南海西南次海盆深部结构研究进展与展望

西南次海盆位于南海渐进式扩张的西南端,共轭陆缘结构和残留扩张脊保留完整,是研究南海深部结构和动力学机制的关键区域。前期研究发现,西南次海盆洋陆过渡带较窄、同扩张断层发育、地震反射莫霍面不清晰、具有慢速扩张等特征。然而,由于不同探测方法获取的地壳结构具有多解性,使得西南次海盆洋陆转换过程、慢速扩张洋壳结构与增生模式以及龙门海山岩石性质与地幔成因机制等基础科学问题尚存争议。为此本文建议在西南次海盆开展地质取样获取海山岩石样品,确定其年龄与性质,分析扩张后海山形成的深部动力过程;并对关键构造部署高精度的地震反射/折射联合探测,结合岩石物理分析,对西南次海盆进行构造成像和物质组成参数正反演,以实现壳幔尺度的地震学透视,为探索西南次海盆洋陆转换过程和洋壳增生模式提供重要的证据,以丰富和完善南海的动力学演化模式。

南海西南次海盆V型尖端地壳岩石圈最终裂解的特征及过程

为了明确南海西南次海盆V型尖端地壳岩石圈发生最终裂解的特征及其演化过程,通过精细的构造解释、断层活动性定量分析、不同构造演化阶段盆地原型分析、沉降速率分析、沉降史模拟等方法综合分析表明,南海西南次海盆V型尖端临界破裂区为远端带和洋陆转换带构成的地壳岩石圈强烈伸展区,依据地壳岩石圈几何形态,该区域可进一步划分为箱型域和楔型域。楔型域内盆地原型可划分为断陷盆地(Tb-SD)、拆离盆地(SD-PD)和拗陷盆地(PD-Bi);箱型域在古新世-渐新世(Tb-SD)盆地原型为断陷盆地,之后该区域进入被动沉降期。新生代以来,南海西南次海盆V型尖端在构造演化过程中,盆地沉降中心由陆向洋方向逐渐迁移,岩浆作用在断拗转换幕发育最强烈,致使岩石圈地壳最终发生裂解。区域资料对比分析表明,南海西南次海盆V型尖端在不同构造带内,盆地构造-地层格架具有差异性,且南海西南次海盆V型尖端经历“双拆离作用”后地壳发生破裂,岩浆侵入,形成原洋洋壳。该认识对南海西南部深水盆地内油气勘探具有重大指示意义。

南海西南次海盆的地热流特征与分析

为系统地了解南海西南次海盆的地热流特征,本文通过对研究区及邻域地热流数据的补充采集、收集整理和统计分析,获得了87个有效的地热流数据、一批热导率和生热率的地热参数资料,地热流测点在空间上覆盖了整个区域.研究区的地热流数据分布结果表明,西南次海盆热流密度的平均值为98.1±14.8mW·m^(-2),洋陆过渡带为103.6±19.4mW·m^(-2),南沙岛礁区和西部陆缘分别为79.0±15.5mW·m^(-2)和78.3±15.6mW·m^(-2).研究区表层沉积物热导率的平均值0.86±0.06 W·mK^(-1),生热率的平均值1.11±0.17μW·m^(-3),海底温度的平均值为2.43±0.01℃.综合海底地形地貌、地质与地球物理资料,认为研究区的热流特征在空间上具有一定的分布规律,表现为:(1)洋盆区测点的热流密度平均值高于两侧陆缘;(2)东南缘洋陆过渡带上测点的地热流密度值高于邻近海盆和南沙岛礁区的测点,而西北缘这种特征不明显;(3)西北翼的热流密度值总体比东南翼高;(4)沿着古扩张中心方向,西南次海盆热流值具有自东北向西南端方向逐步增大的趋势,表明海盆区同时存在着洋中脊与大陆裂谷两种不同的热状态,西南段裂谷热流值比东北段洋中脊高.对西南次海盆沉积物的热导率和生热率值参数的测量及数据空间分析可见,这两种热参数的空间分布无明显规律性,可能与海盆形成之后复杂的沉积环境相关.根据热流-洋壳年龄之间的关系,在西南次海盆东北段26个测站数据中,发现靠近古扩张中心的数据与理论值呈负偏移,而远离古扩张中心的数据呈正偏移,此现象是海盆内地热流数据受不同类型的地下流体影响所致.

海底地震仪远震记录接收函数反演——以南海西南次海盆为例

由于海底环境和海底地震仪（OBS）结构的特殊性,用OBS远震记录进行接收函数岩石圈反演研究因为存在一定的困难,所以还很少见.在深入分析问题的基础上,以国产I-4C型宽频带OBS在南海西南次海盆记录的天然地震为实例,我们将傅里叶变换和小波变换相结合以压制海底地震仪记录中的非平稳干扰,获得了信噪比较高、震相清晰的地震记录,进而成功开展了远震记录的岩石圈结构接收函数反演.主要结论是：（1）OBS接收函数的求取是可行的,关键是压制非平稳干扰.（2）西南次海盆的Moho面埋深为海底下10～12km（地壳厚6～8km）,沉积物厚度为1～2km,浅部地壳存在低速区,与沉积物和海底扩张停止后的岩浆喷发产生的岩石碎屑和裂隙有关.（3）在扩张脊中央Moho面上方6～12km存在S波低速区,推测扩张中心可能存在下地壳熔融或岩浆房,在17～30km区间S波速度呈负梯度,我们认为扩张中心更深的地方存在热物质的供给.

南海西南次海盆广角地震探测

2010年12月—2011年3月在南海西南次海盆开展了海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer,OBS)探测,采用Sedis IV型、I-4C型和MicrOBS3种不同型号的OBS,以4×24.5L的大容量气枪为震源,获得了覆盖西南次海盆残留扩张脊的3D人工地震数据。从处理的地震数据可知,此次试验是一次比较成功的地震实验,OBS地震记录清晰、震相丰富,所使用的气枪有足够的能量输出,显示了其良好的工作能力。选取剖面1中的7台OBS进行了2D剖面处理。初步建模结果表明,南海西南次海盆地壳结构为普通洋壳,海山顶部沉积层很薄,莫霍面埋深较浅。

南海西南次海盆与南沙地块的OBS探测和地壳结构

跨越南海西南次海盆南部陆缘和南沙地块中部的OBS973-1测线是南海南部首次采集的海底地震仪(OBS)广角反射与折射深地震测线,本文通过震相分析和走时正演拟合,获得了沿测线的二维纵波速度结构模型.模拟结果显示表层沉积物速度2.5～4.5 km/s,厚度1000～3000 m,局部基底面起伏较大.结晶基底的速度从顶部的4.5～5.5 km/s增加到地壳底部的6.8～6.9 km/s,中地壳有一个小的速度不连续面(0.1～0.2 km/s),而地壳底部的莫霍面有较大的速度反差(1.2 km/s),上地幔顶部的速度为8.0～8.1 km/s.莫霍面埋深和地壳厚度在测线的北段和南段有很大的不同,在测线北段的海盆区,莫霍面埋深约11 km,结晶地壳的厚度仅为5～6 km,表现为典型洋壳的特征,而在测线南段的陆块区,莫霍面埋深最大达24 km,地壳厚度可达20 km,表现为减薄陆壳的特征,从海盆区到陆块区莫霍面埋深和地壳厚度迅速增加.陆块区上下地壳的厚度和变化趋势相似,下地壳没有看到高速层(HVL),可能说明地壳内部是以纯剪拉张的均匀减薄为主,地壳下部的岩浆底侵不发育.对比OBS973-2和OBS973-3测线的结构模型,可以推测南沙地块的中部和东部具有相似的构造性质,西南次海盆两侧是一对非火山型的不对称共轭陆缘.

南海西南次海盆北缘海底地震仪测线深部地壳结构研究

基于2009年和2011年采集的海底地震仪数据,辅以多道地震数据,对南海西南次海盆北缘的地壳结构进行了探索.利用二维射线追踪的反演方法建立测线上的模型.利用声学基底面的反射波,下地壳顶界面的反射波和莫霍面的反射波走时的反演勾绘了地层中的不连续界面,利用自声学基底面下的折射波和来自上地幔的首波来反演整条测线的P波速度结构.结果发现在下地壳顶界面和莫霍面都出现了较大的起伏,据此推断西南次海盆的张裂模式,并得到西南次海盆与非火山型的大陆边缘伊比利亚-纽芬兰的张裂具有一定程度上的相似性的结论.说明了大陆张裂的两种端元力学模型不能很好的解释西南次海盆的拉张模式,而应用弹性梁的力学模型可以解释这种拉张模式.虽然在西南次海盆北部陆坡区的下地壳中没有发现大规模的岩浆活动,但是得出在莫霍界面上方可能有小规模熔融物质存在的结论.

南海西南次海盆洋中脊分段特征

通过对南海西南次海盆的古洋中脊地貌、重力、磁力异常的分析,确定是一个带有中央裂谷性质的古扩张中心,其转换断层两侧分别在地貌、重力、磁力上表现出不同的特征。根据这些特征,沿古洋中脊识别出4条转换断层,对所有转换断层的性质进行了分析,特别对第4条转换断层的性质做了详细探讨,认为该转换断层是西南次海盆中大陆裂谷与洋壳相互演化的一个转换带,这可能意味着该转换带两侧地壳结构属性会有所不同。

南海西南次海盆NH973-1测线地震解释

针对973项目"南海大陆边缘动力学与油气资源潜力"2009年新采集的多道地震剖面NH973 1测线进行了研究分析,获得以下初步认识:(1)西南次海盆深海平原南端下伏巨厚沉积体,表明陆坡坡脚不是洋陆边界的位置,深海平原南端为陆壳分布区,也可解释为洋陆过渡带.这种情况在南海的洋陆边界确定过程中应加以考虑.(2)西南次海盆洋壳基底存在两种类型,反映了不同海底扩张阶段岩浆活动与变形的强弱不同,与扩张速率变化有关.

西南次海盆洋壳温度变化对岩石热导率的影响

温度对岩石热导率的影响是一个重要的地热学研究课题。在前人岩石热导率实验的基础上,结合南海西南海次盆地壳实际资料,用数值模拟的方法,对倒数型、直线型和指数型热导率-温度模型系数进行了约束,并对温度对热导率影响条件下莫霍面深度的求解方法以及海底热流与莫霍面温度关系的探讨产生了新的认识。计算结果表明：倒数型（K（T）=a＋b/（T＋c）,a、b、c为常数）和直线型（K（T）=a·T＋b,a、b为常数）热导率-温度模型系数呈线性相关,指数型（K（T）=a·ebT,a、b为常数）则更符合二次多项式形式,据此可简化热导率-温度表达式系数个数,使岩石热导率与温度之间的定量化描述更进一步。根据模拟结果与实验室统计结果对比分析得到西南次海盆莫霍面深度为14~16km。通过热导率-温度模型系数反演发现,热导率受温度影响时海底热流值同莫霍面温度呈正相关,当海底热流为100~125mW/m2、莫霍面深度为10.3km时,西南次海盆莫霍面温度为420~540℃,且随莫霍面深度增加而升高,当莫霍面深度增至14~16km时则可达600~1 000℃。

渐进式扩张海盆亚丁湾与南海西南次海盆扩张演化特征的对比

本文总结了渐进式扩张洋中脊和渐进式演化海盆的全球空间分布,并将西南次海盆与典型渐进式演化的亚丁湾加以比对,通过对海盆扩张中心的起源、扩张中心分段特征、火山活动、磁异常特征等的比较,为西南次海盆的演化提供新观点,为南海的演化观点寻找新证据.西南次海盆为渐进式扩张的海盆,与东部次海盆属于同一期扩张形成,海盆的渐进式扩张与渐进式扩张的方向很有可能受到地幔热柱(印支地幔柱、南海中部低速柱或海南地幔柱)的控制.南海的扩张演化模式并不是单一的,而是多种模式的综合,在考虑海底演化模式时应该同时考虑地幔柱的影响.

南海西南次海盆声呐浮标地震测深资料研究

利用声纳浮标资料 ,得到了南海西南次海盆地壳的速度结构。确定海盆中沉积物的速度为1.6～3.9km/s,基底顶面速度为4.2～6.8km/s。确定海盆中存在洋壳。海盆中基底起伏较大 ,埋深为4400～5700m ,很多地方的基底上只有一层300～500m厚的低速沉积层 ,而缺少其它上第三系的沉积物。海盆中沉积物的厚度为300～1500m ,时代为晚渐新世～第四纪 ,由此推测西南次海盆的扩张开始时间应该为早渐新世。

南海西南次海盆剪刀式扩张

南海西南次海盆的平面形态比较独特,是一个往北东开口、尖角指向西南的“V”字型海盆。正确认识其扩张运动学特征是研究南海新生代扩张与构造演化的关键一环。本文利用反射地震剖面、重力异常和磁异常资料、IODP大洋钻孔资料等,详细分析了西南次海盆的地质构造特征。研究结果揭示,次海盆边缘扩张期的上超层序自北东而西南特征相同,是海盆同一时间开启形成的沉积;作为西南次海盆与东部次海盆的构造分界,中南-礼乐断裂带并非完全呈S—N向延伸,而是一条南、北两端均朝西弯曲、略呈弧形的断裂带,此为西南次海盆扩张期间呈扇形推移所导致;西南次海盆西部一条断层面西倾的断裂带在此分隔了扩张海盆区与过渡壳区,两区之上发育一套扩张期间沉积的层序,覆盖在扩张区的洋壳之上和过渡壳区的古近系之上,证实两区经历了同步拉张的过程。由此证实,西南次海盆的扩张运动学模式为“剪刀式扩张”。即海盆的扩张自北东而西南同时开启,扩张速率却自北东而西南逐渐减慢,导致越往西洋壳区越窄,使得海盆西部尖角区域成为有拉张而无扩张、面积较窄的过渡壳区,因而形成呈“V”字型展布的西南次海盆。

南海西南次海盆两侧陆缘新生代构造沉降特征及演化过程

构造沉降史分析有助于认识盆地的形成演化过程,是盆地分析的重要基础。为对比分析南海西南次海盆两侧陆缘新生代构造演化特征,本文选取了横穿南海西南次海盆两侧陆缘的多道地震剖面测线,其中NH973-3测线横跨西南次海盆北侧陆缘中-西沙地块,NH973-1+SO27-04联合剖面跨越西南次海盆南侧陆缘南沙地块,在地震地层解释的基础上,采用回剥法和平衡剖面技术分析了西南次海盆两侧陆缘构造沉降特征及伸展过程。分析结果表明:(1)西南次海盆两侧陆缘的构造沉降曲线特征表现为裂陷初始期曲线斜率平缓,裂陷强烈期和末期曲线斜率较陡,断-拗转换期和拗陷期曲线斜率又回归相对平缓的反“S”形多段式特征;(2)两侧陆缘的构造沉降具有一定的延迟滞后性,造成此现象的原因可能与西南次海盆两侧陆缘岩石圈的分层差异伸展及南海西缘断裂的右旋走滑活动有关,且南海西缘断裂的右旋走滑活动造成两侧陆缘的构造沉降中心向南迁移;(3)两侧陆缘盆地主要形成于晚渐新世,北侧陆缘因受晚渐新世南海西缘断裂右旋走滑活动的改造影响而形成伸展-走滑相关的沉积盆地,南侧陆缘在早中新世因受到挤压碰撞的改造影响而形成伸展-挠曲复合型沉积盆地。这些研究成果可为南海西南次海盆两侧陆缘沉积盆地的油气和天然气水合物的勘探开发提供重要的科学背景支持。

南海西南次海盆反射莫霍面成像及其地质意义

深部地质结构是研究海盆动力成因的重要基础。南海西南次海盆以往多道地震资料中莫霍面的成像普遍不清,选取NH973-1测线长排列多道地震数据对西南次海盆的莫霍面反射成像进行研究。该地震资料中层间多次波非常发育,严重掩盖或干扰了莫霍面有效反射信号。针对地震资料特征,首先采用抛物线型Radon变换滤波对部分层间多次波进行压制以拾取一个相对准确的初始速度,在此基础上进一步采用速度滤波和内切除组合方法对层间多次波进行压制。从资料处理效果看,层间多次波得到有效压制,莫霍面成像清晰,呈现出断断续续的特征。由此解释的海盆区地壳(除沉积层外)厚度整体较薄,约为2.3~3.9km,有别于正常洋壳结构,更接近于构造拉伸主导型的地壳。

南海西南次海盆岩石圈结构及其地质意义

南海地区岩石圈资料稀少,阻碍了其形成演化过程的研究.为此,本次研究结合大地热流、空间重力异常、高程、大地水准面和地震数据,在南海西南次海盆反演了两条2.5维岩石圈剖面.本次计算基于三种假设:岩石圈地幔的密度取决于岩石温度;研究区岩石圈处于热稳定状态;研究区处于重力均衡状态.在剖面A-E中,岩石圈底界面从珠江口盆地的105km迅速抬升到西沙海槽处的50km,在西沙海槽、西沙-中沙群岛和西南次海盆变化不大,为50~60km.在剖面F-I中,岩石圈底界面从西沙群岛-中建地块处的88km向海盆逐渐抬升,在西南次海盆处为46~50km,到郑和隆起再逐渐变深至64km.我们比较了西南次海盆岩石圈的冷却模型和热稳定模型,根据冷却模型由水深和热流数据所推断的西南次海盆年龄比实际年龄差很多,说明冷却模型不适用于西南次海盆.通过对比剖面A-E和剖面F-I,说明了剖面A-E经历了更长时间的拉伸,证明南海西南次海盆在形成演化过程中是从北东向南西逐步打开的渐进式扩张.最后,我们综合分析西南次海盆及其大陆边缘的岩石圈结构、减薄陆壳区范围、碳酸盐台地的分布、下地壳韧性流动、流变结构和沉积层特征等多方面资料,认为西南次海盆在形成演化过程中岩石圈地幔首先破裂而地壳后破裂,属于type Ⅱ型非火山型大陆边缘.

南海西南次海盆扩张期热液循环与洋壳增生的数值模拟

洋壳厚度受多方面因素的影响,前人大多关注地幔温度、地幔源成分等岩石圈深部因素,很少关注岩石圈浅层的热液循环对洋壳厚度的影响。利用基于有限元的数值模拟手段,对扩张期不同背景(洋中脊、拆离断层)、不同扩张速率的热液循环与洋壳增生的关系进行研究。结果表明:洋壳增生达到稳定前,热液循环导致理论洋壳厚度发生阶段性减薄,减薄量随时间改变,并且推迟了上地幔中熔融体出现的时间;当洋壳增生达到稳定后,热液循环下产生的理论洋壳厚度反而比无热液循环的更厚。结合洋壳增生过程中对流热通量的变化分析,在洋壳增生前期的上地幔温度低,驱动热液循环的热源小,产生的对流热通量相对较小且不稳定,热液循环缓慢冷却上地幔顶部的温度,进而推迟上地幔初始熔融的时间,减弱上地幔的熔融,并造成一定时间阶段内的生成理论洋壳比正常理论洋壳厚度更薄;当洋壳增生达到稳定后,对流热通量达到最大并稳定,热液循环持续快速的冷却上地幔顶部温度,导致上地幔深部的热向上地幔顶部补给,反而增大了上地幔顶部的温度和熔融量,进而增大了理论洋壳厚度。随着扩张速率的增大,理论洋壳厚度增大,对流热通量增大,热液循环导致的洋壳阶段性减薄的最大减薄量也增大,阶段性减薄的时间缩短。结合南海西南次海盆的洋壳结构特征分析:两条横跨南海西南次海盆的地震剖面显示,海盆内存在异常薄的洋壳区域,并且两条地震剖面的最薄洋壳厚度相差0.85 km,推测海盆内异常薄洋壳和不同扩张时期的最薄洋壳厚度差异受到扩张期热液循环阶段性减薄洋壳作用的影响。

西南次海盆及邻区CFT测线重磁震联合反演及其应用

对跨南海西南次海盆及两侧陆缘的1条长达1 093 km,包括海底地震仪(OBS)、长排列多道地震和测深、重力、磁力调查在内的综合地球物理探测剖面(CFT),进行了重磁震联合反演。基于重磁震联合反演结果,在分段解译的基础上,证实本区多处发育前新生界残余沉积层并发生多期次岩浆活动,南海海域地壳结构颇为复杂,具有陆壳、减薄型陆壳、陆洋过渡壳和洋壳等地壳类型,壳下高速层分布较广。根据以上分析,重磁震数据联合反演是研究海区构造特征和深部地壳结构的重要技术手段。

南海西南次海盆构造特征及其沉积响应

本文对穿过南海西南次海盆的逾1000 km的多道地震测线CFT剖面进行了地震界面特征的识别和地震层序的划分,分段分析了拆离断层对其减薄陆壳的拆离作用。结合前人研究成果,对南海西南次海盆地壳结构特征开展了分析,并总结了其构造特征。西南次海盆在发生陆缘张裂—海盆扩张、洋壳出现—扩张后稳定沉积这一系列过程中,可划分为4个阶段的沉积响应:A阶段(古新世之前)——前裂谷阶段,表现为地壳在拉张应力下产生小的断层;B阶段(始新世—早渐新世)——陆缘的裂谷阶段,地壳在拉张应力下拉张减薄,A阶段产生的断层出现了旋转,出现了大型掀斜的拆离断层,沉积物为同裂谷沉积,该阶段以产生了破裂不整合结束;C阶段(晚渐新世—早中新世)——海盆扩张阶段,海盆开始扩张,张应力从陆缘转移到了洋盆;D阶段(中中新世以来)——海盆扩张结束以后,以一套稳定沉积为特征。

南海西南次海盆与超慢速扩张西南印度洋中脊地壳结构对比

近年来对西南印度洋中脊的研究显示,超慢速扩张(全扩张率:12~18mm·yr^(-1))的西南印度洋中脊包含岩浆增生型和非岩浆增生型两种截然不同的地壳结构。岩浆增生型中脊段表现为轴向的海底隆起,通常具有较低的地幔布格重力异常和较强的磁性,地壳厚度较大;非岩浆增生型中脊段通常水深较深,缺乏转换断层,发育拆离断层和高角度正断层,具有较高的地幔布格重力异常和微弱的磁性,大量蛇纹石化的地幔橄榄岩出露海底,火成岩地壳较薄甚至不存在。南海西南次海盆具有较慢速扩张率(全扩张率:50~35mm·yr^(-1)),其接近消亡洋中脊中央部分的地壳厚度也较薄,也有可能存在蛇纹石化地幔,具有超慢速扩张脊非岩浆增生段的特点。