李守軍

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.國(guó)家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州310012；3.國(guó)家海洋局 海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012）

0 引言

南海北部陸緣地處歐亞板塊、印度－澳洲板塊和菲律賓海板塊交匯拼合部位，中生代末區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)由擠壓轉(zhuǎn)為伸展［1］；新生代早期又經(jīng)歷了陸緣張裂、海底擴(kuò)張、基底沉降形成盆地的復(fù)雜演化過程［2］；裂后晚期構(gòu)造－熱事件頻發(fā)，巖漿活動(dòng)、斷裂體系發(fā)育［3］；新近紀(jì)晚期菲律賓海板塊相對(duì)歐亞板塊的北西向運(yùn)動(dòng)，在南海東部形成馬尼拉海溝俯沖、臺(tái)灣擠壓造山的新構(gòu)造體系［4－5］。

南海北部陸緣構(gòu)造位置特殊、演化歷史復(fù)雜、地質(zhì)現(xiàn)象異常豐富，海底熱流和深部地溫場(chǎng)經(jīng)受了巖石圈拉張減薄、底侵熱事件、斷裂作用、火山活動(dòng)和板塊之間相互俯沖擠壓等眾多因素的影響。前人針對(duì)南海北部大地?zé)崃?、地溫梯度、巖石圈和地殼熱流變結(jié)構(gòu)曾開展過觀測(cè)和研究工作［6－11］，但目前尚缺少對(duì)南海北部地?zé)崞胶鉅顟B(tài)判斷及具體構(gòu)造活動(dòng)、熱事件與地?zé)釥顟B(tài)成因的關(guān)聯(lián)性研究。本文在系統(tǒng)收集、整理南海北部地?zé)豳Y料基礎(chǔ)上，通過穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程計(jì)算南海北部陸緣隨深度變化的熱流和溫度分布，求取熱居里面埋深，通過地磁資料反演磁居里面埋深，進(jìn)行熱、磁居里面埋深對(duì)比，進(jìn)而分析南海北部陸緣大地?zé)崃鞣植继卣?，進(jìn)行地?zé)崞胶鉅顟B(tài)判斷；并通過地殼結(jié)構(gòu)、拉張因子、莫霍面埋深、斷裂體系分布、火山活動(dòng)的綜合分析，探討南海北部陸緣地?zé)釥顟B(tài)的成因。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究區(qū)域?yàn)槟虾１辈看箨戇吘?，地理坐?biāo)范圍為105°E～123°E，15°N～25°N，為避免數(shù)據(jù)網(wǎng)格化時(shí)在邊緣處產(chǎn)生變形，實(shí)際參與計(jì)算的數(shù)據(jù)范圍向四周擴(kuò)大了1°，文中圖件只顯示研究區(qū)海域數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果，陸上區(qū)域以岸線填充遮蔽。地?zé)豳Y料主要來源于全球地?zé)豳Y料庫（http：／／epic.awi.de／31378／），數(shù)據(jù)類型包括地溫梯度、熱導(dǎo)率和大地?zé)崃髦?，又通過文獻(xiàn)檢索獲得最新地?zé)豳Y料77組，包括米立軍等［6］2009年公布的南海北部地?zé)豳Y料34組，徐行等［7］2006年公布的地?zé)豳Y料7組，張健等［8］2000年公布的地?zé)豳Y料20組以及劉昭蜀等［12］2002年公布的地?zé)豳Y料16組，全部地?zé)豳Y料采集時(shí)間跨度為1970年至2009年。針對(duì)地?zé)豳Y料采集時(shí)間跨度大，儀器型號(hào)不同的情況，為了保證計(jì)算結(jié)果一致和可靠，對(duì)個(gè)別干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行了剔除，最終形成有效地?zé)豳Y料462組，采用克里格算法進(jìn)行網(wǎng)格化。南海北部海底大地?zé)崃鞣植家妶D1。

圖1 南海北部海底熱流分布Fig.1 Distribution of heat flow values in the northern margin of the South China Sea

本研究采用的地磁數(shù)據(jù)主要來源于國(guó)家海洋局第二海洋研究所20世紀(jì)90年代以來在南海北部進(jìn)行的船載海洋磁力測(cè)量。同時(shí)為了數(shù)據(jù)的完整性，在資料稀疏區(qū)域加入了CCOP磁力數(shù)據(jù)（Geological Survey of Japan and CCOP，1996）。采用2009年第十一代國(guó)際地磁參考系數(shù)進(jìn)行正常場(chǎng)改正，計(jì)算研究區(qū)的ΔT地磁異常，南海北部地磁異常分布特征見圖2。

南海北部斷裂體系十分發(fā)育，前人通過海底地形、重力和地磁異常反演、地震剖面、海底地震探測(cè)和層析成像、應(yīng)力場(chǎng)和大地動(dòng)力學(xué)分析等多種手段對(duì)南海北部斷裂帶進(jìn)行了識(shí)別和研究。目前普遍認(rèn)為南海北部中、新生代存在NE（NEE）和NW（NWW）兩組主要斷裂，其中NE（NEE）向斷裂為南海北部地區(qū)的最主要斷裂，發(fā)育時(shí)間較早，以張性斷裂為主，控制著大規(guī)模張裂盆地的形成；NW（NWW）向斷裂相對(duì)NE（NEE）向斷裂來說形成時(shí)間較晚，多數(shù)切割NE（NEE）向斷裂，在南海北部形成南北分帶、東西分塊的構(gòu)造格局［13－18］。本文對(duì)前人有關(guān)南海北部斷裂體系的研究成果進(jìn)行了綜合，將南海北部主要斷裂繪于海底地磁異常平面圖中（圖2）。

1.2 深部溫度和熱流計(jì)算方法

圖2 南海北部地磁異常與斷裂帶分布Fig.2 Characteristic of geomagnetism and distribution of faults in the northern margin of the South China Sea

根據(jù)大地?zé)崃髦?、熱?dǎo)率和生熱率可以計(jì)算隨深度變化的溫度和熱流分布。深部溫度和熱流值作為一組重要的地球物理參量可定量地反映南海北部陸緣深部地?zé)崽卣骷盁峤Y(jié)構(gòu)。本文采用穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程模擬南海北部大陸邊緣的地溫場(chǎng)和熱結(jié)構(gòu)，以575℃等溫線所在的深度作為熱居里面的埋深。模型厚度取100km；上邊界取地表常年平均溫度13℃，事實(shí)上地表溫度隨水深變化可以達(dá)到3℃左右，但是這種小幅度的上邊界溫度變化對(duì)地溫場(chǎng)的影響很??；下邊界取熱流邊界。“熱”巖石圈底界為“干”玄武巖固相線的絕對(duì)溫度T＝1 050＋3z（℃），其中z為計(jì)算深度。因?yàn)榈蒯Ｉ鸁崧市∮?.1μW／m3，可以忽略不計(jì)，因此下邊界熱流通過地表熱流減去地殼熱貢獻(xiàn)獲得［10－11，19］。實(shí)際計(jì)算時(shí)，生熱率在沉積層取2.0μW／m3，上地殼取2.5μW／m3，下地殼取0.4μW／m3；熱導(dǎo)率在沉積層取2.0W／m·K，上地殼取3.1W／m·K，下地殼取2.5W／m·K，地幔熱導(dǎo)率為3.4W／m·K。根據(jù)生熱率分別估算各層的熱流貢獻(xiàn)，莫霍面熱流通過海底熱流減去各層熱流貢獻(xiàn)得到。下邊界熱流的初始值取上述莫霍面熱流估算值，通過調(diào)整下邊界熱流，使得模型中莫霍面熱流與估算值接近。

1.3 磁居里面深度反演

磁居里面即傳統(tǒng)地質(zhì)意義上的居里面，指巖石中鐵磁礦物因溫度升高達(dá)到居里點(diǎn)而由鐵磁性變?yōu)轫槾判詴r(shí)的溫度界面，又稱居里等溫面。該界面可由磁力測(cè)量資料根據(jù)一定的模型反演計(jì)算得到。吳招才等［16］2010年采用離散型棱柱體模型功率譜法來反演居里面深度。反演流程為：（1）根據(jù)全區(qū)ΔT地磁異常結(jié)果確定160km×160km的方形窗口及40km×40km的滑動(dòng)窗口，滑動(dòng)窗口縱橫向可以重疊，計(jì)算窗口內(nèi)數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)功率譜；（2）根據(jù)對(duì)數(shù)功率譜計(jì)算直立棱柱體的頂面深度Zt、中心深度Z0和底面深度Zb，并把底面深度值放在窗口中心作為該處的居里面深度；（3）按照滑動(dòng)距離移動(dòng)窗口至下一個(gè)位置，重復(fù)（1）和（2）的步驟，直至得到全區(qū)居里面反演結(jié)果［16］。南海北部磁居里面深度分布見圖3。

從理論上來講，無論是磁居里面還是熱居里面，它們所反映的都是地下的同一個(gè)溫度界面。就某地而言，若其地下發(fā)生了深部熱事件，居里面埋深發(fā)生變化，經(jīng)過足夠長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期，熱以某種方式傳遞到地表，并通過地表熱流測(cè)量被識(shí)別出來，則整個(gè)過程可以由穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)模型進(jìn)行模擬，此時(shí)磁居里面深度和熱居里面深度一致，稱為熱平衡狀態(tài)。但是，深部熱流傳導(dǎo)到地表需要一定的時(shí)間，倘若某個(gè)深部熱事件發(fā)生較晚，雖然深部溫度場(chǎng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了改變，但熱流尚未傳遞到地表，地表熱流探測(cè)無法反映該熱事件，此時(shí)磁居里面深度將淺于熱居里面，此種情況即地?zé)崽幱诓黄胶鉅顟B(tài)。

圖3 南海北部磁居里面深度分布Fig.3 Depth distribution of Magnetic Curie Point Isotherm in the northern margin of the South China Sea

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 南海北部大地?zé)崃鞣植己痛啪永锩嫔疃?/h3>

南海北部462組地?zé)豳Y料統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，大地?zé)崃髦捣秶鸀?1～135mW／m2，平均大地?zé)崃髦颠_(dá)到84mW／m2。由圖1可見南海北部從陸架向海盆方向，大地?zé)崃鞅憩F(xiàn)為遞增趨勢(shì)。依據(jù)McKenzie經(jīng)典巖石圈瞬時(shí)拉張模型，以南海北部平均地殼拉張因子值為3.0計(jì)算，對(duì)大地?zé)崃髦惦S時(shí)間變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，南海北部大地?zé)崃髦敌∮?3mW／m2。但是，實(shí)測(cè)地?zé)豳Y料中67%的熱流值大于63mW／m2，平均地溫梯度52℃／km也遠(yuǎn)大于正常海底面地溫梯度30℃／km，地?zé)豳Y料統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明南海北部陸緣具有普遍偏高的大地?zé)崃髦岛偷販靥荻?，地?zé)釥顟B(tài)不能用經(jīng)典模型予以預(yù)測(cè)。

南海北部陸緣磁居里面深度反演結(jié)果（圖3）表明，磁居里面埋深表現(xiàn)為陸架和海盆區(qū)下拗，中、下陸坡明顯上隆的整體趨勢(shì)，其中陸架和海盆區(qū)磁居里面埋深25～30km，中、下陸坡埋深15～23km，磁居里面上隆分布在陸坡北緣斷裂（F1）和中央海盆北緣斷裂（F4）之間。

2.2 居里面深度對(duì)比與熱平衡狀態(tài)分析

南海北部珠江口盆地OBS93剖面地殼厚度從陸架區(qū)的22km減薄至海盆區(qū)的8km，下地殼底部存在厚度為3～5km的高速層，隨著地殼厚度由陸架向海盆方向減薄，海底熱流值由陸架區(qū)的60 mW／m2增加至海盆區(qū)的140mW／m2，洋陸邊界帶（Continent Ocean Boundary，COB）兩側(cè)出現(xiàn)高熱流值。在F2和F4斷裂之間熱居里面深度大于磁居里面深度，兩者深度差為3～15km，處于地?zé)岵黄胶鉅顟B(tài)，F(xiàn)2斷裂以北的上陸坡和陸架區(qū)以及F4斷裂以南的海盆區(qū)熱、磁居里面埋深基本一致（圖4）。磁居里面反演結(jié)果顯示F2和F4斷裂之間磁性層底界面抬升，磁性層減薄，平面位置對(duì)應(yīng)于前人研究所指的中、下陸坡磁靜區(qū)［20］，其中F2和F3斷裂之間磁居里面與抬升的莫霍面相交，磁性體集中在上地殼和下地殼頂部，F(xiàn)3斷裂以南磁居里面深度逐漸加大，至F4斷裂以南的海盆區(qū)整個(gè)地殼和上地幔被地球磁場(chǎng)所磁化［16］。地溫場(chǎng)計(jì)算結(jié)果顯示陸架和上陸坡區(qū)莫霍面溫度為400～500℃，而下陸坡和海盆區(qū)莫霍面溫度為200～300℃，海盆區(qū)脆性層底界深度達(dá)到30km。

從綜合剖面圖4可見，F(xiàn)2和F4斷裂之間是下地殼高速層主要存在區(qū)域，同時(shí)對(duì)應(yīng)著大地?zé)崃饔缮详懫孪蚝Ｅ璺较蛟黾雍蜔帷⒋啪永锩嫔疃炔灰恢碌膮^(qū)域。地殼拉張因子剖面顯示F2和F4斷裂之間是地殼強(qiáng)烈拉張減薄的區(qū)域。F2斷裂帶以北O(jiān)BS2～4號(hào)站對(duì)應(yīng)于磁異常平面圖上的高磁異常帶（圖2），前人研究認(rèn)為南海北部高磁異常帶是中生代俯沖帶對(duì)應(yīng)的火山?。?1－22］。依據(jù)地質(zhì)年代計(jì)算，F(xiàn)2斷裂帶以北有足夠時(shí)間達(dá)到地?zé)崞胶猓梢越忉専?、磁居里面深度相同。F4斷裂帶以南是海底擴(kuò)張形成的洋殼區(qū)，莫霍面淺，地殼薄，深部熱傳導(dǎo)至地表時(shí)間短，已達(dá)到熱平衡狀態(tài)，熱、磁居里面深度一致。

圖4 南海北部OBS93剖面地殼和地?zé)峤Y(jié)構(gòu)綜合剖面圖Fig.4 Integrated profile of crust and thermal structure along the seismic line of OBS93in the northern margin of the South China Sea

南海北部陸坡ESP－E剖面勘測(cè)結(jié)果顯示北端莫霍面埋深約30km，地殼厚度為28km，測(cè)線南端海盆區(qū)莫霍面抬升至深度10km，地殼厚度減薄至5 km，屬于洋殼性質(zhì)。綜合剖面圖5中，由測(cè)線北端至南端，表現(xiàn)為地殼厚度逐漸減薄，莫霍面逐步抬升和大地?zé)崃髦鸩皆龈叩内厔?shì)。從上陸坡ESP7站所在的東沙島開始向海盆方向，地殼底部存在寬度約300km的下地殼高速層，厚度為3～17km。地溫場(chǎng)模擬和磁居里面反演結(jié)果表明，ESP－E剖面中8號(hào)站位與4號(hào)站位之間，磁居里面埋深淺于熱居里面埋深，處于熱不平衡狀態(tài)，且兩者之間的深度差異與下地殼高速層厚度呈正比關(guān)系。F2斷裂所在的ESP8號(hào)站位以北至F1斷裂所在的ESP9號(hào)站位之間，熱、磁居里面埋深一致，位置對(duì)應(yīng)于高磁異常帶（圖2），其性質(zhì)與OBS93剖面的2～4號(hào)站位相同。F4斷裂以南為洋盆區(qū)域，熱、磁居里面深度一致。南海北部裂后晚期構(gòu)造活動(dòng)頻繁，火山巖漿活動(dòng)發(fā)育，海底地形圖和重、磁異常研究表明東沙島東南的下陸坡存在線性排列的海底火山［23］，位置對(duì)應(yīng)于ESP－E剖面4號(hào)站至2號(hào)站之間，即F3和F4斷裂之間。研究表明該區(qū)域在裂后10Ma左右存在大規(guī)模海底火山活動(dòng)［3］，巖漿噴發(fā)形成良好疏導(dǎo)通道，深部熱流體輸送至地表，熱流值增高，由熱流值模擬的溫度場(chǎng)升高，造成F3和F4斷裂之間熱、磁居里面交叉，地?zé)釥顟B(tài)受到裂后巖漿底侵事件和火山活動(dòng)的共同影響。

圖5 南海北部ESP－E剖面地殼和地?zé)峤Y(jié)構(gòu)綜合剖面圖Fig.5 Integrated profile of crust and thermal structure along the seismic line of ESP－E in the northern margin of the South China Sea

3 討論

3.1 地殼拉張減薄和莫霍面抬升對(duì)地?zé)釥顟B(tài)的控制

南海北部珠江口盆地中、下陸坡區(qū)域熱居里面埋深大于磁居里面埋深，依據(jù)居里面的定義，表明存在深部熱事件，引起地?zé)岵黄胶?，熱不平衡程度由海盆向陸坡方向變?qiáng)。地震剖面探測(cè)結(jié)果表明，南海北部由陸架向海盆方向地殼厚度逐漸變薄，莫霍面抬升與地殼減薄呈鏡像關(guān)系。對(duì)于同一深部熱事件而言，莫霍面埋深越淺，地殼厚度越薄，地?zé)岣菀讉鲗?dǎo)到地表，通過地?zé)釡y(cè)量而得知，通過地溫模擬的居里面深度和地磁反演的居里面深度越一致，就越接近地?zé)崞胶鉅顟B(tài)。OBS93和ESP－E兩個(gè)剖面中海盆區(qū)莫霍面埋深小于10km，地殼厚度小于8km，拉張因子大于3.0，對(duì)應(yīng)大地?zé)崃鞲咧祬^(qū)。

3.2 深部熱事件和巖漿活動(dòng)對(duì)地?zé)釥顟B(tài)的影響

根據(jù)McKenzie巖石圈拉張模型，被動(dòng)大陸邊緣地殼在經(jīng)歷瞬時(shí)拉張之后，大地?zé)崃鞅憩F(xiàn)為拉張因子和時(shí)間的函數(shù)，地表熱流隨時(shí)間的推移逐步降低，并逐漸達(dá)到熱平衡狀態(tài)。本文中的地溫模擬和居里面反演結(jié)果顯示，南海北部具有普遍偏高的大地?zé)崃骱偷販靥荻龋琌BS93和ESP－E綜合剖面表明珠江口盆地中、下陸坡區(qū)域的熱居里面埋深大于磁居里面埋深，處于地?zé)岵黄胶鉅顟B(tài)。前人研究表明南海北部中、下陸坡下地殼高速層由裂后巖漿底侵事件形成［23－24］，本文研究所發(fā)現(xiàn)居里面埋深差異較大的區(qū)域與下地殼高速層所在的位置恰好對(duì)應(yīng)，且下地殼高速層厚度與居里面深度差異成正比例關(guān)系，據(jù)此推斷裂后深部熱事件是南海北部中、下陸坡下地殼高速層和地?zé)岵黄胶鉅顟B(tài)的成因。同時(shí)，根據(jù)上文中ESP－E剖面F3和F4斷裂之間熱、磁居里面交叉的情況判斷，裂后晚期火山巖漿活動(dòng)對(duì)地?zé)釥顟B(tài)亦有重要影響。

4 結(jié)論

大地?zé)崃骱偷販靥荻葦?shù)據(jù)分析結(jié)果表明，南海北部陸緣具有普遍偏高的大地?zé)崃骱偷販靥荻?，大地?zé)崃髦悼傮w表現(xiàn)為由陸架向洋盆方向遞增的趨勢(shì)。地殼結(jié)構(gòu)、拉張因子、莫霍面埋深、斷裂帶及火山活動(dòng)綜合分析表明南海北部陸緣地?zé)釥顟B(tài)主要受控于由陸向洋方向的地殼強(qiáng)烈拉張減薄和莫霍面抬升的構(gòu)造格局。

海底熱流資料經(jīng)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算，獲取熱居里面深度，與地磁反演的居里面深度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)南海北部中、下陸坡F2和F4斷裂之間磁居里面深度淺于熱居里面深度，處于地?zé)岵黄胶鉅顟B(tài)，其位置與下地殼高速層相對(duì)應(yīng)。通過OBS93和ESP－E綜合剖面分析結(jié)果表明，F(xiàn)2斷裂與F4斷裂之間的中、下陸坡區(qū)域在裂后發(fā)生巖漿底侵事件，地?zé)岵黄胶鉅顟B(tài)由該事件引起，F(xiàn)2和F4斷裂為底侵事件發(fā)生的南、北邊界；裂后晚期局部火山巖漿活動(dòng)對(duì)地?zé)釥顟B(tài)亦有所影響。

致謝感謝國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳招才博士提供海底地磁異常和磁居里面深度反演結(jié)果。衷心感謝2位審稿專家提供的寶貴意見和建議！

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