南海北部陆缘地壳结构探测结果分析‘.pdf

第2 1卷第 2 期 2002 年 4 月 热 带海洋 学 报 JOURNALOF TROPIC AIO CEANO G R APHY V o l . 2 1 , N o . 2 Ap r . , 2 0 0 2 文章编 号 10 09一547 0 20 0202 一0 0 0 1 一12 南海北部陆缘地壳结构探测结果分析 ‘ 阎贫 , 刘海龄 中国科学院南海海洋研究所 , 广东广州 51 03 01 摘要 深部地震 和 重力资料反演揭示了南海北部陆缘地壳结构在总体上 由 北部的华南沿海厚 约 3Okm向南部的洋盆 5 一sk m 逐渐减薄 。 南海的 近SN向拉张 不仅造成 南北方向地壳结 构 的巨大变化 , 也造成东西向的 明显 变化 。 在南海北 部陆缘的西 部 , 局部拉张产生了一系列裂谷 构造 。 西沙海槽作为一条狭窄的陆内裂谷向西延伸 , 海槽南北两侧地壳厚度超过2 5km , 海槽 中 部地壳减薄至不 足 lok m 。 西端的莺 歌海 盆地地壳厚仅 sk m , 缺少明显的壳内反射 一折射 。 在珠 江口盆地 中部 , 地壳厚度在下陆坡 明显减薄 , 地壳下部存在 较薄的 3一4km 高速层地震波速 7 . 2一7 . skm s 一’; 在珠江口盆地东部 , 地壳底部存在约1 0km厚 、30 0 k m宽 的高速层 。 在台湾 地区 , 由于弧陆碰撞 , 曾经减薄的陆壳在碰撞带增厚 , 莫霍面深度超过 3 0km 。 南海北部 陆缘在 裂谷拉张和海底扩张期间岩浆活动平静 , 表明南海北部陆缘为非火山 型陆缘 。 关键词 南海北部陆缘 ; 地壳结构 ; 非火山被动陆缘 中图分类号 P7 3 6 . 1 ; P738 文献标识 码 A 晚 白蛋世 开始 的华南陆缘 的裂谷 拉张作用 和晚渐新 世一早 中新 世3 2一1 7M a B . P . 的海底 扩张作用导致 南北 陆缘沉 积盆地和南 海洋盆 的形 成区 ’〕。 南海 北部陆缘发生 了大规 模的地壳拉张 、 减薄作用 , 形成了一 系列 张性 盆 地 。 中中新 世以来 , 受 到 菲 律宾海 板块 的 挤 压碰撞 , 南 海东部地区的陆壳在 台湾 与西 菲律宾海 洋壳发生俯冲 、 碰 撞叫 ; 在马尼拉海 沟 , 南海海 盆 向吕宋 岛下俯冲[ l ] 。 这种俯冲和碰撞造 成南海东北 部陆缘 向西 挤压 走滑 , 及 沿 断裂发生晚第三纪岩浆 、 火山活 动F 3 . ‘J。 在南 海西北 部地区 , 红 河 一越东 断裂 带后 期的右旋走滑影 响了莺歌海 盆 地 的形 成 , 并 主导了其 走 向 。 尽管 南海北 部陆缘总体上呈 NN E 向展 布 , 但陆 缘 上 的各沉 积盆地走 向有明显 差 异 图1 , 南海 陆缘沉 积盆 地在 构造 特征和含 油气 性方 面表 现出明显的南 北陆缘 间 的差 异 以及 陆缘 内 的东 西 向差异 。 要 揭示 这些 盆地 间差 异 的形 成 背 景和南 海演化 过程 , 深部地 壳结 构 的研究就显得 非常 重要 。 自8 0 年代以来 , 原地质 矿产 部广州 海洋 地质 调查局1 985 与美国拉蒙特 一多尔 蒂地 质 收稿日期 20 01一0 7 一2 7 ;修订日期20 02 一0 1 一18 基金项目 国家重点基础研究发展规划项 目G Z。。。。46 7 02一。4 ; 中国科学院知识创新工程重要方向项目K Z CX Z - 117一0 1; 国家高技术研究发展计划课题2001A A6 10 10 1 ;中国科学 院南海海洋研究所边缘海地质与古环境开放实验 室基金资助项目B Y H0 1Ao6 作者简介 阎贫19 6 5一 , 男 , 河南新野县人 , 研究员 , 博士 , 主要从事地震勘探方法和南海地质研究 。 E 一m a i l yan _pin s esio . a e . e n * 周蒂教授及另外两位审稿者对本文提出了许 多非常重要的建议 , 并对原稿进行了认真的修改 ; 于 明承担了部分 数据 和图件 的整理和清绘工作 , 谨致衷心感谢 。 热 带海洋 学 报 第2 1卷 12JE 图例 一 OB s位置和测线 ESP位置和测线 断裂带 。 X丫西永1 井 图 1 南海 深地震 调查测线分布 1 . 珠一坳陷 ;n . 珠二坳陷 ; H I . 珠三坳陷 ; C 一5 . 潮汕凹陷 F19 . 1B athymetrieeha rt e o ntourat inte r valo f10 0 0m an d d e eps eism ie s u r v ey lin es 观测 所合作采用 双船扩展 排列 剖面技术 , 中国科 学 院南 海海 洋研 究 所分 别 与日本 东京 大 学1993 、 德国基 尔大学 合作1 996 , 台湾海 洋大学19 95 与美国得克萨 斯大学 地球物 理 学 院合作采 用海底 地震仪技术 在南海 北部 陆缘进 行了深 地壳 结构 探测 ,一 ‘。〕; 此 前 的重力 反演 则给 出了南海 全区的莫霍面起 伏 趋势 [”一 ’ 3〕。 此 外 中 国科 学 院 地质 与地 球 物理研究 所仁 ‘咬 ‘5」 在华 南沿海 进行了陆 上爆 炸 深 地震 探测 。 这些 探测提供了南海 北 部 陆缘 丰 富 的 地壳 结构资料 。 本 文将对 这些计算结果进行 分析 , 并 对南 海北部陆缘的地壳结 构差 异进 行讨论 。 需 要说明的是 , 由于不同地区的地壳结构有 很大差 异 , 地 壳构造 层的划 分缺少 明确 的 定义 。 典型大陆区的地壳包括上 5 . g k m s一 ’ v p 6 . 3 k m s一 ‘ 、 中 6 . 4km s一‘ V ; 6 . 7 k m S一“、 下 6 . skm S一1 v x 7 . 6km s一‘ 3 层 , 其厚度 不 包括 沉 积层 ; 洋壳包 括 如下 3 层 大洋层1 沉 积层 , 大洋层2 玄 武岩层 , 5 . Ok m s一’ V p 6 . 4k m s一’和 大洋层3 铁镁质层 , 6 . 4km s一 1 l r ,〕2 0k m , 但 对增生楔 的 内部 结构并不 清楚 。 在 恒春半岛以 东 , C h en 等叫对 OBS 资料 的处 理模型显示 , 在 测线东部所 处 的菲律宾海区水 深 约 sk m , 莫霍面埋深 11 km , 洋壳厚度含沉 积层为 6km 。 沿 测线L i ne 2 9向西 , 莫霍 面深度 逐 渐 增加 , 在恒 春半 岛达 到 1 6km 。 显 然两个 模型图 7 a , b 在交 汇 处存在 明 显差 异 。 值得 注 意的是在 台湾恒春半 岛东边OBS39 的 这种 差异 太 大 。 从L i ne 3 3 , L i ne 2 9测 线计算的 莫霍面深度 , 后者 16k m 仅及前者大于 3 0km的 一半 。 C he n 等图认 为 , 由于测 线 两 端 仅记 录单边数据 , 对反演约束不够 。 我们认为 , 恒春半岛下方 向东俯冲的欧亚板块 莫霍面 8 热带海洋学报第2 1卷 倾角较大 , 向西仰冲的菲律宾 板块由于缩短 变形也 会改变莫霍面的形 态 , 使得来 自莫霍面 的震相的走 时和视 速度都 会 明显 变化 。 由于俯冲和碰撞 , 存在 两个板块莫霍面叠置的可 能 。 根据天然地 震震源分布揭示的Wa d at i 一B e n io ff带在 台湾下方接近直立禹〕 , 这些因素 大大增加了反演的不确定 性 。 恒春半岛两侧明显不同的莫霍面走 势影 响了反演 的结 果 。 该 处地壳结构复杂 , 涉及到岩 石圈碰 撞后 的形变 , 存在许多不同认 识 。 2 分析与讨论 南海北部拉张陆缘 自西侧 的海 南 岛 向东 延至台湾 一 吕宋 弧 , 长 度 超 过 1o o okm , 宽 度 从广东 沿海到 海陆边 界超 过3 ook m , 与其共扼 的南部拉 张陆缘的宽 度 也超 过 4 00km 。 南 海南部 陆缘呈现 整体较 均 匀 的减 薄 , 地 壳 厚 度1 8一2 6km哪〕 。 以华 南 沿海 30 km 厚 的 地 壳作为未拉张陆缘 , 参与拉张 的陆缘 在拉 张前的宽 度 超过 4 5okm , 显然 是一个非 常宽 阔的陆缘 。 被动大陆边缘形成演 化 的模型研 究田〕表 明 , 裂谷 带的宽 度 与拉 张前 地壳 的厚 度及温 度 有关 较 厚的地壳和较高的温度产生宽广的数百公里 , 缺 少 岩浆裂 谷带 , 在裂谷早期 形 成陆相沉 积 , 后期才 接 受 海 相 沉 积 ; 较 薄 的 地壳和较 低 的初 始 温 度 产生较窄数十至 10 0km 的裂谷带 。 D un b a r 等哪〕指出 , 宽 广 的被 动陆 缘 往 往 与 “ 干 ” 火成 岩 少裂 谷 相 关 , 裂谷初期发生大规模隆升和断裂 , 地壳拉 张平稳 , 形成正常厚度 的洋壳 ; 而狭 窄 的被 动 陆缘则 与 “ 湿 ” 火山岩丰富裂谷相伴 , 形成异 常厚 的地壳如北大西洋 V o ri n g 陆缘 、 美国 东海 岸 的 Carolin a 海 槽 及B altimore C anyo n 海槽 的洋壳厚度都超过 Zokm 。 南海 的实 际观测结果可以用 “ 宽陆缘 ”模型 来解 释 。 南 海拉 张 前受 到太平洋板 块 的 聚合作用 , 应 当 属于厚地壳区 。 热 流测量 也显示 , 在海底扩张停止1 7M a 后 的现在 , 南 海 陆缘主体的热 流 值为 80一gom w m 一’仁2 2〕, 明显 高于狭窄的红海裂谷 的背 景热流值somw m 一2 厂川 。 2 . 1 火山活动 、 下地壳高速层与南海 陆缘属性 被动大 陆边缘可分为 火山型和非火山型两类 , 前者 有大规 模 的火山喷发 、 岩浆侵人和 地 慢底侵 , 如美 国东 部海岸 地区吻口;后者则 很少受 火山活动影响 , 如纽芬兰陆缘[ s 0 习。 在华南沿 海 、 珠江口盆 地和莺歌海 的大量 钻井 资 料都揭示 基 底存在 大规 模 的 中生代 燕山期 花岗岩主要 为晚侏罗世一中 白要世 ; 晚 白翌世8 5一6 5M a B . P . 华 南 张裂开 始 , 同时大 规模 的岩浆活动在华南突然 停止「川 。 在海底 扩张期 间 , 南海 陆缘仅有 少量的岩浆 活动眯〕 , 处于火山活动相对平静 期 。 由于南海 陆缘裂 谷 与海底 扩张发 生于晚白奎世一早 中新世 , 这个 时期持续时间较 长 , 拉张和扩 张 速度 较 慢 3一4 c m a 一‘ , 表 明岩浆供应 不 足 ; 而这 一时期陆缘上 的火山活动较微弱 , 目前在珠 江口最厚 的裂谷期火山岩由珠二坳陷 东部BY 一7一1一1 井 钻遇 , 该岩体为早 中新世 火山丘 , 主要为 火山熔 岩 , 厚度近 40 0m 阳1 , 分 布 范 围不大 , 因此南海 的北部陆缘属于非火山陆缘 。 与之 形成对照的是 , 南 海海底扩 张停 止以后 , 尤 其是上新世以来 , 华南陆缘 岩 浆和火山活 动 频繁[ s , ‘ , 3‘ ,3 5〕, 形 成了一 条 NEE 向 断续 的火山岩带 , 岩性主要 为玄武 岩 , 该带从东沙群岛东南 向西川延伸 , 推 测与 陆洋边 界 附近的海山及琼东南盆地 南部 的火山岩[ 3 6 」相 连 。 在 中央海 盆 中部团〕 、 台湾 一 吕宋 地区都 有上新 世以来 的玄武 岩活动 。 潮 汕 一台西南地 区中生代地层 得以残 留 , 表 明这一 地区在 裂 第 2期 阎贫等 南海北部陆缘地壳结构探测结果分析 9 谷期间并未受 到 岩浆 一火 山活动 的强烈破 坏 。 因此 可以推 断 , 珠 江口东部 地区下 地壳 发 现 的高速地 层 与裂谷 拉张没有关系 , 不是裂 谷期 间底 侵u nd erp la ti ng的结果 。 与 典型的火山型陆缘如美 国东 海岸 陆缘[ 2 9 〕及 北大 西洋火山省[ s s 勺相比 , 南海北部 陆 缘裂谷期 的岩 浆活动及地 壳下部 的高速层 规模都很 小 , 这里也没 有 发 现大 规模的向海倾 斜的火山岩层 反射SD R 。 上新世以来南海东 部的玄武 岩岩浆活动可能 与地壳底 部的高 速层同源 , 即菲律宾板 块 向N NW 挤压 , 深部 岩浆沿 老 的 断裂 上 升到 海 底 , 同 时在 下地壳 底部 增生形成高速层 。 因此 , 在 南 海裂 谷和海 底扩 张 期 间 , 华 南 陆缘 属于典型的拉张陆 缘 , 上新世以来地壳活动有加强的趋势 。 2 . 2 裂 谷 莺歌海 盆地 为 N W向的条带 形盆 地 , 地壳减薄带 的 宽度 约 lo ok m , 向NW至 红河口 变窄 、 封 闭 , 向S E被 越东断裂带 切割 。 莺歌 海盆地 中部 沉 积巨厚 , 莫霍面上拱 , 重 力 反演 显示 地壳减薄至 skm 。 伴随 中新 世以后的断裂和岩浆活 动 , 莺歌 海 盆地 沉降和沉 积速率 很大 , 地温梯 度较高4 5 “C k m 一‘ , 油 气成 熟度也高于珠 江口盆地 。 莺歌 海 海区在 断 裂 活动期沉积 加快 , 不存在 明显 的地 堑地垒系[ 2 l 」 , 这些 特 点 与珠 江口海区不同 。 珠 江口海 区的地壳减 薄发 生 在 一个 宽 阔约SOOkm的陆 缘 , 在 裂 谷和海 底 扩 张 期 间 地 壳 全面隆 升 、 拆 离 、 块 断 , 经受风化剥 蚀 , 形 成典型的裂 谷型地 堑 构造 , 出现裂 谷的同期沉 积 地层 缺 失 。 莺歌海 盆地 是沿红 河断裂带走 滑拉分形成 的裂陷盆地哪〕 , 不是 典型的裂谷 盆地 。 根据 ESP揭 示 的南北 两侧地壳结构 的差 异 , 以及西沙 “西 永 1井 ” 发现 的前 寒 武纪 变 质岩 与越南中部的 昆篙地块 的变质基底 的相似性 , 姚伯初等[ 2 s 〕认为西 沙海槽是 一条古缝 合线 , 其北部 为华南陆块 , 南侧的西沙 一 中沙 海区属于印支地块 。 陈圣 源等御〕则 提 出西 沙 海 槽是 一新 生代裂 谷 , 西 沙海槽中部存在 地壳减 薄 、 沉积增厚 、 地 慢 上拱 等 裂谷 特 征 。 西 沙海槽 与南 海西北 海盆 相连 , 其走 向也 与西北海 盆一 致 , 海槽南 北部都有元 古一古生代基 底 。 西 沙海 槽岩浆 活动 直达 海底 , 反 映其 较新 的活动 时代 。 周蒂等[ a 0 〕根据 海底 地 震仪 记 录模拟 显示 的西 沙海槽南北 两侧地壳对称特 点 , 也认为 西 沙海槽是一新 生代裂 谷 。 我们 认 为以上两 种不 同的观 点并不 排斥 , 因为缝合带 的存在作为 一 个老 的薄弱带有 利于后期 的拉 张 , 裂谷拉张既可以产生 对称 的拉 张纯 剪张 , 也可以产生 不 对称 拉 张简单剪张 , 地壳结 构 的不 同不足以作为 定性依 据 , 地壳结构 、 组成 及沉 积建造 的全 面对比才 能反 映两 侧的性 质 ; 而且 缝 合与拉 张可能发生 于不同 的时期 。 由于西沙海区地壳深部资料 较少 , 地 壳 组成 及构 造运动的时代问题 远未 解决 , 上述 问题还不能下定论 。 西 沙海 槽地壳厚度 skm , 接近洋壳厚 度 , 是 一 个 夭折 裂 谷 。 珠 二坳陷的 白云凹陷也 存在巨厚8 00 0m的 新 生代沉 积「“〕 。 珠 二 坳 陷 走 向 N E E , 呈 长 条状展布 , 地 堑 特征 明 显 , 自由重力 为 N E 向低值负异 常 。 其东 部 BY 一7一1一1 井 钻遇 早中新 世火山丘 , 该井 还钻 遇早渐 新世 火山岩 , 反映该凹陷形成 与南 海拉 张 及 海底 扩 张 同期 。 白云凹陷沉 积构 造 特 征与西沙海 槽相似 , 可能是在 一个夭 折 的裂谷 基 础上形 成 的深 盆地 , 有利于油气的生 聚 , 其深部结 构 有待进 一步 调查 。 3 结论 南海北 部陆缘地壳下部高速层 规模较 小 , 可能 与上新 世以来 沿 张性断裂 的岩浆活动 10 热带 海洋学报第2 1卷 共源 。 南海裂谷拉 张与海 底扩 张期 间的岩浆活动较 为平 静 , 在 南海 陆缘 拉 张和海底扩 张 期间未形成 大规模 的岩浆 岩体 , 均说明南海北 部陆 缘是非 火山 型拉张陆 缘 。 南海北 部陆缘的沉积 盆地存 在明显的走 向差异 。 西部 的莺歌海盆地 具有巨厚 的上第 三系沉积 , 是在北 西 向走滑断裂 基础上形成 的拉分 盆地 , 盆 地中部地壳明显减薄 。 西沙海 槽也 具有巨厚 的沉 积和较薄的地壳 , 是 一个 夭 折的裂谷中心 。 在裂 谷拉张 过程 中南海北 部 陆缘 中西部存 在以西沙海槽 、 琼东南 盆地 为代表 的若千 裂谷中心或裂 谷 中心的跃迁 , 而 东部 的拉张则较 为均匀 。 与西 沙海槽 沉积特征 类似的深裂谷盆地还有琼 东南盆 地和珠 二坳 陷 。 裂谷 系统 有利 于岩浆的侵人 , 也 有利于油气 的成熟 。 勘探程 度 较低的珠二 坳 陷深水区的白云凹陷可能 是一 个有 利于油气生聚 的地区 。 参考文献 飞刁 J‹|习 IQ ‘nn 厂 |匕 厂 匕一1 . 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The e r ustthiekness gener allyde e r e ase s so uth ward , f ro m a bo ut 30k min o ffsho r eS outh China to 7一8kmin the e entralbasin . The roug hlyS N extension in the So uth C hin a Se a r e su lt e din g r e at v a riatio no f e r u sta l struetu r en oto n ly e ros sthe m a rg inbut alsoa lo n gthe m a rgin . In the w esto f the m argin , X ishaT roug h e xten d s w estwa rda sana r row intra 一e o n tinental rift fr o m the e entral basin . InXishaT ro ug h the e rustthiekne s svaries fr o m 2 5kmplu s over two side s to 10k m min u sov er the eente r . The eru st thins e ven to 5km over gg ehai Ba sin in thewe ste rnmost . In the e entr a l Z h u iia ng Riv e r m outh b asin , the the e r u st thins r e r n arka b ly ov e rthe l o w e rs l o pe . A highPw a vev e lo eity 7 . 2一7 . 5km . s一’layer w ith a thieknes s o f3一4km existsun d er the slope . In the e aste rn Zhuiia n g Riv e rm outh ba sin , the e r u stthie ke n s l o e allyov e r the eontinentals helf;in the b a seo f e r u st , a highP w a v ev