盆南部海水相对较深,普遍在4000m以上.由于在洋盆地区,沉积和剥蚀作用较弱,海盆沉积覆盖厚度总体上较薄,厚度最大能达到1500m,普遍在500~300 m 之间,所以可以通过海底地形地貌特征的分析来直接识别近时期的构造活动形迹,从而揭示基底洋壳的构造和活动特征[12].

结合南海扩张期次来看,在西北次海盆扩张脊和中央海盆扩张脊之间,也就是扩张脊32~26 Ma跳跃过的区域,海底地形都相对要高,水深普遍在3~4km左右;而在中央海盆扩张脊南部以及西南次海盆,海水深度较大,普遍在4km 以上.

2.3 区域火山带分布特征

在南海海盆散布着一些由火山组成的高出周围海底3000~4000 m 的大型海山[12].例如黄岩海山(197m)、玳瑁海山(2976 m)、中南海山等,海山高差变化在4003 m(黄岩海山)至1020 m(玳瑁海山).这些海山集中分布在海盆的扩张轴附近和海盆的北部,呈ENE 向或WSW 向分布.除了分布在中央海盆和西南次海盆洋脊外,离开扩张脊向南、向北也存在一些分散的海山,主要分布在西北次海盆和中央海盆之间海域,如涨中海山、宪南海山等(图 3)[146].

图 3 海盆海山分布[14] Fig. 3 Seamount distribution in sea basi[14]

南海新生代火山岩活动规模较小,主要分布在洋盆的扩张脊和北部陆缘的陆洋边界附近海域.在南海的拉张过程中岩浆供应不丰富,在陆缘未形成大规模的侵入和喷出岩.南海海盆范围内晚第三纪-第四纪火山活动范围比较集中的地区是南海海盆扩张脊,大部分火山顶部仅有很薄的沉积,一些火山出露至海底形成海山[15].根据K-Ar法所测定在南海中央海盆的海山上采获了晚中新世以后的玄武岩同位素年龄为13.95 Ma (玳瑁海山)、9.7 Ma (黄岩岛-珍贝海山)、3.5 Ma(中南海山),南海新生代玄武岩的年龄变化主要在13.95~3.5 Ma,对应形成时代为晚中新世-上新世,形成于海底扩张之后[14].在西南次海盆以西的陆坡区、礼乐滩北缘及其北面的海盆内拖网也获得玄武岩,年代0~3 Ma.表明南海海盆在海底扩张结束后,仍受到岩浆活动的影响[1612].

结合对比分析已公开发表的一些南海底玄武岩的年龄数据,认为南海海域的火山活动主要是在南海扩张期后开始活跃的,总体上看,除来自宪北海山的玄武岩年龄为22.9 Ma[17]之外,南海的火山喷发年龄(9.5~14.1 Ma)明显早于碱性玄武岩(3.49~7.91 Ma).这个定年结果反映在空间上从北向南,岩石年龄总体上逐渐变年轻,反映南海的岩浆活动具有从北向南迁移的趋势,在南海及邻区发现有近南北向的新生代火山迁移规律的火山活动分布[14].

3 数学模型

在大陆裂谷形成过程中,岩石圈的变形机制是什么?已有的有关张裂大陆边缘形成的模型大多是建立在改进的均匀伸展模型的基础之上,认为伸展因子趋于无穷大时大陆岩石圈产生颈缩并最终破裂,而海底扩张的特点是由大洋岩石圈和软流圈上涌和分离,而不是由年轻的大洋岩石圈纯剪切拉张引起的减薄,根据这一思想Kusznir等提出了一种新的张裂大陆边缘形成模型,该模型认为在上升离散地幔流的作用下,大陆岩石圈减薄,并最终导致大陆岩石圈裂解与海底扩张的形成[1].该模型成功地解释了Woodlark、Newfoundland、Iberia以及GobanSpur等张裂大陆边缘岩石圈随深度变化的伸展和地幔出露等现象[51819].

大陆破裂到海底扩张过程就是洋中脊地幔熔岩上涌的过程,岩石熔融和岩浆作用是其中的重要组成部分.地幔物质在一定深度部分熔融形成岩浆,岩浆上涌到达地表固结形成新洋壳.大洋扩张过程中洋中脊下的地幔岩石熔融的主要机制是岩石上升引起的减压熔融,地幔岩石的固相线的温度相对于压力的梯度大约是0.13 ℃/MPa[19],而在板块的扩张中心,随着板块的扩张地幔被动上涌,其温度相对于压力的梯度可以达到0.01~0.02 ℃/MPa[20](图 4),地幔岩石绝热上升和地幔岩石固相线相交发生部分熔融.在熔融的过程中由于晶键断裂要消耗能量,岩浆熔融是吸热反应.这将导致温度降低.一般认为岩石熔融的区域是一个三角形,三角形的底部就是岩石固相线,它大概在60~80km深度[20](图 5).熔融区域的总量及部分熔融比例是由地幔的温度、上升的速度、地幔岩石的组分和是否含水等机制控制的,而熔融量直接决定海洋地壳的厚度.在大陆从破裂到海底扩张以及海底扩张停止后的各个阶段岩浆活动都是一个重要的地质过程,在动力学模型中需要对岩浆的熔融过程给予重点考虑[2124].

图 4 洋脊下地幔岩石绝热上升引起部分熔融过程示意图 Fig. 4 Schematic pressure-temperature path for adiabatic melting resulting from upwelling
图 5 洋脊下地幔岩石部分熔融区域示意图 Fig. 5 Schematic view of the melting regime beneath the ridge

McKenzie(1984)等采用渗流模型[25],将尚未开始熔融的地幔,熔融发生后未被熔融的固体骨架以及熔体析出后残余地幔三者的运动当作耦合运动,熔体受板块运动以及浮力的驱动在骨架上作相对运动,分别建立熔体的速度与地幔速度的运动方程,求解熔体与地幔的流场,得到它们的流动速度,计算表明熔体是从宽区域向窄区域集中,但该模型未考虑温度、压力对熔融的影响.本文研究采用温度场、流场耦合模型模拟在大陆从拉张到破裂的过程中岩浆的形成、演化和上涌过程.

新模型描述了大陆岩石圈变形导致岩石圈裂解和张裂大陆边缘的形成,是建立在改进的上升离散地幔流模型的基础之上.上升离散地幔流由等黏态的角落流模型给出,

(1)

式中ψ 是流函数.Batchelor(1967)给出了(1)式的解析解[26]:

(2)

(3)

(4)

(2)式中的ABCD是常数,由边界条件确定,(3)和(4)式是上升流的速度分布,如图 6所示.

图 6 上升流流模型示意图 Fig. 6 The schematic diagram of upwelling model

上升离散地幔流模型的边界条件为在x= 0时,Vx=0,Vz=v0

z=0时,

(5)

其中u0v0 分别是在边界上的水平和垂直速度分量.

将边界条件代人(3)和(4)式,由此可以得到常数ABCD和速度分布.

(3)和(4)式确定的速度场与对流-扩散热传导方程耦合得到

(6)

式中T是温度,t是时间,κ是热扩散率,q是岩石的生热率,ΔS是由单位质量岩石熔融引起的熵增量,H是岩石熔融比例,cp 是岩石的比热,ρ 是岩石密度.

上下边界条件为

(7)

侧边界为绝热边界,模型的初始条件是岩石圈扩张前的稳态热分布.

4 模拟计算结果和讨论

选取一条穿过南海中央海盆的剖面建立数值模型(图 2,剖面AB),根据南海现在的状况,设定二维数值模型方向为近南北向,模型长度为1000km,厚度为150km,从上到下分为三层:①地壳(30km);②上地幔岩石圈(70km);③上地幔软流圈(50km).

在大陆张裂和海底扩张模型中,扩张速度是一个重要的参数.在实际的扩张过程中,扩张速度都是在随时间变化.南海的扩张许多学者进行了研究,总体上来说,南海是较慢速扩张,扩张速率在30~50km/Ma[7].李家彪等选取了两条剖面,研究了各时期的海底扩张速度[27],结果表明东部海盆的扩张速率在29.43~48.25km/Ma之间变化,扩张速率存在两个不同的阶段,在磁异常5d~6a(17.78~20.99 Ma)期间平均扩张速率为42.51km/Ma,在磁异常6a~6c(20.99~24.16Ma)期间,平均速率为31.05km/Ma,因此在磁异常6a(20.99 Ma)前后存在一次重要的海底扩张增速事件.根据以上的研究我们在模型中选取扩张速率为1.3×10-9 m·s-1.模型其他参数取值见表 1.

表 1 模型参数及取值[2224,28] Table 1 Definitions and values of model parameters[2224,28]

模拟计算包括三个时间段,第一阶段是大陆张裂到海底扩张(25.5 Ma以前),在此阶段大陆张裂发生,形成南海海盆,第二阶段是洋中脊跃迁到扩张停止(24~16 Ma),第三阶段是扩张停止以后(16 Ma以后).

图 7是第一阶段岩石圈在上升离散地幔流的作用下不同时期的温度结构,在这一期间,岩石圈拉张减薄、破裂,随后发生海底扩张;模拟结果显示,地幔流从岩石圈底部逐渐向上传播,来自软流圈的热物质上涌,岩石圈从中部开始减薄,并开始发生部分熔融,如图 7a所示;在图 7b中上升流的持续作用,岩浆熔融加剧,岩浆的部分熔融比例达到了15%,岩石圈破裂,海底扩张开始.图 7c显示了在上升流的作用下的海底扩张作用,在这个阶段岩浆熔融比例最高可达到30%.

图 7 第一阶段岩石圈扩张过程的温度结构和岩浆分布 Fig. 7 The lithospheric temperature structure and magma distribution at first phase of the expansion process

南海扩张在24~26 Ma期间发生了洋脊的跃迁,扩张脊从磁异常条带7 向南跃迁到磁异常6b,这意味着老的扩张脊停止活动,新的扩张脊产生.图8显示这个过程中岩石圈在上升离散地幔流的作用下的温度结构和岩浆分布.图 8a表示洋脊停止活动,岩石圈开始冷却,同时一个新的热点产生;图 8b显示新的洋脊产生,两个洋脊下的岩浆熔融区域形成一体.随着新的扩张脊的活动,老的洋脊进一步冷却,岩浆熔融量减小(比例减小到10%以下).

图 8 第二阶段岩石圈扩张过程的温度结构和岩浆分布 Fig. 8 The lithospheric temperature structure and magma distribution at second phase of the expansion process

图 9 表示扩张停止后岩石圈冷却过程的热演化,图 9a是扩张停止后1Ma的岩石圈的温度结构,模拟结果显示由于洋脊跃迁的独特机制,在扩张停止后,在新老洋脊之间有一个岩浆活动区存在,在5Ma后岩浆存留区逐渐缩小(图 9b9d).显然这种双扩张脊热结构和单扩张脊的热结构有明显的差别,单扩张脊的海盆的岩浆活动主要在洋中脊以下,在中脊两侧具有对称性,而在跃迁模型中在两个洋脊之间有大量的岩浆活动.海底热流分布也不相同,图 10是跃迁模型中计算的海底热流,结果显示在两个洋脊之间具有较高热流,而不是简单的关于洋脊的对称分布,这和前人研究结果[29]是一致的.施小斌等[29]的研究认为,南海东部海盆是南海热流最高的区域,平均热流值达到94mW/m2,从海域的热流分布图中也可以看出在海盆北部的热流要高于南部的热流.

图 9 扩张停止后岩石圈冷却过程的温度结构和岩浆分布 Fig. 9 The lithospheric temperature structure and magma distribution after the cessation of the expansion
图 10 模型计算的现今海盆的表面热流 Fig. 10 Surface heat flow of the central basin

图 11表示洋盆扩张停止后残留岩浆的变化规律,模拟结果显示在扩张停止后1 Ma,岩浆熔融比从30%以上迅速降到16%,在5 Ma时岩浆残留区域在30km 以下的地幔中,一直到15Ma,在东部海盆的洋中脊下还有少量的岩浆(2%)存在.

图 11 模型计算扩张停止后岩浆熔融量的变化 Fig. 11 After the cessation of expansion magma melt present at different times
5 结 论

本研究采用温度场、流场耦合模型模拟在大陆从拉张到破裂、海底扩张和扩张停止后多个地球动力学过程中岩石圈的温度场演化和在这些过程中岩浆的形成、演化和上涌过程,研究结果表明上升离散地幔流场模型和考虑岩浆熔融过程的热对流模型耦合可以很好地模拟研究岩石圈减薄、裂解并最终形成海底扩张和张裂大陆边缘等一系列过程.

在南海新生代海底扩张期(32~15.5 Ma),岩浆活动主要集中在扩张脊下方的部分熔融区域内,其中的岩浆向上运移进入岩浆房,在扩张脊喷出形成洋壳,所以在扩张脊以外的南海区域火山活动相对平静.而在扩张活动停止后扩张脊关闭,模拟结果显示在海盆扩张停止10 Ma以上,海盆下还有部分熔融的岩浆存在,南海海盆在这个时期内大量的火山活动与残存的岩浆有关.

南海扩张的一个重要的特征是在26~24 Ma有一次洋中脊跃迁,模型模拟研究结果表明在跳跃过程中,由于洋脊跃迁使得在两洋脊之间形成一个岩浆熔融区域,这个岩浆部分熔融区域的存在使洋脊之间海底火山分布也相对较多,造成南侧的洋脊两侧海山分布不对称的现象.

如前所述,在西北次海盆扩张脊和中央海盆扩张脊之间,也就是扩张脊32~26 Ma 跳跃过的区域,海底地形都相对要高,深部普遍在3~4km 左右;而在中央海盆扩张脊南部以及西南次海盆,海水深度较大,普遍在4km 以上,研究结果表明这一现象主要和洋脊跃迁有关,在两个洋脊之间大量的岩浆活动和海底热流值较高是这个区域海盆较浅的主要原因.

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