南海位于欧亚、太平洋和印澳三大板块的交汇处，呈菱形展布，长轴为NE 向，短轴为NW 向，面积约350万km²，最大水深约5500m(图 1)，深海海盆由中央次海盆、西南次海盆和西北次海盆组成.自从Taylor和Hayes^{[1， 2]}识别出南海中央次海盆的海底磁异常条带后，海底扩张模式^[1～10]被越来越多的学者接受，成为南海动力演化的主要模式.南海的打开和随后的海底扩张存在两种端元模式：印度板块的碰撞挤出模式^{[11， 12]} 和古南海的拖拽俯冲模式^[13～18]，但是两种模式均存在不足^{[13， 19～22]}.正确分析南海的演化历史，需要综合考虑三个板块的交互作用，综合多种地质资料的分析，进行科学观测和数值模拟.张训华^[23]认为在单向地幔流和单向拉张的作用下，印支地块的强烈挤出影响了南海西部的拉张，导致扩张轴旋转和跃迁.而海底扩张时，岩浆上涌的过程中，上升的流量小，速度较慢，因此形成大洋地壳的速率比较低^[24]，而扩张速率的差异，导致海盆东宽西窄以及南北的不对称^[25].丁巍伟^{[26， 27]}对中央次海盆和西南次海盆的磁异常分析的基础上，探讨了南海中央次海盆和西南次海盆的动力学机制和演化历史，张健等^[28]对西南次海盆的热模拟表明西南次海盆的海底扩张只持续了10～15 Ma，海盆慢速扩张后，仍然具备岩浆活动的温压条件，岩浆通过扩张后的断裂上升喷溢形成海底玄武岩，孙珍等^{[29， 30]}对南海的形成演化开展了物理实验模拟和数值模拟，宋海斌和郝天珧等^{[31， 32]}采用综合地球物理方法梳理了南海的张裂系统，陈林和宋海斌等^[33～35]基于岩石圈的应变速率开展了张裂大陆边缘的动力学模拟，并且将该方法拓展到了多期伸展-挤压型的叠合盆地的构造-热体制模拟^[36].

图 1

Fig. 1

图 1 南海区域的地形图(a)及南海的莫霍面深度图(b) 磁异常条带，黄色实线：Bids等[10]；白色虚线框：HSU等[49]；黄色方框是南沙群岛一礼乐滩的拖网站点(YanP)[50]，红色星号是钻井的 位置，红色方框是西南次海盆的拖网站点(邱燕等)[51];AA'和BB'分别是NII973-1测线和NII973-2测线，本文仅解释NII973-1测线穿越西南次海盆的部分(红色实线). Fig. 1 Topography map of South China Sea(SCS)(a) and Moho depth map(b) Solid yellow lines:magnetic anomalies are irom Briais et al.1993[10];Hsu et al. 2004[49](White dashed box)，yellow squares: dredge sites in Nansha Islands and Reed Bank(YanP，2003) [50]，red stars: drills，red squares ： dredge sites in Southwestern SCS where granite samples were found (Qiu et al，2008)[51];; AA’： LineNII973-1，BB’： Line NII973-2，in this paper only interpreted part of NH973-1 (solid red line).

西南次海盆是南海三个重要的次海盆之一，是研究南海中、新生代的构造演化历史和进行南海共轭边缘对比研究的有利区域.根据南海大规模地质、地球物理综合调查资料，前人已对西南次海盆的地震层位解释^{[37， 38]}、海底扩张时代^{[1， 2， 4～7， 10， 39～41]}、岩石圈的张裂演化模式^{[30， 42～44]}等开展了许多研究工作，但是也产生了很多分歧，如海底扩张时间、扩张期次等^{[1， 2， 4～7， 10， 39～41]}.本文依托973项目“南海大陆边缘动力学与油气资源潜力”的研究，基于该项目最新的穿越西南次海盆的反射地震资料NH973-1 测线的地震解释，分析了西南次海盆及其南、北边缘的反射地震和构造特征，为深入研究南海的构造和热演化历史、探讨南海的演化机制奠定基础.

南海自中生代以来经历了东亚边缘大规模的地块拼合，构造的挤压和大规模的伸展-走滑活动以及特提斯的关闭，随后新生代华南大陆岩石圈拉张破裂、海盆扩张、太平洋板块和印度-澳大利亚板块的俯冲、碰撞等一系列的构造事件，造就了南海四个不同性质的大陆边缘，即北部的张性大陆边缘，南部的挤压型边缘，西部表现为走滑-剪切特征，东部则为俯冲带.西南次海盆作为南海重要的三大次海盆之一，是研究南海中、新生代构造演化历史和南海共轭边缘对比的有利区域，其地理位置介于西沙群岛、中沙群岛和南沙群岛之间(图 1)，北东向长约600km，东北边缘宽约400km，水深3000～4400m，是南海海盆中最低洼的部分，海盆底部平坦，其上分布着大小不等的海山、海丘和海洼，海山的主体走向为北东向.

宋海斌^[45]采用三维频率域变密度迭代方法计算了南海的Moho面深度，西南次海盆的Moho面为近对称穹隆状对称分布(图 2c)，唐仁敏等^[46]利用重力梯度方法反演了西南次海盆的深部结构，指出在6～15km 处存在一个密度界面，沿北西-南东向以西南海盆扩张轴为对称轴呈穹隆状对称分布，其中间较薄、两侧较厚，反映了西南次海盆北西-南东向的海底扩张形态.

图 2

Fig. 2

图 2 2南海西南次海盆NH973-1测线地震解释 (a)原始的叠加剖面；(b)地震解释结果；(C)测线经过的区域的Moho面深度，详见图 3〜7. Fig. 2 Seismic interpretation of line NH973-1 (a) Uninterpreted seismic profile； (b) Interpretation skeleton； (c) Moho Depth, the details are shown in Fig. 3〜Fig. 7.

表 1(Table 1)

表 1 NH973-1测线南、北边缘地层地质年代表 Table 1 Seismic sequences of the southwestern SCS

表 1 NH973-1测线南、北边缘地层地质年代表 Table 1 Seismic sequences of the southwestern SCS

Taylor和Hayes^{[1， 2]}识别出南海中央次海盆的海底磁异常条带后，海底扩张模式被越来越多的学者接受.关于西南次海盆的形成时代、海底扩张的期次和扩张时间等问题，存在着很多观点.有学者认为西南次海盆的形成早于中央次海盆^{[6， 7]}，也有学者认为与中央次海盆同时形成^{[1， 2， 47]}或者晚于中央次海盆^[48].磁异常条带的识别是进行南海海底扩张模式探讨的主要依据，目前关于南海的磁异常条带以Briais等^[10]和Hsu 等^[49]的解释结果最具有代表性(图 1a).Briais 等^[10]提出在磁异常11～7(32～21 Ma)期间，南海海底扩张活动主要发生在西北次海盆和中央次海盆，在磁异常7～6b (26～24 Ma)期间，扩张脊发生了一次向南跃迁的过程，并且扩张脊走向由近E-W 向转变为NE-SW 向，西南海盆开始扩张；随后，中央次海盆与西南部海盆在磁异常6b～5c(24～15.5 Ma)期间同时发生扩张，并最终在15.5 Ma(磁异常5c)时海底扩张活动停止.

973项目南海南部多道地震资料的采集工作是由广州海洋地质调查局“探宝号”调查船于2009 年5月20 日～6 月10 日完成的.采集参数如下：480道电缆长度6237.5m，气枪总容量为0.083 m³，记录长度12s，采样间隔为2 ms，近炮检距为250 m，炮间距为37.5m，道间距为12.5 m，覆盖次数80.“973项目”委托中海油能源发展股份有限公司特普地球物理分公司对南海南部二维测线地震资料进行处理.处理采用了高精度的Radon 变换去多次波、多域去多次波、迭代偏移速度分析、叠前时间偏移等技术，获得了较好品质的叠加剖面，其中NH973-1测线长度为523km(图 1).而Moho面深度的资料，本文采用了宋海斌^[45]1998 年利用三维频率域变密度迭代方法计算的结果，考虑海水层和沉积层的校正，压制了浅部的干扰(图 1和图 2).

同裂谷期的沉积层序(T_g-T₅)，裂谷期的沉积层序仅限于南、北两侧陆缘的沉积凹陷，晚中生代至早渐新世的拉张作用在南、北两侧边缘的陆坡形成一系列半地堑，为新生代地层沉积提供了可容空间，沉积中心位于主断层下降盘一侧，厚度由沉积中心向隆起方向减薄，呈典型的楔形半地堑充填样式.沉积层序层理较为清晰，以近水平状分布，受控于基底断层和火成岩隆起，横向上略有起伏，顶界粗糙，与裂后沉积呈上超不整合接触T_g 为新生界沉积层的基底，地震反射特征非常明显，表现为两组能量很强的反射同向轴.海底扩张时岩浆沿扩张脊上涌向两侧推挤生成新的洋壳，因此洋盆的沉积层基底的年龄介于海底扩张开始至结束.新生代沉积层基底上、下都伴有能量很弱的弱反射带，基底下部的弱反射带多为侵入岩，上部的弱反射可能是火山熔岩流或火山碎屑沉积.受裂谷阶段断层切割影响，下部反射层横向连续性差，起伏很大，而上部反射层仅发育有较少的贯穿基底断层，且对沉积层的影响较小，活动较弱.

裂谷后期(对应于海盆区的漂移期、后漂移期)的沉积层序，即陆缘的T₅ 反射界面至海底，为典型的广海沉积，层内反射与海底近平行分布，横向连续极好，振幅强，起伏很小.北部陆坡表现为向海一侧下倾，凹陷内充填了近300 ms的沉积物，且与海底和基底形态耦合的很好.在南部陆坡发育的一系列地堑、半地堑和复式地堑中填充了近600～1000ms的沉积，裂后沉积层序中-晚中新世断层活动非常发育，发育有大量陡立的小断层(图 2和图 3).

图 3

Fig. 3

图 3 南海西南次海盆北部边缘NH973-1测线地震解释 Fig. 3 Seismic interpretation of the northern slop of line NH973-1， the southwestern sub-basin of SCS

西南次海盆中追踪出T₂，T₃，T₄ 和T_g 反射界面.T₂ 和海底之间存在的一个反射界面(图 5)，地震反射特征明显，连续性好，能量强，频率高，分布广泛，可能是新近系与第四纪的分界T_g-T₄ 之间的沉积层横向起伏很大，发育有很多下切至基底的断层.西南次海盆洋壳基底起伏很大，但埋深较浅(6700～7000ms)，洋壳基底上覆沉积层地震反射能量强，海底扩张结束后填充了约600～1200ms的沉积，受断层的影响较小，以水平板状展布为主，表现出广海沉积环境的特征.西南次海盆岩浆活动非常发育(图 2，图 4和图 5)，海底扩张结束后在洋盆中仍然存在小规模的岩浆活动.图 4 所示裂后沉积层中保留的海底扩张结束后晚期岩浆活动的迹象：该岩浆活动较为剧烈，发生于T₂-T₃ 阶段(11.6～5.3 Ma)，T₂-T₃ 之间的地层发生了上拱变形，下部反射(T₃-T₄)呈乱岗状，T₄ 以下的沉积层反射的横向连续性也受到影响.这是一次晚期火山喷发，表明了西南次海盆地区存在扩张后的岩浆活动.

图 4

Fig. 4

图 4 西南次海盆的火山构造 Fig. 4 Basement high related with the magma intrusion in the southwestern sub-basin of SCS

图 5

Fig. 5

图 5 西南次海盆基底 (a)火山型；(b)掀斜断块型. Fig. 5 Oceanic basement of the southwestern sub-basin of SCS, related to the volcanic build-ups (a)，and fault blocks (b)

根据西南次海盆基底形态特征，将西南次海盆的基底分两种类型进行描述(图 2 和图 5).一种类型表现出明显的不规则起伏基底(CMP15000～16500)，从沉积基底贯穿整个沉积层序，有的出露至海底，形成高出周边深海平原800ms的海山(图 5.a).通过反射地震资料可以清晰看到，出露海底的海山形态较为对称，由于反射地震的分辨率有限，难以对其深部进行成像，很难确定是否有海底扩张后岩浆活动的影响，而西南次海盆海底扩张后尚有一些岩浆活动(图 4)；另一种表现为掀斜断块的特征，在西南次海盆南部(CMP17500～19000)，发育有一系列南倾的大断层，将基底切割成若干断块，伴有明显的掀斜、反转.基底的地形起伏大，且反射能量强，横向连续性较差，并且基底表现为一组能量较强的层组，内部为透明状反射.Direen^[52]和Sayers^[53]分析Great Australian Bight海盆时，认为洋盆基底上厚度约300ms的透明反射层，是破裂、反转的残留的裂谷前的地层.NH973-1测线穿越的西南次海盆基底以上的透明状反射层厚度约50 ms，但是洋盆内不会有裂谷期甚至裂谷前的沉积，因此可能是洋壳形成时的火山岩或火山碎屑岩，也可能是侧向搬运过来的.西南次海盆洋壳基底起伏变化与海底扩张的扩张速率和岩浆活动的强弱有关，当地幔快速上涌时，岩浆活动剧烈，相应的扩张速率较大，形成火山隆起，而掀斜断块型的基底则对应于地幔物质较低的上涌速率和强度，扩张速率小，因此脆性变形则更为明显.

西南次海盆中央裂谷(CMP9500～12500)有巨厚的沉积层，最大沉积厚度达2500ms左右(图 6).典型的海底扩张表现为沉积层厚度由洋中脊向两侧逐渐增厚，而西南次海盆恰恰相反，由扩张中心向两侧逐渐减薄，至陆坡附近沉积层厚度又逐渐增厚，并且洋盆下部的Moho面深度变化也有明显的不同.一般洋盆Moho面深度自洋中脊向两侧逐渐增大，地壳厚度逐渐增厚，而西南次海盆的沉积层基底与其下面的Moho面并非镜像一一对应，而且扩张中心的Moho面深度大于邻区周边的Moho面深度，但变化幅度不大.洋盆中部Moho 面深度一般在12～13km，向两侧边缘逐渐增加，整个海盆Moho面深度一般在15km 以内(图 2).针对西南次海盆的这种特殊情况，姚伯初^[7]在1994年提出可能是中央的裂谷下切至大洋层2(或3)，由于地幔物质上升突然停止，地壳失去扩张动力，因而形成“死亡裂谷”.在西南次海盆的东北部以及西南次海盆东南部水深3000～4000 m 的大洋深处，采集到了花岗岩和古老沉积岩的样本(1yDG、2yDG 和3yDG 站，位置见图 1a)，1yDG 站位样品的同位素测年结果表明花岗岩形成于早白垩晚期，2yDG 站位的样品不但有花岗岩还有变质沉积岩(云母石英岩)^[51]，也指示西南次海盆南缘陆坡坡脚(中业盆地)是陆壳.因此，中央裂谷的非对称性，沉积厚度不均匀性，以及NH973-1测线的西南方向磁异常条带逐渐消失，说明该区域处于海底扩张带与裂谷带的边缘，或者并没有发生海底扩张而只是残留的裂谷演化(或“死亡谷”)，而西南次海盆是洋盆还是大陆裂谷？均说明西南次海盆经历的不是一个完整的、全区的海底扩张^[38]，如果3yDG 采集的岩石样品分析无误，也是花岗岩，那么对西南次海盆的海底扩张模式的解释将带来很大的困难，就目前有限的资料，尚无法做最终的判断.

图 6

Fig. 6

图 6 西南次海盆中部扩张中心的地震反射剖面 Fig. 6 Profile of the central spreading center of the southwestern sub-basin of SCS，Line NH973-1

图 7

Fig. 7

图 7 西南次海盆南缘洋陆过渡带巨厚沉积体 Fig. 7 The thick sedimentary body in the ccean- continental transition zone and the south side of the southwestern sub-basin of SCS

北部边缘陆坡相对较陡，有多个被基底隆起分割的凹陷，沉积层厚度平均约500ms，最大也不过700ms(图 2，图 3).北部边缘分为3 个区域：A 段(CMP600～1600)呈倾斜板状分布，新生代基底反射能量强，起伏大，连续性差.T₅-T₃ 反射界面之间的沉积层发育有众多向南倾斜的小断层，且内部反射能量较强.B 段(CMP1600～2400)被基底隆起分割为3个凹陷，凹陷内部反射同相轴连续性较好，明显受到晚期岩浆活动的改造.T₅-T₃ 之间沉积层内的断层活动相对较弱.C 段(CMP2400～3200)为北部下陆坡，倾角明显大于南缘，并且内部反射杂乱但可以见到弱的下倾反射，能量不是很强，较为连续的平行，因此有可能是受北侧火成岩隆起的影响，改变了该区域沉积物的构造格局，形成相对较陡的坡脚(图 2和图 3).

北部边缘海底地形变化较为平缓，与新生代基底近似平行，向洋盆一侧过渡倾角逐渐增大，下坡倾角较陡，其下可能存在火山.凹陷规模不大，沉积层较薄，火山活动较弱，规模小，尽管沉积层的小断层非常发育，但断距很小，由此推断北侧边缘的构造活动相对较弱(图 3).深部的地壳结构表明，北部边缘的Moho面埋深浅，约12～18km.地壳厚度较薄，由北向南地壳逐渐减薄，但是减薄速率小，一直延伸至西南次海盆的深部.

NH973-1测线南部陆坡共识别出T₂，T₃，T₄，T₅、T7 和Tg 共6个新生代层序界面.南部边缘陆坡坡脚发育有巨厚的沉积，Moho面深度由洋到陆逐渐增大，且比北部边缘变化快，西南次海盆两侧边缘的差异与其演化历史和构造活动息息相关.南部边缘海底地形起伏很大，且南缘陆坡倾角较小，范围很大，坡脚向洋盆一侧过渡平缓，下伏巨厚的沉积，一种解释认为是新生代裂谷期沉积，受到后期重力滑塌作用的影响，内部被大量北倾的正断层切割，伴有明显的变形，使得沉积体内部地层发生倾斜或者旋转，并且造成局部的挤压变形，受两条北倾的刺穿整套沉积层序的大断层控制，与南部陆坡上的北倾的大断层构成了南部边缘的杂岩体隆起(COTZI)的边界.另一种解释认为可能是中生代的残留沉积，内部的地震反射特征的迥异和南缘坡脚的独特构造特征，使得南缘陆坡坡脚的解释需要更多的资料支撑.南缘基底隆起的杂岩体的范围、形态、地震反射特征、构造特征等非常复杂，可能包含两个或者多个隐伏的隆起、山脊，其形成与演化可能与深部作用有关，进而影响、改造了陆坡沉积层的几何形态和内部结构.对基底隆起的杂岩体的认识有助于了解南海地区大陆岩石圈的破裂、海底扩张和洋-陆过渡带的演化，而进一步的分析尚需借用重、磁等地球物理方法的综合解释.在南部边缘陆坡附近区域的拖网站位(1yDG 和2yDG)采集到的晚白垩的花岗岩^[51](采样点见图 1)，也指示该区域不是洋壳而是陆壳.深部的地壳结构表明南部边缘的Moho面埋深变化较快，洋陆过渡区域的地壳减薄速率大，可能与南部边缘坡脚巨厚的沉积有关(图 2).

对973项目“南海大陆边缘动力学与油气资源潜力”2009年新采集的多道地震资料进行了研究分析，获得以下主要认识：(1)西南次海盆深海平原南端下伏巨厚沉积体，解释为新生代裂谷期沉积，受到后期重力滑塌作用的影响，分析表明陆坡坡脚不是洋陆边界的位置，深海平原南端为陆壳分布区，也可解释为洋陆过渡带.这种情况可能在南海深海平原的其他部位也存在，南海的洋陆边界确定过程中应加以考虑.(2)西南次海盆洋壳基底存在两种类型，反映了不同海底扩张阶段岩浆活动与变形的强弱不同，与扩张速率变化有关.地幔快速上涌，岩浆活动剧烈，相应的扩张速率较大，形成火山隆起；而掀斜断块型的基底则对应于较低的地幔上涌的速率和强度，因而扩张速率小，以脆性形变为主.当然，这也可能与扩张后的岩浆活动有关.