地球物理学报  2011, Vol. 54 Issue (12): 3196-3209   PDF    
南沙地块内破裂不整合与碰撞不整合的构造分析
孙珍1, 赵中贤1 , 李家彪2, 周蒂1, 王章稳1     
1. 中国科学院南海海洋研究所边缘海地质重点实验室,广州 510301;
2. 国家海洋局第二海洋研究所,杭州 310012
摘要: 廷贾断裂以东的南沙地块与南海北部陆缘共轭,因此其构造过程研究对认识整个南海的构造演化具有重要意义.地震资料和区域构造背景分析揭示,破裂不整合面(BU)和碰撞不整合面(CU)是控制南沙地块内盆地演化的骨架界面;为了揭示南沙地块内的主要构造过程,本文利用地震剖面分析和数值模拟的方法,侧重对两个重要界面开展构造分析.结果显示:南沙地块内的破裂不整合面(BU)存在穿时现象,在地块东侧的礼乐盆地时代为T60(约23.8 Ma),而在地块西侧的北康和南薇西盆地内,BU时代为T40(约16 Ma),与碰撞不整合面重合.碰撞不整合面在南沙地块东部也为16 Ma左右.碰撞之后的几个构造界面时代比较一致,而之前的张裂事件界面可能也有穿时性.深度与空盆构造沉降速率一阶拟合结果显示,南沙地块中西部从Tg以后就表现出伴随前陆作用的岩石圈挠曲,90N09剖面和94N07剖面上,前隆的高度逐渐增高,并在16 Ma的层面上表现出最大的前隆高度,之后减弱;整体上挠曲程度西强东弱,且挠曲形态也存在很大差异,推测与岩石圈强度、俯冲的古南海洋壳宽度和陆陆接触的先后顺序等因素有关.
关键词: 南沙地块      破裂不整合(SCSU)      碰撞不整合(CU)      前隆      岩石圈强度     
Tectonic analysis of the breakup and collision unconformities in the Nansha
SUN Zhen1, ZHAO Zhong-Xian1, LI Jia-Biao2, ZHOU Di1, WANG Zhang-Wen1     
1. CAS Key Laboratory of Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China;
2. The Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China
Abstract: Nansha block on the east of Tinjar fault (or called Baram Line) is the conjugate counterpart of the Northern continental margin. A research on Nansha block will contribute greatly to the study of the South China Sea evolution. Seismic profiles interpretation and regional tectonic analysis suggested that two unconformities as Breakup Unconformity (BU) and Collision Unconformity (CU) are two most important boundaries, which constitute the evolutionary frame of the Nansha area. In order to reveal the main tectonic process in Nansha block, seismic profiles constrained with drilling data and mathematical modeling were carried out, the main results are as follows. BU is revealed to be a diachronic boundary and dated early Miocene in Liyue basin to the east, while to the west the Beikang and Nanweixi basin is dated middle Miocene around 16 Ma, where B.U. is synchronous with CU. The CU in the east of Nansha block is around 16 Ma. The boundaries after CU are also synchronous, but the rifting boundaries before BU might also be diachronic. Compared the depth as well as the Empty Basin Subsiding Rate (EBSR) simulation, we found that Nansha block experienced deflection since Tg in the middle and west part accompanied with the subduction and the collision thereafter. On 90N09 and 94N07, the top of the forebulge rose to the highest around 16 Ma. The deflection is strong in the west and weak in the east, the position of the forebulge migrates differently. We conjecture that the deflection of the block might be controlled by factors as collision time, lithospheric strength, or oceanic width of the subducted proto South China Sea.
Key words: Nansha block      Breakup unconformity in Nansha(SCSU)      Collision Unconformity(CU)      Forebulge      Lithospheric strength     
1 引 言

南沙海区由于构造复杂,油气资源潜力巨大而成为研究的焦点.然而由于资料分布程度不均、构造演化历史复杂等原因,南沙海区盆地的分层系统尚不统一,构造演化历史和沉积特征的认识就更加模糊.根据大断裂和盆地走向展布的变化,将廷贾断裂以东的区域称为南沙地块.南沙地块内盆地主要呈北东走向,整个地块呈西宽东窄的特征(图 1).由于与南海北部陆缘共轭,因此南沙构造过程的研究对认识整个南海的构造演化具有重要意义.

图 1 南沙海域盆地与测线分布简图 其中,黑色虚线为区域内大型断裂;黑色实线为本文所用到的反射地震测线;编号为a-h和Ⅰ的蓝色实线段为选取的精细解释并展示在 图 1图 6中的测线段;编号为8、9、10、12、16的红色点虚线指示的是CUllen[9]文中所展示的测线;*指示所用的四口钻井;红色五星为 ODP184航次1143站位;编号为5c、5d、5e、6、a的绿色实线段为BHaiS[1]解释的古地磁条带编号. Fig. 1 The distribution of the basins and seismic lines used in Nansha Of which, black dash lines are regional large scale faults; black solid lines are seismic profiles we used in this paper; the blue solid lines with title as a to h and I are those selected for detailed interpretation and shown in Fig. 3 to Fig. 6 ; the red dash lines numbered 8,9,10, 12and 16 are seismic lines Cullen[9] used in his paper; * rndicates the four wells we documented, red star shows the ODP site 1143; green solid lines addressed 5c、5d、5e、6、6a are magnetic anomaly lineations which Briais[1] interpreted.

新生代期间,南海地区首先经历陆缘张裂的裂谷期,之后陆壳破裂,洋壳开始出现和增生,伴随海盆的扩张,南沙地块裂离北部陆缘向南漂移,进入漂移期;最终在中中新世与婆罗洲地块发生陆陆接触碰撞,结束漂移期,此次碰撞事件除反映在南海洋壳磁条带的中止[1]外,还在婆罗洲揭示了一次重要的沙巴造山事件[2].因此,除了新生代张裂不整合界面Tg,南沙地块还应关注另外两个重要的界面:一个是破裂不整合面(BU),对于地壳尚未破裂的北康和南薇西盆地,不整合面转换为分隔裂陷期和裂后期的断拗转换面;另一个重要的不整合面是漂移期结束面或者说陆陆碰撞事件面(CU).这两个界面是南沙地块内盆地演化的骨架层位,不仅对认识南沙地区的结构、演化和沉积等过程具有重要意义,而且对有利油气储层的寻找和油气勘探都具有重要意义.

通过磁条带对比,Taylor等[3]首先建立了南海中央海盆的扩张历史,提出中央海盆的主要扩张时间为32~16 Ma(磁条带编号为11-5d),之后Briais等[1]分析对比了全海盆的磁条带,在中央海盆获得了与Taylor等[3]一致的认识,且揭示了更细致的扩张过程,提出南海海盆早期(25.5 Ma以前)扩张中心在北部,之后沿南部的扩张脊扩张,且扩张作用向西扩展至西南次海盆,西南次海盆的扩张年代为23.8~16 Ma左右.除礼乐和南北巴拉望盆地的构造位置有争议,其他几个盆地都处在西南次海盆以南,因此西南次海盆的扩张历史对这几个盆地应该有着重要的影响.

Hutchison等[14]结合其在婆罗洲和南沙的曾母、北康盆地的研究,提出一个重要的中中新世破裂不整合面(MMU),时代为16 Ma,采用的是裂后广海相披覆开始的年龄,根据陆架区不整合面的沉积间断,他推测这里海盆扩张开始年龄为19~21 Ma.矛盾的是,Hutchison[4]在最后的模式剖面中,于MMU 和裂陷层序之间画了一整套渐新世-早中新世的碳酸岩沉积,而这套沉积在其一系列剖面中并没有揭示或提及.Franke等[5]提供的剖面上也未见识别出大套渐新世-早中新世碳酸岩反射,但参考了Kudrass等[6]、Hinz等[7]和Schlüter等[8]的研究,将该界面命名为“D”,并提出是渐新世-早中新世的碳酸岩相顶界面.壳牌公司的Cullen[9]利用钻井资料控制较好的地震剖面,将很多问题进行了重新梳理,得出了更可信的认识,比如他将裂陷期与裂后期之间的这个破裂不整合面定义为南海不整合(SCSU),根据南海扩张磁条带出现的时间早晚不同,认可了Hutchison[4]关于界面穿时的提法,穿时范围没有给出具体结论,但最晚截止在15.5 Ma.Cullen[9]更精确地标定了SCSU 界面之上地层的时代(图 2),同时指出不整合之上为半深海相的泥页岩,之下为砂岩裂陷层序,这样的描述与我们观察到的剖面的反射特征更加吻合.这一研究使我们早期在北康和南薇西盆地分层方面[10]的偏差得到了纠正,从而使后面的演化历史分析更具合理性.

图 2 显示了精确年龄标定的横穿沙巴盆地的剖面[9],剖面位置见图 1中虚线段8 Fig. 2 The prolile across the Shaba basin with accurate dating of each sequence[9].The position of the prolile is shown as dash line 8 in Fig. 1

然而,无论是Hutchison[4]还是Cullen[9]都推测他们研究资料未覆盖的礼乐盆地区破裂不整合可能与珠江口盆地一致,后者破裂不整合时代为30 Ma左右[1112].孙珍等[10]发现,礼乐的破裂不整合面时代在早中新世前后,与琼东南盆地更接近,从而提出礼乐是从中西沙裂离的认识,有趣的是Cullen[9]也在文中这样提及.后文将结合剖面深入探讨破裂不整合面的时代,为了尊重前人的研究和南沙该界面的性质,本文沿用Cullen 的命名方法,使用南海不整合(SCSU)来称呼破裂不整合/断拗转换面.

对于南沙与婆罗洲之间发生陆陆碰撞事件的界面---这里称之为碰撞不整合面(CU),很少有人仔细分析过这个界面,也未见到关于碰撞过程是否存在穿时以及碰撞强度如何的研究,Hesse 等[13]通过定量统计,提出南沙海槽南部的逆冲推覆体主要是重力驱动为主,向北变为以基底驱动的挤压作用为主,时代主要为上新世以晚.伴随南沙地块向婆罗洲的靠近和接触,南沙地块内部到底有没有变化,有怎样的构造响应,尚无人回答.本文将结合部分收集到的钻井资料,对部分地震剖面进行详细的解释和构造拟合分析,来解读南沙海域这两个重要界面的特点、性质和时间,以及时空变化规律.

2 南沙地块内破裂不整合面与碰撞不

整合面根据盆地分布范围和测网情况,这里选择北西-南东走向的90N09、94N07 和L2 三条剖面以及北东-南西走向的99N03 剖面(图 1)进行细致构造解释和分析.为了方便对比,这里将识别出的所有界面都给定了相同的编号-年龄值.主要层位自上而下有:T20,T30,T32,T40,T60,T70,T80,Tg,各层位年龄取值参考了ODP1143 井、Franke 等[5]、Cullen[9]、Hutchison[4],南海磁条带年龄[1]和珠江口盆地的地层标定年龄[14].具体见表 1.

表 1 南沙地块内盆地主要反射界面的时代与反射特征 Table 1 The age and reflective features of the main sequence boundaries in Nansha block

南沙海槽和文莱-沙巴盆地腹部,所揭示的盆地内构造现象比较丰富.94N07 剖面主要横穿隆起区和永署、安渡等小盆地边缘,揭示了地块中部的变形特征.剖面上没有找到直接的钻井数据,分层主要参考与90N09 较靠近的Cullen[9](2010)的第9 条剖面和与94N07靠近的第12条剖面(位置见图 1),以及ODP1143井[15]、Hutchison[4]提供的剖面分层信息和附近钻井信息画定;追踪的过程中,由于剖面品质较差、地形起伏较大,盆地类型和沉积厚度变化快,因此层位追踪主要参照各层位的构造表现、反射特征、两界面之间的次级反射组合进行,难免存在个别位置上的偏差,对于个别反射不足够清楚且形态奇特的构造(如图 3c左侧的尖峰状构造)解释可能有偏差,我们也未给予构造分析,因为重点在不整合面的整体构造表现和横向差异分析.由于破裂不整合面和碰撞不整合面构造特征清晰,且全区分布,因此相对误差较小.大构造事件之间的界面,尤其是T70、T80 等,以及反射不好的局部构造,由于约束较少,精确度较差.

图 3 南沙地块西部90N09剖面上典型构造的解释,各剖面段位置见图 1 Fig. 3 Typical structures on Profile 90N09 in the west Nansha, the positions of the segments are shown in Fig. 1

在90N09剖面上,位于西北端的南薇西盆地在T40界面附近见到广泛的地层掀斜和削蚀(图 3a),地层也经受一定程度的褶皱弯曲,大部分断裂活动截止到T40附近,上覆地层稳定地披覆在该界面之上.因此,T40界面表现出较好的破裂不整合特征,由于盆地西北部的西南次海盆区域尚未发生扩张,该界面在这里的性质为断拗转换界面,时代为早-中中新世.在剖面中段的北康盆地,早中新世的地层(T60~T40之间)在靠近断层的位置发生了明显的挤压增厚(图 3b,虚线框内所示),之后沉积呈披覆充填特征,推测挤压褶皱发生在T40 前后.根据地层的褶皱变形、鼓状增厚和沉积的削蚀情况(图 3a)推测,T40前后一段较短的时间里,该区域经历了一定强度的构造挤压.力从何处来?一是来自印支地块挤压作用,这个可能性比较小,因为位于红河、越东断裂以西的万安盆地此时期未揭示明显的挤压[1617];另一个原因可能来自南沙地块与婆罗洲地块陆陆碰撞的挤压作用,也就是说由于构造位置处于扩张海盆的末端,北康和南薇西盆地与南海北部陆缘之间尚未发展出洋壳,就由于南沙与婆罗洲的陆陆接触碰撞而结束了张裂作用,作为陆间盆地接受裂后热沉降沉积.而断拗转换面(SCSU)也同时就是碰撞事件面(CU).在南沙海槽和文莱沙巴盆地之下(图 3c),T40 界面作为逆冲推覆作用的滑脱面,上覆地层卷入逆冲推覆体系,下伏裂陷期的地层未发生明显变形.根据逆冲推覆体背部的沉积填充可看出,逆冲体系迄今仍在发育.

94N07剖面总长度接近700km,西北端穿过西南次海盆末端的中业北盆地(图 4d),从剖面上可知,这里具有典型的裂谷特征,推测是尚未发生海底扩张的夭折裂谷.根据Briais等[1]识别出的磁条带结果(图 1),此处也未识别出象征海底扩张的磁条带.剖面中部靠近1143井处,是剖面中部上隆较高的区域,T40 作为断拗转换面(SCSU)的特征非常明显,裂后的沉积呈填平补齐的披覆特征.大断裂旁的火山(?)刺穿沉积层(图 4e),形成隆起背部的新高地.除了中业北盆地内T32界面附近的一个很小的背形构造,剖面上基本见不到明显的碰撞和挤压特征,即识别不出明显的碰撞不整合面.反而是剖面隆起区的背部沿着伸展性断层常有晚期火山活动(图 4e).与90N09 相似,在94N07 剖面上,T40 界面也作为滑脱界面,明显地分割开下伏裂陷层序和上覆逆冲推覆层序(图 4f).

图 4 南沙地块94N07剖面上的典型构造,剖面段位置见图 1 Fig. 4 Typical structures on Profile 94N07 in the west Nansha,the positions of the segments are shown in Fig. 1

两条剖面有个共同的特点是:裂陷期的沉积在整个盆地包括盆地间的隆起处都有较稳定的厚度分布,除南沙海槽和文莱沙巴地区,裂后披覆沉积厚度较薄.破裂不整合与碰撞不整合面重合,根据沉积层的变形情况来看,挤压变形西强东弱.

2.2 南沙地块东部(礼乐盆地)

在距L2剖面东南端30km 左右的Pen-1井分层数据的约束下(图 5h),我们建立了L2剖面的解释方案[10].根据西侧剖面97N04 和90N09 在南沙海槽和文莱沙巴盆地的表现来看,滑脱面以上地层由于卷入逆冲推覆体,具有明显的厚度变化,而下伏裂陷期地层,通常保持原有的厚度和形态.因此,Pen-1井T40以下层位的深度基本可与L2 的明显反射界面对比,但之上地层具有较差的约束性.

图 5 南沙地块东部L2剖面上的典型构造,剖面段位置见图 1 Fig. 5 Typical structures on Profile L2 in the east Nansha,the positions of the segments are shown in Fig. 1

在剖面西北端的礼乐滩上(图 5g),新生代地层较薄,滩下是厚度约2km 以上的中生代沉积,反射特征表现为顶面可追踪,但下界面不清楚,与南海北部潮汕坳陷等地区的反射特征非常相似.侧向上与新生代地层呈高角度不整合接触.

盆地中心处(图 5h),T60界面表现出明显的破裂不整合特征(SCSU),向下成为裂陷期断裂的歇止面,向上披覆了略具断拗特征的早中新世地层和具有明显热沉降特征的中晚中新世及后期沉积.根据剖面上黑色虚线框里一个局部构造推测,早中新世地层发生了等厚弯曲和之后表现为披覆沉积的特征,推测T40前后该区域有一个弱的挤压事件.时间上与陆陆碰撞时间比较接近,推测T40为东区礼乐盆地的碰撞不整合面(CU).T60~T40之间的断拗层序推测为漂移期沉积.

2.3 破裂不整合的空间变化规律

根据上述东西区剖面的对比,我们发现,碰撞不整合面(CU)在时间上东西相差不大,但破裂不整合面(SCSU)自东向西由早中新世穿时到了中中新世.这样一个穿时的界面,在北东向的剖面上表现出比较稳定的侧向延伸,推测西南次海盆的扩张自东向西稳定推进,被一些长期活动断裂分割成若干段(图 6).在该剖面上,可见在SCSU 之上东侧比西侧逐渐多出一个反射界面(图 6中黑色箭头处,平面上对应于I段上的红色圆点位置),这个位置的西北部大致上对应着有明显磁条带被识别的起点,是否由于扩张的穿时在这里造成了新的反射层位,比较难确定,但在东侧划分层位的时候,有足够的反射层位可与礼乐盆地对比.为了表示SCSU 的穿时性,这里将该界面画成了渐变色,西侧与T40 一致的绿色,东侧与T60 一致的深红色,是否正确尚有待钻井确定.由于SCSU 界面之下只有2 个稳定的反射界面,一个是基底,另一个是否为穿时的裂陷期界面?从东部的T70穿时到西部的T60.这些问题我们尚无法给出肯定答案.

图 6 北东走向99N03剖面片段结构图(剖面位置见图 1) Fig. 6 Interpreted seismic profile of the NE-trending 99N03 (the position of the segment s shown m Fig. 1)

根据上述剖面和两个界面的横向分布特点,南沙地区若用统一的地层代号来表示同一个时代的层位,那么破裂不整合面与下伏的裂陷层序之间的不整合面似乎都应具有穿时性(图 7).碰撞不整合之后,南沙地块内的盆地开始接受半深海的沉积,各地层界面在全区上没有明显的时代差别.

图 7 南沙地块地层柱状图 RU-张裂不整合;SCSU-南海不整合;CU-碰撞不整合. Fig. 7 The stratigraphic column of Nansha block RU-Rifting Unconformity; SCSU- South China Sea Unconformity; CU-Collisional Unconformity
3 地形拟合与构造沉降速率拟合所揭示的构造演化历史

从剖面上看,南沙地块与婆罗洲的陆-陆碰撞自西向东基本上都界定在中中新世(T40)前后,在此之前是古南海洋壳向婆罗洲下俯冲和南海扩张的过程.根据对大洋俯冲带附近地形的调查,可以发现岩石圈常由于垂直外力、水平外力以及弯曲力矩综合作用下发生挠曲,向洋一侧的隆起区,Dietz等[18]称之为边缘隆起,Allen等[19]称之为前隆或外隆.如果岩石圈挠曲强度横向上没有变化,那么负载的重量越大,前陆盆地就越深,同时前隆也就越高.大陆岩石圈挠曲作用虽与大洋岩石圈不同,但其相应的地质单元有一定的相似性,如岩石圈下弯的前陆盆地和弹性抬起的前隆.

南沙海槽现今表现出明显的前陆盆地特征,婆罗洲向南沙地块一侧的区域可能发生岩石圈挠曲.然而南沙地块内前隆的发育程度怎样,宽度多大,有怎样的横向变化特征,我们尚不清楚,因此我们尝试用地形拟合得到目前状态下南沙地块各层位的弯曲状况,并进一步对各时期的构造沉降速率进行拟合,以观察伴随俯冲作用,前隆脊部的滚动情况,这些研究可帮助我们判断寻找各时期礁体类储集体的发育位置,同时由于前隆顶部常处于拉张状态,有利于油气的向上运移.因此这一研究结果既有理论意义,又有实际勘探意义.

为了揭示南沙地块前隆特征的平面展布规律,这里对90N09、94N07 和L2 这三条测线的深度剖面数据和构造沉降速率数据进行了三次多项式拟合,这样可以去除局部的影响因素,而突显出整体的变化态势.为了检验深度拟合的合理性,并揭示地形变化随时间的演变规律,我们还对各层位进行了空盆构造沉降速率的拟合,只有地形上的拟合与沉降速率的拟合具有相似的波动规律,且地形上的前隆与沉降速率上的前隆构造位置相同或相似,才说明深度拟合结果的可靠性,在假设后缘地形平缓区为基准面的前提下,近似地测量出前隆的高度和发生前隆弯曲的范围.

地形拟合对于区域上存在不均一性,如过软或过硬地块的情况下不适用,而空盆构造沉降速率相对比较准确反映前隆的位置和变化,但由于无法获得古水深和古剥蚀厚度情况,对于水深快速变化和曾发生大规模隆起剥蚀的区域,空盆构造沉降方法缺乏准确性.由于剖面上只在90N09部分位置揭示明显的剥蚀,大部分区域沉积连续且平行接触,估计剥蚀厚度不大,对整个剖面空盆沉降的一阶拟合趋势影响不会太大.

3.1 时深转换

地震剖面进行时深转换,主要依据中海油研究中心提供的南沙地区地震波走时数据的时深转换速度尺,拟合成多项式,可表达为

y=-5.1578x3 +133.48x2 +712.06x-2.4356

式中y是地层深度(单位m),x为双程走时(s).收集到的井位也按照这一时深速度尺投影到响应剖面上去进行地层界面确定.由于时深转换公式的控制井较少,估计部分地区误差会比较大.

3.2 构造沉降速率计算方法

盆地沉降史反映了盆地形成演化的过程,回剥则是沉降史恢复的有力工具,它是在现今地层划分、古水深和古海平面校正的基础上,依次进行地层去压实和负载均衡校正,来求得各时期沉积基底的埋深.Sclater等[20]的研究所给出的盆地构造沉降包含了水在内的负载构造沉降.本文则在水负载沉降基础上,进一步去除水的影响,得到空盆构造沉降(EBS)(公式(1)),这是由地球动力引起的纯构造沉降,也是研究盆地形成演化动力学机制的基础.空盆构造沉降速率(EBSR)(公式(2))反应了盆地在某个时间段的沉降快慢,是详细揭示盆地沉降过程的重要参数.在计算90N09,94N07和L2三条测线的空盆构造沉降速率时,古水深是由现今水深和基底古水深(假设为0)通过线性插值得到的,没有考虑海平面的影响.

(1)

(2)

其中EBS为空盆构造沉降;EBSR 空盆构造沉降速率;TS去压实后的沉积物厚度;ρm 地幔密度;ρs 沉积物平均密度;ρw 海水的密度;SL全球海平面;SLi裂陷初期的海平面;K,状为任意两个地质时间(Ma).由于各时期古水深无法准确推定,因此对于水深变化较大、较快区域的计算结果不够精确,但对区域一阶拟合结果影响并不大.

3.3 结果分析

90N09剖面的深度拟合结果和沉降速率拟合结果具有较好的一致性(图 8(c,e)),各时期的沉降速率变化特征与各层面的挠曲特征相似.也就是说地形上的前隆,对应着空盆构造沉降速率的低值区,两者具有一致的变化规律,从而证实地形上的一级构造起伏主要是由岩石圈挠曲造成的,因此结果相对较可信.深度拟合表现出非常好的规律性(图 8c):在T40(16 Ma)之前,前隆的顶点从老至新不断向地块中后部移动,发生隆起的区域范围也逐渐变宽,前隆的高度逐渐增高,并在16 Ma的层面上表现出最大的前隆高度,达750 m 左右,之后前隆顶点的位置虽有摆动,但幅度已非常小,前隆的高度也略降低至700~740m.我们根据地形差大致估计的前隆高度也在750m 左右(图 8b).

图 8 沿90N09剖面的深度与空盆构造沉降速率拟合结果 (a)和(e)中的8条线分别是对(b)和(d)中8条相应层位曲线的拟合曲线;R2为决定系数,是相关系数的平方,越接近1,拟合程度越髙.数字1〜8标示出了每条曲线的最髙点的位置;在下面各图中的标识意义相同. Fig. 8 The depth and Empty Basin Subsiding Rate (EBSR) as well as their simulations along Line 90N09 The eight lines in (c) and (e) are the simulations of lines in (b) and (c),respectively. R2-determination coefficient,which is the square of the relevance number. The closer of R2 to 1,the higher simulation degree is. Numbers from 1 to 8 indicate the zenith of each curve.The numbers and symbols have the same meaning in the following figures.

与90N09剖面的结论一样,94N07剖面沉降速率拟合结果与各层面的深度挠曲特征相似,即地形上的前隆,其空盆构造沉降速率相应较低;前隆顶点的摆动幅度虽比地层拟合结果略大,但与地形拟合结果比较一致,从而说明地形上的一级构造起伏主要是由岩石圈挠曲造成的.94N07 剖面的深度拟合结果与90N09剖面有一些相似性,但同时也表现出很大差异性(图 9(c,e)):相似性表现在16 Ma(T40)的层面上表现出最大的前隆高度,达1600 m左右(图 9c),之后逐渐减弱,但拟合结合相对来说对前隆高度有所夸大.根据深度图,我们手动衡量最大高差只有1000m 左右(图 9b),推测94N07剖面两侧的低谷造成的曲线反弹误差;差异性主要表现为前隆的顶点从老至新不仅没发生向地块中后部移动的情况,而且还有小幅的向前陆方向的移动,前隆的高度明显大于90N09剖面.

图 9 沿94N07剖面的深度和空盆构造沉降拟合结果,其他说明同图 8 Fig. 9 9 Same as Fig. 8 except Line 94N07

L2剖面的深度拟合显示,各层位的最高点位于礼乐隆起上,且位置比较稳定(图 10c).在10.2 Ma以后,开始明显向俯冲方向移动.但直到现今仍位于礼乐隆起之上,表现出向南沙海槽快速下降的趋势,与前隆弯曲的特征相差甚远.沉降速率拟合结果与地形拟合结果差异很大,上隆顶点快速向俯冲方向移动,且在10.2 Ma之后的5、6阶段表现出接近前隆弯曲的特征,5.3 Ma以后的第6 阶段形态更明显.

图 10 沿L2剖面的深度和构造沉降速率拟合结果,其他说明同图 8 Fig. 10 10 Same as Fig. 8 except Line L2

由此可见,对于存在大的刚性地块影响的L2剖面,深度拟合结果就会明显受到局部因素的影响而失去评价意义,沉降速率拟合结果虽也受影响,但要比深度拟合结果更加可靠;而无大的刚性地块影响的区域,深度拟合结果具有较好的参考性.自西向东,南沙地块的挠曲程度和前隆高度与前隆顶点位置的变化规律都不一致.根据马里亚纳海沟的海底地形剖面测量[21]和数值拟合[22],那里的前隆半宽约为55km,前隆高约0.5km.而礼乐盆地所在的构造位置,陆壳范围窄,陆陆碰撞前其南侧是以较宽的古南海洋壳俯冲为主.因此前隆可能主要表现在洋壳上,直到俯冲洋壳长度明显减小之后,陆壳才开始逐渐进入弯曲力矩.而礼乐隆起的存在,使得地形拟合受到了干扰,沉降速率拟合结果更加能反映该区域的岩石圈变形信息.即10.2 Ma礼乐陆区逐渐开始出现前隆弯曲.根据Allen等[19](1990)的分析总结,我们推测94N07 剖面下岩石圈的强度比西侧90N09剖面小,从而导致狭窄范围的强烈弯曲,这一推断与94N07剖面南端延伸短但垂向逆冲作用较强的推覆体的发育特征一致,而90N09剖面逐渐移动的顶点以及低幅度的弯曲与其南端发育水平延伸较宽的逆冲体(图 34),都支持该剖面处岩石圈强度较94N07的高的推断.

4 讨论和主要结论 4.1 讨论 4.1.1 南沙地块内的岩浆活动

在南沙地块腹地,常会见到中晚期的岩浆活动[23](图 3e图 11),多数发育在前隆附近,推测与岩石圈挠曲过程中,上地壳发育张性深破裂,岩石圈地幔深部为挤压状态,从而导致岩浆沿裂缝侵入或喷出有关.观测也表明,在大洋的前隆上也经常可见张性弯曲断裂和火山[21].

图 11 南沙腹地的火山活动(j)及其发育机制图解(k)(据赵中贤等[23]修改)剖面位置见94N07剖面上的j段.m-岩浆,红色椭圆代表相应位置的应变椭圆状态 Fig. 11 The magmatism and its dynamics in the Nansha block (modified after Zhao et al. [23]). The position of the profile is shown as segment j on 94N07 in Fig. 1. m-magma,the red ellipses indicated the in-situ strain situation
4.1.2 南沙地块前隆作用西强东弱的原因

从第二部分的拟合与分析工作可以看出,南沙地块内的挠曲特征自西向东在形态、发育历史、前隆顶点的移动规律等方面表现出较大的变化.总体上来说,前隆挠曲西强东弱(图 12),西早东晚,这与西南海盆扩张东早西晚的规律正好相反.到底是什么原因造成这种横向的差异性?考虑到俯冲洋壳造成前隆的半宽大约为55km 的情况,我们推测礼乐以南洋壳宽度较大,从而导致对陆壳的礼乐地区影响小.也就是说,碰撞不整合面也应该存在穿时,且应为西早东晚.这种推论结果到底是否可信,我们暂时还无法确定,因为收集到的井位只标出地层编号,却未给出精确的测年结果.若真有一个比西侧更宽的洋盆需要俯冲,而根据南海洋盆扩张速率推测俯冲速率又不比西侧大的情况[1],那么这个大洋壳是怎么关闭的?是否受益于Fuller等[24]和Morley[25]所说的婆罗洲的逆时针旋转?目前我们还没有很好的答案,尚待进一步的工作证实.

图 12 前隆范围平面分布图(粉红色阴影区) 测线上的数字(1~8)为该测线各时期拐点的位置(见图 8图 10)其他符号的意义与图1中相同.ZJN-中建南盆地;MG-湄公盆 地;NTN盆地;WA-万安盆地;ZM-曾母盆地;BK-北康盆地; NWX-南薇西盆地;YS-永署盆地;NSIIC-南沙海槽盆地;BS-文 莱沙巴盆地;SP-南巴拉望盆地;NP-北巴拉望盆地;LY-礼乐盆地 Fig. 12 The plan view of the Forebulge distribution (pink shadow area) Numbers from 1to8 showed the zenith of each episodes of itted depth shown in Fig. 8,9 and 10. The other symbols have the same meaning as Fig. 1. ZJN-Zhongjiannan basin; MG- Meigong basin; NTN-Natuna basin; WA-Wan’an basin; ZM- Zengmu basin; BK-Beikang basin; NWX-Nanweixi basin; YS- Yongshu basin; NSIIC- Nanshahaicao basin; BS-Brunei-Sabah basin; SP-South Palawan basin; NP-North Palawan basin; LY- Liyue basin.
4.2 主要结论

通过对跨越南沙地块的长剖面的地层和结构分析,以及对各层位界面及各时期空盆构造沉降速率的一阶形态拟合,我们基本上获得了以下主要认识:

(1) 南沙地块内主要关注两个重要的骨架界面:一个是破裂不整合面(SCSU),即南海开始扩张的事件界面,对于地壳尚未破裂的北康和南薇西盆地,应关注分隔裂陷期和裂后期的断拗转换面;另一个重要的不整合面是漂移期结束面或者说陆陆碰撞事件面(CU).破裂不整合面在南沙地块东侧礼乐盆地的时代为早中新世(约23.8 Ma),向西穿时到中中新世(约16 Ma),与碰撞不整合面重合;

(2) 碰撞不整合面(CU)在南沙地块内东西部时代比较一致,未表现出明显的穿时特征,且之后的几个不整面在南沙地块内基本上表现一致;

(3) 90N09剖面和94N07剖面的深度与构造沉降速率拟合结果一致性较好,即地形上的前隆,对应着空盆构造沉降速率的低值区,两者具有一致的变化规律,从而证实地形上的一级构造起伏主要是由岩石圈挠曲造成的;

(4) 90N09剖面和94N07剖面上,从古至今,前隆的高度逐渐增高,并在16 Ma的层面上表现出最大的前隆高度,之后减弱;

(5) 90N09剖面在T40(16 Ma)之前,前隆的顶点从老至新不断向地块中后部移动,发生隆起的范围也逐渐变宽,T40之后前隆顶点的位置虽有摆动,但幅度已非常小;而在94N07 剖面上,前隆的顶点从老至新发生小幅的向前陆方向的移动,前隆的高度明显大于90N09剖面,推测94N07剖面下岩石圈的强度比西侧90N09剖面的小,从而导致狭窄范围的强烈弯曲,这一推断与推覆体的发育特征一致.

(6) 南沙地块东部的L2剖面上,10.2 Ma之后的5、6阶段表现出接近前隆弯曲的特征,5.3 Ma以后的第6阶段前隆弯曲形态更明显.推测L2 剖面南侧洋壳范围较宽,因此前隆可能主要表现在洋壳上,直到俯冲洋壳长度明显减小之后,陆壳才开始逐渐进入弯曲力矩.而礼乐隆起的存在,使得地形拟合受到了干扰,沉降速率拟合结果更加能反映该区域的岩石圈变形信息.比西侧更宽的洋盆快速俯冲关闭是否受婆罗洲的逆时针旋转影响尚待进一步的工作证实.

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