地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (4): 1538-1552   PDF    
多源探测数据揭示的南海东北部三维地壳结构特征
李小林1,2, 张冬丽1,2, 张培震1,2, 李志刚1,2, 胡立天1,2, 郑文俊1,2     
1. 中山大学地球科学与工程学院, 广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室, 广州 510275;
2. 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 珠海 519082
摘要:南海东北部洋陆转换带及其邻区复杂的地壳结构一直是南海岩石圈结构研究和深水油气勘探的热点.本研究基于覆盖南海东北部的119条地球物理探测数据(包括二维地震和OBS/OBH/ESP等剖面),采用已有OBS数据拟合的时-深关系进行转换,提取主要沉积地层界面和Moho面深度信息;参考区域深钻资料,利用离散平滑与克里金插值法对研究区的数据稀疏区进行插值,在此基础上建立了南海东北部三维地壳结构模型.结果显示:南海东北部的地壳拉伸减薄具有空间差异性.平面上,可以分为地壳轻微、中等和强烈减薄区(拉伸系数分别小于1.5、1.5~2.5之间和大于2.5);Moho面深度向SW向变浅,洋陆转换带宽度由东部的50 km变窄至西部的20 km;北部陆架区发育一系列NE走向的断陷,推测主要受到滨海断裂带的控制,南部陆坡深水区部分凹陷发育巨厚沉积层,可能是由于深水区大型正断层活动和南海扩张过程中陆壳向海掀斜的共同作用.垂向上,Moho面深度与沉积层底界表现为镜像关系,上地壳拉伸系数基本都大于下地壳;且东沙隆起及其邻区的下地壳下部发育高速层,其厚度以近东西向为轴向南北方向变薄.研究揭示的南海东北部三维地壳结构,特别是Moho面结构特征,是认识其深部动力过程和构造活动的重要依据,可为探讨南海洋盆的扩张和演化提供参考.
关键词: 南海东北部      洋陆转换带      时深转换      三维地壳结构      地壳减薄     
Three-dimensional crustal structure in the northeastern South China Sea revealed by multi-source geophysical exploration data
LI XiaoLin1,2, ZHANG DongLi1,2, ZHANG PeiZhen1,2, LI ZhiGang1,2, HU LiTian1,2, ZHENG WenJun1,2     
1. Guangdong Provincial Key Lab of Geodynamics and Geohazards, School of Earth Sciences and Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China;
2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai), Zhuhai 519082, China
Abstract: The complexity of crustal structure of the ocean-continental transition (OCT) and its adjacent areas in the northeastern South China Sea (SCS) have been always a research hot-spot in lithospheric structure and deep-water oil and gas explorations. Using 119 geophysical data (including 2D seismic and OBS/OBH/ESP profiles, etc), borehole drilling data, discrete smoothing and Kriging interpolation methods in sparse data area, we show a spatial variability 3D crustal structure framework of crustal stretching and thinning in northeastern South China Sea. This result is independent of time and depth, demonstrated by both the sedimentary layer and Moho reflections. The spatial variability exhibit to be the slight, modest and intensive thinning in plane view (the stretching factor are less than 1.5, between 1.5 and 2.5, and greater than 2.5 respectively). Moho depth is shallowed towards SW, and the OCT width is narrowed from 50 km in the east to 20 km in the west. Aside from that, a series of depressions with NE-orientation on the northern continental shelf area are supposed controlled by the Littoral Fault Zone. The huge-thick sediment layers in the deep-water depressions, in addition, indicate this faulting activity and tip tilting towards the sea during the spreading of the South China Sea. In vertical, The Moho depth and the bottom boundary of the sedimentary strata show a mirroring reflection, and the upper crustal stretching factor is substantially larger than that of the lower crust. Moreover, a high-velocity layer (HVL) under the lower crust of the Dongsha uplift and its adjacent areas tends to align along E-W axis and the thickness was thinned in the N-S direction. The 3D crustal architecture in northeastern SCS revealed by the bottom boundary of the sedimentary strata inversion, especially the Moho profile morphology, will enhance our understanding of the dynamic process and tectonic activity in South China Sea, and provide additional constraints for the SCS oceanic basin spreading.
Keywords: Northeastern South China Sea    Ocean-continental transition    Time-depth conversion    Three-dimensional crustal structure    Crust thinning    
0 引言

南海处于印度—澳大利亚板块、菲律宾海板块和欧亚板块之间(Huang et al., 2003; 姚伯初, 1996),受特提斯和太平洋构造域的共同影响及不同区域构造应力作用,形成了复杂的构造地质特征(姚伯初等, 2004).南海北部深部地壳结构特征的深入研究对于理解南海的形成、扩张、演化具有重要意义(Yan et al., 2001; Franke et al., 2011; 夏少红等, 2008; 敖威等, 2012).近几十年来国内外学者主要围绕南海的形成原因(Ben-Avraham and Uyeda, 1973; Tapponnier et al., 1990)、扩张时限(Taylor and Hayes, 1983; Li et al., 2014)、动力学机制(姚伯初等, 2004; 李三忠等, 2012)等开展了许多研究工作,通过最新的磁异常条带认为南海是在33Ma开始扩张,其形成模式根据不同的动力机制提出碰撞挤出、古南海拖曳、弧后扩张、深部地幔柱作用、走滑拉分等多种扩张模型.

除此之外,国内外研究人员在南海东北部开展了不同手段的地球物理探测研究,获取了不同位置的地壳结构信息及变化特征(Nissen et al., 1995; Qiu et al., 2001; McIntosh et al., 2014; Gao et al., 2015; He et al., 2017; 卫小冬等, 2011),特别是在Moho面形态与地壳厚度变化方面的研究,取得了关于南海及邻区地壳结构特征的重要成果(Qiu et al., 2001; Hu et al., 2015; Ding et al., 2018).前人在南海东北部进行了大量的深部探测研究,采用剪切波速度(Cao et al., 2001; Tang and Zheng, 2013)、重磁异常数据(Tsai et al., 2004; Chen et al., 2018; 鲁宝亮等, 2018)、地震反射剖面(Gao et al., 2016; 赵忠贤等, 2010)、OBS剖面(Wan et al., 2017; 熊成等, 2018)等分析该区域的地壳结构.如鲁宝亮等(2018)通过重力异常数据发现南海北部陆架Moho面深度在35~24 km之间,Wan等(2017)对OBS2012剖面的解析发现在穿过大陆坡的洋陆转换带地壳急剧减薄,Moho面快速抬升,并在向海方向发现下地壳向下发育有2~3 km厚的高速体.不同学者都观察到在深地震反射剖面上Moho面表现为连续可追踪的强振幅(Yang et al., 2018; Zhao et al., 2018),但对于其深度不同的学者有不同的解释.多源探测数据的不一致性使得对于该区域的地壳结构认识出现差异,如Huang等(2005)认为白云凹陷下Moho面双程走时为9~10 s,而庞雄等(2018)认为是8~9 s,这些认识与重力得到的Moho面深度(26~24 km)也存在差异(Chen et al., 2018).Nissen等(1995)Gao等(2015)等利用OBS剖面与深地震反射剖面在南海东北部发现下地壳高速层的特殊现象,指出该区域可能存在剧烈的岩浆活动.南海东北部油气勘探潜力很大,其深水区的油气勘探正在逐步加强(张功成等, 2007; 朱伟林等, 2012),主要利用二维、三维石油地震反射剖面和钻井进行探测研究,目前在白云凹陷、荔湾凹陷和靖海凹陷等深水凹陷油气勘探已取得了重大突破(朱伟林等, 2012; 庞雄等, 2018).对深水区油气勘探的成功,加强了对南海东北部盆地沉积结构的认识,为南海的形成和演化研究提供了大量的基础资料(Zhou et al., 2015; 董冬冬等, 2008).

以上探测资料获取方式及精度各有特点,深、浅地壳结构的研究分析结果总体上具有很好的一致性,但不同类型的部分数据在一定范围或深度上存在匹配度较低的情况.同时这些探测数据在南海东北部覆盖不均匀,仍然存在一些小范围的空区和数据稀疏区,致使对南海东北部整体的地壳结构认识不清.

本文基于前人1985年以来在南海东北部采集的119条多源探测数据,选取三维剪切波速度剖面、OBS/OBH/ESP剖面、长电缆深二维地震反射剖面、浅地震反射剖面等资料,根据数据源记录特征与格式,采用不同的处理手段,进行归一化整理和数据融合,提取主要沉积地层界面和Moho面深度等信息,同时对数据稀疏区进行合理的插值,建立了较为完整精细的南海东北部三维地壳结构.在此基础上,分析Moho面等重要界面以及地壳厚度等变化特征,为深入探讨南海北部三维岩石圈结构特征、深水油气勘探区、和新生代以来的盆地拉张过程及演化研究提供参考.

1 南海东北部构造背景

南海周围发育不同的边界类型,北部为被动大陆边缘,南部为挤压边缘,以及东部的俯冲带和西部的走滑断裂带(Qiu et al., 2001; Clift et al., 2008; 鲁宝亮等, 2018).南海北部陆缘白垩纪以来经历多次构造运动(神狐、珠琼Ⅰ幕、珠琼Ⅱ幕、南海、白云和东沙运动)(Taylor and Hayes, 1983; Zhou et al., 1995),受到华南大陆边缘裂谷拉张作用与南海扩张作用,自东向西形成一系列NE-NEE走向的断陷盆地(Nissen et al., 1995; Yan et al., 2001).

本次研究为南海东北部区域,主要包括珠江口、台西南和台西盆地(图 1).珠江口盆地是在多幕裂陷作用下形成的中、新生代含油气盆地,是南海北部最大的沉积盆地(张功成等, 2007; 朱伟林等, 2012),盆地自北向南主要构造格局为三隆夹两坳(北部隆起带、北部坳陷带、中央隆起带、南部坳陷带、南部隆起带),隆起与坳陷带内部发育NE走向的次级隆起与凹陷(He et al., 2017).南海东北部的盆地与华南大陆内部主要发育NE-NEE向与NW走向的断裂(刘以宣, 1985).诸多断裂最新活动证据显示,在南海东北部曾发生多次地震,其中7级以上的3次大震均发生在NE走向的滨海断裂带附近(图 1).滨海断裂带是南海北部发育的一条深大断裂带(刘以宣, 1985),也是南海北部最大的控震发震断裂(孙金龙等, 2012),可能向下深入切断至Moho面,因此被认为是南海北部正常陆壳与减薄型陆壳的分界(赵明辉等, 2004; 夏少红等, 2008; 曹敬贺等, 2014).

图 1 南海北部构造与地震分布图 断裂及构造单元据文献(Yu et al., 2016; 孙金龙等, 2012朱伟林等, 2012; 吴中海等, 2018).地震数据来自国家地震科学数据共享中心和广东省地震局的历史地震目录(http://data.earthquake.cn/gcywfl/index.htmlhttp://www.gddzj.gov.cn/dizhenshuju/dzshuju.asp).蓝色方框为本文研究区. Fig. 1 Tectonic and seismic map of the northern South China Sea Faults and tectonic units are modified from the literature (Yu et al., 2016; Sun et al., 2012; Zhu et al., 2012; Wu et al., 2018). The seismic data is downloaded from historical seismic catalogue of China Earthquake Datacenter and Seismic Information Network in Guangdong Provence (http://data.earthquake.cn/gcywfl/index.htmlhttp://www.gddzj.gov.cn/dizhenshuju/dzshuju.asp). The blue box indicates this paper′s research area.

南海扩张演化过程中,引起了整个北部陆缘的拉张裂陷、断裂活动、Moho面结构变化等,其中东北部的洋陆转换带(Ocean-Continental Transition,简称为OCT)及其邻区的地壳结构变化较为复杂(Wang et al., 2006; Wu et al., 2012; Gao et al., 2015; He et al., 2017).洋陆转换带最早在20世纪80年代被Boillot等(1987)在葡萄牙大陆边缘的Galicia Bank和挪威大陆边缘的Voring盆地的大洋钻探中提出,随后在世界其他被动大陆边缘被广泛证实和使用,认为是存在于陆壳明显减薄到洋壳开始大面积出现的区域(Lounden and Chian, 1999; Dean et al., 2000).对于南海的洋陆转换带,自由空间重力资料分析认为是自由空间异常变化梯度最快的地方(Trung et al., 2004);而对南海东北部的OBS资料的研究认为洋陆转换带下的下地壳下部存在异常P波高速体(Wang et al., 2006),且地壳快速减薄14km(Yan et al., 2001).综合对南海洋陆转换带的认识,认为南海东北部洋陆转换带在海底地貌上为从陆坡区坡折至海盆,Moho面与地壳厚度发生强烈变化的区域内.利用洋陆转换带及其邻区的地壳结构可反映出深部的构造活动(Gao et al., 2015),因此本文主要通过建立南海东北部地壳结构特征,来深入探讨南海东北部的构造活动.

2 数据来源与处理 2.1 数据来源

本次研究所使用的数据为已发表的南海东北部地区三维剪切波速度剖面、OBS/OBH/ESP剖面、深地震反射剖面、浅地震反射剖面等共119条剖面的数据记录(图 2),其中16条ESP/OBS/OBH剖

图 2 南海东北部研究区和剖面分布图 底图为自由空间重力异常, 剖面来源于文献(Lester et al., 2014; Sun et al., 2014; Zhuo et al., 2014; Han et al., 2016; Li et al., 2016; Liu et al., 2016; Zhao et al., 2016a; Zhao et al., 2016b; Peng et al., 2017; Cao et al., 2018; 王嘹亮等, 2004; 解习农等, 2015; 钱星等, 2017). Fig. 2 The distribution of profiles and study area in northeastern South China Sea The base map shows the variation of Free-Air gravity anomaly. The source of profiles is modified from the literature (Lester et al., 2014; Sun et al., 2014; Zhuo et al., 2014; Han et al., 2016; Li et al., 2016; Liu et al., 2016; Zhao et al., 2016a; Zhao et al., 2016b; Peng et al., 2017; Cao et al., 2018; Wang et al., 2004; Xie et al., 2015; Qian et al., 2017).

面为深度域剖面,较为均匀的分布于南海东北部,103条地震反射剖面多为时间域剖面,主要分布于珠江口区域、白云凹陷及邻区.在珠Ⅰ凹陷、潮汕凹陷与台西南盆地剖面分布较少,是本研究的数据稀疏区.以上资料的原始数据格式为深度域剖面和时间域剖面,时间域剖面在深度融合时均进行了统一的时深转换.由于数据来源不一致及探测方法上的差异,在数据融合时进行数据筛选和整理,并统一到WGS84坐标参考系下的数据格式和深度信息格式,进行数据融合处理,为建立研究区内三维地壳结构模型提供基础数据约束.

2.2 数据筛选及整理

由于多种探测手段在同一区域或非常接近的地区的探测结果可能存在冲突或矛盾,同时受探测时间与技术的影响,其精度也有差别,因此首先对所有数据进行筛选、处理.随着设备技术的发展,2005年以后的剖面质量更好,在沿探测剖面地表延伸方向采集剖面地下层位深度信息的数据控制点时,2005年以前的剖面控制点间隔为2.5 km,2005年后的剖面控制点间隔为1.5 km.处理同一区域下的数据不一致时,基于探测技术手段的发展与数据精度的提高,遵循以下的原则:年份新的数据优先于年份老的数据.据研究区探测剖面分布的疏密程度计算剖面分辨率(图 2),珠江口区域剖面分辨率为9 km/条,珠Ⅱ凹陷区剖面分辨率7 km/条,其他区域剖面分辨率为15 km/条.综合控制点分布、区域内剖面分布疏密程度可知,研究区珠Ⅱ凹陷探测精度最高,珠江口一带精度次之,其他区域精度略低.在此基础上,可进一步提取控制点对应深度方向上的地壳分层、深度等信息,为建立地壳三维结构模型提供数据与基本框架.

2.3 物探数据时深转换

地震纵波速度随着深度的增加而增加,其时深转换关系是非线性变化.首先,对时间域剖面进行时深转换处理,沉积层的时深转换采用李伍志等(2011)在南海北部已有的钻井数据与OBS等数据拟合的时深转换公式如下:

(1a)

(1b)

其中,Di(i=1, 2)是海平面以下的深度(m),t是海底以下的双层反射事件(s),dw是该点的水深(m).公式(1a)为浅水区(< 300 m)时深转换拟合公式,公式(1b)为深水区(>300 m)时深转换拟合公式.

对上下地壳分界采用纵波平均速度为5.7 km·s-1进行转换,对Moho面同样采用李伍志等(2011)的时深转换公式.为验证以上时深转换的合理性,将转换后的剖面结果与OBS剖面进行对比(图 3).结果显示,利用公式对沉积层底界进行时深转换的平均差值为0.2 km,利用速度对上地壳分界转换的平均差值为1.5 km,但比公式转换的平均差值2 km更为贴近OBS剖面结果,Moho面的公式转换结果平均差值为0.9 km,在可接受范围内.因此对沉积层底界与Moho面采用李伍志等(2011)的时深转换公式,上下地壳分界采用纵波平均速度为5.7 km·s-1的转换方式是合理的.

图 3 利用公式与速度模型分别对剖面L1时深转换的结果与OBS结果比较.剖面L1位置见图 2 Fig. 3 The results of the time-depth conversion of the profile L1 are compared with the OBS results using the formula and the velocity model, respectively. The location of profile L1 is shown in Fig. 2
2.4 数据稀疏区的插值方法

由于研究区内收集的剖面分布不均,导致区内出现数据稀疏区甚至空白区.建立研究区的三维结构模型,需要进行合理的插值弥补数据空区.因此在数字化和时深转换后的119条剖面范围内,利用离散平滑插值法(Discrete Smooth Interpolation,简称DSI)与克里金(Kriging)插值法相结合对数据稀疏区与空区插值(Franke, 1982; Mallet, 1992),能够更好地使插值数据与原始数据贴合.

克里金插值法的优点是能够考虑实际点与被估计点的位置关系和与实际点间的相对位置关系,在数据量少时进行空间插值可以较大程度的保证与原始数据的吻合.而DSI插值法能使全局粗糙度函数(目标函数)达到最小,使每个节点的值尽可能的平滑.结合两种插值方法,能够提高三维空间插值数据与原始数据的贴合度与平滑度,进而获取研究区内数据稀疏区和空白区的较为合理的地壳结构变化特征.

3 南海东北部三维构造模型

根据二维OBS剖面与地震反射剖面中的地壳结构,确定南海东北部的地壳自上而下有四个重要界面:海底反射面、沉积层底界、上地壳底界、Moho面.图 4a的OBS2012剖面向海方向沉积层底界变深、Moho面从28 km抬升至20 km,地壳逐渐减薄.在地震反射剖面上能清楚的识别出沉积层底界与Moho面这两个重要界面,图 4b图 4c中Moho面的双程反射时间为9~10 s.

图 4 (a) OBS2012剖面(Wan et al., 2017), HVL为下地壳下部的高速层; (b)穿过白云凹陷的深地震反射剖面(Zhou et al., 2018), F2为白云凹陷南部断层; (c)穿过西沙海槽的深地震反射剖面(Gao et al., 2016).图(b)与(c)中的上下地壳界面由邻近的其他OBS剖面与地震反射剖面确定, Moho面为连续强烈的反射界面 Fig. 4 (a) OBS2012 profile (Wan et al., 2017), HVL indicates the high-velocity layer under the lower crust; (b) The deep seismic reflection profile across the Baiyun Sag(Zhou et al., 2018), The symbol F2 represents the southern fault of Baiyun Sag; (c) The deep seismic reflection profile across theXisha Trough (Gao et al., 2016). The upper and lower crust interfaces in Fig b and c are determined by adjacent OBS and seismic reflection profiles. In seisminc profile, Moho surface shows a continuous and strong reflection single

利用研究区内如图 4的119条剖面,对四个主要界面进行了合理的插值,最终分别建立了各界面的三维层面模型(图 5a),通过计算各层间的厚度建立南海东北部的三维实体模型(图 5b5c).为检验三维实体模型的合理性,选取了南海中部地学断面的北部陆缘部分(姚伯初等, 2006)与本文的研究进行对比分析,发现在剖面GH(图 6)中沉积层底界与Moho面的变化与地学断面的结果总体上趋于一致.三维模型(图 5b)中预测的Moho面深度与地学断面实际观测的结果之间平均误差为1.04 km,能较好的贴近实际值,因此本文的模型在一定误差范围内可较好的预测南海东北部的地壳结构.

图 5 (a) 南海东北部三维层面模型; (b)南海东北部三维实体模型; (c)实体模型中央剖面 (沿b图中红色交叉线切割的剖面,三维实体模型横纵比例为1:5) Fig. 5 (a) Three-dimensional layer model of the northeastern South China Sea; (b) Three-dimensional solid model of the northeastern South China Sea; (c) Central sections in the solid model (It is cut from the Fig.b along the red lines. The ratio of horizontal-to-vertical in 3D solid model is 1:5)
图 6 地壳结构与地学断面结果的比较.GH剖面位置见图 2, 地学断面据文献(姚伯初等, 2006) Fig. 6 Comparison of crustal structure and geotransection results. Profile′s location is shown in Fig. 2, geotransection is modified from literature (Yao et al., 2006)
4 南海东北部三维地壳结构 4.1 沉积层底界与沉积层厚度变化

南海东北部陆缘自北向南可分为陆架区与陆坡区,陆架区海底地形变化较小,陆坡区海底地形较为复杂(图 7a).由陆架到陆坡,沉积层底界埋深总体表现变深趋势(图 7b),陆架区沉积层底界变化较小,深度约为1~3 km(图 7c),沉积层厚度约为1~3 km(图 7d).沿NE方向发育一系列沉积层底界加深、沉积层变厚的小凹陷,其沉积层最厚达6 km,说明相比于周缘,同时期这些小凹陷沉积速率更快.在这些小凹陷附近发育一条NE走向、SE倾向的滨海断裂带(图 7c),OBS数据与地震剖面揭示出此断裂带可能深入至Moho面,在新生代南海扩张过程中,发生多次活动(孙金龙等, 2012; 曹敬贺等, 2014; 蔡周荣等, 2015).滨海断裂带主断裂的南北两侧沉积层底界深度出现明显差异,北部沉积层底界很浅,新生代早期沉积物大部分被剥蚀,而南部由于断裂带的活动形成半地堑,沉积层底界较深,发育较厚的沉积层(图 7d).珠江口盆地的沉降分析结果认为始新世以来构造沉降在总沉降的占比逐渐加大,并且受到珠琼运动的影响,断裂强烈活动(He et al., 2017; 马明等, 2019),综合推测陆架区一系列NE向的较厚沉积层的半地堑结构是受滨海断裂带的活动控制.

图 7 (a) 海底地形图; (b)沉积层底界三维展布图; (c)沉积层底界深度变化图; (d)沉积层厚度变化图. ①为白云凹陷, ②为潮汕凹陷, ③为台西南盆地, F1为滨海断裂带, F2为白云凹陷南部断裂 Fig. 7 (a) Topographic map of the seafloor; (b) Three-dimensional map of the bottom boundary of sedimentary layer; (c) Depth variation map of the bottom boundary of sedimentary layer; (d) Thickness variation map of the sedimentary layer. The number ① represents Baiyun Sag. The number ② represents Chaoshan Sag. The number ③ represents Taixinan Basin. The symbol F1 indicates Littoral Faults Zone, and the symbol F2 indicates southern fault of Baiyun Sag

陆坡区沉积层底界与沉积层厚度变化较为复杂,其总体趋势为沉积层底界变深,深度为3~7 km,在白云凹陷、潮汕凹陷以及台西南盆地等具有不同的特征.图 7b的沉积层底界三维形态清楚的显示出白云凹陷与潮汕凹陷的沉积层底界具有加深特征,向凹陷中心变化,白云凹陷沉积层底界深度最大可达13 km,潮汕凹陷沉积层底界深度最大可达10 km(图 7c).两个凹陷发育巨厚沉积层,白云凹陷的沉积层厚度约为6~11 km,潮汕凹陷沉积层厚度约为6~10 km,表明相比陆坡区的其他区域,相同时期内上述两个凹陷的沉积速率更快.白云凹陷的地震反射剖面显示,白云凹陷南部发育下部低角度、上部高角度的铲式正断层(图 4b),此正断层向下切上地壳深入至下地壳,其断层倾向为NW向(Gao et al., 2015; Yang et al., 2018; Zhao et al., 2018; Tang et al., 2018).断层的南北两侧沉积层底界深度明显不同(图 7c),白云凹陷北部沉积层底界很深,南部较浅.因此,白云凹陷南部大型正断层可能是白云凹陷的控凹断层,使其在新生代以来的沉积作用比周缘更强.由于白云凹陷处在复杂的陆坡区,不仅断裂会控制其沉积作用,还有其他的因素影响.比如在大约23.8 Ma时因南海洋脊的跃迁等引起的重要的构造事件——白云运动,使得南海北部整体向海发生掀斜,发生大规模海进,其沉积环境变为深水沉积,加强了沉积作用(Tang et al., 2018; 马明等, 2019).此外,在台西南盆地南部沉积层底界也呈现变深特征,深度约为9 km,沉积层厚度3~7 km,有可能是受到在大约10~5 Ma的南海北部的伸展环境下发生的东沙运动和东亚陆缘中生代俯冲增生带形成的断裂活动影响(Barber, 2000; 马明等, 2019).海盆区沉积层底界深度为6~8 km,沉积层较薄.

图 8 (a) Moho面三维展布图; (b) Moho面深度变化图; (c)地壳厚度变化图; (d)全地壳拉伸系数变化图.F1为滨海断裂带, F2为白云凹陷南部断裂 Fig. 8 (a) Three-dimensional map of Moho surface; (b) Moho depth variation map; (c) Crustal thickness variation map; (d) Crustal stretching factor variation map. The symbol F1 indicates Littoral Faults Zone, and the symbol F2 indicates southern fault of Baiyun Sag

研究区沉积层底界深度向海逐渐变深至7 km,沉积层逐渐加厚,与大断裂邻近的区域发育许多沉积层底界明显变深、沉积层加厚的凹陷,反映出在大陆裂解、南海扩张的过程中,南海东北部大型断裂的活动对于区域内沉积的强烈控制作用.

4.2 Moho面深度与地壳厚度起伏特征

综合Moho面的三维形态与计算的地壳厚度结果,可以看出,自陆架向陆坡Moho面呈抬升趋势,地壳厚度(因沉积层在晚中生代以来发生多次剥蚀、沉积作用,因此本文地壳厚度为除去沉积层后的厚度)表现为减薄特征,进入海盆区后Moho面深度最浅为13 km,地壳厚度最薄为7 km(图 8a8c).陆架区Moho面深度与地壳厚度变化较小,Moho面深度为31~26 km,地壳厚度为31~25 km,呈现均匀减薄特征(图 8b8c).陆坡区Moho面变化较为复杂,上陆坡与下陆坡变化趋势不同,上陆坡Moho面深度变化与陆架区相似,深度为26~24 km,地壳厚度变化幅度不大,表现为均匀减薄,下陆坡Moho面深度由20 km快速抬升至海盆边缘的12 km,地壳迅速减薄至8 km,在约30 km的窄梯级带中,Moho面深度变化8 km,地壳厚度变化8 km,地壳厚度呈现快速减薄特征(图 8b8c).结合区域内自由空间重力异常变化(图 2),在地壳快速减薄的梯级带中重力异常为-45~0 mGal,梯级带两侧都为正异常,综合地壳厚度与重力异常将此窄梯级带定义为南海东北部的洋陆转换带.图 8a中Moho面的三维形态清楚的展示了研究区内洋陆转换带的变化,自NE向SW方向,洋陆转换带逐渐变窄,大约从50 km变窄至20 km,地壳厚度减薄逐渐变强烈,Moho面深度随之变浅,这可能响应了南海自东向西的打开过程.

从陆到海,南海东北部Moho面向上抬升至海盆的13 km,地壳厚度逐渐减薄至7 km,在陆坡区的洋陆转换带内Moho面快速抬升,地壳厚度强烈减薄,结合沉积层底界的变化,沉积层底界深度与Moho面埋深呈镜像特征(图 5c).受南海扩张过程中拉张应力的影响,使北部陆缘的地壳拉张减薄,Moho面向上抬升,且在洋陆转换带,由于南部洋壳的不断生成,白云运动的发生,导致在陆坡区发生坡折,同时受到大型断裂的作用,使得在洋陆转换带的沉积加强,更进一步的导致了地壳的减薄作用.

5 南海东北部地壳拉张减薄和深部动力过程讨论 5.1 南海东北部拉伸减薄

根据前人的研究结果(姚伯初等,2006),假设在南海扩张前南海东北部地壳厚度与华南大陆相同(地壳厚度为31 km,上地壳14.6 km,下地壳16.4 km),分别计算了南海东北部全地壳的拉伸系数(图 8d)与上、下地壳的拉伸系数(图 9).结果显示南海东北部的拉伸减薄具有空间上的差异性,在水平方向上由陆到海分为地壳轻微减薄区(拉伸系数小于1.5)、地壳中等减薄区(拉伸系数1.5~2.5)、地壳强烈减薄区(拉伸系数大于2.5).其中白云凹陷、荔湾凹陷及台西南盆地等部分深水凹陷的全地壳拉伸系数大于3(图 8d),凹陷中心地壳极薄,约为5 km,为强烈的拉伸减薄中心.海盆区地壳拉伸系数基本都大于3,揭示出在南海扩张期间地壳的强烈拉伸减薄.垂直方向上,上地壳拉伸与下地壳拉伸并不完全一致(图 9),陆架区上、下地壳拉伸系数基本都小于1.5,地壳发生轻微减薄.而在陆坡区白云凹陷上地壳拉伸系数大于5,向凹陷中心逐渐变大,下地壳拉伸系数小于2,相比于下地壳,上地壳几乎减薄至0.荔湾凹陷的上地壳拉伸系数大于5,而下地壳拉伸系数在2~3之间,上地壳的减薄程度同样大于下地壳.但在台西南盆地,上、下地壳的拉伸系数都大于3,表现出基本相同的减薄程度.在东沙隆起等其他区域,上、下地壳的拉伸系数均基本相同,表现出一致的减薄.说明南海东北部的地壳拉伸减薄不仅水平上是不均匀的,在垂直方向同样是不均匀的.

图 9 (a) 上地壳拉伸系数; (b)下地壳拉伸系数 Fig. 9 (a) Upper crustal stretching factor map; (b) Lower crustal stretching factor map

综合拉伸系数水平与垂直的变化,显示主要在白云凹陷、荔湾凹陷等深水区凹陷出现较大的差异,在地壳减薄过程中,上地壳比下地壳拉伸减薄的更为强烈,这可能与这些凹陷区域发育的大型的正断层的强烈活动有关.深地震反射剖面显示,在白云凹陷与荔湾凹陷均发育深入地壳内部的大型铲式正断层(Yang et al., 2018; Zhou et al., 2018),在新生代华南大陆裂解、南海扩张中发生强烈活动,不断的切割上地壳,加剧地壳的减薄,甚至在部分区域上地壳完全消失.且由于南海扩张作用,沉积环境改变,沉积作用变强(马明等,2019),发育较厚的沉积层,也可能导致这些凹陷下地壳的强烈减薄.

5.2 下地壳高速层

前人通过OBS数据与深地震反射剖面发现在南海东北部下地壳下部发育一层高速层(Nissen et al., 1995; Gao et al., 2015; Wan et al., 2017; 卫小冬等,2011),根据已有的下地壳高速层剖面数据,进一步划分了下地壳高速层的分布范围以及其形态(图 10).区域内的下地壳高速层从滨海断裂带南部开始发育,主要分布在东沙隆起及邻区,向西在白云凹陷尖灭,向东在台西南盆地尖灭.高速层最厚在分布范围内的中心部位,最厚为14 km,向两边厚度逐渐变薄,直至尖灭,厚度变化的轴向为近东西向(图 10),说明高速层的发育是不均匀的,且影响下地壳高速层发育的动力学机制来源可能为南北向.高速层东部的厚度与分布范围均大于西部,说明东部的构造活动比西部更强,构造作用向西部逐渐递减.Gao等(2015)认为下地壳高速层可能与上涌的软流圈引起的部分熔融有关,李亚清等(2017)认为其主要由新生代晚期岩浆侵入造成,而Wan等(2017)Lei等(2019)都认为下地壳高速层应该划分为两期构造单元,一个在海底扩张前,另一个在海底扩张后.因此,下地壳高速层的成因很复杂,可能是古太平洋的俯冲造成,也可能是东沙运动引起的岩浆侵入影响,也可能是软流圈上涌引起的部分熔融,本文观测到高速层变化的轴向与海底扩张的磁异常条带近乎平行,因此推测下地壳高速层主要是受到南北向的动力作用,可能与古太平洋俯冲、海底扩张有关.

图 10 下地壳高速层厚度变化图底图为南海水深变化图. Fig. 10 Thickness variation of the high-velocity layer under the lower crust The bottom map shows the change of depth of water in South China Sea.
6 结论

综合前人资料,建立了南海东北部三维地壳结构,分析了地壳和Moho面等的变化特征,获得以下初步认识:

(1) 利用OBS数据拟合的时深转换公式对时间域数据进行处理,与其他数据格式融合,提取四个重要界面的深度信息,采用离散平滑与克里金插值法合理插值,建立了南海东北部三维地壳模型.

(2) 研究区由陆到海沉积层底界逐渐变深,沉积层厚度变厚,在陆架区沿NE方向发育一系列较厚沉积层的小凹陷,推测主要受到滨海断裂带控制;陆坡深水区凹陷发育巨厚的沉积层,推测主要受到大型正断层活动与南海扩张过程中陆壳向海掀斜的共同作用影响.

(3) 南海东北部的地壳减薄表现出空间差异性,水平方向上在白云凹陷、荔湾凹陷、台西南盆地等表现出强烈减薄,垂直方向上在白云凹陷、荔湾凹陷等上地壳拉伸减薄远大于下地壳,推测其主要是受到深部大型正断层的活动影响.

(4) 南海东北部发育下地壳高速层,主要覆盖东沙隆起、潮汕凹陷、白云凹陷东部与台西南盆地西部,高速层厚以近东西向为轴向南北方向变薄,推测主要与古太平洋俯冲、海底扩张有关.

致谢  感谢前人在南海东北部开展的大量探测成果,为本论文提供了数据基础;感谢沈旭章教授、张逸鹏博士、许斌斌博士等在论文完成中的技术指导.
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