南海是在中生代大陆边缘背景上扩张而形成的新生代边缘海(图 1).欧亚板块、印度—澳大利亚板块和菲律宾海(太平洋)板块之间的相对运动与相互作用(张功成等，2011)，形成了当今南海及邻区特殊的地质构造.南海特定的地质发展历史中，最重要的两期构造旋回(古南海开裂—萎缩、新南海开裂—萎缩两大边缘海旋回)，使中生代末期统一的南海地台分解，构造旋回控制了各个区域构造单元的性质及其所在区域的沉积盆地的构造类型(张功成等，2013).因此，在南海扩张的构造背景下形成了深海盆地以及性质不同的大陆边缘，在这些边缘上则发育了20多个不同类型的新生代沉积盆地，总面积超过100 km²(张功成等，2010).深部动力作用则制约着盆地的形成演变及热演化，与油气等能源矿产的赋存、富集和分布密切相关(李思田，1995；刘池洋等，2000；宋晓东等，2004).近年来，随着南海研究程度的不断深入，南海深部构造及其热活动对浅部资源的制约关系等研究逐渐成为新的热点(郝天珧等，2009)，磁性基底、居里面一定程度上反映了深部构造及其热活动的地质效应，研究磁性基底和居里面，无论对盆地的形成与演化，还是对于矿藏的分布，如油气形成、运移和赋存等都有着极其重要的理论和实际价值(刘光鼎等，1996).

图 1

Fig. 1

图 1 南中国海盆地周边板块构造格局(据Metcalfe，2006) Fig. 1 Plate tectonic framework around the South China Sea Basin (Metcalfe, 2006)

一般认为，与经过褶皱变质、岩浆贯入的前寒武系基底磁性和侵入岩体磁性相比，中新生代沉积岩层为无磁性或弱磁性，二者之间的界面称之为磁性基底.磁性基底的形态、构造和性质直接影响了盆地内的沉积形态、构造和性质(赵百民和郝天珧，2006)，利用磁性基底深度可以研究沉积盖层厚度、圈定隆起和坳陷范围等(熊盛青等，2014).磁性基底通常又称为磁性层顶界面，而作为磁性层底界面的居里面，通常反映了现今地壳及岩石圈的热活动，研究其热活动(Turcotte and Schubert, 2002)，有助于探索地壳以及岩石圈的力学行为，比如火山作用、岩浆侵位、地震、山脉隆升以及变质作用等都受控于地球内部的热活动作用过程.一般情况下，地壳及岩石圈的热结构主要采用大地热流测量方式和磁异常反演进行研究，但是大地热流测量值稀少且受浅层局部异常干扰较大(Siler and Kennedy, 2016)，尤其是大洋区受地下水循环影响导致其实测数值偏低(郝春艳等，2014).因此，通过磁异常反演居里面已经成为研究地壳及岩石圈热结构的重要手段(Ross et al., 2006).作为重要的深部构造界面，居里面是指岩石圈中由于温度超过居里点温度时，磁性矿物转变为顺磁性甚至是无磁性的一个物理界面(Lowrie，2007).地层磁性矿物类型、温度以及压力会影响居里温度，如钛磁铁矿含量的增加会导致居里温度降低(Nwankwo et al., 2011；Akbar and Fathianpour, 2016).如果磁赤铁矿(Fe₂O₃，γFe₂O₃)为主要矿物成分，那么居里点温度会降到300 ℃；相反地如果赤铁矿为主要矿物，则居里点温度会升至680 ℃(Haggerty，1978).因此严格来讲，由于复杂的地下实际情况及深度影响因素的多样性，居里面不能称之为居里等温面，两者并不是严格的对等关系，更多的是体现了磁性界面的起伏变化，为了便于研究，研究者通常将其视为一个约为580 ℃的等温面(Frost and Shive, 1986；Pasquale，2011；Akbar and Fathianpour, 2016；Saada，2016).但在火山和地热区居里面深度小于10 km，岛弧和洋中脊居里面深度在5~15 km，而在高原区居里点深度大于20 km，而在海沟居里点深度则要大于30 km(Tanaka et al., 1999).磁性基底、居里面反演方法实际上是计算磁性层的顶、底界面，目前主要的反演方法有Parker迭代反演法(Parker，1973；王万银和潘作枢，1993；相鹏和刘展，2009)、功率谱分析方法(Spector and Grant, 1970；Bhattacharyya and Leu, 1975；Shuey et al., 1977；Connard et al., 1983；Blakely，1995；Tanaka et al., 1999；Ross et al., 2006)等.对磁性基底多解释为除磁性沉积物、薄火山岩及其他高磁化率岩石之外，分布广泛且与沉积地层相比有较大磁化率的变质结晶岩层，有时与沉积基底形态、深度不一致.而对于居里面，有学者(Wasilewski et al., 1979；Wasilewski and Mayhew, 1992)研究发现，地幔捕掳体是无磁性，则可以将居里面等同于莫霍面，也有认为长波长的居里面变化是由居里温度控制的，在有些区域是与莫霍面是一致的(Salem et al，2014).但最近的一些研究认为，地幔岩石的组成中含有铁磁性以及铁硫化物物质(Ferré et al., 2013，2014；Martin-Hernandez et al., 2014).尽管利用磁异常反演出来的居里面在地质上解释难度较大，但该方法已经比较成功的应用于大地构造、地震、矿产资源、油气资源以及火山活动等研究之中(Blakely，1988；Tanaka and Ishikawa, 2005；Trifonova et al., 2009；Aydin and Oksum, 2010，2012；吴招才等，2010；Manea and Manea, 2011；李春峰和宋陶然，2012；Hsieh et al., 2014；Liu et al., 2014；Wang and Li, 2015).

南海及邻区磁性基底、居里面研究程度相对较低，郝天珧等(2009)和胡卫剑等(2011)分别研究了南海磁性基底，深度和形态的反演结果整体差异较小，莺歌海盆地、中建南盆地和曾母盆地磁性基底深度小于沉积中心深度，反映前寒武纪结晶基底的磁性基底处于新生界之上；居里面(陈洁等，2010；Li et al., 2010；吴招才等，2010；李春峰和宋陶然，2012；Liu et al., 2014)的反演结果差异较大.整体而言，对于南海及邻区的磁性基底和居里面反演结果的解释，多为深度或形态的描述，只在部分盆地中进行了磁性基底、居里面与上覆的沉积层关系的简单研究，而对整个南海及邻区盆地的新生代沉积、磁性基底和居里面之间的相互关系未有整体的认识.

为了研究南海及邻区的磁性基底和居里面分布特征，探讨其深部构造及热活动的地质效应.在前人对于南海及邻区的磁性基底、居里面、深部热流活动和地质构造特征等研究成果的基础上，以磁力数据为基础，对其化极结果采用最小曲率位场分离方法(纪晓琳等，2015)，消除浅部火成岩磁力影响，提取磁性基底和居里面引起的化极磁异常，利用双界面模型快速反演方法(王万银和潘作枢，1993)，反演了南海及邻区的磁性基底和居里面深度，进而讨论了其分布特征及地质意义；计算并分析新生界深度(冯旭亮等，2018)与磁性基底深度、居里面深度的相关性特征，在前人研究成果的基础上，结合大地热流、洋壳年龄和地质构造特征，探讨了盆地新生界、磁性基底、居里面之间的关系.

磁力ΔT异常(图 2，黑色线条为海岸线)经CCOP数据和世界磁异常数据拼接获得，数据网度为2 km×2 km，图中黑线为南海及邻区的盆地分布(冯旭亮等，2018)，幅值变化范围在-900~830 nT之间，低磁异常主要分布于南海的西北缘、西缘和南缘，而南海的东北缘及东南缘为高磁异常区，南海磁异常呈条带状高低相间分布.由于南海及邻区磁倾角变化较大，且处于低纬度地区，因此本文采用频率域变磁化方向的自适应滤波化极技术(张培琴和赵群友，1996)进行了化极处理，获得了化极磁力异常(图 3).

图 2

Fig. 2

图 2 南海及邻区磁力ΔT异常图 Fig. 2 Magnetic anomalies in the South China Sea and adjacent areas

图 3

Fig. 3

图 3 南海及邻区化极磁力异常图 Fig. 3 Reduction to the pole magnetic anomalies in the South China Sea and adjacent areas

因南海经历了多期的构造旋回，使得不同区域实际的磁化方向与采用的磁化方向存在差异(该影响相对较小)以及剩余磁化(该影响相对较大)的影响，化极磁异常不可能达到真正的垂直磁化垂直磁异常，即磁性体的位置与化极磁异常极值的位置在垂直方向上不一定完全对应，可能会有一些偏移.南海及邻区化极磁力异常幅值变化范围在-590~770 nT之间、整体呈西北低而东南高的特征，多以NE—NEE向条带状高低相间分布.化极磁异常具有明显的分区性，南海洋盆地区的化极磁异常主要由梯度大、高低相间的磁异常条带组成，自东向西磁条带走向由EW转为NE向，反映了洋壳由东向西的渐进式扩张.南海洋盆北侧化极磁异常以大面积的宽缓的低磁异常为主，最为突出的是NE向延伸的不连续分布的高磁异常带，该异常带起自台湾省西北侧，经东沙群岛，至西沙群岛为止，反映了多期次的岩浆活动，其中东北部高磁异常带推测其为中生代时期太平洋板块向南海北部大陆俯冲形成的火成岩所致(周蒂等，2006)，也有部分学者认为该异常带为太平洋板块俯冲形成的蛇绿岩引起(郝天珧等，2011).南海洋盆南侧化极磁异常多以NEE向高低相间条带状磁异常为主，推测为磁性较强的基底岩浆岩和源于深部的超基性岩共同引起(吴时国和刘文灿，2004；张伟等，2014).

磁力异常是浅部、深部磁源异常的叠加，浅部的磁异常会影响磁性基底深度、居里深度反演的精度，所以需要从总磁异常中将该部分去除.本文对南海及邻区磁异常的化极结果，采用最小曲率位场分离方法(纪晓琳等，2015)，消除浅部火成岩引起的化极磁异常，逐步分离出磁性基底和居里面引起的化极磁异常(图 4、图 5).通过双界面模型快速反演法(王万银和潘作枢，1993)，反演了南海地区的磁性基底和居里面深度(图 6、图 7).

图 4

Fig. 4

图 4 南海及邻区磁性基底引起的化极磁异常 Fig. 4 RTP magnetic anomalies caused by magnetic basement in the South China Sea and adjacent areas

图 5

Fig. 5

图 5 南海及邻区居里面引起的化极磁异常s Fig. 5 RTP of magnetic anomalies caused by Curie surface in the South China Sea and adjacent areas

图 6

Fig. 6

图 6 南海及邻区磁性基底深度图s Fig. 6 Depths of magnetic basement in the South China Sea and adjacent areas

图 7

Fig. 7

图 7 南海及邻区居里面深度图 Fig. 7 Depths of Curie surface in the South China Sea and adjacent areas

南海及其邻区磁性基底以NW、NE和NEE走向为主，深度5~20 km(图 6).南海洋盆北侧以NEE向为主，南侧以NE向为主，体现了北部被动拉张和南部陆块间碰撞的不同构造活动.中南半岛周缘的磁性基底呈NW、NNW走向，洋壳扩张过程中的印支板块向东滑移、红河断裂不同方向的走滑，为该处磁性基底走向形成的重要因素.磁性基底深度在16 km以上区域有：南海洋盆北侧靠近洋壳区的珠江口盆地—双峰盆地—尖峰盆地、中南半岛附近的北部湾盆地北部—莺歌海盆地—中建南盆地、南沙群岛附近的南薇盆地西部—北康盆地西部、纳土纳群岛附近的马来盆地—纳土纳盆地；磁性基底深度在6~15 km主要分布在北部湾盆地东部—琼东南盆地—洋壳区、礼乐盆地北部—巴拉望盆地、莺歌海盆地南部—中建南盆地西部—湄公盆地—万安盆地、南薇东盆地—曾母盆地东部.

本文依据南海及邻区不同的构造位置，分别对磁性基底分布特征进行解释推断.南海洋盆地区磁性基底深度较浅，主要由于洋壳扩张，造成地幔物质的不断上涌引起.南海洋盆北侧地区，靠近中南半岛附近的北部湾盆地西南部—莺歌海盆地—琼东南盆地—中建南盆地北部，磁性基底走向呈NW向.北部湾盆地主要为具有一定磁性的中度变质岩和混合岩化的巨厚复理石碎屑岩(含中酸性火山岩)建造，使得这一区域的磁性基底深度逐渐变浅.双峰盆地、尖峰盆地和莺歌海盆地磁性基底深度显著加深，与这一区域的岩性均为沉积岩有关.中西沙地区，中沙海槽盆地主要为变质岩，磁性基底深度较浅.中建南盆地东北部岩性以变质岩为主、中部和南部大规模发育沉积岩，因此中建南盆地东北部磁性基底深度浅，而中部和南部磁性基底深度较深.

南海洋盆南侧的南沙海槽盆地，磁性基底深度较深.万安盆地基底主要以中生代晚期岩浆岩、沉积岩和前新生代变质岩组成，磁性基底在盆地南北两端浅，中部较深.曾母盆地南部为具有浅变质特征的复理石沉积，西南部发育始新统千枚岩，盆地西部为前第三纪变质岩和花岗岩，复杂的盆地基底岩性，是引起磁性基底深度变化较大的主要原因，其中盆地北部和东部磁性基底深度大，而中部磁性基底深度相对较浅.礼乐盆地岩性以变质岩为主，部分位置发育火成岩，使得磁性基底呈现明显的起伏特征.南薇盆地、北康盆地、南沙海槽盆地和文莱—沙巴盆地基底岩性以变质砂、砾岩为主，并发育大量火成岩，结合南海地质资料，南海及全区变质岩及火成岩均具有一定的磁性或弱磁性，理论上反演获得的磁性基底深度应该较浅，但在南薇盆地西北部、北康盆地西部、南沙海槽盆地和文莱—沙巴盆地，磁性基底深度均较深，推断其可能为沉积岩，与前人研究这一区域前新生代基底岩性主要为变质岩相矛盾.

通过对磁性基底走向、深度及其地质意义的研究，认为洋壳扩张、板块间的相互作用，影响了磁性基底的走向和起伏特征，不同程度的变质作用和岩浆活动是导致磁性基底深度变化的重要因素.

南海及邻区居里面深度(图 7)为15~32 km，其整体表现为“洋壳浅、周缘深”的特征.南海洋盆地区居里面深度在20 km左右，呈“西南浅、东部深”.南海洋盆以北的盆地中，珠江口盆地东北部为NE走向的居里面坳陷带，深度在30 km左右，莺歌海盆地为NW向的居里面隆起带，深度在20 km左右.南海洋盆以南，居里面深度逐渐增大，湄公盆地、万安盆地居里面深度相对较深，深度在24~32 km；纳土纳盆地北部—万安盆地南部—曾母盆地为NW向的居里面坳陷带，深度在26~30 km；南沙群岛附近居里面深度在23~25 km之间变化，其中文莱沙巴盆地—巴拉望盆地南部一带以东南，居里面深度逐渐加深，走向呈NE向，深度在28~31 km.

南海洋盆地区平均热流值高达100 mW·m^-2，且热流值由中央海盆逐渐向两侧降低，南海东部热流值明显低于西部(图 8)，同时该地区居里面呈“西南浅、东部深”特征，热流值分布和居里面特征共同暗示洋壳由东向西渐进式扩张.另外，南海洋盆南北两侧居里面并不完全对称，但其居里面宏观走向相似，考虑到早渐新世洋壳开始扩张，相似的走向特征揭示它们在扩张之前可能同属于一个“共轭”大陆边缘(郝天珧等，2011).南海的扩张，引起岩石圈的强烈伸展减薄，地幔物质上侵，使得陆壳与洋壳具有不同的厚度及热结构，在其过渡位置居里面表现为NE—NEE向梯级带特征，其走向与洋壳扩张方向大致垂直，结合来自于NOAA National Geophysical Data Center(NGDC)的南海洋壳年龄图(图 9)，认为该梯级带一定程度反映了洋壳与陆壳的接触带.

图 8

Fig. 8

图 8 南海及邻区热流分布图(据胡圣标等，2011) Fig. 8 Heat flow distribution in the South China Sea and adjacent areas (Hu et al., 2011)

图 9

Fig. 9

图 9 南海洋壳年龄图(据NGDC，2015) Fig. 9 Ages of ocean crust in the South China Sea (NGDC, 2015)

南海洋盆以北，莺歌海盆地盆地之下居里面深度较周围盆地浅，呈NW走向，并在莺歌海盆地与北部湾盆地接触的部位，走向变为NE走向，延伸出研究区外，同时该盆地附近大地热流值明显高于周围盆地高的特征，说明该盆地之下深部热活动较为活跃；中建南盆地由东向西居里面深度逐渐增大，而大地热流值也表现为由东向西逐渐减小的趋势.

南海洋盆以南，曾母盆地西部，靠近南海西缘断裂附近，出现以NE向的狭窄居里面隆起带，且该处大地热流值高于周围盆地，深部热流沿断裂上升地壳浅部引起了该处大地热流值升高，影响了该处居里面深度反演结果.南海北部的大地热流值整体高于南部，且南海周缘居里面深度整体呈“北浅南深”，表明南海为非对称式扩张及北部岩浆活动可能更为剧烈.

综上而言，南海及其邻区居里面呈“洋壳浅、周缘深”的特征，南海洋盆南北两侧居里面宏观走向相似，表明它们在扩张之前可能同属于一个“共轭”大陆边缘.南海洋盆居里面“西南浅、东部深”暗示了洋壳由东向西渐进式扩张的特征.洋壳与陆壳接触带在居里面深度上表现为NE—NEE向梯级带.南海周缘居里面深度呈“北浅南深”，表明南海为非对称式扩张及其北部岩浆活动可能更为剧烈.

南海及邻区盆地新生界深度与磁性基底深度、居里面深度关系如图 10、图 11所示.计算了新生界深度与磁性基底深度、居里面深度的相关系数，图中以±0.5为界，相关系数≥0.5的为正相关，≤-0.5的为负相关，其他为不相关.

图 10

Fig. 10

图 10 南海及邻区新生界深度与磁性基底深度关系图 Fig. 10 Correlation between depths of magnetic basement and Cenozoic in the South China Sea

图 11

Fig. 11

图 11 南海及邻区新生界深度与居里面深度关系图 Fig. 11 Correlation between depths of Curie surface and d Cenozoic in the South China Sea

南海洋盆地区，由于洋壳的不断扩张，在洋中脊处，形成洋中脊地堑或半地堑，新生界厚度显著增大，磁性基底下沉，居里面深度浅，因此沿洋中脊方向CDMBC呈正相关，CDCSC呈负相关.洋壳以洋中脊为中心向南北两侧不断增厚、持续的热扩散作用和沉降作用，使得在洋壳周缘CDCSC呈现NE—NEE带状的正相关.

南海洋盆北侧，新生界深度与磁性基底深度、居里面深度之间，具有相关性的盆地有莺歌海盆地、琼东南盆地、珠江口盆地.莺歌海盆地，CDMBC呈正相关，CDCSC表现为NW向带状负相关，与盆地走向一致.此相关性特征由两方面因素引起：莺歌海盆地西侧红河断裂附近存在低速层(蔡周荣等，2007；姚伯初和万玲，2010)，深部热流沿断裂上涌，引起居里面变浅；印支板块向东持续滑移，导致岩石圈变形隆起，居里面随之抬升，浅部磁性基底张裂下沉，发生规模沉降.琼东南盆地CDMBC呈正相关，CDCSC呈NE向负相关，且属于洋壳陆壳过渡带的位置上，印支板块的东向滑移和南海的扩张共同作用，引起该处岩石圈底部变形下坳，居里面随之下降，此期间上地壳未发生显著变形(佟殿君等，2009)，之后在岩石圈圈层间的均衡作用下磁性基底发生下沉，沉积中心与磁性基底下沉方向一致，由此导致了琼东南盆地磁性基底、居里面与新生界之间的相关性特征.珠江口盆地CDMBC特征不明显，CDCSC以NEE走向带状正相关为主；因珠江口盆地位于陆架-陆坡过渡带，南海扩张过程中，持续的拉张、裂陷，地壳厚度向洋壳呈阶梯状减薄(姚伯初和万玲，2010)，居里面抬升，故CDCSC以正相关为主，且与盆地走向一致；由于经历多期的拉张活动，造成盆地内各个构造单元地壳减薄程度和岩浆活动存在明显差异，使其CDMBC特征不明显.

南海洋盆南侧，新生界深度与磁性基底深度、居里面深度具有相关性的盆地有南沙海槽盆地、礼乐盆地、南薇盆地和文莱—沙巴盆地.上述盆地CDCSC呈NE向带状正相关，与盆地的走向一致.南海扩张中心向南移的过程中与相邻块体的碰撞，是南海南北两侧CDCSC具有“相关性形态相同，走向不同”的一个原因.由于盆地不同位置的岩浆活动发生，CDMBC整体相关程度较低，仅在部分盆地的沉积中心呈现正相关.

中南半岛至纳土纳群岛一带，具有相关性的盆地有中建南盆地、万安盆地、曾母盆地、纳土纳盆地、湄公盆地和马来盆地.中建南盆地CDCSC呈现近SN向带状正相关，与盆地走向一致，但CDMBC表明相关性程度较低，盆地内发育不同时期的岩浆岩是引起不相关的原因.万安盆地、曾母盆地、纳土纳盆地、湄公盆地和马来盆地，CDMBC以正相关为主.万安盆地南部和曾母盆地CDCSC呈现负相关，推测在万安盆地南部和曾母盆地东部之间，有深部流体沿南海西缘断裂直接侵入地壳，引起居里面深度变浅，使得CDCSC呈负相关.其他盆地CDCSC表明相关性程度较低.

南海及邻区的盆地CDMBC呈不规则形状，多在盆地的沉积中心呈现高度正相关，CDCSC多呈NE、NEE向带状正相关，相关性走向与盆地走向一致.莺歌海盆地、琼东南盆地、万安盆地南部和曾母盆地呈现CDMBC正相关、CDCSC负相关特征，推测分别与印支板块向东滑移、岩石圈形变和深部热流直接侵入地壳有关.

本文以磁力资料为基础，通过磁性基底、居里面深度的反演及解释，结合新生界深度，讨论了南海及其邻区沉积盆地、磁性基底和居里面之间的关系.

磁性基底以NW、NE走向为主，深度5~20 km.南海洋盆北侧以NEE向为主，南侧以NE向为主，中南半岛周缘磁性基底呈NW、NNW走向.洋壳扩张、南海南部陆块间的碰撞，印支板块东向持续滑移及红河断裂不同方向的走滑，影响了磁性基底的走向和起伏特征.不同程度的变质作用和岩浆活动是导致磁性基底深度变化的重要因素.

居里面深度为15~32 km，其整体呈现“洋壳浅、周缘深”的特征，南海洋盆南北两侧居里面宏观走向相似，说明它们在扩张之前可能同属于一个“共轭”大陆边缘.南海洋盆地区居里面深度在20 km左右，洋壳由东向西渐进式扩张，使得其居里面深度呈现“西南浅、东部深”，亦暗示了洋壳由东向西渐进式扩张.居里面在洋壳与陆壳接触带表现为明显的NE—NEE向梯级带.南海洋盆周缘居里面深度呈“北浅南深”，表明南海为非对称式扩张及其北部岩浆活动可能更为剧烈.

CDMBC呈不规则形状分布，多在盆地的沉积中心呈现正相关.CDCSC多以NE、NEE向带状正相关分布，相关性走向与盆地走向一致.其中莺歌海盆地、琼东南盆地、万安盆地南部和曾母盆地呈现CDMBC正相关、CDCSC负相关.莺歌海盆相关性推测为：深部流体上涌或居里面随岩石圈变形隆起而抬升，磁性基底张裂下沉，发生大规模沉降引起.琼东南盆地相关性推测为：居里面随岩石圈变形下坳而下降，之后在岩石圈圈层间的均衡作用下磁性基底发生下沉，沉积中心与磁性基底下沉方向一致.万安盆地和曾母盆地相关性推测为：深部流体沿南海西缘断裂直接进入地壳，引起该处居里面深度变浅.

此次研究，初步确定了南海及邻区的磁性基底和居里面深度、形态及分布特征，简单讨论了与盆地之间的关系，但对其形成和演化、深部构造及热活动过程与沉积盆地之间的耦合关系仍缺乏深入研究，建议继续开展这方面工作，充分利用地质地球物理资料，对南海及其邻区的磁性基底和居里面做进一步的研究.