2011, Vol. 54
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
南中国海位于欧亚、印度-澳大利亚、太平洋-菲律宾海三大板块交会处.新生代时期印度板块和欧亚板块的碰撞、太平洋板块的西向俯冲以及澳大利亚板块的北向运动都对这一地区的构造演化有着深刻的影响.自晚白垩世开始南海北部陆缘发生大规模拉伸张裂，在渐新世-中中新世期间由于海底扩张形成了南海海盆.南海及周边的陆缘地区蕴藏着丰富的油气资源.关于南海地区的构造演化历史和地壳上地幔结构已开展了大量的研究工作[1～8].
利用面波资料研究海域的上地幔速度结构具有一定的优势，因为面波的水平传播路径可以克服海域布设地震台的困难，但同时也存在着分辨率低的弱点.迄今为止全球尺度的面波层析成像结果，由于分辨率太低，对于研究南海区域的问题没有太大用处.针对南海地区的区域尺度的面波层析成像研究[9～17]主要是由中国学者做的.但是由于海域的研究存在较多资料和方法等方面的困难，目前的结果还存在较大的分歧和疑问，有待于今后开展进一步更细致的工作.本文介绍我们面波层析成像在南海和周边区域(图 1)的结果.
|
图 1 研究区域及主要构造单元划分 Fig. 1 The study region and division of major tectonic blocks |
本文所述的面波层析成像工作覆盖了东亚的广大地区(23°S～65°N，50°E～165°E)，收集了该区域内截止于2007年底的地震记录.用基于多重滤波技术[18]的时频分析方法在10～184s周期范围内提取每条路径的基阶瑞利波频散曲线.在初步反演后剔除残差过大的路径再作最后反演.我们的层析成像工作采用传统的两步法，第一步通过二维网格反演确定每个结点的纯路径频散曲线，第二步再反演每个结点下方的S波速度结构.整个反演区域采用可变尺度网格进行离散，在路径覆盖较好的区域(包括南海)网格大小为1°×1°.结点间速度采用双线性内插，结点速度(即反演待定参数)表示为V=V0 +Acos(2α)+Bsin(2α)[19]，其中V0 是平均速度，α是瑞利波传播方位角，A和B是表征方位各向异性的两个参数.二维网格反演采用Occam 方法[20～22]，同时反演瑞利波的速度及方位各向异性.本文只介绍各向同性的速度结构.
图 2给出周期39.8s和125.8s时的面波路径覆盖情况.周期为39.8s时穿过本文研究区域的路径数最多，达7275条.周期减小或增大时路径数都减少，10s周期路径数为5670，184.7s周期的路径数最少，为3118条.利用棋盘模型对反演的分辨能力作了试验.理论模型为速度高低相间的棋盘状速度模型，通过正演计算得到每条路径的理论走时，然后随机叠加一个介于正负0.04km/s的速度误差.利用与实际资料反演相同的参数进行反演，考察输出结果与理论模型的符合程度.图 2 中显示周期39.8s，3°×3°棋盘格模型和周期125.8s，4°×4°棋盘格模型的结果.可以看出原始速度模型得到了较好恢复.综合实际资料的反演结果来判断,我们认为反演的分辨率大约是300~400km.
|
图 2 研究区内面波路径覆盖情况和棋盘试验结果 (a) 周期39.8s,7275条路径；(b) 周期125.8s,4604条路径；(c) 周期39.8s,3°×3°模型；(d) 周期125.8s,4°×4°模型. Fig. 2 Path coverage in the study region and checkerboard test output (a) Period 39.8s,7275 paths;(b) Period 125.8s,4604 paths;(c) Period 39.8s,3°×3°model;(d) Period 125.8s,4°×4°model. |
我们通过三张水平切割的S波速度图像来讨论研究区内各个构造单元速度结构的主要特点.由于反演中采用了分层的速度结构模型，而层厚和速度间存在折衷(trade-off)，我们尽量采用一个深度范围内的平均速度进行讨论，以减少初始模型分层任意性的影响.
3.1.1 75km 深度速度图像图 3 显示75km 深度的S 波速度分布(70～80km深度范围内的平均速度).这一图像大体上反映了研究区内岩石圈厚度分别小于75km 和大于75km 的区域的展布情况，红色区域表示这一深度已进入低速的软流圈，而蓝色区域表示仍在高速的岩石圈内.当然有一些例外，如区域最左上角的红色反映的是川滇西部地区上地幔顶部的一条低速通道.从图中可以看到，华南大陆和印支地块的岩石圈较厚，而其间红河断裂带附近软流圈上升，岩石圈厚度小于75km.整个南海海域(包括海盆和陆缘地区)岩石圈厚度都小于75km，但是西菲律宾海盆的岩石圈则超过75km.西菲律宾海和南海都是新生代海盆，前者形成于始新世-早渐新世[23]，岩石圈已充分冷却加厚，而后者至中中新世才停止扩张，因而具有年轻海盆的特点.
|
图 3 深度75kmS波速度图像 Fig. 3 Shear wave velocity distribution at depth 75km |
图 4给出30～70km 深度范围内的平均速度分布.图左上角的红色区域是青藏高原东缘，由于该处的地壳厚度远大于30km，因此这个低速区主要是由于地壳速度小于地幔速度造成的.在图中的其他区域，这一速度分布可以代表上地幔盖层速度的横向不均匀状况.由于是在一个比较大的深度范围内算出的平均速度，反演中初始模型的设置、反演结果的不唯一性等因素对结果没有影响，因此可以认为是比较可靠地反映了盖层速度分布的主要特征.如图所示，各高低速块体的位置和形状与已知的构造块体划分基本相符.
|
图 4 30～70km 深度范围平均S波速度图像 Fig. 4 Average shear wave velocity in depth range 30～70km |
沿着琉球群岛和冲绳海槽、台湾、巴士海峡、菲律宾群岛是一个线性的低速条带.沿着这一岛链，菲律宾海板块下插到东海之下，在台湾发生碰撞，南海板块向东俯冲，而菲律宾海板块向西俯冲.在俯冲板片的上方地幔热物质上升，引起火山、弧后扩张等现象，因而上地幔顶部和地壳都会呈现显着的低速现象.在加里曼丹和苏禄海、苏拉威西和班达海出现两块大规模的低速区域，可能与新生代以来在这些地区发生过的和现今仍在进行的众多俯冲、碰撞、缝合过程有关.
南海海盆是一个高速区，而它北、西、南三面的陆缘地区是相对低速的区域.这反映了南海海盆在中中新世停止扩张后岩石圈已基本冷却的情况，但是和西菲律宾海盆相比，岩石圈速度要低一些，符合南海海盆比较年轻的事实.
3.1.3 70～150km 深度范围内的平均速度图像图 5是70～150km 深度范围内的平均速度图像.华南大陆和印支地块的高速是由于岩石圈厚度超过70km 引起的，而岛弧地带的高速则与俯冲深入上地幔的岩石圈板片有关.结合图 4 反映的上地幔顶部的速度图像，我们认为以下几点现象值得注意，可能对于区域构造演化研究具有参考意义.
|
图 5 70～150km 深度范围平均S波速度图像 Fig. 5 Average shear wave velocity in epth range 70～150km |
(1) 在红河断裂带附近，特别是断裂带的西南侧，从上地幔顶部开始到地幔深部都表现出低速特征，说明红河断裂带是切穿整个岩石圈的断裂，在印度-欧亚板块碰撞和印支地块挤出的过程中，断裂带附近岩石圈受到严重变形和破坏，而且可能伴随深部地幔物质的上升，从而造成这种低速现象.
(2) 与南海海盆相比，海盆周边的陆缘地区始终表现为相对低速.海盆扩张是新生代一段时期内的现象，自中中新世停止扩张后，海盆岩石圈开始冷却，地幔热活动减弱.但在周边的陆缘地区，从晚白垩世就开始岩石圈伸展张裂等活动，有些至今仍是构造活动的地区；岩石圈经历了变形、拆沉、部分融熔、岩浆入侵等过程，造成其速度既低于稳定的大陆，也低于已停止扩张的海盆.
(3) 在南海海盆中，大致以114°E ～115°E 为界，东部速度要大于西部的速度，对于岩石圈盖层(图 4)和软流圈(图 5)都是如此.这一现象比较符合西南次海盆形成晚于东部海盆的观点[24]，但并不是有力的证据，在后文中还要作一些讨论.
3.2 垂直速度剖面为了更清晰地了解研究区域的三维速度结构，图 6和图 7分别给出一些沿经度和纬度方向的垂直速度剖面，并对区内各个构造单元的速度结构特征描述如下.
|
图 6 沿105°E、108°E、111°E、114°E、117°E、120°E(自上而下)的S波速度剖面 Fig. 6 Shear wave velocity profiles along longitude |
|
图 7 沿21°N、18°N、15°N、12°N、9°N(自上而下)的S波速度剖面 Fig. 7 Shear wave velocity profiles along latitude |
(1) 扬子地块具有稳定的地台特征，岩石圈厚180km，而且具有较高的速度(见图 6 的105°E、108°E、111°E 剖面).
(2) 华南褶皱带介于稳定的扬子地块和活动的南海北缘陆架之间，岩石圈厚度80～150km，从北向南迅速变薄，110°E 以西的岩石圈厚度小于以东地区的岩石圈厚度(图 6).
(3) 红河断裂带分隔印支和华南地块，岩石圈底界上隆，厚度约70km(图 6中105°E 剖面).
(4) 印支地块岩石圈厚度大致在80～100km范围，软流圈低速不很显着.与稳定的扬子地块相比，印支地块呈现出活动陆块的结构特征.但是与它东面的南海区域和西面及南面的俯冲带弧后地区比较，又表现出一个相对稳定的陆块性质.
(5) 南海海盆岩石圈厚度为60～70km(图 6中114°E、117°E 剖面，图 7中18°N、15°N、12°N 剖面)，整个海盆中岩石圈底界比较平坦，岩石圈厚度变化不大.在结果的剖面图中仔细辨析，可看出西南次海盆厚度为65～70km，稍大于东部(中央)海盆的60～65km.但是由于面波分辨能力的限制，这种差异并没有实质上的意义.从图 6和图 7可以看出，与周围的陆架陆坡地区相比，南海海盆下方的软流圈低速不很显着，没有热物质上升的迹象.这些现象符合南海海盆在中中新世后停止扩张，岩石圈趋于冷却，上地幔热活动趋于消失的特点.
南海海盆大致以114°E ～115°E 为界分为西南次海盆和中央(东部)海盆，二者在形成机制和年代上存在差异；磁异常条带走向在中央海盆是EW 向而在西南海盆是NE 向.面波成像结果显示二者的岩石圈厚度基本是一样的，但是速度确实存在差别，西部的岩石圈和软流圈速度明显低于东部(图 4～5).这一现象似乎与西南海盆形成年龄较早的观点有矛盾，但是速度结构不但与岩石圈年龄有关，而且与其形成机制、现今所处的构造环境等诸多因素有关.因此成像结果证实了西南和东部海盆存在差异，但无法给出成因上的确切解释.关于海盆形成的年代，必需依靠地质、地磁和地球化学等方面的证据.
(6) 西菲律宾海盆岩石圈厚度约为100km，与南海海盆相比，岩石圈厚度大，速度高，而软流圈的规模明显小.西菲律宾海盆的形成年代是始新世-早渐新世，南海中央海盆是在渐新世-中中新世通过海底扩张形成的.二者的岩石圈结构差异可以用形成年代差异解释.西南次海盆如果是在始新世通过海底扩张形成，其岩石圈厚度显然偏小，需要进一步的解释.
西菲律宾海和南海之间是漫长曲折的岛弧带，南海板块沿马尼拉海沟向东俯冲，而菲律宾海板块沿菲律宾海沟向西俯冲.我们得到的速度结构图像大体上反映了岛弧和俯冲带的结构特征.首先，在俯冲板片上方由于热地幔物质的上升，岩石圈都表现出显着的低速.从图 4 可以看出，沿琉球、台湾到菲律宾，存在一条显着的低速带.此外，在体波层析成像中往往能给出下插到地幔深部的板片形迹，面波层析成像则不具备这样的分辨能力.但是在垂直速度剖面中(如图 6的120°E剖面，图 7的18°N 和15°N剖面)，一般都能看到俯冲板片引起的高速现象.
(7) 南海北缘陆坡陆架区岩石圈结构最显着的特征是从海盆向陆地方向岩石圈厚度迅速增大(图6)，岩石圈厚度范围60～100km.沿东西方向南海北部陆缘的速度结构也有明显变化(图 7中21°N 剖面).北部湾地区岩石圈最厚而且上地幔盖层的速度较高.从111°E 向东地壳厚度减小而岩石圈厚度增大.在西沙、中沙、东沙群岛下方岩石圈厚度变大，因此南海北缘的速度结构呈现较大的横向变化.
从图 4和图 5的水平速度剖面可知，南海北缘上地幔盖层和软流圈中的速度都低于南海海盆上地幔.这说明新生代大陆边缘的伸展裂谷作用对这一区域的岩石圈造成了显着的破坏和改造.现今从北部湾到福建沿海仍是一条地震活动带，而南海海盆是一个构造相对稳定的地区.
(8) 南海西部大陆边缘岩石圈厚度在70km 左右.这一区域的显着特点是上地幔速度低，软流层规模大，从图 5的水平剖面中也可以清楚看出这个特点.沿南海西缘展布的断裂带是哀牢山红河断裂带的延伸[25]，在新生代时期印度-欧亚板块碰撞引起印支地块的逃逸和旋转，以及古南海向南俯冲和南海张开等事件，都对南海西缘岩石圈的减薄、拉伸和剪切施加了重要影响，可能是造成这一地区上地幔显着低速的重要原因.比较红河断裂带和南海西部陆缘的速度结构，可看出它们是基本相似的.
(9) 南海海盆以南存在巽它、南沙、巴拉望、加里曼丹、苏禄海等一系列大小不等的地块，经历了复杂的俯冲、碰撞、拼合过程.显着低速的上地幔是它们共同的特征.南沙地块的岩石圈厚度在75km 左右，速度结构有比较显着的特点：上地幔顶部速度低(或者是壳幔过渡带厚)，上地幔盖层速度低，软流圈低速上升到较浅的深度.这些特点可能与古南海和巴拉望等地块的俯冲碰撞有关.
4 结 论(1) 由面波层析成像给出的速度结构横向变化与研究区内构造单元的划分基本相符，得到了各个单元的主要结构特征.扬子地块具有厚而高速的岩石圈，华南褶皱带和印支地块具有活动陆块的结构特征，西菲律宾海盆表现为一个较老的稳定的海盆，而岛弧地带显示低速的岩石圈和深部俯冲板片引起的高速.
(2) 南海海盆岩石圈厚度60～70km，横向变化不大，软流圈内低速不显着，整体上表现出一个已停止扩张的年轻海盆的结构特点.与东部中央海盆相比，西南次海盆的上地幔盖层速度和软流圈速度都较低.
(3) 在南海海盆周边的陆缘地区，岩石圈厚度变化较大，上地幔盖层和软流圈速度较低，明显低于海盆和外围的大陆地区.红河断裂带也表现类似现象，说明这些地区的岩石圈新生代以来经历了长期的构造作用.
| [1] | 刘光鼎. 中国海区及邻域地质地球物理系列图集. 北京: 科学出版社, 1992 . Liu G D. Geological and Geophysical Maps of China Sea and Adjacent Regions (in Chinese). Beijing: Science Press, 1992 . |
| [2] | 姚伯初, 万玲, 吴能友. 大南海地区在新生代板块构造活动. 北京: 海洋出版社, 2004 : 77 -89. Yao B C, Wan L, Wu N Y. Cenozoic plate tectonics of the great South China Sea region (in Chinese). Beijing: Ocean Press, 2004 : 77 -89. |
| [3] | 丁巍伟, 陈汉林, 杨树锋, 等. 南海海盆的形成机制和构造演化探讨. 北京: 海洋出版社, 2004 : 9 -100. Ding W W, Chen H L, Yang S F, et al. A study on the formation mechanism and tectonic evolution of South China Sea basin (in Chinese). Beijing: Ocean Press, 2004 : 9 -100. |
| [4] | Hall R. Cenozoic geological and plate tectonic evolution of SE Asia and the SW Pacific: computer-based reconstructions, model and animations. J. Asian Earth Sciences , 2002, 20(4): 353-431. DOI:10.1016/S1367-9120(01)00069-4 |
| [5] | 刘绍文, 施小斌, 王良书, 等. 南海成因机制及北部岩石圈热-流变结构研究进展. 海洋地质与第四纪地质 , 2006, 26(4): 117–124. Liu S W, Shi X B, Wang L S, et al. Recent advances in studies on the formation mechanism of the South China Sea and thermo-rheological structure of lithosphere in its northern margin: An overview. Marine Geology and Quaternary Geology (in Chinese) , 2006, 26(4): 117-124. |
| [6] | 方念乔, 姚伯初, 万玲, 等. 华南和南海北部陆缘岩石圈速度结构特征与沉积盆地成因. 地球科学——中国地质大学学报 , 2007, 32(2): 147–154. Fang N Q, Yao B C, Wan L, et al. The velocity structure of the lithosphere and the origin of sedimentary basins in the South China and northern margin of the South China Sea. Earth Science—Journal of China University of Geosciences (in Chinese) , 2007, 32(2): 147-154. |
| [7] | 孙珍, 孙龙涛, 周蒂, 等. 南海岩石圈破裂方式与扩张过程的三维物理模拟. 地球科学——中国地质大学学报 , 2009, 34(2): 435–447. Sun Z, Sun L T, Zhou D, et al. Discussion on the South China Sea evolution and lithospheric breakup through 3D analogue modeling. Earth Science—Journal of China University of Geosciences (in Chinese) , 2009, 34(2): 435-447. |
| [8] | 姚伯初, 万玲. 南海岩石圈厚度变化特征及其构造意义. 中国地质 , 2010, 37(4): 888–899. Yao B C, Wan L. Variation of the lithospheric thickness in the South China Sea area and its tectonic significance. Geology in China (in Chinese) , 2010, 37(4): 888-899. |
| [9] | 曾维军, 李振五, 吴能友, 等. 南海区域岩石圈纵向演化. 海洋地质 , 1997(2): 1–10. Zeng W J, Li Z W, Wu N Y, et al. Lithosphere evolution of South China Sea area. Ocean Geology (in Chinese) , 1997(2): 1-10. |
| [10] | 曹小林, 朱介寿, 赵连锋, 等. 南海及邻区地壳上地幔三维S波速度结构的面波波形反演. 地震学报 , 2001, 23(2): 113–124. Cao X L, Zhu J S, Zhao L F, et al. Three dimensional shear wave velocity structure of crust and upper mantle in South China Sea and its adjacent regions by surface waveform inversion. Acta Seismologica Sinica (in Chinese) , 2001, 23(2): 113-124. |
| [11] | 朱介寿, 曹家敏, 蔡学林, 等. 东亚及西太平洋边缘海高分辨率面波层析成像. 地球物理学报 , 2002, 45(5): 646–664. Zhu J S, Cao J M, Cai X L, et al. High resolution surface wave tomography in East Asia and west Pacific marginal seas. Chinese J. Geophys (in Chinese) , 2002, 45(5): 646-664. |
| [12] | 蔡学林, 朱介寿, 曹家敏, 等. 东亚西太平洋巨型裂谷体系岩石圈与软流圈结构及动力学. 中国地质 , 2002, 29(3): 234–245. Cai X L, Zhu J S, Cao J M, et al. Structure and dynamics of lithosphere and asthenosphere in the gigantic East Asian-West Pacific rift system. Geology in China (in Chinese) , 2002, 29(3): 234-245. |
| [13] | 彭艳菊, 苏伟, 郑月军, 等. 中国大陆及海域Love波层析成像. 地球物理学报 , 2002, 45(6): 792–801. Peng Y J, Su W, Zheng Y J, et al. Love wave seismic tomography of China and vicinal sea areas. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2002, 45(6): 792-801. |
| [14] | 彭艳菊, 黄忠贤, 苏伟. 中国边缘海岩石层面波层析成像. 北京: 海洋出版社, 20003 : 8 -14. Peng Y J, Huang Z X, Su W. Surface wave tomography of the lithosphere in marginal seas of China (in Chinese). Beijing: Ocean Press, 20003 : 8 -14. |
| [15] | Lebedev S, Nolet G. Upper mantle beneath Southeast Asia from S velocity tomography. J. Geophys. Res , 2003, 108(B1): 2048. DOI:10.1029/2000JB000073 |
| [16] | Wu H H, Tsai Y B, Lee T Y, et al. 3-D shear wave velocity structure of the crust and upper mantle in South China Sea and its surrounding regions by surface wave dispersion analysis. Marine Geophysical Research , 2004, 25(1-2): 5-27. DOI:10.1007/s11001-005-0730-8 |
| [17] | 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. |
| [18] | Dziewonski A, Hales A L. Numerical analysis of dispersed seismic waves. Methods Comput. Phys , 1972, 11: 39-85. |
| [19] | Smith M L, Dahlen F A. The azimuthal dependence of Love and Rayleigh wave propagation in a slightly anisotropic medium. J. Geophys. Res , 1973, 78(17): 3321-3333. DOI:10.1029/JB078i017p03321 |
| [20] | Constable S C, Parker R L, Constable C G. Occam's inversion: A practical algorithm for generating smooth models from electromagnetic sounding data. Geophysics , 1987, 52(3): 289-300. DOI:10.1190/1.1442303 |
| [21] | 黄忠贤, 郑月军. 面波速度的Occam反演. 北京: 科学出版社, 1998 : 692 -702. Huang Z X, Zheng Y J. Occam's inversion for surface wave velocities (in Chinese). Beijing: Science Press, 1998 : 692 -702. |
| [22] | Huang Z X, Su W, Peng Y J, et al. Rayleigh wave tomography of China and adjacent regions. J. Geophys. Res , 2003, 108(B2): 2073. DOI:10.1029/2001JB001696 |
| [23] | Honza E, Fujioka K. Formation of arcs and backarc basins inferred from the tectonic evolution of Southeast Asia since the Late Cretaceous. Tectonophysics , 2004, 384(1-4): 23-53. DOI:10.1016/j.tecto.2004.02.006 |
| [24] | 陈雪, 林进峰. 南海中央海盆岩石圈厚度和地壳年代的初步分析. 海洋学报 , 1997, 19(2): 71–84. Chen X, Lin J F. A preliminary analysis of the lithospheric thickness and crustal age of the central basin of South China Sea. Acta Oceanologica Sinica (in Chinese) , 1997, 19(2): 71-84. |
| [25] | Fyhn M B W, Boldreel L O, Nielsen L H. Geological development of the Central and South Vietnamese margin: Implications for the establishment of the South China Sea, Indochinese escape tectonics and Cenozoic volcanism. Tectonophysics , 2009, 478(3-4): 184-214. DOI:10.1016/j.tecto.2009.08.002 |