地球物理学报  2014, Vol. 57 Issue (10): 3189-3207   PDF    
南海北部琼东南盆地地层结构与地壳伸展特征
邱宁1,2,4, 王章稳1, 王振峰3, 孙志鹏3, 孙珍1, 周蒂1    
1. 中国科学院南海海洋研究所边缘海重点实验室, 广州 510301;
2. 国土资源部海底矿产资源重点实验室, 广州 510760;
3. 中国海洋石油有限公司湛江分公司, 湛江 524057;
4. 同济大学海洋地质国家重点实验室, 上海 200092
摘要:琼东南盆地发育于前新生代基底之上,作为南海被动大陆边缘一部分,记录了南海北部裂陷盆地结构及其演化.利用最新钻井、反射地震、重力等资料,分析新生代盖层和前新生代基底地壳结构,建立盆地地层结构模型,然后计算全盆地地壳伸展变化特征.结果表明:新生代地层序列的盆地充填由西向东逐渐减薄,古近纪、新近纪以及第四纪期间(45 Ma~现今)最后沉积中心呈现逐渐向西或西南迁移趋势.下地壳局部表现为地震速度偏高(厚度2~4 km,vP>7.0 km·s-1,水平延伸范围约为40~70 km).重震联合模拟显示这里存在密度偏高特征,推测存在可能与张裂晚期和扩张早期岩浆物质底侵或混合到伸展程度较低的大陆地壳有关.计算获得的前新生代基底地壳厚度由在弱展区域陆架区约25 km,在减薄最大区域中央坳陷为3 km.伸展系数(β)最高值大于6.0出现在中央坳陷,低值小于2.0在坳陷南北两侧,说明地壳在盆地中央拉伸比较剧烈.
关键词琼东南     构造地质     地震     重力     地壳伸展    
Tectonostratigraphic structure and crustal extension of the Qiongdongnan basin, northern South China Sea
QIU Ning1,2,4, WANG Zhang-Wen1, WANG Zhen-Feng3, SUN Zhi-Peng3, SUN Zhen1, ZHOU Di1    
1. CAS Key Lab of Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China;
2. Key Laboratory of Marine Mineral Resources, Ministry of Land and Resources, Guangzhou 510760, China;
3. Zhanjiang Branch of CNOOC Limited, Zhanjiang 524057, China;
4. State Key Lab of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China
Abstract: Rifting of the Qiongdongnan basin initiated in the Cenozoic above the Pre-Cenozoic basement which was overprinted by rifting basin tectonics soon after becoming part of a rifted passive continental margin of the South China Sea. Using integrated data of sedimentary horizons, wells, seismic reflection, and the observed gravity field, we constructed a crust-scale structural model of the Qiongdongnan basin. Many characteristics of this model reflect the tectonostratigraphic history of the basin. The structural and isopach maps of the basin allow us to retrace the well-established history of the basin comprising a dominant structural trend of gradually shifting depocentre from the Paleogene sequence (45 Ma~23.3 Ma) to the Neogene to Quaternary sequence (23.3 Ma~present) towards the west or southwest. The present-day configuration of the basin implies that the basin fill of Cenozoic sediments becomes thinner towards the east. By integrating several reflection seismic profiles, interval velocity and performing gravity modeling, we have modeled the sub-sedimentary basement of the Qiongdongnan basin. The results show some high-velocity bodies in the lower part of crust (vP>7.0 km·s-1), and most probably is igneous magma underplated to the lower stretched continental crust during the final rifting and early spreading phase. The crystalline continental crust spans from the weakly stretched domains (as thick as about 25 km) near the continental shelf to the extremely thinned domains (of less than 2.8 km thickness) in the central depression, representing the continental margin rifting process in the Qiongdongnan basin. The estimated distribution of the crustal extension factor (β) of the basin shows that the factor in central depression is maximum value (>6.0), while that in northern and southern side wings is minimum value (<2.0). This model can shed light on future numerical simulation researches, including the reconstruction of the evolutionary processes from the rifted basin to the passive margin one and the evolution of the thermal field of the basin.
Key words: Qiongdongnan basin     Tectonics     Seismic reflection     Gravity     Crustal extension    
1 引言

对于多期构造和沉积历史的沉积盆地,通过综合地球物理资料分析和地质解释可以获得比较详细的认识.琼东南盆正是这样一种在前新生代基底之上发育的沉积盆地,作为南海被动大陆边缘的一部分,记录了南海裂陷盆地结构及其演化.近几十年的基础研究和油气勘探,琼东南盆地成为南海北部裂陷大陆边缘中获得较多资料的地区之一,国内外学 者在盆地构造(Chen et al.,2003; 袁玉松等,2008; Sun et al.,20092010; 任建业等,2011; Su et al.,2011;廖计华等,2012; 张中杰等,20092010;)、地球物理(Hao et al.,2000; Wu et al.,2009; 张中杰等,2009; Wang et al.,2010; 赵兵等,2011; 刘一峰等,2012;)、地热(Chen et al.,2003; 宋洋等,2011; 单竞男等,2011)、沉积演化(Clift and Sun,2006; Li et al.,2009; Yao et al.,2008; Yuan et al.,2009b; VanHoang et al.,2010)和地球化学(Cheng et al.,1991; Zhou et al.,2003; 陈多福等,2004)等方面取得不少研究认识.其中,钻井和地质露头资料显示存在新 生代沉积填充(Chen et al.,2003; Hao et al.,2000; Yuan et al.,2009a),包括新近纪和古近纪沉积岩.结合钻井资料和反射地震测线研究盆地盖层结构(Hao et al.,2000),在盆地深水区识别出存在礁碳酸盐岩储层(Wu et al.,2009),在盆地西南侧选取两条剖面计算地壳伸展因子(Clift and Sun,2006). 而然,盆地的沉积厚度在局部地区达到了15 km,直接获得比较完整的有关盆地在不同地质时期地 层资料(如钻井和地震等资料)还比较稀缺,地层结构和厚度空间分布还缺乏比较系统性认识,因此有必要建立比较完整的覆盖整个盆地地层的结构模型.

目前,随着勘探工作不断深入,新增不少地质构造、钻井、地球物理等资料,可以帮助我们进一步开展对盆地研究.在本文中,利用综合地球物理资料,建立覆盖300×150 km2范围盆地地层结构模型,为研究盆地构造地层及演化提供帮助. 2 地质背景和构造地层演化

琼东南盆地(见图 1)位于海南岛东南向,地理位置位于16.5°N—N18.8°N,108.8°E—113.4°E之间,呈NE-SW向展布,西临红河断裂带和宋泓莺歌海盆地,东临珠江口盆地,南临西沙隆起(Wu et al.,2009),盆地海域面积大约6×104 km2,坳陷面积约4×104 km2,自北而南呈“三隆二凹”的构造格局,其中北部坳陷带包括:崖北凹陷、崖南凹陷、松东凹陷和松西凹陷,中部坳陷带自西向东依次发育:乐东凹陷、陵水凹陷、北礁凹陷、松南—宝岛凹陷和长昌凹陷,与北部坳陷带以崖南低凸起、陵水低凸起以及松涛凸起组成的中部隆起带分隔;南部隆起区:由陵南低凸起、北礁凸起和永乐隆起组成.

图 1 琼东南盆地区域位置和主要单元图,地图参考地形水深数据ETOPO1(Amante et al.,2009)Fig. 1 Location and important structural elements of the Qiongdongnan Basin(QB),Base map shows the elevation of the l and (topography) and sea floor depths(bathymetry)form ETOPO1(Amante et al.,2009). a)South China Sea(SCS)with the location of the QB(red frame). b)Important structural elements in the QB.

盆地位于南海北部张裂大陆边缘的西端,其西 北区域在29.3 Ma开始沿WSW-ENE轴海底扩张并伸展(Taylor and Hayes,1980; Briais et al.,1993; Zhou et al.,2002).琼东南盆地经历了不同期次的构造和沉积历史,从裂陷中和被动大陆边缘,形成到坳陷的大陆边缘盆地发育阶段.有研究认为盆地属于一个典型的被动大陆边缘,并包含两层裂陷地层:下层为同裂陷期地层序列和上层为裂后期地层序列(Taylor and Hayes,1983).琼东南盆地的形成和演化与南海形成之初有密切关系.它显示了一个被动陆缘裂陷地区沉降发展特征(Clift and Sun,2006; Van Hoang et al.,2010).上新世和第四纪期间,盆地经历一个加速沉降时期(Nissen et al.,1995a).盆地的地层序列以及相关的地球动力学事件(见图 2).

图 2 琼东南盆地区地层序列以及相关地球动力学事件Fig. 2 Stratigraphic units and in relation to geodynamic events in QB. For references see main text

根据钻井和反射地震剖面识别出的八个主要地震反射界面(T20,T30,T40,T50,T60,T70,T80,T100)确定了主要的地层序列.地震反射界面将新生代沉积地层自下而上依次分为:陵头组、崖城组、陵水组、三亚组、梅山组、黄流组、莺歌海组和乐东组(图 2).其中,反射界面T60(23.3 Ma)是一个区域不整合面,将整个地层划分为同裂陷期和裂后期序列.盆地主要源岩形成于裂陷期间(Wang,1998; Wei,2001).

盆地同裂陷期包含:陵头组、崖城组和陵水组地层序列,其构造运动是控制沉积的主导因素.其中,陵头组地层序列(T100~T80,>35.4 Ma)是一个非海洋湖泊相,表现为同裂陷的初期,它也是盆地主要源岩之一(He,2006; Zhong,2004);崖城组(T80~T70,35.4~29.3 Ma)表现为同裂陷晚期,是于近海和浅海沉积系统发展而来,显示为盆地充填的重要组成部分;陵水组(T70~T60,29.3~23.3 Ma)形成于裂陷晚期的半封闭海洋沉积环境,它是盆地重要储层之一(Wu et al.,2009).

盆地裂后期序列包含:三亚组、梅山组、黄流组、莺歌海组和乐东组.中新世是盆地重要的生物礁生长期间之一,尤其是在海侵和高水位体系域.中新世由三亚组(T60~T50,23.3~15.5 Ma)、梅山组(T50~T40,15.5~10.5 Ma)以及黄流组(T40~T30,10.5 Ma~5.5 Ma)组成.上新世由莺歌海组(T30~T20,10.5~5.5 Ma)构成.第四纪为乐东组(T20~present,< 1.9 Ma).陆架-坡折系统活动始于10.5 Ma(T40).三亚组和梅山组在开放的浅海和深海环境中形成,而乐东组、莺歌海组以及黄流组属于陆架-坡折系统(Wu et al.,2009). 3 数据资料

为了建立盆地新生代沉积盖层和前新生代基底地壳结构模型,收集了各种可用数据资料.其中,使用ETOPO1 提供现今研究区地形水深参考,研究区海域地质图和钻井资料(Hao et al.,2000; Wu et al.,2009)提供有关主要地质层序列最可靠信息.自由空间重力异常使用最新1弧分分辨率的全球海洋重力V19.1(S and well and Smith,2009)资料.地震资料使用42条中海油采集的二维多道反射地震 解释剖面,TWT大概在0~11 s范围,炮间距25 m.

利用各自测线(图 3)临近的钻井资料,获得时-深转换关系,对二维多道反射地震时间剖面转换随深度变化剖面.在乐东—陵水凹陷使用C35-1-2 LS22-1-1,LS13-1-1 以及LS33-1-1等钻井资料,在北礁凹陷使用YL1911,在长昌凹陷使用CC26-1-1,在松南—宝岛凹陷综合使用ST36-1-1,LS8-1-1,LS4-2-1,BD15-3-1 以及BD23-1-1等.

图 3 研究区盆地的沉积地层的结构图和等厚图Fig. 3 Spatial distribution of structural,well,and geophysical data for the structural model of the Qiongdongnan Basin.(include many reflection seismic survey lines is white line,mentioned L1~L5 in main text is white thick line,1 ocean bottom hydrophone(OBH)(Qiu et al.,2001) and 1 transect of exp and ing spread profiles(ESP)(Nissen et al.,1995b)(orange line)

利用穿过研究区反射地震剖面解释给重力模拟提供主要地层深度参考,盆地中央的莫霍面大约25 km,南北两翼大约16 km.自由空间重力异常在盆地中央显示一条主要的西南向条带负异常,其中表现的重力正的高异常值可能与大陆边缘地壳的分布有一定关系.根据反射地震提供多条测线上的地壳结构为参考,通过反演拟合计算出研究区实测重力数据获得密度分布结构.

伸展系数(β)可以用来描述盆地伸展程度估计.根据McKenzie(1978)经典理论,岩石圈纯剪的减薄程度可以通过伸展系数描述.它是计算热沉降和研究盆地演化结构的主要参数.在本文中,我们假设研究区初始地壳厚度为30 km. 4 新生代盖层结构

根据地震剖面解释地层结构,收集整理研究区地质背景、钻井等资料,经过插值等处理获得覆盖约300 km×150 km范围的地层深度和厚度图,结构模型的水平的东向和北向分辨率约为1 km,垂直向分辨率最大值为单个地层序列厚度约8 km.模型包含以下地层序列:

前新生代基底地壳(Moho~T100)(>45 Ma)

新生代沉积地层(T100~seabed)(45 Ma~现今)

早第三纪地层(T100~T60)(45~23.3 Ma)

陵头组地层(T100~T80)(45~35.4 Ma)

崖城组地层(T80~T70)(35.4~29.3 Ma)

陵水组地层(T70~T60)(29.3~23.3 Ma)

晚第三纪地层(T60~T20)(23.3~1.9 Ma)

三亚组地层(T60~T50)(23.3~15.5 Ma)

梅山组地层(T50~T40)(15.5~10.5 Ma)

黄流组地层(T40~T30)(10.5~5.5 Ma)

莺歌海组地层(T30~T20)(5.5~1.9 Ma)

第四纪地层(T20~seabed)(1.9~现今)

乐东组地层(T20~seabed)(1.9 Ma~现今)

沉积地层结构模型划分成两个主要部分:早第三纪地层(45~23.3 Ma)和晚第三纪—第四纪地层(23.3 Ma~现今),它们分别对应为陆间裂陷弃填期间与裂后期间被动大陆边缘发育.以下为主要地层的深度和厚度分布,据此我们可以认识盆地的重要单元的结构特征. 4.1 新生代沉积

沉积地层主要包含:早第三纪地层(45~23.3 Ma)和晚第三纪—第四纪地层(23.3 Ma~现今)覆盖了盆地的裂陷和裂后期间,其中,主要地层序列的结构图和等厚图显示在图 4(i,j).新生代地层(45~23.3 Ma)基底深度分布趋势是,从盆地西南部的乐东—陵水凹陷附近呈现最大值(>20 km),向盆地的东北部的神狐隆起呈现最小值(<2 km),沿着NNE-SSW方向逐渐变化.地层厚度分布趋势是,从盆地西南部的乐东—陵水凹陷附近呈现最厚(达到18 km),向盆地陆架附近最薄(<0.6 km).地层厚 度分布特征为:(a)中央坳陷比南北两侧厚约10 km;(b)盆地的西部充填比东部厚6 km;(c)盆地中心从早第三纪(45~23.3 Ma)到晚第三纪—第四纪(23.3 Ma~现今)显示向西或西南逐渐迁移趋势.

图 4 研究区盆地的沉积地层的结构图和等厚图Fig. 4 Base depths(left) and thicknesses(right)of the modeled sedimentary units plotted together with major structural elements of the QB
4.2 早第三纪地层

早第三纪地层(45~23.3 Ma)属于同裂陷期,主要包括:陵头组地层、崖城组地层、陵水组地层.其构造运动受沉积作用模式主控.地层结构图和等厚图分别显示在图 4(a,b).地层深度分布趋势是,从盆地中央附近呈现最深(>15 km),向陆架附近为最浅(<2 km),沿NNE-SSW向逐渐变化.其中,盆地西南的乐东—陵水凹陷基底的深度约为16 km,相比盆地东北部的松南—宝岛凹陷更深.地层厚度 分布趋势是,从盆地中央坳陷附近呈现最厚(>10 km),向陆架附近呈现最薄(<0.2 km).其中,盆地西南部的乐东—陵水凹陷相比盆地东北部的松南—宝岛凹陷更深.

(1)陵头组地层(45~35.4 Ma)沉积相为湖相,在北部湾盆地显示除顶底为灰色砂岩和沙砾岩外,大部分为暗色砂岩和油页岩(廖计华等,2012).

(2)崖城组地层(35.4~29.3 Ma)形成于同裂陷早期,近海和浅海沉积系统发育,它反映了盆地充填的主要部分.沉积相主要有:滨浅海相、扇三角洲相以及沼泽海岸平原相.岩性特征为灰白色砂质砾岩、砾状砂岩、粉细砂岩与浅灰色泥岩互层夹薄层煤层和灰屑.基底深度和厚度分别显示在图 4(g,h).地层深度分布趋势是,从盆地西南部的乐东—陵水凹陷附近呈现最深(达到16 km),向盆地东北部的松南—宝岛凹陷附近呈现最浅(<2 km).地层厚度分布趋势是,从盆地西南部的乐东—陵水凹陷附近呈现最厚(达到4.5 km),向盆地的陆架附近呈现最薄(<0.1 km).

(3)陵水组地层(29.3~23.3 Ma)形成于同裂陷晚期,沉积相主要有:滨浅海相和扇三角洲相.岩性特征为灰白色、浅灰色含砾不等粒砂岩、细砂岩等.基底深度和厚度分别显示在图 4(e,f).地层深度分布趋势是,从盆地西南部的乐东—陵水凹陷附近呈现最深(> 18 km),向盆地东北部的神狐隆起呈现最浅(<2 km),沿着NNE-SSW向逐渐变化.地层厚度分布趋势是,从盆地西南部的乐东—陵水凹陷附近呈现最厚(达到5 km),向盆地的陆架附近呈现最薄(<0.1 km). 4.3 晚第三纪地层

晚第三纪—第四纪地层(23.3~1.9 Ma)形成于裂后期,主要包括:乐东组地层、莺歌海组地层、黄流组地层、梅山组地层以及三亚组地层.地层的基底 深度和厚度分别显示在图 4(c,d).地层深度分布趋势是,从盆地西南部的乐东—陵水凹陷附近呈现最深(>8 km),向盆地东北部的神狐隆起附近呈现最浅(<1.5 km).地层厚度分布趋势是,从盆地 西南部的乐东—陵水凹陷附近呈现最厚(达到10 km),向盆地东部的长昌凹陷附近呈现最薄(<0.3 km).

(1)三亚组地层(23.3~15.5 Ma)形成于裂后、被动大陆边缘期间.沉积相为滨浅海相和半深海相.岩性特征为灰白色、浅灰色粉砂岩与深灰色泥岩呈不等厚互层等.

(2)梅山组地层(15.5~10.5 Ma)形成于裂后、被动大陆边缘期间.沉积相为滨浅海相和半深海相.岩性特征为浅灰色泥质粉砂岩、细砂岩与深灰色泥岩呈不等厚互层等.

(3)黄流组地层(10.5~5.5 Ma)岩性特征为浅灰色粉砂岩、泥质粉砂岩与深灰色泥岩呈不等厚互层等.

(4)莺歌海组地层(5.5~1.9 Ma)岩性特征为深灰色泥岩、间加灰色砂岩和泥质砂岩等. 5 前新生代基底地壳结构

盆地发育成为一个典型的张裂大陆边缘,记录着其开始不久后的新生代张裂盆地构造.为了更清楚了解盆地演化过程,对盆地的前新生代基底地壳结构研究很必要.结合已有有关地壳组成信息,我们利用解释的地震剖面以及绘制出的地层序列结构图和等厚图(图 4)与重力资料(图 5,6)模拟推测壳幔边界和结构.

图 5 反射地震测线、层速度及其解释的地层界面(其中a,c,e,g分别是Line 1,2,3,5反射地震剖面,b,d,f,h 是层速度)Fig. 5 Profiles of reflection seismic survey line(Line 1,2,3,5) and the corresponding seismic interval velocity

图 6 研究区自由空间重力异常参考(Sandwell and Smith,2009)Fig. 6 Measured gravity field of the study area. The free-air gravity anomalies from 1 arc-minute resolution global marine gravity V19.1(Sandwell and Smith,2009)
5.1 地震速度

盆地在热沉降和沉积作用形成地壳减薄的地方发育成张裂大陆边缘.盆地坳陷带地壳被减最薄.利用CNOOC的几条测线(L1,L2,L3和L5)(见图 3)反射地震剖面及层速度资料分析地震速度结构,其中a,c,e,g 分别是L1,L2,L3,L5反射地震剖面,b,d,f,h 是层速度.

其中,测线1(见图 3)位于长昌凹陷,长度为189.3 km..测线2位于长昌凹陷的西部区域,长度为194.3 km..这两条测线都是从西北向东南穿过神狐隆起、长昌凹陷以及永乐隆起带,呈NW-SE走向.测线3长度为178.6 km,穿过长昌中央凹陷,呈SW-NE走向.测线5位于乐东—陵水凹陷,长度为190 km,从西北向东南穿过盆地北部坳陷带、北部隆起带以及中央坳陷带,呈NW-SE走向.

地震剖面(图 5)显示,长昌凹陷东部的张裂不整合面(ROU)表现为一个半地堑,向北倾的不整合.沉积地层在盆地南北两侧出现最薄的2 km厚度,在盆地中央出现最厚达9 km,并由西向东有逐渐减薄趋势.古近纪地层(45~23.3 Ma)的层速度范围约为2.8~5.5 km·s-1,而第三纪—第四纪层速度范围约为1.7 ~3.0 km·s-1.

在沉积盆地下,在地震剖面TWT 8.0~10.0 s处可见一个明显的、具有大振幅、低频率,并形成一个次连续等特点的地震反射界面,并可以连续地在地震剖面跟踪,可初步推测为Moho面.此外,在 Moho面之上约1.0 s处可见一个次连续的地质体,速度7.0 km·s-1,初步推断位于下地壳的速度异常体. 5.2 岩石密度

穿越研究区分有多条反射地震剖面,我们以这些剖面解释信息作为参考,假设盆地中央区域深度为25 km,盆地南北两侧深度小于16 km.

图 6底图参考1弧分分辨率的全球海洋重力资料V19.1(Sandwell and Smith,2009,标注说明: HI—海南岛; HU—海南隆起带; NSB—北部坳陷 带; NUB—北部隆起带; CSB—中央坳陷带; SUB—南部隆起带; YUB—永乐隆起带; SU—神狐隆起带; CS—长昌凹陷; YB—宋弘莺歌海盆地; LLS—乐东陵水凹陷; HS—华光凹陷; GS—甘泉凹陷; BS—北礁凹陷; BU—北礁隆起; SBS—松南宝岛凹陷; SDS—松东凹陷; SXS—松西凹陷; YNS—涯南凹陷; YBS—涯北凹陷; YU—涯城隆起(参考Hao et al.,1998; Hao et al.,2000修改).

重力异常参考最近的1弧分分辨率的global marine gravity V19.1(Sandwell and Smith,2009资料.结果显示,盆地中央存在一条明显的西南走向的正负相间异常,这个特征可能与张裂大陆边缘地壳结构有部分联系.

利用重力异常模拟计算以获得研究区密度分布的地质结构模型(见图 7,其中a,b,c,e 分别是测线L1,L2,L3,L5).在计算中,从新生代沉积盖层到上地幔,将地壳划分成多个沉积地层和前新生代基底地壳等密度分层结构模型.计算中,部分参考地形水深(图 1)、反射地震解释剖面地层序列变化深度(图 4)以及附近钻井岩性等资料.另外,还参考有关文献给出的盆地附近观测的OBH(ocean bottom hydrophone)(Qiu et al.,2001)、ESP(exp and ing spread profiles)(Nissen et al.,1995a)等资料.其中,模型设计上地 壳密度为ρ=2.65 g·m-3,下地壳为ρ=2.8 g·m-3.

图 7 利用反射地震剖面提供沉积地层和壳幔边界参考通过重震联合模拟获得地壳密度分布结构图,其中a,b,c,e 分别是测线L1,L2,L3,L5.Fig. 7 Results of the gravity modeling from modifying the initial model which is characterized by the sedimentary layers and rough continental crust through interpreting the reflection seismic survey lines(L1~L5)

利用地壳深度地震速度资料(vp=6.2~6.6 km·s-1),结合钻井以及速度与密度经验公式,获得地壳密度初始值和大概变化范围.另外考虑 有文献(Barton,1986; Christensen and Mooney,1995)报道南海北部附近出现的下地壳高速体(vp= 7~ 8 km·s-1).研究区地幔密度假设为ρ=3.2 g·cm-3.

在重力模拟计算中,参考前面已经获得地震剖面解释地层结构模型,重力长波长异常主要反映深部地质体.反射地震剖面显示前新生代基底地壳向东减薄,新生代沉积盖层向东增厚趋势.根据这些资料参考,进一步约束反演出深部地壳密度结构. 5.3 地壳伸展

根据McKenzie(1978)经典理论,我们利用前面反射地震、重力模拟解释结果,假设研究区初始地壳厚度为30 km,估算出反映地壳伸展程度的伸展系数β(见图 8).主要特征有:

(1)伸展系数β由南北两侧到中央坳陷逐渐增 加,在南北两侧大约为1.3~2.0,而中央坳陷>4.0.

(2)在陵水隆起带和松南隆起带的两侧,出现伸展系数β>6.0,其中一个位于乐东—陵水中央坳陷,呈现NE方向高值;另一个位于宝岛—长昌凹陷西部,呈现N-W向高值.

(3)与Clift and Sun(2006)文献中展示的测线C-37-79和C-57-79伸展系数β相比(图 9),总体趋势大体一致.

图 8 估算盆地地壳伸展系数β平面分布图Fig. 8 The distribution of the estimated crustal extension factor β of the basin

图 9 估算地壳伸展系数与Clift and Sun(2006)文献中C-37-79 and C-57-79测线比较(Clift and Sun,2006)Fig. 9 Results of the estimated crustal extension factor β of the basin compared with the survey lines C-37-79 and C-57-79(Voss and Jokat,2007
6 结论

使用反射地震、重力、钻井以及地质等资料,建立琼东南盆地的地层结构模型,包括:新生代沉积覆盖层和前新生代基底地壳,为研究整个盆地区域演化提供研究参考.

(1)依据新生代地层结构和厚度分布特征(图 4),我们可以认识到盆地在古近纪、新近纪以及第四纪期间(45 Ma~现今)最后沉积中心呈现逐渐向西或西南迁移趋势,由此可推断,盆地结构显示了新生代沉积地层序列盆地充填向东减薄.

(2)下地壳零星侵入地震速度异常偏高特征,厚度约为2~4 km,vP>7.0 km·s-1,水平延伸范围约为40~70 km.与典型火山型被动大陆边缘(VPM)的特征相比,例如格陵兰岛(Nissen et al.,1995b),挪威附近(Gernigon et al.,2003),纳米比亚附近(Fernàndez et al.,2010)以及北美东部大陆边缘等,高速体呈现规模小、厚度薄等.由于研究区盆地远离洋陆转换带(COT),所以不能找到自由空间重力异常的边界异常特征.与此相比,该区没有出现明显的密度差,推测可能与张裂晚期和伸展早期岩浆物质底侵或混合到伸展程度较低的大陆地壳有 关(Dahl-Jensen et al.,1998; Nissen et al.,1995a).

(3)前新生代基底地壳厚度由未伸展区域位于陆架附近约为25 km,变化到最大程度减薄区域位 于中央坳陷厚度约为2.8 km.另外,位于盆地东部 的长昌凹陷出现最薄的前新生代基底地壳约为<3 km,位于盆地西部的乐东—陵水凹陷出现次薄的地壳<3.5 km.伸展系数(β)高值>6.0出现在中央坳陷,低值<2.0 在坳陷南北两侧,说明地壳在盆地中央拉伸比较剧烈.

计算结果和认识可以对南海北部裂陷盆地结构及其演化研究提供参考,如从裂陷盆地到被动大陆边缘演化和盆地热场演变过程的重构等工作.

致谢 感谢由中国海油湛江分公司为本研究提供宝贵的反射地震等地球物理资料,国土资源部海底矿产资源重点实验室提供技术和计算软件支持,同济大学海洋地质国家重点实验室和中国科学院边缘海重点实验室提供大力研究指导和帮助,特别感谢本文匿名评审专家及编辑提出的重要的修改意见和建议.
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