王曉芳， 王愷祺， 趙中賢*， 許鶴華， 趙俊峰，任自強,4， 張佳政

1 中國科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點實驗室， 南海海洋研究所， 廣州 511458 2 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(廣州), 廣州 511458 3 中國建筑科學(xué)研究院， 北京 100013 4 長江三峽勘測研究院有限公司(武漢), 武漢 430074

0 引言

大地?zé)崃鞯难芯繗v來是板塊構(gòu)造研究的核心內(nèi)容.在板塊構(gòu)造的確立中，大西洋洋脊兩側(cè)的熱流隨著板塊年齡的增加而降低，這為板塊構(gòu)造理論提供了重要的證據(jù)(Larsen et al., 2018; Marcus et al.,1966)；在各個海域和大陸區(qū)域的構(gòu)造動力學(xué)研究中(Li,2011；Cloetingh,2006)，區(qū)域熱流及板塊熱結(jié)構(gòu)的研究是不可或缺的重要組成部分.巖石圈熱結(jié)構(gòu)是指一個地區(qū)殼、幔兩部分熱流的配分比例及其組構(gòu)關(guān)系(Blackwell,1971).殼、幔熱流配分影響到現(xiàn)今地殼、上地幔的活動性及深部溫度狀況，尤其地幔熱流能從本質(zhì)上表征某一地區(qū)的構(gòu)造活動性與板塊構(gòu)造的密切關(guān)系.通過對其深入研究可以獲得板塊構(gòu)造、盆地發(fā)育和巖漿活動的響應(yīng).

南海經(jīng)歷了海底板塊生長、消減和巖漿溢出等過程(圖1)，而巖石圈變形和巖漿作用是其核心內(nèi)容，它們與巖石圈的深部熱狀態(tài)和深部熱結(jié)構(gòu)密切相關(guān).因此，研究南海深部“熱”巖石圈結(jié)構(gòu)與其深部構(gòu)造的動態(tài)響應(yīng)具有非常重要的意義.前人做了大量的研究工作， 施小斌等通過592個熱流數(shù)據(jù)勾畫出南海熱流分布(姚伯初，2006；饒春濤和李平魯，1991；饒春濤，1994)；何麗娟等根據(jù)584個熱流數(shù)據(jù)，通過一維熱傳導(dǎo)方法獲得了南海熱巖石圈厚度的整體框架，并發(fā)現(xiàn)南海海盆的熱流基本滿足隨洋殼年齡增加而降低的規(guī)律和中沙—西沙地區(qū)屬于中等偏高熱流區(qū)(何麗娟等，1998；He et al.，2001；施小斌等，2003)；在南海北部陸緣，洋-陸過渡帶的熱流高于陸緣一倍，是海底火成巖噴發(fā)影響所致(Anderson，1978)；對南海西部海域，認(rèn)為從西沙海槽到瓊東南海盆中部NE向存在高熱流帶，這條熱流高帶主要和南海西沙和中沙海槽拉張破裂有關(guān)，是深部熱流上涌的結(jié)果(徐行等，2006).這些成果為我們認(rèn)識南海深部熱結(jié)構(gòu)和板塊構(gòu)造提供非常有利的研究基礎(chǔ).但南海深部熱狀態(tài)、熱結(jié)構(gòu)和板塊構(gòu)造的研究并不是很多，限于資料的原因，大多數(shù)成果建立在離散的點或者剖面的研究(Ru and Pigott,1986； Su et al., 1989；Nissen et al., 1995； 張健和汪集旸,2000； Clift et al.， 2002；Lin and Watts,2002；馬輝等,2012；Zhao et al., 2018)，其主要成果也只是對海底熱流變化特征、控制因素和各個構(gòu)造單元之間的差異做定性的討論，對殼幔的熱流比例、莫霍面溫度、“熱”巖石圈底界及其溫度做一維或二維剖面的計算(張健和汪集旸，2000；施小斌等，2000，2003；汪集旸，2015；胡圣標(biāo)等. 2019； Clift et al，2002).而今，隨著我國南海深水油氣、天然氣水合物資源勘探和海洋強國政策的推進，地?zé)崽结樇夹g(shù)的自主研發(fā)，海底熱流測量取得了大規(guī)模的成果(米立軍等，2009； 李亞敏等，2010；徐行等，2005;2006;2011;2012;2018)，見圖2.為我們深入研究南海深部熱結(jié)構(gòu)提供非常有利的契機，與此同時南海深部大計劃自2011年實施以來，開展了海底地磁學(xué)、

圖2 南海熱流分布(米立軍等,2009; 徐行等,2005,2006,2018;Xu et al., 2011; 饒春濤和李平魯,1991; http:∥www.heatflow.org/thermoglobe/map)黑色粗線表示3000 m水深線和海岸線，黑色細(xì)線為熱流等值線，圓點為熱流站位.Fig.2 The heat flow distribution in the South China Sea (Mi et al., 2009; Xu et al., 2005, 2006, 2018; Xu et al., 2011; Rao and Li, 1991; http:∥www.heatflow.org/thermoglobe/map)The thick black line represents the 3000-meter isobaths and coastline, the thin black line represents the heat flow contour, and the dots represent the heat flow sites.

深部地球物理、構(gòu)造地質(zhì)和火山活動等學(xué)科的探測與研究，這些研究有助于進一步認(rèn)識南海的形成年齡、深部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成，但由于缺乏對南?，F(xiàn)今熱狀態(tài)和熱結(jié)構(gòu)三維整體趨勢的分析和研究，尚不能完整認(rèn)識南海區(qū)域構(gòu)造演化、盆地發(fā)育和巖漿活動特征.隨著計算機3D模擬飛速發(fā)展，也亟待從2D發(fā)展到3D角度去認(rèn)識南海深部熱結(jié)構(gòu)，本文試圖通過積累的整個南海熱流數(shù)據(jù)(圖2)，反演熱巖石圈底部邊界的埋深，從南海三維巖石圈熱結(jié)構(gòu)、殼幔比和地表構(gòu)造等揭示南海板塊構(gòu)造、盆地發(fā)育和巖漿活動特點.

1 地質(zhì)背景

根據(jù)南海地形和磁異常的分布特點，南海分為西北次海盆、東部次海盆和西南次海盆(Briais et al.，1993).其四周被不同類型的大陸邊緣所包圍：東部沿著馬尼拉海溝被分成兩段，北段南海板塊向菲律賓群島俯沖，南段受南海板塊和菲律賓板塊的雙向俯沖(瞿辰等，2007)；南部為禮樂灘、南沙群島和南沙海槽，在海底擴張過程中與婆羅洲發(fā)生了陸陸碰撞擠壓作用；西部以呈右旋走滑的紅河斷裂帶為界與印支半島相鄰，沿線分布著鶯歌海盆地、西沙海槽、中建南盆地和南薇西盆地，其中紅河—越東斷裂帶后期的右旋走滑影響了鶯歌海盆地的形成，并主導(dǎo)了其走向(崔濤，2008).西沙海槽沉積基底起伏較大，沉積厚度l～4 km，與鶯歌海盆地相比,其沉積較薄.西沙海槽有大量新生代晚期的巖漿和火山活動，形成了明顯的局部重、磁異常和高熱流值(Nissen et al., 1995)；北部陸緣發(fā)生了大規(guī)模的地殼拉張、減薄作用，形成了一系列張性盆地，珠江口盆地位于南海北部陸緣中部海區(qū)，主要經(jīng)歷了華南陸緣的裂谷拉張過程.中中新世以來，受到菲律賓海板塊的擠壓碰撞(Biq，1978).南海東部在臺灣與西菲律賓海發(fā)生洋殼俯沖、陸陸碰撞；在馬尼拉海溝，南海海盆向呂宋島下俯沖(Taylor and Hayes, 1980).這種俯沖和碰撞造成南海東北部陸緣向西擠壓走滑，以及沿斷裂發(fā)生新近紀(jì)巖漿和火山活動(Lüdmann and Wong, 1999；李家彪等. 2011；Ho et al.,2000).

2 數(shù)據(jù)和模型

2.1 熱流數(shù)據(jù)

根據(jù)目前在南海及其周邊地區(qū)積累的1227個海底熱流分布(圖2)，發(fā)現(xiàn)其高熱流值(約90～120 mW·m-2)主要集中在南海北部陸緣珠江入?？谖鱾?cè)、西北次海盆、東部次海盆西側(cè)、南海殘余洋中脊(磁異常C5Dr)及其東向沿線的呂宋島區(qū)域、西南次海盆和中建南盆地，特別有意思的是南海西南次海盆被分割成東、西兩部分，與有、無海山的分布恰好一致，西部紅河斷裂帶沿線的鶯歌海盆地、南薇西盆地、西沙海槽、中-西沙群島和東沙群島的熱流略低于海盆區(qū)(大約70～90 mW·m-2).南海周邊陸殼熱流值小于70 mW·m-2.這些熱流數(shù)據(jù)為我們深入研究南海巖石圈三維熱結(jié)構(gòu)提供非常有利的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

2．2 模型和邊界條件

根據(jù)多波束測深、重、磁和地震反演得到的水深、基底、莫霍面(Li et al., 2010；2012)和巖石圈底界數(shù)據(jù)(Yu et al., 2017;Tang and Zheng, 2013)建立了三維幾何模型(圖3).采用Comsol三維模擬軟件模擬實測海底熱流，熱傳導(dǎo)方程見公式(1).發(fā)現(xiàn)其與實測海底熱流數(shù)據(jù)相差較大(見圖4a)，于是通過改變巖石圈底界深度使模擬熱流與實測海底熱流數(shù)據(jù)相吻合，得到熱巖石圈底界的深度分布，模擬計算海底熱流與實測熱流的差值見圖4b.

圖3 三維幾何模型Fig.3 Three-dimensional geometric model

圖4 模擬計算海底熱流與實測熱流的差值(a) 以地震反演巖石圈底部邊界(Yu et al., 2017，Tang and Zheng, 2013)為約束模擬的熱流與實測熱流差值； (b) 本文擬合實測海底熱流的結(jié)果.黑色粗曲線表示3000 m等深線和海岸線，黑色細(xì)曲線表示模擬得到的海底熱流與實測熱流的差值的等值線Fig.4 Difference between the modelled and measured heat flow(a) The modelled heat flow constrained by the seismic wave inversed lithosphere-asthenosphere boundary,see Yu et al., 2017 and Tang and Zheng, 2013; (b) The modelled heat flow on basis of the lithosphere-asthenosphere boundary derived by fitting the measured heat flow.The thick black line represents the 3000-meter isobaths and coastline, the thin black line represents the heat flow contours of the difference between modelled and measured.

(1)

其中，A表示生熱率，T表示溫度，k是熱導(dǎo)率, 幾何模型四邊處于絕熱狀態(tài)，海底溫度選取10 ℃，巖石圈底部邊界溫度選取1330 ℃(陳凌等，2007；胡立天，2019).

表1 主要模擬參數(shù)Table 1 Parameters used in the modelling

3 計算結(jié)果

根據(jù)三維數(shù)值模擬得到的南海及周邊地區(qū)的三維熱巖石圈底部邊界的埋深(見圖5a).發(fā)現(xiàn)南海熱巖石圈底部邊界的深度為30～100 km，最薄區(qū)域集中在南海西北次海盆、西南次海盆、東部次海盆西側(cè)、南海北部陸緣中部、鶯歌海盆地、中建南盆地、南薇西盆地、沿馬尼拉海溝東北段和沿殘余擴張脊延伸方向的呂宋島弧，熱巖石圈底部邊界在30～70 km.其中，西南次海盆明顯分成東、西兩部分，東部與殘余擴張脊(海山的分布)一致，并與東部次海盆相連，西部與中建南盆地相鄰，西南部和南薇西盆地結(jié)合在一起，表現(xiàn)為減薄的巖石圈結(jié)構(gòu).東部次海盆沿55 km的巖石圈等深線也被分成東、西兩部分，西部與西北次海盆和西南次海盆一致表現(xiàn)出減薄的巖石圈，東部明顯增厚，熱巖石圈底部邊界埋深在55～80 km之間.西北次海盆與中、西沙海槽、中沙海臺、珠江口盆地相連，巖石圈減薄明顯.特別是在珠江口盆地內(nèi)出現(xiàn)超薄巖石圈厚度，與斷裂帶(F1,F2、F3和F4)和凹陷(順德凹陷、白云主凹和白云南凹)分布一致.其他地區(qū)的熱巖石圈底部邊界埋深基本在70～100 km之間.通過對比本文計算的三維熱巖石圈底部邊界埋深與一維反演得到的熱巖石圈底部邊界埋深(圖5)，發(fā)現(xiàn)二者在整體的分布格局上近似，特別是海盆區(qū)，大約都在40 km以內(nèi)，體現(xiàn)了地幔對海底熱流的主要貢獻，但從等深線分布來看，本文計算的三維熱巖石圈底部邊界埋深明顯比一維反演得到熱巖石圈底部邊界埋深淺(大約5～10 km)，而且本文得到熱巖石圈底部邊界受地形、基底和Moho面各圈層地形分布的影響，呈現(xiàn)出明顯的高低起伏的地形分布特征，而一維熱巖石圈底部邊界分布相對平坦.同時由于熱流數(shù)據(jù)的積累，我們得到了更為精細(xì)的西沙海槽，鶯歌海盆地、中建南盆地、西北次海盆和西南次海盆的熱巖石圈底部邊界埋深.

為了驗證我們計算結(jié)果的可靠性，將本文的熱巖石圈底部邊界埋深(圖5a)與地震波反演得到的巖石圈底部邊界埋深(圖6a,Yu et al.,2017,Tang and Zheng,2013)對比，并做差值(見圖6b)，發(fā)現(xiàn)除個別區(qū)域埋藏比較深，圖6b中深藍色(可能與計算誤差或者測得的熱流數(shù)據(jù)分布不均有關(guān)，我們可以取前人的結(jié)果作為參考)，大部分區(qū)域基本相近或者比地震波反演的結(jié)果埋藏淺.對于接近的結(jié)果，我們認(rèn)為是可靠的.而埋藏淺的結(jié)果，主要分布在珠江入?？谥苓叺貐^(qū)、西北次海盆部分以及向南直到西南次海盆，包括中建南盆地和南薇西盆地、鶯歌海盆地和沿大型海山分布(磁異常識別的洋中脊)與呂宋島弧相交區(qū)域(119°E—122°E和13°N—17°N)，見圖6b的深綠色和黃色區(qū)域，其中珠江入?？谥苓叺貐^(qū)與Huang等(2014；2015)、Xia等(2018)計算的地震層析成像的結(jié)果相近.鶯歌海盆地和區(qū)域119°E—122°E和13°N—17°N與MITP08全球速度模型(Li et al.,2008)得到結(jié)果一致.而其他區(qū)域的情況可能與熱巖石圈底部邊界埋深比地震層析成像得到的巖石圈底部邊界埋深淺(陳凌等，2007)的觀點有關(guān).

圖5 南海及周邊地區(qū)三維(a)和一維(b)熱巖石圈底界埋深黑色粗曲線表示3000m水深線和海岸線，黑色細(xì)線表示熱巖石圈底界埋深等值線.Fig.5 The depth of the lithosphere-asthenosphere boundary derived from the 3D (a) and 1D (b) modelling in the South China Sea and its surrounding areasThe thick black line represents the 3000-meter isobaths and coastline, the thin black line represents the depth contour of the Lithosphere-Asthenosphere Boundary.

圖6 南海及其周邊地區(qū)根據(jù)地震波計算的巖石圈底界深度(Yu et al., 2017，Tang and Zheng，2013)(a)和與本文模擬計算熱巖石圈底界深度的差值(b)黑色粗線表示3000m水深線和海岸線，黑色細(xì)線表示熱巖石圈底界埋深等值線.Fig.6 The depth of the seismic wave inversed Lithosphere-Asthenosphere Boundary (LAB) in the South China Sea and its surrounding areas (Yu et al.,2017, Tang and Zheng, 2013) (a) and the difference between the seismic wave inversed LAB and the modelled LAB in this paper (b)The thick black line represents the 3000-meter isobaths and coastline, the thin black line represents the contour of the Lithosphere-Asthenosphere Boundary.

根據(jù)三維熱巖石圈結(jié)構(gòu)和殼、幔熱流的分布特點，我們得到了南海及其周邊地區(qū)海底熱流的殼幔貢獻比(圖7).從圖中可以看出南海海盆(3000 m水深)、中建南盆地南部、南薇西盆地和西沙海槽的殼、幔比小于0.1，從海盆區(qū)邊界(大約3000 m水深)到大陸破裂邊緣介于0.1～0.2之間，陸殼基本介于0.2～0.5之間.

圖7 南海及其周邊地區(qū)海底熱流殼、幔貢獻比黑色粗線表示3000 m水深線和海岸線，黑色細(xì)線表示熱巖石圈底界埋深等值線.Fig.7 The crust-mantle heat flow contribution ratio in the South China Sea and surrounding areasThe thick black line represents the 3000-meter isobaths and coastline, the thin black line represents the contour of the crust-mantle heat flow contribution ratio.

4 討論

在南海西緣，通過鶯歌海盆地、中建南盆地和南薇西盆地的熱巖石圈底部邊界埋深、海底熱流和地表形態(tài)的分布對比，發(fā)現(xiàn)它們具有很好的相關(guān)性，特別是中建南盆地(高紅芳和陳玲，2006)和南薇西盆地地表形態(tài)與深部結(jié)構(gòu)的分布非常一致，見圖1、圖5a和圖7，而鶯歌海盆地雖與深部結(jié)構(gòu)有關(guān)，但明顯不一致，可能與紅河斷裂帶左旋走滑形成的拉分盆地有關(guān)(郭令智等,2001；龔再升等,1997;李思田等,1998;Allen et al.,1984;Leloup et al., 1995;Sun et al.,2003).

在南海中部，以珠江入?？诤椭榻谂璧貫橹行牡哪虾１辈筷懢壋尸F(xiàn)熱流高和巖石圈底部邊界埋藏淺的特征，其中珠江入?？谥苓叺貐^(qū)熱巖石圈結(jié)構(gòu)與地震層析成像結(jié)果一致(Xia et al.，2018；Huang, 2014; Huang et al.，2015)，珠江口盆地?zé)釒r石圈結(jié)構(gòu)與孫珍等(2005)識別的斷層和凹陷分布位置一致，特別是白云主凹、白云南凹和順德凹陷都對應(yīng)特別高的熱流值和比較淺的巖石圈底部邊界埋深，這可能與擴張后期巖漿活動和沿斷層帶的巖漿活動有關(guān)(Zhao et al., 2016).西沙海槽、西北次海盆、和東部次海盆西側(cè)也表現(xiàn)出比較高的熱流值和比較淺的巖石圈底部邊界埋深，特別是西沙海槽深部熱巖石圈結(jié)構(gòu)與地表形態(tài)具有鏡像對稱的分布特點，表現(xiàn)出深部構(gòu)造對地表的控制作用.而西南次海盆海底熱流分布和熱巖石圈底部埋深都被明顯分成兩半，東側(cè)與東部次海盆西南部相連，與磁異常識別的洋中脊分布一致，表現(xiàn)為大型海山，說明有同樣的深部構(gòu)造屬性.根據(jù)中南海山及毗鄰東部次海盆的珍貝海山和漲中海山的玄武巖形成年齡(9～7 Ma)和巖石地球化學(xué)性質(zhì)均屬OIB堿性玄武巖，認(rèn)為與海底擴張后南海周緣大量巖漿活動的規(guī)律一致(Xu et al.,2012; Yan et al., 2014)，表明海底擴張期和擴張停止后巖漿活動強烈，巖漿供應(yīng)量較充足(丁航航等，2019).西側(cè)表明巖漿作用較弱，洋殼形成過程中更多表現(xiàn)裂谷作用的特征，基底主要為構(gòu)造伸展為主導(dǎo)的斷塊類型和深大斷裂發(fā)育(Li et al., 2012; Ding and Li, 2016).西南次海盆在海底擴張動力背景下疊加了強烈的構(gòu)造拉伸作用，具有明顯的構(gòu)造主導(dǎo)型海底擴張的特點，預(yù)示著海盆地殼結(jié)構(gòu)在時空上可能發(fā)生改變，可能從正常洋殼過渡到超薄洋殼或蛇紋石化橄欖巖的異常地幔(丁航航等，2019).但被分成兩部分的西南次海盆都表現(xiàn)為較高的熱流值和比較淺的熱巖石圈底部邊界埋深.在南海東部，馬尼拉海溝東北段呈現(xiàn)出較高熱流值和較淺的熱巖石圈底部邊界埋深，中段則相反，而沿大型海山分布(磁異常識別的洋中脊)與呂宋島弧相交區(qū)域(119°E—122°E和13°N—17°N)呈現(xiàn)比較高熱流值和比較淺的熱巖石圈底部邊界埋深.東部次海盆被分成東、西兩部分，西側(cè)與西南次海盆和西北次海盆相連，呈現(xiàn)比較高的熱流值和比較淺的熱巖石圈底部邊界埋深，而東側(cè)呈現(xiàn)比較低的熱流值和比較深的熱巖石圈底部邊界埋深，這可能與南海和古南海的俯沖有一定的相關(guān)性(Wu and Suppe, 2018；Sun et al.，2019).

5 總結(jié)

(1)南海三維熱巖石圈底界埋深與一維反演得到熱巖石圈底界埋深的整體的分布近似，特別是海盆區(qū)西側(cè)，大約都在40 km以內(nèi)，體現(xiàn)了地幔對海底熱流的主要貢獻.但從等深線分布來看，本文計算的三維熱巖石圈底部邊界埋深明顯比一維反演得到熱巖石圈底部邊界埋深淺(大約5～10 km)，而且本文得到熱巖石圈底部邊界埋深受地形、基底和Moho面各圈層地形分布的影響，呈現(xiàn)出明顯的高低起伏的地形分布特征，而一維反演得到的熱巖石圈底界埋深相對平坦.

(2)根據(jù)南海及其周邊地區(qū)的海底熱流的殼幔貢獻比，南海海盆(3000 m水深)、中建南盆地南部、南薇西盆地和西沙海槽的部分的殼幔比小于0.1，說明其海底熱流主要由地幔貢獻.從海盆區(qū)邊界(大約3000 m水深)到大陸破裂邊緣殼幔比介于0.1～0.2之間，陸殼基本介于0.2～0.5之間，說明海底熱流的20%～50%來自地殼.

(3)通過南海三維熱巖石圈結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)南海深部熱巖石圈結(jié)構(gòu)和地表的不同構(gòu)造單元有鏡像對稱的響應(yīng)關(guān)系.如西沙海槽、西北次海盆、東部次海盆西側(cè)、西南次海盆、中建南盆地和南薇西盆地的地表形態(tài)基本受深部熱巖石圈結(jié)構(gòu)的控制.鶯歌海盆地雖與深部構(gòu)造有關(guān)，但明顯不一致，可能與紅河斷裂帶左旋走滑形成的拉分盆地有關(guān).以珠江入海口和珠江口盆地為中心的南海北部陸緣呈現(xiàn)特別高的熱流值和巖石圈底界埋藏淺的特征，特別是白云主凹、白云南凹和順德凹陷，可能與擴張停止后的巖漿活動和沿斷層帶的巖漿活動有關(guān).

(4)南海深部熱巖石圈結(jié)構(gòu)與板塊構(gòu)造密切相關(guān).西南次海盆和東部次海盆的深部熱巖石圈底部邊界埋深都被分成東、西兩部分，西南次海盆與東部次海盆相連部分，表現(xiàn)為大型海山和很強的巖漿活動，說明有同樣的深部構(gòu)造屬性，西南次海盆西側(cè)表現(xiàn)出較弱的巖漿作用，海底擴張以構(gòu)造裂谷作用為主導(dǎo).東部次海盆東側(cè)呈現(xiàn)熱流低和熱巖石圈底部邊界埋深更深的特點，而沿馬尼拉海溝的東北端呈現(xiàn)較高的熱流值和淺的熱巖石圈底部邊界埋深，可能與南海和古南海的俯沖有關(guān).在119°E—122°E和13°N—17°N區(qū)呈現(xiàn)較高的熱流值和淺的熱巖石圈底部邊界埋深，可能與南海板塊和菲律賓海板塊的雙向俯沖有關(guān).