地球物理学报  2011, Vol. 54 Issue (12): 3079-3088   PDF    
渐进式扩张海盆亚丁湾与南海西南次海盆扩张演化特征的对比
张洁1,2, 李家彪1,2 , 李细兵1,2, 吴振利1,2     
1. 国家海洋局第二海洋研究所,杭州 310012;
2. 国家海洋局海底科学重点实验室,杭州 310012
摘要: 本文总结了渐进式扩张洋中脊和渐进式演化海盆的全球空间分布,并将西南次海盆与典型渐进式演化的亚丁湾加以比对,通过对海盆扩张中心的起源、扩张中心分段特征、火山活动、磁异常特征等的比较,为西南次海盆的演化提供新观点,为南海的演化观点寻找新证据.西南次海盆为渐进式扩张的海盆,与东部次海盆属于同一期扩张形成,海盆的渐进式扩张与渐进式扩张的方向很有可能受到地幔热柱(印支地幔柱、南海中部低速柱或海南地幔柱)的控制.南海的扩张演化模式并不是单一的,而是多种模式的综合,在考虑海底演化模式时应该同时考虑地幔柱的影响.
关键词: 渐进式张裂扩张      全球分布      亚丁湾      南海西南次海盆     
A comparison on tectonic evolution characteristics of ridge propagation between the Gulf of Aden and the Southwestern Sub-basin, South China Sea
ZHANG Jie1,2, LI Jia-Biao1,2, LI Xi-Bing1,2, WU Zhen-Li1,2     
1. Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012,China;
2. Laboratory of Submarine Geosciences, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012,China
Abstract: In this paper, we summarized the global spatial distribution of ridges and the sea basins which are formed by propagating rifting and spreading, and also gave a comparison between the Gulf of Aden and the Southwestern Sub-basin. Through the comparison of the origin and the characteristics of the spreading center, volcanic activities, magnetic anomalies and so on, we proposed a new view of the tectonic evolution of the Southwestern Sub-basin, and we also found new evidence for the tectonic evolution of the South China Sea. The Southwestern Sub-basin was formed by propagating rift and spreading at the same period with the Eastern Sub-basin. Propagating spreading and its orientation are possibly controlled by mushroom-shaped mantle plume, the Indo-Sinian or Hainan mantle plumes. We can not only take one evolution model into consideration when we discuss the formation of the South China Sea. On considering the seafloor spreading model, mantle plume interaction should also be put into it.
Key words: Propagating rifting and spreading      Global distribution      Gulf of Aden      Southwestern Sub-basin     
1 引 言

南海位于欧亚、印度-澳大利亚板块和太平洋板块的交会处,是新生代以来构造活动最为活跃和复杂的地区.西南次海盆是南海三个次级海盆之一,其形成年代最具争议,但扩张演化的特点明显,从盆地的形态、地形地貌、磁异常特征、地震剖面数据方面来看,具渐进式扩张海盆的特点.

近年来对于陆壳张裂和洋壳扩张的研究表明,并不是所有张裂和扩张都是沿着走向同时发生的[1].洋脊的渐进式扩张、海盆的渐进演化逐渐受到人们的关注,渐进式扩张代表了洋中脊和海盆的扩张中心并不是同时扩张的,而是向着某个方向的不断推进,并具有一定的推进速度,推进过程可能中间存在着停顿也可能是连续推进扩张的.对于这类型洋脊与盆地的研究主要运用重磁异常数据、多波束测深数据、卫星测高数据等.而且渐进式扩张洋中脊和渐进式演化海盆在空间上几乎遍布全球范围.

2 渐进式扩张洋脊和海盆的全球分布

Fumes等[2]提到渐进式张裂扩张是快速和中速扩张洋中脊及弧后扩张中心普遍的特征.从收集到的相关资料而言,除了在快速和中速扩张的洋中脊上发现渐进式扩张的洋脊段外(东太平洋海隆、中印度洋中脊和东南印度洋中脊),在慢速扩张脊如大西洋洋中脊同样也存在着渐进式扩张的历史,但目前却未在超慢速扩张洋脊找到渐进式张裂扩张的证据(西南印度洋脊、北冰洋脊).如图 1,大尺度上东太平洋海隆、大西洋中脊和印度洋脊都是渐进式张裂扩张的洋脊;小尺度上,只有部分洋脊段是渐进式张裂和扩张的,另外太平洋中的许多小海盆也都是渐进式张裂扩张的产物.从地理分布上看渐进式扩张形成的海盆主要分布于太平洋海域,而印度洋和南大洋只有零星分布.在经纬度分布上,渐进式扩张演化的盆地主要集中在20°S~30°N 中间,经度上集中在90°E~160°E.渐进式扩张的海盆一般分布在大陆边缘或岛弧附近.

图 1 渐进式扩张的洋盆和洋中脊的全球分布[315] JR-胡安·德·富卡洋脊,LB-劳盆地,PAR-太平洋-南极洋中脊,EPR东太平洋洋隆,CR-智力脊,GR-加拉帕戈斯脊,EMP-东部微板块,PB-Protector盆地,MAR-大西洋洋中脊,GA-亚丁湾,RS-红河,CBR-卡尔斯伯格脊,SEIR-东南印度洋脊,SWSB/SCS南海西南西海盆,SB-四国盆地,PVB-帕里维希拉海盆,WB-Woodlark盆地;黄色三角形代表洋中脊段,红色圆点代表的是渐进式扩张形成的海盆,底图来源于http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html. Fig. 1 The global distribution of the oceanic ridge segments and basins with a process of propagating rift and spreading[315] JR-Juan de Fuca Ridge,LB-Lau Basin, PAR-Pacific-Antarctic Ridge, EPR-East Pacific Rise, CR-Chile Ridge, GR-Galapagos Ridge,EMP-Easter Microplate,PB-ProtectorBasin,MAR-Mid-Atlantic Ridge, GA-GulfofAden,RS-RedSea,CBR-CarlsbergRidge,SEIR- Southeast IndianRidge,SWSB/SCS-Southwestem Sub Basin/SouthChina Sea,SB-Shikoku Basin,PVB-PareceVela Basin,WB-Woodlark Basin; Yellow triangles indicate segments of oceanic ridges, r^ed dots indicate basins formed by propagating ritt and spi^eading and the basemap came from http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.htmi.

太平洋海域中,渐进式扩张的洋脊呈链状沿东太平洋海隆分布,渐进式扩张形成的海盆围绕着太平洋西侧的俯冲带分布(图 1).太平洋东岸40°N~50°N 之间的胡安· 德· 富卡洋脊(Juan de Fuca Ridge)是一个向北渐进式推进扩张的洋脊[12],推进速率为44 mm/a[14].在20 世纪末,就发现2°S~20°N 和26°S~32°S的东太平洋海隆[1617]具有整体由南向北逐步推进扩张演化的历史,但被转换断层所错开的洋脊段各具不同渐进式的推进方向,26°S左右的东部微板块地区的渐进式推进速率为100~150mm/a[14].Acton等[8]推算得知26°S~32°S东太平洋海隆的推进速率为120 mm/a,尤其是1.9 Ma以来其推进速率达150mm/a.位于太平洋板块、南极洲板块和纳斯卡板块交会处的智利洋脊(34°S~46°S,75°W~98°W)也呈现出渐进式向北(推进速率为60mm/a)张裂扩张特征[10].这些现象都指示东太平洋海隆具有向北渐进式扩张的历史,南端先张裂,逐步向北张裂扩张,演化形成现今的太平洋.太平洋东岸(1°S~5°N,85°W~96°W)还存在着加拉帕戈斯海岭(Galapagos ridge),它具渐进式向西扩张的特点,并向西不断进入由东太平洋海隆扩张所形成的洋壳中,其推进速率为55.5~58.5mm/a[8].

在太平洋西岸,Huchon 等[1]认为南海西南次海盆的形成演化是向西南方向的渐进式张裂的过程.Okino等[4]研究得到位于菲律宾海板块的帕里维希拉海盆是一个由南向北渐进式张裂扩张形成的盆地,它与由北向南渐进式张裂的四国盆地一起形成了伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧后连通的盆地.根据Benes等[18],Taylor等[19]和Goodliffe等[20]对南太平洋Woodlark盆地的研究,发现Woodlark盆地经历了向西的渐进式扩张,在盆地内可同时观测到洋壳和陆壳的张裂扩张.Lau 盆地处于火山活动活跃的岛弧和火山活动不活跃的残留弧之间,根据地球物理调查发现在盆地内有两条扩张脊,而且都是北东方向向西南方向的渐进式张裂扩张的产物[3].

大西洋中,目前只在34°S~46°S,75°W~98°W冰岛的南部和30°S以南的区域证实大西洋洋中脊是渐进式扩张的洋脊,但洋脊段渐进式推进方向和速度各异.冰岛是大西洋洋中脊的一个延伸,在水下观测慢速扩张的洋脊的渐进式推进演化存在着很大的难度,所以LaFemina等[13]通过对冰岛的南部火山带的研究查明大西洋洋中脊北端的渐进式推进扩张的情况,洋脊的渐进式扩张的推进方向为西南向.30°S以南的区域洋脊段的推进方向以南北为主,推进速率为4~13 mm/a.渐进式扩张的海盆目前在大西洋中还未发现[8].

印度洋中,中印度洋中脊(卡尔斯伯格脊(Carlsberg Ridge)和亚丁湾)和东南印度洋中脊被证实是渐进式扩张的洋脊.西南印度洋脊为超慢速扩张的洋中脊,尚未发现渐进式扩张的证据.东南洋中脊渐进式扩张的推进方向为北西西和南东东向,但推进速率却存在着很大的差异,7~49 mm/a.在卡尔斯伯格脊和亚丁湾处存在着渐进式张裂扩张的海盆.

在36.6°S~65.1°S,173.2°W~101.7°W 渐进式张裂扩张的太平洋-南极洋脊,主要以南东东向推进为主,其推进速率为12~38mm/a[8].Protecter盆地是南大洋中标准V 型张裂扩张的小洋盆.盆地形成初期,其北部先张裂,随后逐步向南推进(推进速率为30mm/a,相当于平均半扩张速度),共持续了3.6 Ma,该过程将老的陆壳裂离成TerrorRise和PirieBank,同时形成了盆地三角的几何形状[6].

3 亚丁湾与西南次海盆扩张演化特征的比较 3.1 亚丁湾和西南次海盆具相似的扩张演化特征

亚丁湾和西南次海盆是新生代以来形成的边缘海盆[2122],在形成时代[2325]、海盆形态、地壳和岩石圈厚度[21]、构造背景(西南次海盆位于欧亚板块、印度-澳大利亚板块和太平洋板块的交会处,亚丁湾位于欧亚板块、印度-澳大利亚板块和非洲板块的交会处,都为构造应力相当复杂区[26])、构造演化过程(经历了裂谷期、地壳减薄期和海底扩张期)、沉积地层(拥有同裂谷沉积和裂后沉积两套层序)[27]、扩张中心特征(雁列式分段)等方面都具有共同特征,可能在成因上也相似,受板块运动的影响,同时扩张及其方向又受控于地幔柱活动[28].亚丁湾为典型的渐进式扩张演化的海盆,据现有的地球物理等数据,西南次海盆除了在以上特征与亚丁湾相似外,很可能西南次海盆也是渐进式扩张的产物,因为它也具有典型的渐进式扩张的特征.

3.1.1 与先存扩张脊相关的扩张中心

亚丁湾位于阿拉伯半岛和非洲索马里半岛之间,是印度洋西北处的一个海湾,西部渐窄,形成塔朱拉湾(Gulf of Tadjoura)[9].亚丁湾张裂扩张之前,阿拉伯板块和非洲板块是连在一起的,印度洋洋中脊与其相邻.现今的亚丁脊即为印度洋洋中脊向阿拉伯半岛和非洲索马里半岛的一个延伸.亚丁脊是与洋中脊延伸相关的扩张中心,而且亚丁湾直接与印度洋相邻,受印度洋板块运动的影响.

西南次海盆位于西太平洋地区,与太平洋板块之间有菲律宾海板块的相隔.从现今的构造位置而言,与亚丁湾存在很大的差异,海盆的扩张中心也很难与洋中脊联系到一起.根据Briais等[24]的海底扩张模型,西南次海盆在23.5 Ma(磁条带6c)开始扩张.而根据Hall[29](2002)对西南太平洋地区构造的重建(图 2)可知,太平洋的古洋脊在25 Ma左右已经在西太平洋地区俯冲潜没了,对西南次海盆的扩张中心的形成是否起到作用很难搞清,25 Ma时东部次海盆已经开始海底扩张,扩张脊清晰,但扩张演化速度快,盆地较小,所以很难判断是否为渐进式扩张的海盆.但从25 Ma和20 Ma南海构造重建的图中可知,西南次海盆的扩张中心是东部次海盆扩张脊的一个延伸,而且在开始扩张时,南海还是与太平洋直接相邻的,直接受到太平洋板块的影响.

图 2 南海地区构造重建(修改)[29] (a) 25Ma; (b) 20Ma.左上角阴影区为图件的构造位置. Fig. 2 The tectonic reconstruction map of the South China Sea (revised)[29]The shadow zone on the lett corner is the tectonic position of the map
3.1.2 扩张中心分段特征

亚丁湾的扩张中心被称为亚丁脊,全长1500km.根据洋脊的间断将亚丁脊从东向西分为三段(图 3):东部洋脊段(58°E~52°E),中央洋脊段(52°E~45°E)和西部洋脊段(45°E~43°E)[9].在Socotra和Shukra El sheike转换带之间,洋脊表现为转换断层错断的洋脊段.在这个区域以东和以西部分,洋脊较为连续.东部的Sheba洋脊,磁异常表明其扩张脊发生了弯曲,并经Socotra转化带突变为线性洋脊段的扩张,这代表了拉张和扩张向陆壳岩石圈传播.由较长的线性、连续洋脊段的扩张(Alula Fartak转换带)转变为被转换断层切割的错断性洋脊段的扩张,这表明了中央洋脊段的张裂推进至阿拉伯和索马里克拉通地块.西部洋脊段处的扩张脊又变得相对平滑,这可能跟Afar下的地幔柱有关[30].

图 3 亚丁湾的构造位置及磁异常分布情况[9,25] ①Owen转换断层;②Error-Sarbithat膝折带;③Socotra转换断层;④Alula Fartak转换断层;⑤Shukra-ElSheik不连续带. Fig. 3 The tectonic position and magnetic anomalies of the Gulf of Aden[9,25] ① Owen transform fault;② Error-Sarbithat kink zone;③ Socotra transform fault;④ AlulaFartak transform fault;⑤ Shukra-El Sheik discontinuity.

亚丁脊的东段是中印度洋洋中脊的一个延伸.东部洋脊段(58°E~52°E)的走向从Owen 转换带(洋脊偏移达到350km)[31]的NW-SE 方向转变为AlulaFartak转换带处(洋脊偏移达到180km)的E-W 方向,10~15km 宽[30].

中央洋脊段位于AlulaFartak转换带(52°E)和ShukraElsheike转换带(45°E)间,呈NWW 向,宽30km,西部较窄.具有活跃的火山活动[32].两侧的海底平原与东段一致,50~150km 宽.地壳厚度的变化范围15~3km.东部洋脊段和中央洋脊段都表现出洋壳的性质.洋脊的扩张方向由58°E 的N23°E向变为48°E 的N30°E.洋脊的扩张方向高角度斜交于洋脊轴的延伸方向.在扩张速率方面,从58°E,25mm/a减少到45°E,15mm/a[33].

西部洋脊段(45°E~43°E )的扩张方向为N37°E,高角度斜交于洋脊的总体走向.在43°E 处张裂一直延伸进入Afar,并向着热点(被地震学和地球化学方面的证据证实)方向推进.Hebert等[31]运用布格重力异常梯度和磁异常研究洋壳的地理分布,研究得出44°45′E 以东地区具洋壳特征.44°45′E~44°10′E为洋陆过渡壳的性质,44°10′E以西地区就呈现出陆壳的性质.在扩张轴走向方面,在44°E以东,为N90°E;以西为N70°E.扩张速率为12~13mm/a.在ShukraElsheike 转换带以西的洋脊被NWW 走向的海槽所代替[9].在43°15′E~43°55′E,轴裂谷的宽度为10~15km,水深最深为1650 m.43°55′E~45°40′E 轴裂谷的宽度为20km,水深为1000~1500m[32].根据地壳的性质将西部洋脊段分为三个区域,区域1为洋壳性质,区域2为洋陆过渡性质,区域3为大陆张裂.西部洋脊段的水深最深为1800m,在区域上轴裂谷向着Afar凹陷加深,一直到43°20′N 为止.在44°10′E 以西,陆壳厚度为15~17km[31],44°10′E 以东的过渡带和洋壳的厚度为6~7km.在44°E 以东无火山活动,而44°E 以西具有热点型的火山活动.

西南次海盆长730km 左右.根据扩张中心走向,错开情况大致可分为四段(图 4):a段(116°E~114.5°E),b 段(114.5°E~113°E),c 段(113°E~112°E)和d段(112°E~110°E).西南次海盆的扩张中心基本上为NE-SW向展布,但从a段到d段,扩张中心的走向仍有明显的变化.a,b 和c段扩张中心均被转换断层错开,与洋中脊处的特征相似,扩张中心没有弯曲的现象.d段[1]为光滑的线性张裂,扩张中心连续,没有平移断层的断开.

图 4 西南次海盆磁异常条和地震剖面图 Fig. 4 The map of the Southwestern Sub-basin with magnetic anomalies and seismic profiles

a段扩张中心的走向为N48°E,从25 Ma和20 Ma的构造重建图(图 2)中可知是东部次海盆扩张脊的一个延伸,地形地貌上为一凸起体,上附有较薄的沉积物(图 4),并有海山出露,具洋壳性质,表明海底扩张时期火山活动较为强烈.根据磁异常线,可以清楚地看出,海底扩张与海盆渐进式推进方向斜交.

b段扩张中心的走向为N41°E,北端是一个相对的凸起体,为火山活动的产物.南端虽然在地形上与北端没有差别,但在地震剖面图上,可以清楚地看到裂谷,有较厚的沉积物.扩张方向与海盆的推进方向斜交,具洋壳性质,水深为4000~4300m.

c段的扩张中心的走向为N44°E,呈裂谷型,有比a段、b段更厚的沉积物,而且推测底部沉积物具有较老的年龄,其下的地壳具洋壳性质,较b段水深增加(4300~4850m).

d段的走向为N45°E,具有海底扩张到大陆张裂的特点,张裂扩张方向与海盆渐进式推进方向斜交.水深向着海盆渐进式推进扩张的方向从4300m左右迅速变浅到2800m.扩张中心大致在9.2°N 以北具洋壳性质,洋壳厚度在6~8km 之间,无火山活动.9.1°N 以南具陆壳性质,地壳厚度在11~19km之间[1],比一般的陆壳要薄,说明此处正经历着大陆张裂的过程,并不断向着印支地块插入,这可能与印支地幔柱或是南海中部地幔低速柱有关,海南地幔柱可能在渐进式张裂扩张的早期阶段起过作用.由于地幔热柱(地幔物质的侧向流动)的存在为岩石圈提供了一个应力集中带或是岩石圈的一个区域薄弱带,使得张裂沿着特定的方向前进,向热点靠拢,在前人的文章中确实有提到南海附近有地幔热柱的存在并参与海盆的扩张演化[223437](海南地幔柱、印支地幔柱和南海中部地幔低速柱).

3.1.3 磁异常特征

根据磁异常条带,亚丁湾Owen转换带到Shukra El sheike转换带是现在正在活跃扩张的区域[25],张裂扩张由东向西逐渐推进,磁异常线向西也表现出年轻的特征.在扩张张裂的最前端为磁异常的空白区域,此处可能是新洋壳刚生成,磁异常较弱.东部扩张洋脊的两侧发现的最老的磁异常条带为5d,代表17.6Ma.这说明了洋脊的扩张至少发生在17.6 Ma.Leroy等[38]研究得到在磁异常5d~5c之间北侧的扩张速率为13mm/a,南侧为14mm/a.从磁异常5c到5之间,北侧的扩张速率(14 mm/a)远大于南侧(8mm/a).在磁异常条带5到现今扩张的情况发生了反转,南侧扩张明显快于北侧,洋壳的减薄速度是北侧快于南侧.在中央洋脊段磁异常条带不太清晰,但磁异常条带1~5 存在于部分洋脊段上.西部洋脊处最老的磁异常为5,洋脊的最西端为磁异常的空白带.

根据磁异常线(图 4),西南次海盆已经停止了海底扩张,目前所研究的扩张中心为古扩张脊.盆地边缘的磁异常线从北东方向向西南方向呈现出由老到新的趋势,在扩张中心的最前端还出现了磁异常的空白区域.如图 4,a段在22.8 Ma(磁异常条带6b)左右开始海底扩张,并不断向西南方向推进,21Ma(磁异常条带6a)海底扩张在b 段开始,同时扩张方向发生了变化,并不断向c段推进.c段的扩张速率在3.2cm/a左右[1],整个海盆停止扩张的时间在16.6 Ma(磁异常条带5c).d段为磁异常的空白区,但同样存在着海底扩张[24].根据Briais的模型[24]可知,西南次海盆的总平均半扩张速率为1.79 mm/a左右.

3.2 亚丁湾与西南次海盆不同的扩张演化特征 3.2.1 活跃期与停顿期的渐进式扩张海盆

亚丁湾和西南次海盆虽然在扩张中心的起源、扩张中心分段特征等方面具有很好的相似性,但也存在着不同之处.尤其是亚丁湾与西南次海盆扩张中心的磁异常条带所显示的海盆的扩张状态,亚丁湾扩张中心目前可以识别出的最年轻的磁异常条带为1,表明亚丁湾现在还向着Afar热柱方向不断地渐进式张裂扩张.而根据Briais等[24]在南海西南次海盆中识别出的最年轻的磁异常条带(5c)来看,西南次海盆已经停止扩张,目前正处于渐进式扩张的停顿期,是否有可能继续向西渐进式扩张还需要进一步研究才可以得到结论.那究竟是什么原因让西南次海盆目前处于渐进式扩张的停顿阶段,而亚丁湾处却处于活跃阶段.下面将从三个方面分析:

(1) 渐进式张裂扩张一般都是幕式进行的,包括连续的渐进式张裂扩张,也包括中间的停顿,这个停顿在不同扩张中心和同一个扩张中心中都存在着差异.当连续的渐进式张裂扩张遇到断裂或是一些先存的构造时就会导致推进的延迟或是停止[39].在西南次海盆周缘有南海西缘断裂带的存在,它是南海区域内一条重要的边界断裂带,它从北部湾的红河断裂开始,包括越东滨海断裂等一系列大致呈SN 向重要的断裂带,西南次海盆的推进前缘由于受到南海西缘大断裂的限制[40],很有可能使得海盆的渐进式张裂扩张停止.而在亚丁湾扩张的前缘并未有大型断裂的存在.

(2) 渐进式张裂扩张与其方向和海盆的扩张速度相关,当扩张速度相对于地壳作用力很小的时候,张裂根本不会发生[39].西南次海盆的平均半扩张速率为17.85mm/a,与世界大洋中脊相比总体属于慢速扩张海底.慢的扩张速度会对海盆的张裂扩张产生影响(抑制作用).

(3) 地幔柱或热点的影响是渐进式张裂进行以及推进的主要原因.亚丁湾的推进前方Afar地幔柱的存在,已经被大多数的学者承认.更有研究表明,Afar地幔柱是非洲超级地幔柱的一支,可见Afar地幔柱的影响范围和能量是惊人的,也很有可能是亚丁湾至今还处在渐进式张裂扩张活跃期的原因.虽然上文中也有提到南海附近可能存在地幔柱,但它与西南次海盆的形成演化一样存在争议性,它们的能量以及影响范围也远不如Afar地幔柱在时间上长久、在空间上广阔.

3.2.2 海盆两侧不同洋陆过渡带的特征

亚丁湾和西南次海盆两侧过渡带地壳结构也有所不同.根据Leroy等[38]亚丁湾两侧为共轭大陆边缘,裂后沉积覆盖较薄.东部亚丁脊北侧从洋壳经过洋陆过渡带时自由空间异常呈现出一个负的梯度,被称为是边缘效应,这种效应的产生被解释为厚的大陆地壳和薄的大洋地壳并存的结果.其南侧具有和北侧一样的自由空间重力异常特征.可见亚丁湾两侧洋壳与陆壳的过渡是突兀的,陆壳的减薄也是有限的.

西南次海盆洋陆过渡带的地壳厚度的变化较为连续,与洋壳相连的陆壳减薄较为严重.推测是在东部海盆渐进式扩张时期,虽然张裂扩张还没有传到西南次海盆地区,但是扩张的作用力却使得西南次海盆出现了地壳的减薄.西南次海盆后期的渐进式张裂扩张都是在减薄的陆壳上进行的.

4 结论与讨论 4.1 结 论 4.1.1 渐进式扩张中心的分类

根据渐进式扩张中心现今所处的位置可以将其分为三类:

(1) 渐进式扩张演化的大洋中脊(胡安·德·富卡洋脊、东太平洋海隆、智利洋脊、加拉帕戈斯海岭、中印度洋洋脊、东南印度洋洋脊、大西洋洋脊等);

(2) 具三角型或类三角形几何外貌的渐进式张裂扩张的盆地(Woodlark海盆、南海西南次海盆、亚丁湾、Lau盆地等);

(3) 陆内渐进式张裂:如Kenya 裂谷系统、Wheelerridge(加利福尼亚).

根据渐进式扩张洋脊、海盆的外貌特征,将其分为两类:

(1) 具典型的三角形外貌的扩张中心(Woodlark海盆、南海西南次海盆、亚丁湾、Lau盆地、加拉帕戈斯海岭等);

(2) 非三角形型扩张中心(四国盆地、帕里西维拉海盆、中印度洋洋脊、东南印度洋洋脊、大西洋洋脊等),这类扩张中心在分裂、扩张的初始阶段为三角形型,后与其他渐进式扩张中心共同作用,破坏了原来的盆地外貌.

4.1.2 渐进式扩张洋脊和海盆的地理分布特征

大尺度上东太平洋洋隆、大西洋中脊和印度洋洋脊都是渐进式扩张的洋脊.小尺度上,只有部分洋脊段是渐进式扩张的,另外太平洋中的许多小洋盆也都是渐进式张裂扩张的产物.从地理分布而言渐进式扩张形成的盆地主要分布于太平洋海域,而印度洋和南大洋只有零星分布.从经纬度上分析,渐进式扩张演化的盆地主要集中在20°S~30°N 中间,经度上集中在90°E~160°E.渐进式扩张的海盆都呈现出靠近大陆或岛弧的特点.

4.1.3 亚丁湾与西南次海盆的异同

亚丁脊为不连续,扩张方向,轴向不断发生变化,为裂谷型的扩张脊.从张裂初始部位到张裂的前缘,水深不断变浅.沿着亚丁脊地壳厚度从东向西依次减薄,这表明了张裂和扩张演化过程的间断性,东部扩张时期较早,陆壳早已被拉张减薄,洋壳已形成,而西部地区后期的张裂,尚处于陆壳的张裂阶段,或是洋壳刚刚增生形成[41].

西南次海盆的扩张中心分段,不连续,扩张方向发生变化.扩张中心的形态从东北段的中央凸起到西南段的裂谷.a,b和c段扩张脊均为洋壳型,d段扩张脊从洋壳逐渐过渡为陆壳,地壳厚度一般在11~19km 左右,代表了大陆的逐步分裂,尚未达到海底扩张.

亚丁湾与西南次海盆的扩张中心都是先存扩张脊的延伸,只是在形成演化过程中亚丁湾始终与开阔的大洋相连,始终处于被动大陆边缘,而西南次海盆的情况复杂.两海盆的扩张中心都发生跳跃,分段,走向发生变化.盆地为三角形型盆地,三角形的锐角方向为扩张中心的推进方向,磁异常条带由大到小,张裂前缘一般都是地壳较厚的部位.亚丁湾和西南次海盆在张裂扩张初始和中间阶段火山活动活跃,如亚丁脊的中段和西南次海盆的a,b段.在扩张前缘部位,对应洋壳向陆壳过渡的海盆区域,存在着火山活动的平静期,如亚丁脊的西段和西南次海盆的c,d段.

4.2 讨 论

近年来渐进式扩张的研究取得了很多进展,但是还存在一些未解的问题,比如,究竟是什么原因推动洋脊的渐进式张裂扩张,是什么原因导致沿扩张中心的火山活动存在着较大的差异,地形地貌上存在差异.在亚丁湾处,众多学者认为可能是由于Afar下面的热点的作用才使得扩张中心呈现出逐步推进的这么一个过程,火山活动和地形地貌上的差异很有可能是由于扩张速度的变化所引起的[14].

亚丁湾处的Afar地幔柱位于Afar凹陷下,形成于30 Ma[42],并对大部分非洲地区造成了影响,产生了约有350000km3 的玄武岩和流纹岩[43].Benoit等[44](2006)通过P波波速的变换研究得到,Afar地幔柱深部与非洲超级地幔柱相连,地幔柱柱尾直径为100~200km 之间,温度比周围地幔高出200K.柱头在上升到岩石圈前直径就已经800~1000km,之后呈放射状散开,半径达1000~2000km,但地幔柱物质的厚度减薄(100~200km).随深度的加深Afar地幔柱的中部向西发生的偏移,并不是垂直上涌,深部被认为与非洲超级地幔柱相连.整体而言Afar 地幔柱深度大于400km,宽度大于500km.近几年在南海区的研究也同样发现有地幔热柱的存在.如蔡学林等[37](2010)提出的南海中部的地幔低速柱(中心大体在南海中部6°N~16°N,110°E~116°E 的区域),复蘑菇状柱头东西宽1800~2500km,南北宽2500~2800km.平面上呈椭圆形,近南北向延伸,地幔低速柱垂直上涌的速度很快.2000km 以下为柱尾,南海复蘑菇状地幔柱的柱尾与一般地幔柱尾上部呈喇叭形相似,在2400km 附近柱尾有加大趋势,但到2700km 深处减小至逐渐消失,基本停止上升活动.曾维军等[36](1997)同样也提出在南海西南部有地幔热柱的存在,印支地幔柱,位于印支中南部,构造活动始于中中新世晚期,更新世达到高潮,对岩石圈的冲击主要集中在印支中南部,底界大于500km.

西南次海盆和亚丁湾在很多扩张特点上存在一致性,所以可以将亚丁湾的一些结论运用到西南次海盆的扩张演化并得到一部分推论:与西南次海盆紧密相连的东部次海盆是渐进式扩张形成的,在扩张初期受到南海和印支地幔柱的影响(主要受印支地幔柱的控制),使得张裂扩张向着西南方向推进,在23 Ma左右扩张中心传入西南次海盆,继续向西南方向推进,东部次海盆与西南次海盆属于同一期形成的海盆,这个结论在前人的研究中也同样得到[24].

综上所述西南次海盆是渐进式形成的海盆,由于这方面的研究刚刚开始,还存在一些问题难以解决,是未来我国海洋工作者开展研究的重要方向.南海已经积累了大量地质、地球物理和地球化学数据,正在开展的南海大陆边缘动力学973项目和南海深部研究计划将进一步提升南海构造演化认识水平,这些都为在南海开展相关研究奠定了良好的基础,并在将来推动这一科学问题深化和发展.

参考文献
[1] Huchon P, Hguyen T N H, Chamot-Rooke N. Propagation of continental break-up in the southwestern South China Sea. Geological Society , 2001, 187(1): 31-50. DOI:10.1144/GSL.SP.2001.187.01.03
[2] Fumes H, Dilek Y, Skjerlie K P, et al. Variations in basaltic geochemistry along a propagating rift of the late Ordovician marginal basin of the West Norwegian Caledonides. Terra Nova , 1998, 10(1): 21-26. DOI:10.1046/j.1365-3121.1998.00163.x
[3] Daessle L W, Cronan D S, Marchig V, et al. Hydrothermal sedimentation adjacent to the propagating Valu Fa Ridge, Lau Basin, SW Pacific. Marine Geology , 2000, 162(2-4): 479-500. DOI:10.1016/S0025-3227(99)00065-1
[4] Okino K, Kasuga S, Ohara Y. A new scenario of the Parece Vela Basin genesis. Marine Geophysical Researches , 1998, 20(1): 21-40. DOI:10.1023/A:1004377422118
[5] Taylor B, Zellmer K, Martinez F, et al. Sea-floor spreading in the Lau back-arc basin. Earth and Planetary Science Letters , 1996, 144(1-2): 35-40. DOI:10.1016/0012-821X(96)00148-3
[6] Galindo-Zaldívar J, Bohoyo F, Maldonado A, et al. Propagating rift during the opening of a small oceanic basin: The Protector Basin (Scotia Arc, Antarctica). Earth and Planetary Science Letters , 2006, 241(3-4): 398-412. DOI:10.1016/j.epsl.2005.11.056
[7] Morgan J P, Parmentier E M. Causes and rate-limiting mechanisms of ridge propagation: a fracture mechanics model. Journal of Geophysical Research , 1985, 90(B10): 8603-8612. DOI:10.1029/JB090iB10p08603
[8] Acton G, Stein S, Engeln J F. Formation of curved seafloor fabric by changes in rift propagation velocity and spreading rate—Application to the 95.5 deg W Galapagos propagator. Journal of Geophysical Research , 1988, 93(B10): 11845-11861. DOI:10.1029/JB093iB10p11845
[9] Manighetti I, Tapponnier P, Courtillot V, et al. Propagation of rifting along the Arabia-Somalia plate boundary: The Gulfs of Aden and Tadjoura. Journal of Geophysical Research , 1997, 102(B2): 2681-2710. DOI:10.1029/96JB01185
[10] Tebbens S F, Cande S C, Kovac L, et al. The Chile ridge: A tectonic framework. Journal of Geophysical Research , 1997, 102(B6): 12035-12059. DOI:10.1029/96JB02581
[11] Dyment J. Evolution of the Carlsberg Ridge between 60 and 45 Ma: Ridge propagation, spreading asymmetry, and the Deccan-Reunion hotspot. Journal of Geophysical Research , 1998, 103(B10): 24067-24084. DOI:10.1029/98JB01759
[12] Wilson D S. Tectonic history of the Juan de Fuca Ridge over the last 40 million years. Journal of Geophysical Research , 1988, 93(B10): 11863-11876. DOI:10.1029/JB093iB10p11863
[13] LaFemina P C, Dixon T H, Malservisi R, et al. Geodetic GPS measurements in south Iceland: Strain accumulation and partitioning in a propagating ridge system. Journal of Geophysical Research , 2005, 110(B11405): 1-21.
[14] Morgan J P, Sandwell D T. Systematics of ridge propagation south of 30°S. Earth and Planetary Science Letters , 1994, 121(1-2): 245-258. DOI:10.1016/0012-821X(94)90043-4
[15] 丁巍伟, 陈汉林, 杨树峰, 等. 南海西南次海盆与东部次海盆地质与地球物理分析. 高校地质学报 , 2002, 8(3): 268–279. Ding W W, Chen H L, Yang S F, et al. Geological and geophysical analysis of the southwestern and Eastern Sub-Basins, South China Sea. Geological Journals of China Universities (in Chinese) , 2002, 8(3): 268-279.
[16] Luhr J F, Nelson S A, Allan J F, et al. Active rifting in southwestern Mexico: Manifestations of an incipient eastward spreading-ridge jump. Geology , 1985, 13(1): 54-57. DOI:10.1130/0091-7613(1985)13<54:ARISMM>2.0.CO;2
[17] Korenaga J, Hey R N. Recent dueling propagation history at the fastest spreading center, the East Pacific Rise, 26°~32°S. Journal of Geophysical Research , 1996, 101(B8): 18023-18041. DOI:10.1029/96JB00176
[18] Benes V, Scott S D, Binns R A. Tectonics of rift propagation into a continental margin: Western Woodlark Basin, Papua New Guinea. Journal of Geophysical Research , 1994, 99(B3): 4439-4455. DOI:10.1029/93JB02878
[19] Taylor B, Goodliffe A M, Martinez F. How continents break up: Insights from Papua New Guinea. Journal of Geophysical Research , 1999, 104(B4): 7497-7512. DOI:10.1029/1998JB900115
[20] Goodliffe A M, Taylor B, Martinez F, et al. Synchronous reorientation of the Woodlark Basin Spreading Center. Earth and Planetary Science Letters , 1997, 146(1-2): 233-242. DOI:10.1016/S0012-821X(96)00227-0
[21] 朱介寿, 曹家敏, 蔡学林, 等. 欧亚大陆及西太平洋边缘海岩石圈结构. 地球科学进展 , 2004, 19(3): 387–392. Zhu J S, Cao J M, Cai X L, et al. The structure of lithosphere in Eurasia and west Pacific. Advance in Earth Sciences (in Chinese) , 2004, 19(3): 387-392.
[22] 谢建华, 夏斌, 张宴华, 等. 南海形成演化探究. 海洋科学进展 , 2005, 23(2): 212–217. Xie J H, Xia B, Zhang Y H, et al. Study on formation and evolution of the South China Sea. Advances in Marine Science (in Chinese) , 2005, 23(2): 212-217.
[23] Leroy S, d'Acremont E, Tiberi C, et al. Recent off-axis volcanism in the eastern Gulf of Aden: Implications for plume-ridge interaction. Earth and Planetary Science Letters , 2010, 293(1-2): 140-153. DOI:10.1016/j.epsl.2010.02.036
[24] Briais A, Patriat P, Tapponnier P. Updated interpretation of magnetic anomalies and seafloor spreading stages in the south china sea: implications for the tertiary tectonics of southeast asia. Journal of Geophysical Research , 1993, 98(B4): 6299-6328. DOI:10.1029/92JB02280
[25] Huchon P, Khanbari K. Rotation of the syn-rift stress field of the northern Gulf of Aden margin, Yemen. Tectonophysics , 2003, 364(3-4): 147-166. DOI:10.1016/S0040-1951(03)00056-8
[26] 郝晓光, 方剑, 柳林涛, 等. 基于新编《系列世界地图》的全球板块分布图. 地球物理学进展 , 2006, 21(4): 1108–1112. Hao X G, Fang J, Liu L T, et al. Global plate map based on new series world map. Progress in Geophysics (in Chinese) , 2006, 21(4): 1108-1112.
[27] Fantozzi P L. Transition from continental to oceanic rifting in the Gulf of Aden: structural evidence from field mapping in Somalia and Yemen. Tectonophysics , 1996, 259(4): 285-311. DOI:10.1016/0040-1951(95)00208-1
[28] Bosworth W, Huchon P, McClay K. The Red Sea and Gulf of Aden basins. Journal of African Earth Sciences , 2005, 43(1-3): 334-378. DOI:10.1016/j.jafrearsci.2005.07.020
[29] Hall R. Cenozoic geological and plate tectonic evolution of SE Asia and the SW Pacific: computer-based reconstructions, model and animations. Journal of Asian Earth Sciences , 2002, 20(4): 353-431. DOI:10.1016/S1367-9120(01)00069-4
[30] Hubert-Ferrari A, King G, Manighetti I, et al. Long-term elasticity in the continental lithosphere; modelling the Aden Ridge propagation and the Anatolian extrusion process. Geophysical Journal International , 2003, 153(1): 111-132. DOI:10.1046/j.1365-246X.2003.01872.x
[31] Hébert H, Deplus C, Huchon P, et al. Lithospheric structure of a nascent spreading ridge inferred from gravity data: The western Gulf of Aden. Journal of Geophysical Research , 2001, 106(B11): 26345-26363. DOI:10.1029/2000JB900391
[32] Dauteuil O, Huchon P, Quemeneur F, et al. Propagation of an oblique spreading centre: the western Gulf of Aden. Tectonophysics , 2001, 332(4): 423-442. DOI:10.1016/S0040-1951(00)00295-X
[33] Manighetti I, Tapponnier P, Gillot P Y, et al. Propagation of rifting along the Arabia-Somalia plate boundary: Into Afar. Journal of Geophysical Research , 1998, 103(B3): 4947-4974. DOI:10.1029/97JB02758
[34] 孙珍, 钟志洪, 周蒂, 等. 南海的发育机制研究: 相似模拟证据. 中国科学(D辑): 地球科学 , 2006, 36(9): 797–810. Sun Z, Zhong Z H, Zhou D, et al. Research on the dynamics of the South China sea opening: Evidence from analogue modeling. Science in China (Series D) (in Chinese) , 2006, 36(9): 797-810.
[35] 鄢全树, 石学法. 海南地幔柱与南海形成演化. 高校地质学报 , 2007, 13(2): 311–322. Yan Q S, Shi X F. Hainan mantle plume and the formation and evolution of the South China Sea. Geological Journals of China Universities (in Chinese) , 2007, 13(2): 311-322.
[36] 曾维军, 李振五, 吴能友, 等. 南海区域的上地幔活动特征及印支地幔柱. 南海地质研究(九) , 1997(9): 1–19. Zeng W J, Li Z W, Wu N Y, et al. The upper mantle activation in South China Sea and the Indosinian Mantle Plume. Geological Research of South China Sea (Member 9) (in Chinese) , 1997(9): 1-19.
[37] 蔡学林, 朱介寿, 程先琼, 等. 南海复蘑菇状地幔低速柱结构及其地幔动力学. 中国地质 , 2010, 37(2): 268–279. Cai X L, Zhu J S, Cheng X Q, et al. The structure of the composite mushroom-shaped mantle plume in the South China Sea and its mantle dynamics. Geology in China (in Chinese) , 2010, 37(2): 268-279.
[38] Leroy S, Gente P, Fournier M, et al. From rifting to spreading in the eastern Gulf of Aden: a geophysical survey of a young oceanic basin from margin to margin. Terra Nova , 2004, 16(4): 185-192. DOI:10.1111/ter.2004.16.issue-4
[39] Van Wijk J W, Blackman D K. Dynamics of continental rift propagation: the end-member modes. Earth and Planetary Science Letters , 2005, 229(3-4): 247-258. DOI:10.1016/j.epsl.2004.10.039
[40] 李家彪. 中国边缘海形成演化与资源效应. 北京: 海洋出版社, 2008 . Li J B. Evolution of China's Marginal Seas and Its Effect of Natural Resources (in Chinese). Beijing: Ocean Press, 2008 .
[41] Loevenbruck A, Cattin R, Pichon X L, et al. Coseismic slip resolution and post-seismic relaxation time of the 1999 Chi-Chi, Taiwan, earthquake as constrained by geological observations, geodetic measurements and seismicity. Geophysical Journal International , 2004, 158(1): 310-326. DOI:10.1111/gji.2004.158.issue-1
[42] Yirgu G, Ebinger C J, Maguire P K H. The Afar volcanic province within the East African Rift System. Geological Society. London, Special Publications, 2006
[43] Baker J, Chazot G, Menzies M, et al. Metasomatism of the shallow mantle beneath Yemen by the Afar plume—Implications for mantle plumes, flood volcanism, and intraplate volcanism. Geology , 1998, 26(5): 431-434. DOI:10.1130/0091-7613(1998)026<0431:MOTSMB>2.3.CO;2
[44] Benoit M H, Nyblade A A, Van Decar J C. Upper mantle P-wave speed variations beneath Ethiopia and the origin of the Afar hotspot. Geology , 2006, 34(5): 329-332. DOI:10.1130/G22281.1