基于南幅编制探讨剖面穿过地区的地壳结构和属性.docx

基于南幅编制探讨剖面穿过地区的地壳结构和属性海洋地质编图是维护国家主权与权益、建设海洋强国的重要技术保障（刘光鼎，2014）．自20世纪80年代以来，随着各项海洋地质地球物理调查的开展，一系列的基础性海洋地学图件相继问世，其中影响力最大的是刘光鼎院士主编的《中国海区及邻域地质地球物理系列图（1∶500万）》（刘光鼎，1992a）．由于我国海洋地质地球物理工作起步较晚，早期技术手段差，整体调查程度低，远远落后于国家需要和形势发展．2008年，“中国海及邻域地质地球物理及地球化学系列图”项目正式实施，旨在通过收集近年来最新掌握的地质、地球物理资料和成果，利用最新的技术方法，编制一套最新的成果图件（温珍河等，2014）．“中国海—西太平洋典型剖面图”的编制为该项目构造格架图、构造格架演化图以及构造纲要图的编制提供技术支撑．图幅分两部分，南幅从华南陆缘穿过南海、苏禄海抵达苏拉威西海（图1），由中国科学院南海海洋研究所负责编制；北幅从扬子块体穿过东海、琉球海沟、菲律宾海板块抵达马里亚纳海沟（图1），由中国科学院海洋研究所负责编制（张正一等，2018）．本文主要介绍“典型剖面”南幅的编制及其地质解释．图1研究区海底地形及典型剖面位置图红色线段为本研究典型剖面（南幅）位置；黑色线段为典型剖面（北幅）位置．20世纪70年代以来，为获得对南海海盆、南海大陆边缘及其油气资源潜力的认识，我国海洋调查研究机构和油气工业界在南海北部、西部大陆边缘、南沙海域和南海海盆开展了多个国家海洋专项和国际合作项目．通过大规模地质、地球物理勘查和综合科学研究，积累了大量有关地壳结构、深部作用、构造演化、沉积体系和含油气盆地等地质、地球物理基础资料，形成了一批总结性成果：刘光鼎（1992a,b）主编的1∶500万“中国海区及邻域地质、地球物理系列图”和《中国海区及邻域地质、地球物理特征》专著、国土资源部广州海洋地质调查局（1987）主编的1∶200万“南海地质、地球物理图集”等等．本文收集并对比分析了南海地区最新深部地壳结构探测和相关研究方面的资料，包括声纳浮标折射地震探测（Ludwigetal.,1979；李振五，1984）、双船扩展剖面探测（姚伯初等，1994a,b;Nissenetal.,1995）和海底地震仪探测（Yanetal.,2001;Qiuetal.,2001;Wangetal.,2006;Zhaoetal.,2010；丘学林等，2011；阮爱国等，2011;Wuetal.,2012;Pichotetal.,2014；曹敬贺等，2014;Heetal.,2016;Zhuetal.,2018;Zhaoetal.,2018）．在更深部的岩石层结构研究方面，利用天然地震资料曾进行过体波和面波的层析成像研究（黄忠贤和胥颐，2011;Xiaetal.,2012;TangandZheng,2013;Xiaetal.,2016），接收函数研究（黄海波等，2011;Huangetal.,2015）．这些资料的整合为构建“中国海—西太平洋典型剖面”（南幅）及相关地质解释研究提供了丰富的数据基础．从收集基础观测数据到生成典型地学剖面图件，不仅需要动态的、分层次的研究指导思想，还需要科学的工作方法和流程．本剖面的地壳结构及重-磁-震联合反演编图采用基于朱夏和刘光鼎学术思想发展形成的块体构造学说（张训华等，2009），即以板块构造活动论为指导，首先以地震研究成果作为初始模型，根据合理的地震波速度-岩石密度关系建立重-震反演模型；以重-震反演模型为基础，结合研究区拖网、钻井及岩浆活动资料，建立磁力反演模型．分析解释过程中，以岩石物性和地质资料约束重磁反演初始模型和反演结果作为分析解释的依据．反演过程中，注意重、磁、震地球物理参数相互约束，减小反演问题的多解性，逐步逼近真实解．本文通过搜集对比南海、苏禄海和苏拉威西海地区深部地壳结构探测以及其他综合地球物理调查结果，结合南海—东南亚拖网、钻井、地热、地质剖面等资料，以块体构造学说为编图思想，运用重-磁-震联合反演方法，完成了中国海—西太平洋典型剖面图（南幅）的编制，并对剖面穿过地区的地壳结构和属性进行了综合分析，对异常单元体、构造单元分界、断裂、火山等进行了综合解释．此外，通过对南海及邻区构造演化史的描绘，详细分析了该区中生代-新生代时期块体分离-拼合、洋盆打开-消亡，直到形成今天微陆块-窄洋盆相间分布构造格局的过程．1、资料搜集与数据处理中国海—西太平洋典型剖面图幅的编制需要用到的数据有水深地形、地震资料、重磁数据以及相关岩石物性资料等．水深地形数据在有地震剖面覆盖的地方采用地震记录进行约束，海水地震波速度设为1.5km·s-1，将地震波走时转换为深度值；在其他地区则参考ETOPO1全球水深数据，该数据是由美国国家海洋大气管理局（NOAA）综合多源的单波束、多波束、地震、重力等多类数据计算得出的全球海域水深分布（AmanteandEakins,2009），避免了水深与自由空间重力异常之间数据源完全相同的问题，该数据的空间分辨率为1弧分．因典型剖面（南幅）穿过的大多数位置与多条地震测线相重合，故水深地形能得到较精确的控制，为进一步的综合地球物理反演提供了基础．地震探测数据是建立地壳结构模型并进行下一步物性反演和分析的基础．本文所采用的地震探测数据为实测数据，地震波速度为实测资料的正、反演模拟的结果．典型剖面（南幅）起自华南大陆，穿过南海北部陆架、南海西北次海盆、中沙地块、中央海盆、巴拉望，到达苏禄海和苏拉威西海．其中华南大陆下方速度结构参考1999年华南连县—博罗—港口地带的爆炸地震探测资料（尹周勋等，1999），同时参考了华南地震台网部分台站的天然地震反演资料（黄海波等，2014）；南海地区的浅部和深部速度结构分别参考多道地震探测（MCS）和海底地震仪探测（OBS），包括2010年OBS测线OBS2010-1（曹敬贺等，2014）、2006年OBS测线OBS2006-1(Wuetal.,2012）、2009年OBS测线OBS2009-2的同步多道数据和OBS数据（阮爱国等，2011）和2011年在南海中央海盆珍贝—黄岩海山链开展的三维OBS探测（Heetal.,2016;Zhaoetal.,2018）；苏禄海、苏拉威西海地区的地球物理调查较少，其浅部和深部速度结构参考1967年日、美合作的“西北太平洋地球物理调查项目”中的折射地震调查数据（Murauchietal.,1973).本次编图采用的重力数据为最新的卫星测高自由空间重力异常，是由美国加州大学SCRIPPS海洋研究所Smith和Sandwell提供的V18.1版本（Sandwelletal.,2014），具有高分辨率、高精度的特点．网格数据的分辨率为1弧分×1弧分．Huang等（2019）对本剖面涉及南海部分的重力模拟结果进行了详细讨论，论证了中沙地块的地壳结构和裂陷-裂离过程．磁异常数据方面，使用Geomag团队发布的具有全球覆盖度的EMAG2网格数据，分辨率为2弧分×2弧分，磁异常测算高度为4km，是在Swarm和CHAMP卫星数据以及百余家单位提供的其他各类原始数据基础上新增了网格和测线数据改进得到的．南海及围区的密度资料、岩石物性和磁化率资料主要参考郝天珧等（2009,2011）的相关总结，主要密度数据参见表1.2、重-磁-震联合反演剖面分析典型剖面（南幅）位于2°N—25°N,110°E—123°E，全长约2708km．其从华南陆上至苏拉威西海穿过多种类型的构造边界，记录的构造单元复杂多样，包括：3个陆缘-离散地块区（华南块体—南海北部陆缘、中沙地块、礼乐—北巴拉望地块）、4个海盆区（西北次海盆、中央海盆、苏禄海盆、苏拉威西海盆）、2个俯冲-岛弧区（卡加延脊、苏禄脊）（图2）．这些构造单元交错分布，其深部结构记录了东亚陆缘及边缘海演化过程．图3展示了中国海—西太平洋典型剖面（南幅）的重-磁-震联合反演结果．表1南海各地区及北部围区各地层密度（单位：g·cm-3)注：据郝天珧等（2009,2011），有修改．图2（a）南海及邻区构造动力学纲要图及（b）区域磁异常平面图白色粗实线为典型剖面（南幅）位置；红色实线为参考陆上地震探测、OBS探测、双船折射地震探测测线位置；深蓝色实线为图4和表4中参考地震剖面位置；白色细实线为南海海盆洋陆边界位置；LX：连县；GK：港口；NWSB：西北次海盆；MT：马尼拉海沟；NST：南沙海槽；N-PT：巴拉望北海槽；CR：卡加延脊；PI：班乃岛；ST：苏禄海沟；SR：苏禄脊；NT：内格罗斯海沟；DP：登特半岛；ZP：三宝颜半岛；CT：哥打巴托海沟；SNT：苏拉威西岛北部海沟；SI-N：苏拉威西岛北臂．2.1华南—南海北部陆缘在华南陆上，人工爆破测线（尹周勋等，1999）所获得的广东境内连县—博罗—港口地区的地壳厚度为29～34km，莫霍面起伏平缓，地壳厚度向南有逐步变薄的趋势．地壳平均速度为6.25km·s-1，莫霍面底部平均速度为8.06km·s-1．天然地震接收函数结果显示，该区地壳厚度范围在26～32km之间（黄海波等，2014）．中地壳存在一厚约3km的低速层，P波速度范围在5.5～5.9km·s-1之间（曹敬贺等，2014).图3中国海—西太平洋典型剖面（南幅）重-磁-震联合反演结果穿过滨海断裂带至南海北部陆架区，基底急剧加深，莫霍面抬升趋势加大，至陆坡坡脚与西北次海盆相接处，莫霍面深度从20km急剧抬升至12km左右．地壳厚度从海岸线处的26km左右减薄到与海盆邻接处的8km左右（图3e）．海陆过渡地区滨海断裂带速度结构上表现为与旁侧相异的低速特征，穿过该带中地壳低速层向海方向呈楔形尖灭（曹敬贺等，2014).滨海断裂带作为岩浆活动的通道，对应明显高磁异常（图3a）．正演得到的滨海断裂带视磁化强度在上地壳为0.3～0.38A·m-1，下地壳为0.2A·m-1（图3d），明显高于旁侧；密度上，滨海断裂带较旁侧小0.04g·cm-3（图3c）．重磁模拟均验证了破碎带和岩浆侵入的存在．在珠江口盆地，视磁化强度为0～0.4A·m-1不等（图3d），磁异常在平缓低值背景上具正负起伏（图3a），是该区断坳和断隆构造的反映．到陆坡区，磁异常明显升高，反映了陆缘大断裂的发育和洋陆过渡区深部岩浆物质的增加．总体上说，该区地壳性质为正常到减薄陆壳，从陆向海减薄程度逐渐增大．该区主要存在的构造边界有：(1)滨海断裂带，为华南正常陆壳与南海减薄陆壳的分界断裂；(2)洋陆过渡带（COT），为南海北部陆缘减薄陆壳与西北次海盆洋壳的过渡区域．2.2西北次海盆穿过COT进入西北次海盆，莫霍面深度抬升至11～12km左右，地壳厚度为6～8km（图3e），地壳结构上显示出明显的洋壳特征（Wuetal.,2012；欧阳青等，2017）．扩张中心地壳较两侧变厚，海盆以该中心对称分布，显示出对称的扩张演化过程．磁异常上显示出正高值特征，约70～130nT（图3a）．正演出的视磁化强度在上地壳为2.2A·m-1，下地壳为1.6～1.7A·m-1（图3d）．强的视磁化强度代表了洋壳增生形成时所记录的磁特征．扩张中心的视磁化强度则偏低，上地壳为0.3～0.5A·m-1，下地壳为1.4A·m-1，较正常洋壳低的磁化强度可能代表了扩张之后岩浆活动的产物，如双峰海山（欧阳青等，2017）．该区上地壳密度值为2.75g·cm-3，下地壳为2.95g·cm-3，上地幔为3.25g·cm-3．其中，上地幔密度值较大陆地区低0.05g·cm-3（图3c），显示出深部地幔物质上升引起的热异常影响．西北次海盆两侧陆缘的地壳结构相近，显示出扩张前的共轭．西北次海盆在典型剖面中宽度为130km左右，为被动陆缘和微陆块之间夹杂的狭窄洋盆，其主要构造边界为两侧COT，主要构造体还包括扩张中心（双峰海山）．2.3中沙地块剖面向南进入中沙地块。