海洋地热流是地球内部热过程在海底的直接显示.它不仅包含着海底热场分布、地球各圈层中的热状态及其圈层之间能力平衡的热信息,而且也是开展热历史和地球动力学研究的基础依据.南海的地热流探测及其研究工作开展较早(Anderson et al., 1978;Taylor and Hayes, 1983;钱翼鹏,1982;Nissen et al., 1995;姚伯初等,1994),而前期地热流测量数据主要集中在南海南、北部陆缘的大陆架上.近十年来, 随着我国深水油气和天然气水合物资源勘探工作的开展和突破,使南海海底地热学研究工作逐渐向深水陆坡和海盆区推进.中海油公布了南海北部深水区及珠江口盆地和琼东南盆地浅水区34个探井的地热流数据(米立军等,2009);广州海洋地质调查局(下文简称广海局)在研发海底地热流测量技术过程中发表过西沙海槽区、神狐水合物钻探区的热流测量数据和成果(徐行等,2005、2006;李亚敏等,2010);近年海洋基础地质调查、天然气水合物勘查中也开始推广海洋地热流测量工作.迄今为止,实测和收集到南海地热流数据已超过1250个,但测点分布不匀,尤其是与南海形成演化密切相关的重点构造区——深海盆、西部走滑断裂带、马尼拉俯冲带、南沙岛礁区和南沙海槽等海域的地热流数据仍然稀少甚至空白,极大地影响全面准确地刻画南海现今地热场的时空分布规律和反映深部热状态的认识.
近年来,实施“南海深海过程演变”研究计划中,运用了大洋钻探、深拖磁测和海底地震观测等海洋调查的最新科技,为揭示南海海盆的扩张年代、洋壳的岩石地球化学成分、海底扩张的速率和深部地质结构等科学奥秘提供了丰富的、高质量的地学信息,为认识南海深海过程积累了宝贵的资料.针对南海西南次海盆长期以来存在的扩张模式和动力来源等问题,迫切需要开展与热力学理论密切相关的地球动力学研究工作.鉴于研究区存在着海底地热流数据稀疏、数据离散等现象,作者在国家自然科学基金项目资助下开展了西南次海盆海底热流数据补充采集工作.本文将介绍西南次海盆的地热流补充测量、海底沉积物样品的岩石热物性测试,结合已有地热流测量数据,重点开展南海西南次海盆的地热特征的分析和研究,为研究区深部构造的热状态及其构造热演化研究提供第一手的科学数据和地热流方面认识.
1 地质背景西南次海盆是南海具有洋壳的三大次海盆之一,位于南海海盆的西部,其整体呈NE向三角形展布,北接中-西沙地块,西以南海西缘断裂带为界与印支地块相连,东南部连南沙地块,东部以近南北向的中南—礼乐断裂与东部次海盆为邻,西南次海盆的水深3800~4640 m,是南海最低洼的地区,海底较平坦,其上发育有大小不等的海山和海丘(图 1).
地震测深资料揭示,南海海盆区具有大洋型地壳速度结构.西南次海盆中部沿NE-SW方向发育一条古扩张中心,海盆由东北部最宽不超过180 km,往西南逐渐变窄呈一裂陷槽,属未充分扩张的窄洋-裂陷区,其残留扩张中心以死亡谷的形式出现,属被动裂谷.根据海底地形和浅层沉积资料,西南次海盆具有分段性(李三忠等,2004; 李细兵等,2013),东北段表现为火山海脊,中间段为中央裂谷,西南段为沉积凹陷.海盆主要发育NE向和NW向两组断裂,NE向断裂为正断层,分布在整个海盆,并控制了早-中中新世的沉积.NW向断裂发育在西南次海盆扩张脊附近,为转换断层/平移断层,断裂表现为垂直或花状构造特征.海盆内岩浆活动剧烈,在扩张脊中部附近,火成岩体规模大且数量多,在扩张脊尾部岩体发育数量多但规模小.
有关西南次海盆的年龄一直有争议.目前IODP349航次的U1433井沉积物化石鉴定,其最底部沉积层的年龄小于19 Ma(Li et al., 2015);U1433井基底玄武岩39Ar-40Ar年龄为17 Ma(据Anthony Kopper,会议PPT,2015),与Briais等(1989、1993)根据识别6b—5c磁异常条带,确定南海西南次海盆海底扩张和停止年龄为24~15.5 Ma基本相当.根据广海局穿越海盆最新的二维多道地震剖面解释结果显示,西南次海盆T6界面为基底,年龄大约23 Ma.因此,推测西南次海盆海底扩张与停止年龄分别为23 Ma、16 Ma.
2 数据采集与测试 2.1 海底热流原位数据采集针对西南次海盆西南端海域热流测站稀少,广海局“海洋四号”船于2015年9月1—8日在研究区开展了地热流探测工作,航次编号为HY4-201508.海底热流原位探测项目是海底温度和表层沉积物的地温梯度测量.设计测站按三行平行排列,因海盆内的海底沉积物底质较硬,数据采集工作难度大.作者先后在39个不同位置进行了45次地热流数据采集工作,完成了设计预定的30个站位,作业成功率为66.7%.
测量设备使用了本文作者团队研发的FY-1型温度测量仪(下文简称“飞鱼探针”)和大型重力取样器构建而成的EWING型探针,其主要的技术指标:温度测量为-7~+52 ℃,分辨率为1 mK,测量准确度为±3 mK;取样管的长度为6 m.为了保证采集数据的质量,均采取了相应的措施.在出航之前,在天津市的国家海洋标准计量中心对设备进行了温度参数校准,确保高精度温度测量的可靠性和准确性.在作业过程中,地热流探针上还加一个倾角仪,用于监控和判别探针插入海底沉积物中是否倾斜或倾卧在海床上.其中,倾角仪量程为-90°~+90°,分辨率为0.1°,测量准确度为±0.5°.相关海洋地热流测量作业方法和早先方式一致(Pfender and Villinger;2002;徐行等,2005).地热流探针插入海底沉积物中测量时,同步采集了海底沉积物柱状样品,后送样品至室内进行岩石热物性参数测量.在HY4-201508航次中,A5测站因倾角仪出现设备故障没有获得倾角数据,其余的29个测站均有倾角数据.海底温度是以探针插入海底沉积物之前各探针的测量温度平均值为准.在解算出每个飞鱼探针的温度测量数据和精确测量飞鱼探针之间的相对距离之后,再求算出热流探针获得的海底沉积物的地温梯度,这个值称为“视”地温梯度值.
2.2 沉积物热导率测量HY4-201508航次的海底沉积物样品热导率值数据是在室内测试、校正计算后获得的.测量设备是德国TeKa公司生产的TK04热导率仪.其工作原理基于持续加热无限热源衰减理论(Von Herzen and Maxwell, 1959),测量范围为0.1~12.0 W/(m·K),测量精度为5%.本文根据沉积物样品的长度,每个样品取1~5个测试点.对研究区30个测站的样品进行了热导率测量,共获得116个热导率测量值.
2.3 沉积物生热率测量岩石中放射性元素的种类多.通常重点研究对象是具有一定丰度、生热量高和半衰期长的元素.其中,铀、钍和钾就是属于地壳内三种主要的放射性的生热元素.HY4-201508航次海底沉积物样品的生热率测试工作是委托广东韶关核工业部290研究所实验室,测试项目是针对其中一条典型热流剖面和几个典型测站,共13个测站的沉积物样品的铀、钍和钾含量,沉积物生热率是从这些参数中换算出来的.
3 数据处理与分析 3.1 实测热导率的校验海底沉积物热导率与孔隙度、物质组成、温度和压力密切相关.由于在实验室条件下获得为“视热导率”值,通常需要采用经验公式和方法进行温压校正(Hyndman et al., 1974;徐行等,2006),最终获得海底沉积物的真实热导率值.
对HY4-201508航次30个测站沉积物热导率的测量,共116个沉积物热导率的测量值.在经过温压改正之后,校正后的热导率值比室内实测结果一般小于1~4%左右,平均2%.改正之后的热导率变化范围为0.8~1.07 W·mK-1,平均值为0.86±0.06 W·mK-1,主要集中在0.8~0.92 W·mK-1之间.
3.2 热流密度值计算使用布拉德法计算热流密度值过程中,需要获得温度测量点在对应位置的沉积物热导率值.又因为重力柱状取样器插入海底沉积物过程中受贯入阻力和压实效应等因素影响,取样管内的样品往往不及取样管长度,EWING型探针不适合布拉德法来计算热流密度值.因此,本次使用EWING型探针采集到的各个测站热流密度值,是利用傅里叶公式将该站位沉积物热导率平均值和实测原位海底地温梯度值相乘得到的.在计算热流密度之前,用倾角仪数据对实测“视”地温梯度值进行倾斜校正,以获得真实的表层沉积物中的地温梯度值.
本航次获得的测量结果(表 1)显示,研究区海底温度变化范围为2.24~2.63 ℃,平均值为2.43±0.01 ℃,经过倾角改正之后的地温梯度变化范围为80.6~151.5 mK·m-1,平均值为109.5±15.5 mK·m-1;热流密度值的平均值为94.1±13.1 mW·m-2.其中,70~80 W·mK-1的测站有4个,80~90 W·mK-1的测站有9个,90~100 W·mK-1的测站有7个,大于100 W·mK-1的测站有10个.
根据Rybach修改过的天然放射性核参数而提出的岩石生热率的换算公式(Rybach,1976;赵平等,1995):A=0.01ρ(9.52CU+2.56CTh+3.48CK).其中,A为样品的放射性生热率(μW·m-3),ρ为岩石密度(g·cm-3),CU、CTh、CK分别代表岩石中铀、钍和钾含量,而且岩石生热率与岩石密度以及铀、钍和钾含量四个独立变量有关.根据广海局在研究区的调查资料,沉积物密度取值1.8 g·cm-3,对13个测站的沉积物生热率计算结果见表 2.
本次测量结果:铀(U)含量的变化范围在1.90~4.5(μg·g-1),平均值为2.92±0.78(μg·g-1);钍(Th)含量的变化范围在7.40~11.50(μg·g-1),平均值为10.00±1.08(μg·g-1); 钾(K)含量的变化范围在1.84~2.84(wt%).换算得出沉积物生热率的变化范围在0.78~1.41,平均值为1.11±0.17(μW·m-3).
3.4 海底温度数据分析表 1反映了本航次30个测站中所获得海底温度测量信息.海底温度变化范围为2.24~2.63 ℃,平均值为2.43±0.01 ℃.其中,海底温度稍高的几个测站主要位于南沙岛礁区,该区水深相对较浅,最低温度的几个测站主要位于西南次海盆靠近南沙岛礁区的洋陆过渡带上.由于研究区的地热流测站的水深均大于2000 m以上,受外部干扰小,海底温度变化不大,那些微弱的温度差异没有明显的分布规律.
图 2为HY4-201508航次30个测站的海底温度、沉积物热导率、地温梯度、热流密度值和沉积物生热率值的直方图.
为了全面地反映西南次海盆的地热流特征,作者收集了广海局近年来在研究区中测得的28个地热流测站数据.这些数据的采集方法与本次的相同,分别位于西南次海盆的中段、北段及其西部陆缘和南沙岛礁区.研究区合计58个测站热导率的变化范围为0.72~1.07 W/(m·K)之间,平均值为0.85±0.05 W/(m·K),与本航次采集的30个测站的实测结果平均值相近.
这些实测的沉积物热导率和生热率等热物性参数在空间上没有明显的分布规律,但分区统计之后出现了局部的差异.例如,(1)位于南沙岛礁区和西部陆缘沉积物的生热率较高,而位于海盆区测站沉积物样品的生热率相对要低;(2)位于南沙岛礁区和西部陆缘测站的热导率值相对较低,而海盆区的热导率值总体较高,其中洋中脊东南侧的沉积物热导率最高,洋中脊次之,而洋中脊西北侧相对较低.
沉积物热导率和生热率值的大小与沉积物含火山灰的偏基性矿物质、长石和石英等矿物成分含量密切相关.西南次海盆中的沉积物热导率和生热率值等岩石热物性参数的分布特征取决于研究区发生的地质事件,并与其物质来源和成岩环境密切相关.本次研究的岩石热物性参数的实测数据,沉积物的生热率分布特征呈现出海盆低,陆缘区高;但热导率值的分布特征则相反,为海盆区高,陆缘区低.沉积物热导率和生热率值没有规律分布的现象可能海底扩张停止之后强烈的岩浆活动、水动力作用导致了沉积环境多样性密切相关,并控制着海底沉积物物质的分布结果所致.
4.2 对早期地热流数据甄别和校正在本文研究中,作者除采集30个测站的地热流数据之外,还收集到其它热流测站60个,其数据有四种来源,分别为广海局与美国拉蒙特海洋研究所(下文简称:拉蒙特)于1985年合作采集数据22个(Nissen et al., 1995;姚伯初等,1994);早期国外航次的热流数据8个(Taylor and Hayes, 1983);广海局近年来采集的地热流数据共28个;ODP1146航次和IODP349航次在西南次海盆及邻近海域的测井数据2个.
一些学者在使用西南次海盆早期地热流数据时,发现Taylor and Hayes(1983)公布的8个测站的数值偏高,而广海局与拉蒙特合作采集热流剖面的数值偏低(Nissen et al., 1995).前人认为是测点处在特殊的构造部位或者是测量的系统误差引起的(姚伯初等,1994).在分析广海局与拉蒙特于1985年合作采集22个测点数据中,发现穿越西南次海盆的15个测点的热流密度值计算采用了一个0.70 W·mK-1的估计值,这显然和广海局近年来的实测数据平均值有较大的偏差.作者将该地热流测量剖面附近的9个测点热导率值做统计计算,其平均值为0.85 W·mK-1,与位于整个海盆测点的平均值一致.因此,将该平均值用于中美合作测量的热流剖面中的15个测站结果计算,校正后的数据比原来的数值提高了21%(表 3).
在数据整理中,发现了3个测站为低值异常.这3个测站是中美合作航次的C73和C74测站,分别位于西南次海盆的洋中脊上;另外一个测站为广海局采集的HYD49测站,其地温梯度值为18 mK·m-1,位于龙南海山的西南侧山脚下.从三个测站所处的构造位置来看,均属于断裂和岩浆活动活跃区,出现低值异常的原因是表层沉积物热量传递不是热传导起主导因素,应该是地下水热循环为主要的贡献者,不代表来自深部的热信息.因此,这些测站应属于流体干扰比较严重的测点,进一步的分析将在其它研究中展开.
4.3 西南次海盆的热流空间分布特征本文将30个新数据和57个老数据进行数据统计,地温梯度值平均值为105.0±20.2 mK·m-1,主要集中在80~100 mK·m-1区间(图 3a);平均的热流值为91.3±18.7 mW·m-2,主要集中在80~100 mW·m-2区间(图 3b).在87个数据中,南沙岛礁区的数据为15个,平均的热流值为79.0±15.5 mW·m-2;西部陆缘区数据为20个,平均的热流值为78.3±15.6 mW·m-2;位于洋陆过渡带上的测站为12个,平均的热流值为103.6±19.4 mW·m-2;海盆中的数据41个,平均的热流值为98.1±14.8 mW·m-2(图 4).
根据西南次海盆的磁异常条带划分(Li et al., 2015)所对应的地磁极性年代表中相关年龄,参考热流和年龄经验关系(Parsons and Sclater, 1977),作者用西南次海盆中东北段的26个地热流数据做了洋壳年龄与热流关系图(图中Q为热流, mW·m-2;t为洋壳年龄, Ma)(图 5).从图 5可见海洋地热流实测值比较离散.与理论值相比,靠近洋中脊的测点(15~21 Ma区间)总体趋势上随洋壳年龄增大而降低,大多数测点数据是负偏移;靠近陆缘的测点(大于21 Ma)大都是正偏移.这种现象是洋壳内不同构造位置上的表层流体活动和流体性质差异所致.其流体性质差异主要表现在流速和流向上,并由对应构造位置上的应力状态所控制.在西南次海盆中,靠近洋中脊附近的表层流体活动以下渗为主,表层的、较低温度的地下水活动使得围岩的温度下降,从而导致测点热流密度值呈低值异常;而靠近洋盆边缘的表层流体活动以上升为主,来自深部的、较高温度的流体影响了围岩,使测点热流密度值呈高值异常(汪集旸等,1996).在洋壳演化过程中,因洋壳的冷却和收缩,使海底热流递减和洋壳加深;其中收缩产生了众多裂隙.尽管后期沉积物覆盖洋壳上,并充填在裂隙中.而在年轻洋壳上沉积物较薄的地区,裂隙为后期流体活动提供通道,影响了正常的海底热传导.此外,年轻洋盆在扩张停止之后,岩石圈结构的不均匀性,后期的岩浆活动依然活跃(姚伯初,1997),这也是影响海底热传导的另一个因素.西南次海盆中海洋地热流的实测值与理论预测值相偏离是洋壳年龄较新的特征之一.
南海西南次海盆的西北边缘和东南边缘在地形地貌上虽不对称,但在地质构造特征上为一对共轭边缘(姚伯初,1997).其洋陆过渡带在东南边缘发育了南沙北缘断裂带,在西北边缘是中沙东断裂带南西向延伸部分,这两条海盆和陆缘的边界断裂均为张性断裂带,又被北西向断裂带错断,切割岩石圈(丁巍伟等,2003).从西南次海盆及其邻域的热流测点统计结果和空间展布分析来看,位于东南缘洋陆过渡带地热流测点的热流密度值大多数高于相邻海盆与陆缘区的测点,而西北缘洋陆过渡带的地热流测点只有局部区段有此现象.南海西南次海盆两侧洋陆过渡带上的热流密度特征差异是其深部结构不同所决定的.东南边缘的地幔埋深起伏变化快,西北边缘变化相对平缓(姚伯初,1999).西南次海盆共轭边缘热流密度特征的差异反应了岩石圈发生张裂和分离过程中模式的不同,导致其深部热物质上涌的方式、强度和速率的差异.
西南次海盆内测点的平均热流密度值高于两侧陆缘测点的平均值,而南沙岛礁区和西部陆缘区中测站的热流密度平均值基本相等.这是洋盆扩张后其洋壳的厚度较薄和深部热物质上涌所致的正常现象.扩张中心两翼测点的热流密度平均值也不对称,西北翼的热流密度值总体上要高于东南翼.这与西南次海盆的深拖磁测成果所揭示的洋中脊两侧的磁异常条带具有不对称性(Li et al., 2015)、海盆内重力自由空间异常和布格异常分布的不均匀性(姚伯初等,1994)密切相关.在海底扩张过程中,西南次海盆在水平方向上两翼热状态不对称性与在垂直方向中两翼岩石圈结构存在的差异相关,导致了洋盆两翼的扩张速率、地震和岩浆活动强度与规模均不相等.
按照李细兵等(2013)用南海西南次海盆的地形地貌、重力、磁力异常特征所划分的区段,对西南次海盆中的地热流探测数据进行分段统计.沿着古扩张中轴方向,各个区段的热流密度平均值自东北段向西南端有逐渐变大的趋势,海盆内东北段的热流密度平均值为93.0 mW·m-2,而西南端为106.3 mW·m-2(图 4).尤其是古扩张中轴出现方向转折之后,洋盆西南端的热流密度平均值很高,本次测量的C11测站与前人发表数据中的TAS5-15和V28-192测站的热流密度值均超125 mW·m-2,具有裂谷的高热流特征.因此,西南次海盆同时存在着大陆裂谷与洋中脊这两种不同的构造和热流特征.根据古扩张中轴方向上热流特征,在空间上,西南次海盆古扩张脊和裂谷过渡区的热流分别被几条转换断层所切割和控制;在时序上,推测其整个张裂-破裂-扩张过程自东北往西南方向渐进式发展.
5 结论通过分析南海西南次海盆及其相邻陆缘的87个有效地热流数据以及一些测站沉积物热导率、生热率等实测地热参数,结合研究区的海底地形地貌、地质和地球物理资料,对西南次海盆及其邻区的热流分布特征进行了较系统的研究,具有如下几个结论:
(1) 统计了南海西南次海盆87个数据,其中南沙岛礁区的数据15个,平均值79.0±15.5 mW·m-2;西部陆缘区数据20个,平均值78.3±15.6 mW·m-2;位于洋陆过渡带上的测站12个,平均值103.6±19.4 mW·m-2;海盆中的数据41个,平均值98.1±14.8 mW·m-2.
(2) 根据最新的实测数据,甄别和校正了1985年广海局与拉蒙特联合采集的22个地热流数据,校正之后数据与相邻的新测数据比较接近.
(3) 对南海西南次海盆沉积物的热导率和生热率值参数的测量及分析显示,热导率和生热率数据的空间分布特征无明显规律,与南海海盆形成之后盆内的水动力作用强、岩浆活动活跃和沉积物来源和沉积环境复杂等因素有关.
(4) 根据热流-洋壳年龄之间的关系,分析西南次海盆东北段内26个测站的数据,发现靠近古扩张中心的测点数据与理论值相比呈负偏移,而远离古扩张中心的测点数据呈正偏移,认为此现象是受不同类型的流体影响所致.
(5) 西南次海盆及邻域的热流特征在空间上具有一定的分布规律:洋盆区测点的热流密度平均值高于两侧陆缘;西南次海盆共轭陆缘东南洋陆过渡带上测点的地热流密度值高于邻近海盆和岛礁区,而西北缘洋陆过渡带上这种特征不明显;西南次海盆西北翼的热流密度值总体比东南翼高;沿着古扩张中心方向,热流值具有自东北向西南端逐步增大的趋势,西南端具有裂谷的高热流特征.因此,西南次海盆存在着西段大陆裂谷、中东段洋中脊分段式的构造和热流特征,在空间上,西南次海盆洋中脊和裂谷的过渡区被几条转换断层所切断和控制;在时序上,揭示了其整个张裂-破裂-扩张过程自东北往西南方向渐进式发展.
致谢参与广海局“海洋四号”船HY4-201508航次的全体调查人员和船员为此次海上资料做出了辛勤的劳动和技术支持,施小斌和李春峰与本文作者对西南次海盆地热流特征做了有益的讨论,在此表示衷心的感谢.此外,感谢审稿专家的专业意见和编辑部老师的帮助和支持.
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