南海是全球低纬度地区最大的边缘海.由于处于欧亚板块、菲律宾板块和印度—澳大利亚板块的交界处，南海的形成与演化历史对认识三大板块中生代以来的交互作用具有重要的意义.南海本身经历的大陆张裂-海底扩张-俯冲消亡的完整过程也为研究洋陆交互作用和海洋板块的演化提供了良好条件.目前对南海扩张的机制还存在巨大的争论，而南海各海盆的扩张历史是理解这个问题的关键因素.由于缺少有效钻孔资料，目前对南海扩张历史的认识主要还是建立在地磁条带的追踪上.以东经116°E为界，南海海盆分为三个次海盆，西南次海盆，东部次海盆和西北次海盆^[1].相对而言，东部次海盆磁异常条带的宽度和异常幅值较大，磁异常的识别结果相对统一.主流观点^[2-4]均认为其扩张年龄在11~5c(5d)号异常之间，对应30~16 Ma(使用1995年Cande和Kent的地磁反转年代表^[5]).但是长久以来，对西南和西北次海盆的扩张历史却一直存在不同的认识^{[2-3, 6-10]}.尤其对于面积较小的西北次海盆，其磁异常带较窄(10~15km)、长度较短(50~100km)、异常幅值较小(20~200nT)，磁条带的识别结果存在很大的分歧.

磁力资料本身的精度和分辨率是引起这种分歧的主要原因，前人的很多工作都未能在西北次海盆识别出明显的磁条带^{[3, 10, 11]}.近年来，随着我国历次专项的实施，在西北次海盆积累了大量的地球物理资料.这些资料无论是在精度(通过测线交点差评价)还是密度上均比以往数据有了大幅的提高，这为西北次海盆扩张历史的重新认识提供了良好的条件.除磁力资料本身外，残留中脊位置以及磁性体建模时基底形态也是影响磁条带追踪结果的重要因素.前人在南海进行的磁条带追踪多是简单的形态对比，所有剖面上的观测异常均和唯一的模型正演值进行对比^{[2, 9, 11]}.在没有异常幅值的定量对比的情况下，这种对比存在太多的多解性.为克服以上问题，我们首先利用OBS资料和多道地震确定了残留扩张中心和沉积基底形态^[12]，然后使用西北次海盆最新采集的高密度磁力资料进行了定量的追踪，得到了对西北次海盆扩张年龄的最新认识.同时，我们利用化极后的磁异常、反演的磁化强度和OBS反演的地壳厚度，对西北次海盆进行了中脊段、转换断层的划分和磁性结构的分析.最后我们讨论了计算结果对南海扩张历史重新认识的影响.

磁条带的追踪本身虽然具有多解性的缺点，但是相对除采样定年外的其它方法，它在确定海洋地壳年龄上仍然最为有效.实际上，Briais等^[2]的工作是目前为数不多的公开发表的西北次海盆磁条带识别的结果.他们认为西北次海盆和东部次海盆在约30 Ma(C11)时同时开始扩张，但是没有排除36 Ma(C16)和53 Ma(C24)开始扩张的可能性.除地磁数据外，包括重力、水深、热流、地震剖面等其它地球物理资料也用于约束研究南海扩张年代.但是由于缺少初始条件的准确信息，这些数据的解释反而引起了更大争议.姚伯初^[10]分析了南海西北次海盆及其邻区的地形地貌、重磁场异常和地壳结构特征，并结合地震剖面的精细解释认为西北次海盆新生代沉积比东部次海盆多一套地层(T4-Tg)，推测西北次海盆的年龄比东部次海盆老，且可能与西南次海盆为同期扩张.采纳了Briais等确定的初始海盆扩张时间后，丁巍伟等^[13]通过穿越西北次海盆的3条地震测线和一条深反射地震剖面的分析认为海盆的扩张停止于25 Ma.而Wessmann 等^[14]根据中德合作SO49航次穿过西北次海盆的地震剖面对比以及在西沙海槽南坡获得的含中渐新世-晚渐新世早期有孔虫和中始新世超微化石(NP16-NP25)认为海盆张开可能在早始新世或者晚中生代.同样利用中德SO49 航次资料，Barckhausen 和Roeser^[11]认为西北次海盆和东部次海盆先扩张，西南次海盆后扩张，张裂在时间上开始于中-晚第三纪，在空间上开始于毗邻大陆性质的西沙海槽的北西向次海盆，进而演化于从初始大陆张裂到海底扩张整个周期.初始海底扩张以后约8 Ma的洋脊跳跃导致了主扩张轴向南的迁移，使西北次海盆成为构造上的不活动区.因此海盆的两侧没有分离得很宽.除了以上新生代的推断外，周蒂等^[15]更是认为西北次海盆可能是中生代洋壳的俯冲残余.

2003-2006 年，国家海洋局各研究所共在研究区域完成了5个航次，测线总数51 条，测线长度达到8120km.在海盆的绝大多数区域，测线的间距达到10km，如图 1a所示.数据使用Geometric公司的铯光泵磁力仪进行测量.为减小船磁影响，测量时拖缆长度为3倍船长.所有的数据均使用IGRF 公式进行正常场改正，并利用地磁观测台站进行了日变改正.在将所有数据进行统一调差后^[16]，测线的交点差均方根为4.3nT.数据采样间隔为1s，最终用于磁条带追踪的测线数据抽稀为6s，约为40m采样间距.用于化极和反演的数据为网格间距500m 的网格数据.虽然高通滤波后的磁条带追踪效果更好^[17]，但是由于西北次海盆本身面积较小，低频信号较少，所以这里并没有进行高通滤波.研究区的磁异常如图 1b所示.

图 1

Fig. 1

图 1 研究区域的测线分布及磁力异常 白色数字标注了剖面名称，蓝色直线为OBS测线位置，红色直线为残留中脊位置，红色虚线为转换断层位置，红色数字表示二级中脊段的 编号.（a)水深和测线，底图为水深 [18]，白色直线为实际测线，追踪磁条带的测线使用较粗的白线表示；（b)磁力异常；（c)化极磁力异常；(d)磁化强度. Fig. 1 Tracks and magnetic anomalies in the study area The profiles are annotated with white number. The OBS profiles indicated with blue lines. The relict ridge and the transform fault are indicated respectively with the blue lines and red dashed line. The second-order segments are marked with red numbers. (a) Tracks and bathymetry [18] . The ship tracks indicated with white lines and thebold white lines are selected to interpret; (b) Magnetic anomaly； (c) Magnetic anomaly reduction to the pole； (d) Magnetization.

由于南海地处低纬度地区，磁异常不可避免地要考虑低纬度化极的问题^[19].我们采用变区域倾角化极方法，并利用迭代的平衡能量法来进行低纬度化极^[20]，这样在保证恢复异常形态的同时，也保证异常的幅值更真实.在整理、拼接近海磁测资料的基础上，将我国近海由北到南分为10个带，每带3°，中央经线为117°E，每个带上采用相应的地磁倾角和偏角进行化极，地磁倾角从北往南由约60.6°逐渐变为约16.8°，地磁偏角由-6.9°变为-1.2°.化极结果如图 1c所示.

为了减少海底地形和倾斜磁化的影响，我们利用FFT 技术反演了三维地壳磁化强度^[21].反演过程中假定磁性层为等厚，磁化方向和地磁场方向一致.为减小沉积层的影响，以去除沉积层后的水深作为磁性层的上界面，沉积层厚度数据来自NGDC 数据库^[22].为了加强收敛性，在反演过程中设置了余弦带通滤波器，滤波波长区域为3.5~ 400km.同时，为了避免边缘效应，反演所取的数据范围向研究区四周均扩大了1.5°.计算结果如图 1d所示.

利用2006年西北次海盆海底地震仪(OBS)广角反射/折射地震调查所获取的两条高质量剖面数据，结合多道地震剖面资料，通过精细数据处理、射线追踪正反演技术，最后利用重力、地震联合反演得到了西北次海盆纵向(2006-1)和横向(2006-2)的深部地壳结构模型^[12].具体两条剖面的模型见图 2，测线位置见图 1a.

图 2

Fig. 2

图 2 OBS确定的地壳结构，修改自吴振利等（2009)[12] (a)OBS 2QQ6-1 线；（b)OBS 2QQ6-2 线. Fig. 2 The crustal structure based on OBS data，after Wu et al.，(2009)[12] (a) Profile OBS 2006-1； (b) Profile OBS 2006-2.

我们选取了SBCO3和SBCO5~SBCO8测线进行磁条带的重追踪，其中SBCO5和OBS2006-1线重合，SBCO8 和多道地震SO49-17 线重合.前人在对南海的研究中大多利用海底地形起伏确定磁性体顶界面形态，但是计算表明，正演时的磁性体顶界面对计算异常形态影响较大，如图 3 所示.由于SBCO5测线和OBS2006-1线几近重合，因此我们可以选取精确的磁性体顶界面，从而能够进一步通过幅值上的定量对照，对正演结果进行定量的评价.

图 3

Fig. 3

图 3 SBCO5线的追踪 蓝色曲线为观测值，红色曲线为利用沉积基底确定的磁性体顶 界面形态的正演结果，红色虚线为利用水深确定的磁性体顶界 面形态的正演结果，红色数字标注了地壳年龄（Ma)，磁性体的 正负磁性参照Cande和Kent模型[5] Fig. 3 The identification of profile SBCO5 The observation is indicated with blue line. The model value calculated with the sediment basement model is indicated with red line and the model value calculated with bathymetry model s indicated with dashed red line. The crustal age s indicated with red numbers and the polarity of magnetic body s modeled from Cande and Kentmodel[5]

我们使用Modmag软件^[23]正演磁异常，使用的地磁年代周期表为广泛应用的Cande 和Kent模型^[5].假设磁性体厚度为均一的500m，磁化强度为±5 A/m，磁衰减系数为0.8，使用的磁偏角为-1.5°，磁倾角为23.3°.由于图 1(C)清晰地显示了磁条带的走向，因此海盆的扩张方向取相对北向160°.最后停止扩张时残留扩张脊的位置通过OBS反映的沉积基底和地壳厚度的形态来确定，如图 3所示.OBS2006-1剖面反映的沉积基底从海盆两侧向海盆中间逐步变浅，在基底顶端有一个裂谷.裂谷的位置与化极磁异常的中央高值带相对应，高值带两侧磁条带对称分布，因此我们将这个裂谷视为残留古中脊.在残留扩张中心两端大约60km 左右，地壳厚度开始由6km 左右逐步增厚，因此我们选择残留中脊两端各60km 的区域为海洋地壳.参考前人对东部次海盆和西南次海盆扩张速率和扩张初始时间的工作，我们得出两组最佳扩张时间序列:25.0~21.0Ma(C7~C6)和35.8~33.2Ma(C16~C13)，其中后者的正演值和观测值在最近、也是最大的磁异常峰值上面的对应几近完美(如图 3 所示)，在两侧峰值上的形态也较为一致，因此我们更倾向于后者.SBCO5线最佳的全扩张速率为47mm/a，在34.4 Ma前存在轻度的非对称扩张.除以上两个序列外，Briais等^[2]还提出了30.5~28.5 Ma(C12~C10)和52.5~46.5 Ma(C24~C21)两组可能的磁条带序列.如果仅仅是对照计算值和观测值的正负周期，这四组序列似乎都能和观测值一致，如图 4所示.但是其它三组序列和观测值的相关性明显小于35.8~33.2 Ma这一组，而模型和观测值的标准差明显大于35.8~33.2 Ma这一组，如图 5所示.

图 4

Fig. 4

图 4 SBCO5线不同磁条带序列正演值与观测值的比较图例中的数字表示每个磁条带序列的扩张起始和结束年龄. Fig. 4 The model value of different magnetic lineation sequences and observed magnetic anomalies The number in the legend indicate the spreading and ceased age of difference sequences.

图 5

Fig. 5

图 5 各序列正演值和观测值的相关性 图例中的数字表示每个磁条带序列的扩张起始和结束 年龄，符号边的数字表示观测值和正演值的标准差 Fig. 5 The correlations of observation and different models The number in the legend indicate the spreading and ceased age of difference sequences. The numbers beside the symbols indicate the standard deviation of observed and models

西北次海盆北东-南西方向上总长度不超过230km.扩张速率和非对称扩张等参数在一个较小的区域内应该相对稳定，因此也可以用SBCO5的参数对其它几条剖面进行正演的结果来评价磁性反转序列的优劣.SBCO3和SBCO6模型的磁性体顶界面通过从观测水深中减去NGDC 的5′×5′的沉积物厚度后得到^[22]，其中SBCO6 的残留中脊通过化极磁异常的形态确定，SBCO3 的残留中脊通过化极磁异常的对称性确定.测线两端海洋地壳的边界通过化极磁异常条带的连续性和海盆水深判断，其中SBCO6以古中脊为中心向两端取60km，SBCO3 向两端取25km.其它参数如扩张方向、磁倾角、磁偏角等均与SBCO5一致.由图 6可以看出，使用35.8~33.2Ma序列的拟合程度也相对更好.因此我们认为西北次海盆的扩张年代为35.8~33.2 Ma.之后，我们又对SBCO3 和SBCO6 进行了模型的优化，最终得到的SBCO3的扩张速率为43mm/a，SBCO6的扩张速率为45mm/a.

图 6

Fig. 6

图 6 不同模型的比较 图例中的数字表示每个磁条带序列的扩张起始和结束年龄，红色数字标注了地壳年龄（Ma)，磁性体的正负磁性参照Cande和Kent的地磁年代表[5]. (A) SBCO3 剖面；（B)SBCO6 剖面. Fig. 6 The models of different magnetic sequences The number in the legend indicate the spreading and ceased age of different sequences. The red numbers indicate the crustal age (Ma). The polarity of magnetic body s modeled from Cande and Kent model[5] (A) Profile SBCO3； (B) Profile SBCO6.

为了确定西北次海盆和东部次海盆的分界线，在SBCO6测线东侧又选取了SBCO7、SBCO8进行了磁条带的重追踪，如图 7 所示.SBCO8 线与其它测线一样是实测数据，而SBCO7的数据是从500 m×500m 网格间距的网格化数据中抽取得到.由于SBCO8与SO49-17线重合，因此可以使用多道地震数据确定的沉积基底进行磁性体建模，而在进行SBCO7的磁性体建模时依然使用NGDC 的沉积物厚度数据.使用SBCO5 的参数，通过化极磁异常确定残留中脊的位置，SBCO7 线的正演拟合值和观测值较为符合，表明SBCO7 线仍然属于西北次海盆，如图 7(A).对于SBCO8线，虽然沉积基底的数据更为准确，但是SBCO8线正演值仍然难以和观测值相一致，因此我们推断SBCO8线已经不属于西北次海盆，如图 7(B).从位置和磁异常特征上看，SBCO8也与东部次海盆存在很大的区别，它可能既不属于西北次海盆也不属于东部次海盆，而是位于两者的过渡区域.

图 7

Fig. 7

图 7 SBCO7和SBCO8剖面的追踪 (A)SBCO7 剖面；（B)SBCO8 剖面 Fig. 7 The identifications of profile SBCO7 and SBCO8 A) Profile SBCO7； (B) Profile SBCO8.

通过以上分析，我们认为西北次海盆扩张开始的时间是35.8 Ma，终止时间是33.2 Ma，平均扩张速率约为47mm/a.整个的海盆在扩张过程中基本保持对称扩张，其非对称扩张比例不超过20%.中脊最早开始扩张于SBCO5 和SBCO6 线附近，在34.8 Ma左右在其南西方向形成了一段新扩张轴，扩张最终同时终止于33.2 Ma.

得益于测量数据的密度及精度的提高，化极磁异常清晰地反映了西北次海盆的连续磁条带特征，这是在化极前的数据中无法看到的.化极磁异常和磁化强度同时在残留中脊上显示出明显的分段性.从残留中脊段两侧更老的洋壳上也可以找到相应的分段性.整个残留中脊磁异常共分为五个明显的异常段和一个可能的异常段.我们从西向东依次命名为0~5段，其中第0 段为可能异常段.异常区的化极磁异常最大值在0~100nT 之间变化，最小值从-100~50nT 之间变化.若将磁异常形态视为残留中脊的形态，则磁异常的分段性实际上反映了残留中脊的分段性.第1 段与第2 段之间的位错达到50km，1~2段和2~5段之间的位错5~10km 不等.考虑到第1段与2段之间的位错距离较大，地壳年龄的位错也超过1 Ma，因此我们将它归为一级位错(转换断层)，而其它四个归为二级位错(非转换断层不连续带).

中脊的分段性实际反映了岩浆上涌单元的变化^[24]，因此中脊段中间应该具有较浅的水深和较厚的地壳厚度，而中脊段末端应该具有较深的水深和较薄的地壳厚度.OBS2006-2 线和残留主体中脊走向一致，并且和第4段中脊几近重合，为验证中脊分段性提供了极好的条件.OBS2006-2 剖面进入海盆后有三处明显变浅的基底和增厚的地壳，分别与第3、4 和第5 段的中脊段中央位置相对应，两端减薄地壳处也与这三个中脊段末端的位置相对应.在第3、4段上的磁异常和地壳厚度的变化应该主要是受到双峰海山的影响.我们磁条带追踪时各条线扩张时间的一致性表明双峰海山是扩张结束时最后的岩浆活动引起的.考虑到离轴的磁异常显示的一致的分段性，我们认为双峰海山的两个峰位于两个中脊段上.若将第5 中脊段向OBS2006-2 线投影，则恰好对应另一个地形突起和地壳厚度的增厚.由于OBS2006-2和第5段残留脊之间有一定的距离，而且2006-2线已经靠近海盆边缘，这里并不能完全确定此处地壳增厚是否是中脊分段性本身的影响结果.同样，由于第2 中脊段和OBS2006-2 线也有一定的距离，OBS2006-2线上可能反映不出其中脊段尺度上的变化.

中脊段的长度反映了岩浆上涌单元的大小^[24]，而洋中脊的扩张速率是岩浆上涌强度的一级控制因素，因此相近的扩张速率的中脊段应该具有相近的长度.西北次海盆这些二级中脊段的长度在23~49km之间，与MAR 所做的统计相似^[24]，与两者相近的全扩张速率相符合，如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 各中脊段的信息 Table 1 The information of each segment

表 1 各中脊段的信息 Table 1 The information of each segment

相比南北两侧陆块上的强正磁化强度，整个西北次海盆表现为强的负磁化强度，其中洋陆过渡带表现为弱负磁化强度，与Hsu^[25]等在台湾西南部所做的洋陆过渡带的磁化强度相似.在整个海盆内部，比较明显的特征是沿残留中脊的弱负磁化强度.在每个中脊内部，中脊段中央部分的磁化强度表现为弱负磁化强度，而中脊段两端的磁化强度幅值相对较大，具体每个中脊段的磁化强度的变化见表 1.在所有中脊段中，东边三个中脊段的磁化强度相对较弱，其中脊段中央部分的磁化强度都在-0.5 A/m之内，而西边三个中脊段中央部分的磁化强度在-1.1 ~2.2A/m 之间.这种中脊段上两边强中间弱的磁化强度特征与大西洋中脊的观测类似^[26].很多假设，如中脊段末端橄榄岩蛇纹岩化的作用^[27]、磁性层厚度的变化^[28]、热液作用^[29]等，都可以用来解释这种现象，但是氧化铁和磁异常强度的对应关系表明这种变化可能主要受到了Fe-Ti含量的影响^[30]，而中脊段末端的岩浆分异深度较浅可能是玄武岩Fe-Ti含量较高的原因.中脊段的磁化强度的变化似乎和中脊段长度间存在线性关系，越长的中脊段对应越大的磁化强度的变化，如图 8 所示.这与大西洋中脊上观测到的中脊段上地壳厚度变化和中脊段长度的正比关系类似.

图 8

Fig. 8

图 8 中脊段的长度与磁化强度变化的关系 Fig. 8 The relationship between segment length and magnetization variations

我们的工作表明西北次海盆从35.8 Ma开始扩张，结束于33.2 Ma.这个年龄早于东部次海盆的30.0 Ma的初始扩张年龄^[2]，和姚伯初利用地震资料推断的大体时间一致^[10].如果西北次海盆和东部次海盆是同时扩张的，则两者之间的磁条带和磁化强度应该具有一致性，但是前人早已经注意到这两个海盆间磁异常特征的区别^{[15, 31]}.以经度116°E 为分界线，我们的计算结果也显示两个海盆磁场异常幅值、走向都明显不同，如图 1 所示.两个海盆间的过渡区域磁异常幅值较低，无明显正负相间的变化.因此从磁性特征上看，这两个海盆不是同步扩张的推断更为合理.

在西北次海盆内部，最早扩张的地点位于SBCO5剖面和SBCO6剖面附近，此后中脊段不断向东西两边延伸.中脊通过非转换断层不连续向东延伸形成了第5段中脊段，中脊走向由原来的70°转变为近90°.中脊在34.7 Ma通过转换断层向西南延伸，陆续形成了第1和第0中脊段，但是中脊走向并没有发生明显改变.相比海盆的停止扩张时间，海盆的初始扩张时间更难准确确定.从大陆张裂到海底扩张本来就是一个逐步过渡的过程，单纯的地球物理异常很难指出一个明确的分界线.但是通过最新采集的地形特征和磁力数据，我们仍然试探性地画出了海盆的边界(可以追踪到磁条带的部分)，如图 9所示.

图 9

Fig. 9

图 9 西北次海盆分段性与扩张历史示意图 黑色曲线为海盆边界，虚线为东部次海盆和 西北次海盆的可能分界线. Fig. 9 The spreading history and segmentation in the northwestern sub-basin Black line indicate the basin boundary and the dashed line maybe is the boundary between the northwestern sub-basin and the eastern basin.

南海一直存在一次海底扩张和两次扩张的争论.一次扩张模式是以西北次海盆和东部次海盆同时扩张为前提的，我们的工作显然不支持这种推断.除西北次海盆外，西南次海盆的年龄也是一直争论的焦点.从数据资料的精度、解译程度和合理性上看，姚伯初^[10]、Briais 等^[2] 以及Barckhausen 和Roeser^[11]所做的地震和磁条带的追踪工作相对更为可信.其它确定地壳年龄的方法，如热流和基底水深，在缺少准确的初始条件(如新生洋壳的水深等)的情况下很难用于确定具体区域的地壳年龄.如果西南次海盆扩张于42~35 Ma，这意味着三大海盆中西南次海盆最早扩张，在35.8 Ma左右西北次海盆也开始扩张，两者具有相近的扩张速率，并且同时停止扩张.在两者扩张结束之后4~5 个Ma，东部次海盆才以相近的扩张速率打开，这和地震层序的追踪相符合.整体上西北次海盆和西南次海盆均处于116°E 以西，如果南海扩张真是受到红河断裂的影响，相对来说西部受到的影响应该更大，可能会更早地开始扩张.但是这种解释需要在西北次海盆和西南次海盆之间存在一个走滑断裂.

如果是按照Briais等^[2]确定的西南次海盆年龄，则最早是西北次海盆开始扩张，之后才开始东部-西南次海盆的扩张.Barckhausen和Roeser^[11]的工作同样认为西北次海盆最早扩张，然后是东部-西南次海盆，但是他们确定的西南次海盆的扩张终止年代为20.5 Ma.值得注意的是，我们的工作也并没有完全排除西北次海盆在21 Ma结束扩张的可能性.如果是这样，则西北次海盆又有可能是和西南次海盆同时停止扩张，这又为南海的扩张顺序带来了更多的解释，但是Barckhausen和Roeser^[11]的扩张速率超过80mm/a，与我们的47mm/a的扩张速率并不相符.无论如何，完全解开南海三大海盆扩张顺序的问题需要对西南次海盆进行进一步的地震层序和磁条带的追踪.

模糊的磁条带一直是无法对西北次海盆的地壳年龄达成共识的主要原因.最新的地球物理资料首次在西北次海盆揭示出明显的磁条带特征.水深和地震资料约束下的磁条带追踪结果显示，西北次海盆的扩张时间为35.8Ma~33.2Ma，略早于东部次海盆.虽然对西南次海盆的扩张年代还有疑问，但南海显然不可能通过一次扩张形成.化极磁力异常、磁化强度和OBS资料首次在西北次海盆识别出6 个二级中脊段和一个明显的转换断层.中脊段长度、磁化强度特征和扩张速率均与大西洋中脊类似.

国家海洋局第二海洋研究所阮爱国研究员提供了地震剖面并对文章提出了诸多有益建议，国家海洋局第二海洋研究所谭勇华和汪俊采集和处理了部分的磁力数据.本文反演磁化强度的程序由美国WoodsHole海洋研究所的朱健博士后提供，大部分图件使用GMT 软件绘制^[32].