南海北部及邻区岩石圈地幔特征与深部作用过程初探

对新生代火山活动携带到地表的超镁铁岩捕虏体岩石的主元素，微量元素和同位素特征的研究表明，南海北部及邻区岩圈地幔组成和空间变化与大地构造分区有密切联系；区域上的岩石圈地幔经历过多重地幔交代作用，而与南海北部陆缘活化和陆缘扩张更为密切相关的地幔交代作用可能主要为高温型富Ｆｅ－Ｔｉ交代作用；软流圈热物质上升是引起大陆地壳活化的重要的深部作用因素。     

南海北部及邻区岩石圈地幔特征与深部作用过程初探

对新生代火山活动携带到地表的超镁铁岩捕虏体岩石的主元素、微量元素和同位素特征的研究表明，南海北部及邻区岩石圈地幔组成和空间变化与大地构造分区有密切联系；区域上的岩石圈地幔经历过多重地幔交代作用，而与南海北部陆缘活化和陆缘扩张更为密切相关的地幔交代作用可能主要为高温型富Ｆｅ－Ｔｉ交代作用；软流圈热物质上升是引起大陆地壳活化的重要的深部作用因素。     

南海北部陆缘张裂--岩石圈拆沉的地壳响应

南海北部陆缘在中生代晚期曾形成宏伟的华夏陆缘造山带。火成岩岩石学、岩相古地理学和地球物理学证据显示，该造山带不仅具有巨厚(50～60 km)的陆壳，而且还有巨厚(160～180 km)的岩石圈根，在地势上曾出现过高3 500～4 000 m 的华夏山系。陆缘裂陷盆地的形成发育历史、地壳-岩石圈深部结构、火成岩地球化学特征及理论计算均表明，南海北部陆缘从晚白垩世以来发生的张裂作用起始于华夏陆缘造山带的拉伸塌陷，岩石圈拆沉是南海北部陆缘张裂的重要的引发机制。因此，南海北部陆缘张裂既不同于弧后扩张，也不受控于大西洋式的海底扩张，而是该区大陆构造演化和深部壳幔相互作用的结果。     

南海北部陆缘张裂—岩石圈折沉的地壳响应

南海北部陆缘在中生代晚期曾形成宏伟的华夏陆缘造山带。火成岩岩石学、岩相古地理学和地球物理学证据显示，该造山带不仅具有巨厚（50－60km)的陆壳，而且还有巨厚（160－180km)的岩石圈根，在地势上曾出现过高3500－4000m的华夏山系。陆缘裂陷盆地的形成发育历史、地壳－岩石圈深部结构、火成岩地球化学特征及理论计算均表明，南海北部陆缘从晚白垩世以来发生的张裂作用起始于华夏陆缘造山带的拉伸塌陷，岩石圈折沉是南海北部陆缘张裂的重要的引发机制。因此，南海北部陆缘张裂既不同于弧后扩张，也不受控于大西洋式的海底扩张，而是该区大陆构造演化和深部壳幔相互作用的结果。     

南海北部新生代盆地群构造特征及其成因

南海北部陆缘自西向东分布有北部湾、琼东南、珠江口和台西南等新生代盆地。前人认为这些盆地是华南大陆东南缘裂解直至南海北部被动陆缘形成过程中逐渐形成的,但大量地震剖面揭示,南海北缘主控盆断裂倾向陆地,与典型的被动陆缘的主断裂倾向海盆的特征明显不符。因而,南海北部陆架盆地成因显然不是被动大陆边缘的Mckenzie伸展机制。为此,基于大量陆地调查和海域地震剖面资料的对比,揭示了南海北部陆缘至少在34 Ma之前不是被动大陆边缘,早期陆缘断裂十分发育,主控断层为NE-NNE走向,和陆地同期走滑断层具有连续性。这些NNE-NE向断裂右行右阶走滑控制了拉分盆地内的EW或NEE方向的次级断裂,并控制了盆地内部近EW向的次级构造单元展布。因此,新生代南海北部陆缘的一系列盆地是动力学成因上具有密切联系的右行右阶拉分盆地群。这个拉分成因模式与南海北部陆缘新生代盆地内部沉积沉降中心迁移、构造跃迁、岩浆展布等特征非常一致。而南海北部真正成为典型被动大陆边缘的时间是在15 Ma之后,但此时南海却停止了扩张,而且大约在10~5 Ma由于菲律宾海板块沿吕宋岛弧-台湾造山带逐步楔入欧亚板块导致最后的弥散性NWW向断裂切割南海北部所有构造。从盆地动力学考虑,南海北部陆架盆地的成因主要与太平洋板块的动力学联系较为紧密。     

南海北部陆缘构造属性研究进展

南海北部陆缘位于特提斯与古太平洋两大构造域的叠合部位,构造特征十分复杂,其构造属性一直是国内外学者争论的焦点,从主动陆缘到被动陆缘,火山型被动陆缘到非火山型被动陆缘等均有表述。南海复杂的形成机制以及东、西部构造差异性所引起的地球物理、岩浆活动等认识的异同,是造成南海北部陆缘构造属性认识差异的主要原因。通过与全球典型地区的比较研究,进一步加强对南海形成演化过程分析,开展大洋钻探与多学科综合分析,揭示南海海盆的多期扩张与多盆张裂特征,是认识南海北部陆缘构造属性的关键。探讨了南海三叉裂谷张裂模式,初步认为南海第1次扩张具有非火山型被动陆缘性质,第2次扩张具有火山型陆缘性质。     

南海及其周缘中新生代火山活动时空特征与南海的形成模式

根据南海海区、华南和中南半岛的地面露头、钻井、拖网及地球物理资料,分析了南海地区火山活动的时空分布特点。在南海陆缘和周边陆区中生代末期花岗岩分布非常广泛。新生代火山岩活动规模较小,主要是海底扩张之后在洋盆扩张脊、北部陆缘的陆洋边界附近、雷琼地区和中南半岛南部的玄武岩。在南海北部陆缘的深部地震调查中发现,在地壳下部存在小规模的高速异常体,结合浅部的晚第三纪一第四纪火山活动,认为该高速体形成于南海扩张之后。这些特征表明,在南海的拉张过程中岩浆供应不丰富,在陆缘未形成大规模的侵入和喷出岩。南海陆缘属于岩浆匮乏型被动大陆边缘。南海海区残留多个刚性断裂陆块,反映了裂谷拉张过程中脆性破裂。根据这些特征,南海形成难以用印藏碰撞引起的软流圈物质上涌导致岩石圈破裂这样的模式来解释。     

南海大陆边缘动力学研究进展:从陆缘裂解到海底扩张

南海处于印度—澳大利亚、欧亚和太平洋三大板块汇聚中心,地理位置独特,地质作用复杂,是研究大陆裂解—海底扩张过程以及大陆边缘动力学的天然地质实验室。通过总结近年来对南海大陆边缘动力学研究的最新进展认为:①南海北部陆缘为非火山型被动陆缘,其东段虽有岩浆底侵活动,但其为海底扩张结束后的产物,南部陆缘未发现下地壳高速层,也为非火山型陆缘;②南海陆缘上下地壳的拉张因子存在差异,表明陆缘的张裂变形在纵向上并非是均一的,而具有随深度变化的特点;③南海海盆是通过2期扩张形成的,具有由NE向SW渐进式扩张的特点,其东侧表现为成熟的洋盆,而西侧保留了更多陆缘裂谷的特征;④南海海盆形成的动力学模型存在碰撞挤出模型和古南海拖曳模型2种争论,2种模型各有优缺点,需要今后进一步综合研究。     

南海晚新生代构造运动与天然气水合物资源

南海在新生代经历过两次海底扩张产生了南海洋盆。南海北部和南部原来都是被动大陆边缘,但北部在晚新生代由于菲律宾海板块与欧亚板块在台湾地区发生了碰撞,使陆缘遭受到北西向挤压,在陆缘上产生了北西向左旋走滑活动,我们命名此次构造活动为东沙运动;南部陆缘在早中新世末由于南移的南沙地块与婆罗洲地块发生了碰撞,加上此时北移的菲律宾海板块在明都洛岛地区与欧亚板块发生碰撞,以及南部的东南苏拉威西地块与西北苏拉威西地块发生碰撞,在南海南部产生了挤压构造,我们命名此次构造运动为南沙运动。这两次新生代的构造运动改变了南北陆缘的性质,北部陆缘有人因此称之为准被动陆缘,而南部陆缘的南部则变成了挤压边缘。南海南北陆缘在晚新生代受到的挤压活动,对油气成藏和天然气水合物的形成有重要的推动作用,因为挤压活动有利于流体的流动,进而在适当的地方形成油气藏和天然气水合物。     

南海北部陆缘地壳结构探测结果分析

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30km）向南部的洋盆（5──8km）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25km，海槽中部地壳减薄至不足10km。西端的莺歌海盆地地壳厚仅5km，缺少明显的壳内反射－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──4km）高速层（地震波速7．2──7．5km·s－1）；在珠江口盆地东部，地壳底部存在约 10km厚、300km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30km。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。     

被动大陆边缘伸展–破裂过程研究进展

深地震探测、大洋钻探及野外露头观测等技术方法的联合运用,极大地推动了对大陆边缘地质过程的认识。目前对大陆边缘,尤其是对被动大陆边缘的结构、演化和发育机制的认识,正在经历一场前所未有的变革。文章从基本的概念和分类开始,综述了全球已探测到的几种主要大陆边缘类型的盆地结构、深地壳?岩石圈结构、圈层速度、沉降特点和破裂方式的研究进展,讨论了被动大陆边缘的发育和演化的机制。综合已有研究进展,指出富岩浆型和贫岩浆型陆缘在裂前和裂陷期具有相似的岩石组成和裂陷结构特征,只是在破裂前后由于岩浆量的不同而发生了结构的分异。贫岩浆型陆缘中的全岩石圈断裂型、上地壳过渡型、下地壳剥露型、上地幔剥露型,甚至下地壳+上地幔剥露的组合类型陆缘,是被动陆缘在张裂期由于岩石圈各层流变结构等因素的差异发生分异演化的结果。贫岩浆型陆缘下地壳高速体主要来源于地幔蛇纹岩化,而富岩浆型陆缘则主要来源于高温地幔熔融产生的底侵或侵入,局部可能继承了前张裂期的高速变质岩体。上述大陆边缘研究成果为研究南海的结构和演化提供了很好的对比和借鉴。     

我国南海历史性水域线的地质特征

40a的海洋地质、地球物理实测研究表明,九段线不仅是显示我国南海主权的历史性水域线,而且总体上也是南海与东部、南部和西部陆区及岛区的巨型地质边界线。根据实测数据,本文将从地质成因、来源、演化的角度论述此南海历史性水域线的合理性。主要结论包括:历史性水域线的东段在地形上基本与马尼拉海沟一致,海沟西侧为南海中央海盆洋壳区,东侧为菲律宾群岛。根据国际地质研究的资料,菲律宾群岛始新世以前位于较偏南的纬度,后来于中晚中新世(距今16~10Ma)仰冲于南海中央海盆之上,因此菲律宾群岛是一个外来群岛。而黄岩岛在马尼拉海沟以西,是中央海盆洋壳区的一个岛礁,与菲律宾群岛成因不同。南海历史性水域线的南段在地形上基本与南沙海槽一致,伴随南沙地块由北部陆缘向南裂离,古南海洋壳沿此海槽以南俯冲至加里曼丹岛陆壳之下,因此南沙地块与加里曼丹陆块为两个来历不同的地块。南海历史性水域线西段的分布在地形上与越东巨型走滑断裂带基本一致,可能与西沙地块、中沙地块、南沙地块从南海北部陆缘向南滑移有关。南沙地块北缘陡直的正断层结构,突显中央海盆是拉裂形成,其基底和中新生代地层与北部珠江口盆地的地层结构可以对比,说明南沙岛礁原属我国华南大陆南缘,后因南海的形成裂离至现今的位置。     

台湾海峡盆地的地质构造特征及演化

分析了台湾海峡盆地形成的区域地质背景,将其纳入东海和南海盆地形成的框架内考虑,研究其区域演化阶段和盆地演化特征。结果表明,以台湾海峡盆地为中心的包括南海北部陆缘和东海在内的中国东南沿海地区在古新世—始新世期间处于统一的边缘海盆构造背景之下,而自晚始新世起,南海北部大陆边缘与其北部的台湾海峡地区、东海逐渐走上了不同的演化道路,前者向非典型的被动大陆边缘演变,而后者则继续其自古新世—始新世以来的演化进程,形成了自古新世至晚中新世间的4个有序分布的裂陷盆地群和相应的盆间弧体系。台湾海峡盆地有两次独特的前陆盆地经历,分别发生于晚渐新世—早中新世和晚中新世末至今,并且以第二次前陆最为强烈。     

南海西南次海盆被动陆缘构造单元划分及伸展演化过程

南海西南次海盆被动陆缘洋陆转换带位于陆缘强烈伸展区,蕴含着岩石圈临界伸展破裂和洋盆扩张过程的丰富信息。本文利用多道地震剖面和重力异常数据,对西南次海盆被动陆缘构造单元进行划分,研究陆缘南、北部洋陆转换带结构构造特征,探讨陆缘伸展演化过程。多道地震剖面资料显示,北部洋陆转换带发育有裂陷期断陷和向海倾斜的掀斜断块;南部发育有低角度正断层控制的裂陷期断陷、海底火山以及局部隆起;从陆到洋方向,重力异常值变化明显。根据上述结果南海西南次海盆被动陆缘划分为近端带、洋陆转换带和洋盆三个构造单元,分别对应了其伸展演化过程的三个阶段：前裂谷阶段、陆缘裂陷阶段和海底扩张阶段。     

南海区域岩石圈的壳-幔耦合关系和纵向演化

南海区域岩石圈由地壳层和上地幔固结层两部分组成。具典型大洋型地壳结构的南海海盆区莫霍面深度为９～１３ｋｍ,并向四周经陆坡、陆架至陆区逐渐加深;陆缘区莫霍面一般为１５～２８ｋｍ,局部区段深达３０～３２ｋｍ,总体呈与水深变化反相关的梯度带;东南沿海莫霍面深约２８～３０ｋｍ,往西北方向逐渐增厚,最大逾３６ｋｍ。南海区域上地幔天然地震面波速度结构明显存在横向分块和纵向分层特征。岩石圈底界深度变化与地幔速度变化正相关;地幔岩石圈厚度与地壳厚度呈互补性变化,莫霍面和岩石圈底界呈立交桥式结构,具有陆区厚壳薄幔—洋区薄壳厚幔的岩石圈壳－幔耦合模式。南海区域白垩纪末以来的岩石圈演化主要表现为陆缘裂离—海底扩张—区域沉降的过程,现存的壳－幔耦合模式显然为岩石圈纵向演化产物,其过程大致可分为白垩纪末至中始新世的陆缘裂离、中始新世晚期至中新世早期的海底扩张和中新世晚期以来的区域沉降等三个阶段。     

南海区域构造沉降特征

以南海区域作为一个整体拉张单元，运用McKenzie盆地模拟方法，分析南海区域的构造沉降史，南海区域的构造沉降以海盆为中心，南北陆缘差异沉降十分明显，北部陆缘在向海盆倾斜沉降的背景上出现波动性，而南部陆缘具有北陡南缓的不对称性，纵向上，南海区新生代沉降历史具有幕式和非均匀性，南海北部陆缘东西两侧岩石圈区域拉伸状态具有明显不同的特征。     

大陆边缘形成过程中裂谷作用、断裂作用、沉积作用与地幔蛇纹石化的相互关系--以挪威海为例

通过2D热-构造-地层盆地模拟,研究了在大陆裂谷作用过程中地幔蛇纹石化的条件,该模拟试图追踪大陆地壳流变学演化,阐明沉积物覆盖效应,并且动态地控制蛇纹石化过程。基本思想是如果要发生地壳规模的断裂作用和地幔蛇纹石化,那么整个伸展陆壳必须是脆性的。这种反应的均衡和潜在的热效应与构造和热溶解完全相关。系统的参数研究表明存在一个使得地壳完全脆化和蛇纹石化发生的临界伸展因子。由于沉积物的覆盖效应致使地壳温度升高,沉积速率的增加可以使这个关键伸展因子变得更大。因此沉积物供给通过温度控制的粘性流动,强烈控制了地壳的强度,而地幔的蛇纹石化反应仅仅可能当沉积速率低而伸展因子高的时候发生。在一个典型的实例,挪威陆缘,我们试验了位于More和Voting边缘之下的内部下陆壳体(LCB)是否可能是蛇纹石化地幔。Scheck-Wenderoth和Maystrenko(2011)以3D资料为基础建立了多条2D剖面。我们发现蛇纹石化反应是可能的,而且可能是在侏罗纪裂陷作用阶段。预测的部分蛇纹石化地幔的厚度和位置与地震和重力资料确定的LCB信息吻合。我们认为挪威陆缘之下的一些LCB可能是部分蛇纹石化地幔。     

南海北部海陆联合深地震探测及其地质学意义

南海北部海陆地震联测经历了旧气枪震源的初始试验、大容量气枪的引进与改造、陆上台站和海底地震仪联合接收等3个阶段,填补了海陆过渡带深部结构的研究空白,其结果显示滨海断裂带在速度结构上表现为低速特征,并揭示了南海北部陆缘地震带的深部发震构造与地壳内部低速结构和交叉断裂的耦合作用存在紧密联系。西沙和南沙海陆联测为北部联测的进一步工作,可以构建穿越南海北部陆缘、西沙地块到南沙地块等陆缘的超长地壳结构剖面,对我们揭示南沙地块内部微块体结构、南沙地块及其邻区的深部速度结构以及南沙地块与周边海盆、陆块间过渡带的综合地质地球物理结构,了解南沙地块现今的构造状态与构造变迁历史,解译南沙地块裂离演变过程等具有重要意义。     

南海及邻区现代构造应力场初探

用数学模拟方法对南海及邻区的现代构造应力场及其动力进行定量分析,结果表明南海及邻区现代构造应力场与新构造运动密切相关,现处于一个全面挤压的新阶段,应力差值大小分布呈环带状,主应力方向呈规律分布,南海及邻区的区域稳定性可分为烈、强、中、弱四个活动区,南海北部陆缘地区属中活动区,其活动性质介于被动陆缘和主动陆缘之间。     

南海北部洋陆转换带地震反射特征和结构单元划分

张裂大陆边缘和盆地主要通过岩石圈的伸展作用形成,被动大陆边缘岩石圈的减薄导致了岩浆的减压熔融,最终形成了洋壳和减薄的转换带。处理和分析了2010年中国科学院南海海洋研究所"实验2"号采集的南海北部地球物理调查的多道地震数据(MCS2010-1),总结了南海北部洋陆转换带的地震反射特征。转换带主要由北部裂陷期下沉区段,中部海山或埋藏海山隆起带和靠近海盆一侧的掀斜断块带组成。通过对比以前南海北部采集的反射地震数据和折射地震波速度模型,圈定了洋陆转换带的分布范围,洋陆转换带的宽度在南海东北部是225km,中部是160km,西北部是110km。依据零星的大于6级地震震中分布,揭示了南海北部洋陆转换带目前仍是一个地震构造活跃带。