南海中部古扩张脊的构造特征及南海海盆的两次扩张

国家海洋局第一海洋研究所和法兰西海洋开发研究院(IFREMER)于1985年利用“让·夏尔克”号考察船,在南海中部成功地进行了一次综合性的地质、地球物理调查.本文利用实测的地质、地球物理资料,较详细地研究了南海古扩张脊的地貌-构造特征,从而进一步推测南海中部古扩张脊系由两条走向和成生时代均不相同的脊叠置而成.根据磁条带及两条脊的交切关系可推测,南海自中渐新世以来,可能经历了两次扩张过程,时代较早的一次发生在南北方向,而北西-南东方向的扩张时代开始得可能较晚.     

南海东部马尼拉俯冲带深部结构新认识

2015—2018年, 国家自然科学基金重大研究计划“南海深海过程演变”的重点支持项目“南海东部马尼拉俯冲带深部结构探测与研究”以马尼拉俯冲带为研究重点, 从深部地球物理的角度探索南海形成演化史与运行规律。项目执行期间, 在国家基金委共享航次协助下, 先后开展和参与5次综合地球物理探测, 共投放海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer, OBS)台站73台次, 海底电磁仪(Ocean Bottom ElectroMagnetometers, OBEM)仪器5台次, 累积放炮达13872炮, 成功获得了60台OBS数据和5台OBEM数据。同时, 取得了一系列创新性研究成果: (1)基于人工地震探测及天然地震层析成像结果, 确定南海东北部的地壳属性为受到张裂后期岩浆活动影响的减薄陆壳(12~15km), 划分了南海北部陆缘洋陆边界(Continent-Ocean Boundary, COB); (2)根据多道地震反射剖面, 划分了马尼拉俯冲带北部增生楔前缘的精细结构; (3)圈定了南海停止扩张时洋壳范围; (4)初步构建了南海与菲律宾海板块构造演化模型。本项目为重大研究计划“南海深海过程演变”核心科学问题(海底扩张的年代与过程)提供了实质性的证据, 同时为南海构造演化生命史的“骨架”提供了重要的基础数据, 具有深远的科学意义。     

南海东部俯冲洋脊区段地震静态库伦应力分析

根据对马尼拉海沟及其邻区地震分布和震源机制解所反映的最大主压应力轴分布特征的分析,并结合古洋脊俯冲区段地震产生的静态库伦应力分析,发现在马尼拉海沟区域地震分布具有明显的分带特性,北部以NW向挤压应力为主,俯冲洋脊区段以近EW向的挤压应力为主;1999年7.2级地震使得2000年6.2级地震和2011年6.0级地震震中位置的静态库伦应力分别增加了约0.5和0.3 bar;2011年6.0级正断型地震和5.0级余震的静态库伦应力变化能较好地反映与余震分布的对应关系,大部分余震位于库伦应力变化值大于0.1 bar的触发阈值区域;计算古洋脊俯冲区段强震产生的静态库伦应力变化,结果显示海沟西侧小于10 km的深度范围内库伦应力增加值达到0.3~0.5 bar,呈NE向展布,吕宋岛弧一侧20 km深度范围内均表现为应力增加,应力增加区域与地震的分布较为吻合。     

南海南部造山运动及其与古南海俯冲的成因联系

古南海的展布范围以及俯冲消亡过程等一直是地质学家们争论的焦点问题。这不仅与南海扩张诱因密切相关,而且对南海地球动力学研究有重大的指导意义。在研究前人文献的基础上,对南海南部造山运动以及古南海俯冲过程之间的关系进行详细的论述。结果表明,南海南部构造活动主要分为两期：第一期运动从早白垩纪到晚白垩纪,古太平洋的洋壳俯冲到婆罗洲岛下方,俯冲带位于现今卢帕尔线一带,引起了曾母-南沙地块不断向西南婆罗洲靠近,并于晚白垩纪引发了碰撞造山运动。由于婆罗洲自身是由众多地块拼合而成,所以在始新世期间发生了多期碰撞之后的地块变形重组事件。最终在晚始新世（37 Ma）完成最后一期变形（沙捞越运动）。第二阶段是晚始新世（35 Ma）到中中新世（15.5 Ma）,位于西巴拉姆线以东至菲律宾卡加延一带的古南海从西巴拉姆线以东,向婆罗洲岛下方俯冲,随后扩散到沙巴以及巴拉望岛以南的地区,直至菲律宾的民都洛岛一带停止俯冲。由此产生的拖曳力是南海扩张的主要诱因。与古太平洋板块俯冲产生的效果相似,古南海的俯冲使得婆罗洲岛与南沙地块不断靠近。在中中新世（15.5 Ma）,引起南沙地块与婆罗洲岛在沙巴地区的碰撞（沙巴造山）以及巴拉望北部陆壳与菲律宾岛弧的碰撞而停止。由此带来的不整合面在南海南部普遍可见,甚至到达了巴拉望岛一带。而现今南沙海槽与巴拉望海槽并非是俯冲带的前渊,前者是对沙巴新近纪增生楔重力驱动变形的响应,后者是巴拉望岛北侧伸展背景下产生的半地堑盆地,在后期增生楔的作用下发生强烈沉降所形成。真正的俯冲带则分别位于南沙海槽东南部以及巴拉望海槽东南部。据现有证据推测,最少在10 Ma之前古南海就在菲律宾民都洛一带停止俯冲,从而完成了整个古南海的封闭。     

南海东部俯冲洋脊区段地震静态库伦应力分析北大核心CSCD

根据对马尼拉海沟及其邻区地震分布和震源机制解所反映的最大主压应力轴分布特征的分析,并结合古洋脊俯冲区段地震产生的静态库伦应力分析,发现在马尼拉海沟区域地震分布具有明显的分带特性,北部以NW向挤压应力为主,俯冲洋脊区段以近EW向的挤压应力为主;1999年7.2级地震使得2000年6.2级地震和2011年6.0级地震震中位置的静态库伦应力分别增加了约0.5和0.3bar;2011年6.0级正断型地震和5.0级余震的静态库伦应力变化能较好地反映与余震分布的对应关系,大部分余震位于库伦应力变化值大于0.1bar的触发阈值区域;计算古洋脊俯冲区段强震产生的静态库伦应力变化,结果显示海沟西侧小于10km的深度范围内库伦应力增加值达到0.3～0.5bar,呈NE向展布,吕宋岛弧一侧20km深度范围内均表现为应力增加,应力增加区域与地震的分布较为吻合。     

南海潜在海啸灾害的模拟

结合南海海域的地形条件、地质构造、地震学特征以及历史地震记录,在回顾总结国内外学者研究的基础上,分析了南海可能引发地震海啸的震源区域,并讨论了在我国南海沿岸发生海啸灾害的潜在可能性。采用目前在国际上广泛使用的COMCOT海啸模式,对马尼拉海沟的潜在地震引发的海啸进行了数值模拟计算,计算中包含了由地震参数到海面初始变形的转换、海啸的深水传播过程以及海啸的浅水传播过程。采用三重嵌套网格,外层网格对应于大范围的深水区域,使用球坐标系下的线性控制方程;第二层网格对应中等范围的较浅水区域,使用球坐标系下的非线性控制方程;第三层网格对应小范围的浅水区域,使用直角坐标系下的非线性控制方程。由模拟计算得到的海啸传时分布、近岸海面升降强度、四个特定点上海面高度随时间变化等的结果表明,我国南海沿岸遭受海啸袭击的可能性是存在的,应进一步对南海海啸进行监测、预警和研究。COMCOT模式性能良好,可用于对南海潜在地震海啸的进一步模拟研究。     

南海构造演化模式：综合作用下的被动扩张

南海处于欧亚板块、印度-澳大利亚板块和太平洋板块的交汇处,地质作用十分复杂,至今未能建立一个普遍适用的演化模式,成为南海研究中亟待解决的问题。通过总结南海构造演化的主要模式,分析各模式建立的依据和存在的问题,发现通过一个动力源来研究南海的形成演化是片面的。从南海构造特征分析,结合国外有关大陆岩石圈破裂的研究成果,认为南海海盆主体经历了被动大陆张裂到海底扩张的演化过程。动力源主要是古南海向南俯冲的拖曳力,辅助于南、南东向的地幔流作用。南海北部陆缘广泛存在的高速层,可能是地幔流沿拉张减薄面底侵的结果,因而不同于地幔柱作用引起南海的打开。印度板块碰撞、楔入产生的地幔流,经太平洋俯冲板块的阻挡,最终发生南、南东向流动。印支地块的挤出则对南海西部的拉张具有重要影响。     

马尼拉海沟几何形态特征的构造演化意义

通过对马尼拉海沟海底地形地貌、构造特征及其相关地震等数据资料的分析,结合俯冲带动力学数值模拟成果,尤其是Schellart等的模式,详细讨论了马尼拉海沟几何形态、海沟南北段俯冲角度突变等构造特征。分析认为,南海中代表古扩张脊的黄岩海山链的俯冲挤入对马尼拉俯冲带的几何形态没有造成较大的影响,其几何形态较符合中等长度(2 000~3 000 km)的海沟模型。由海沟后退和板片反转引起的平行于马尼拉海沟方向的地幔流加剧了海沟南北段俯冲角度的突变。     

无震脊或海山链俯冲对超俯冲带处的地质效应

全球海底分布着众多的无震脊或海山链,且在太平洋、印度洋及大西洋均存在靠近俯冲带的海岭。除小安德列斯弧外的巴拉克达脊和蒂勃朗脊起源自转换断层外,一般认为它们由与板块构造动力学迥异的地幔柱动力学所形成的。在板块汇聚边缘处,与扩张脊处所形成的正常洋壳一起,无震脊或海山链俯冲于陆缘弧或洋内弧之下,其对弧及弧后地区的地质效应(构造、地貌、地震以及岩浆作用等)有别于正常洋壳俯冲。无震脊或海山链的俯冲通常造成俯冲带地区的上驮板块的局部异常抬升、俯冲剥蚀作用效应的加强、海沟的向陆迁移以及地震强度的增加。同时,无震脊或海山链俯冲时,其携带的具富集地球化学特征的物质不仅影响着地幔地球化学,也对弧及弧后火山熔岩化学产生明显影响,并对超俯冲地区的热液矿床的形成产生重要影响。最后,本文指出了我国有关无震脊或海山链俯冲的可能的研究方向包括黄岩海山链俯冲对吕宋岛弧的可能影响、印度洋无震脊俯冲对青藏高原局部地区的影响,有我国学者参与的IODP344航次的研究对象——科科斯脊俯冲对哥斯达黎加地震成因的效应以及位于西太平洋地区靠近俯冲带的一些无震脊等。     

南海海盆扩张机制的动力学模拟

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,经历了拉张、张裂到海底扩张的演化过程,是水平拉张和地幔上涌共同作用下的被动扩张结构。以南海中央海盆的地质构造为背景建立二维有限元模型,对具有先存薄弱带情况下岩石圈在水平拉张力和上涌力共同作用下的减薄扩张情况进行动力学模拟。计算结果表明:(1)岩石圈在受到拉张作用时,薄弱带和断层的存在会使该区域发生应力集中,优先减薄破坏;(2)岩石圈在单纯的拉张力条件下很难发生破坏,如果同时施加一个较小地幔上涌力反而能引起较大的变形,说明地幔上涌力在海盆扩张中起着重要的作用;(3)由于下地壳的流变性,下地壳比上地壳发生了更大程度的减薄,而且下地壳的流变特性比薄弱带的存在更有助于海盆的扩张。     

南海主要岛礁概率海啸风险评估

影响地震海啸的震源参数众多且具有很强的不确定性,充分评估海啸风险需要大量的情景模拟.本文基于建立的概率海啸风险模型,采用一种高效的海啸模拟方法,评估了南海主要岛礁的概率海啸风险.通过对历史地震数据的分析,综合考虑震级、震中位置、震源深度的随机性,形成了百万数量级的潜在地震情景集,并通过叠加近似方法实现了大量地震情景引发...     

南海海盆扩张成因质疑

从板块构造学、地球物理学和地球动力学等角度,结合南海中央海盆及其周边的地质、地球物理资料进行综合分析论证,对南海“扩张成因”模式提出质疑.认为南海“扩张成因说”不能成立,其中的几个核心问题是:(1)数学理论模型的边界参数选取存在多解性,其结果与地质地球物理资料不符或相去甚远;(2)无法解释海盆区地球物理探测和研究所表明的地壳结构及岩性特征,也无法解释海盆区的断裂分布和岩浆活动特征;(3)地球动力学诸方面难以支持南海“扩张成因说”成立;(4)南海海盆周边不存在与南海“扩张成因”相关的相互强烈作用的地球物理和地质构造特征;(5)南海海盆不具备大规模扩张的空间.南海“扩张成因说”已严重阻碍对南海和周边的地质与地球物理研究工作的深入和发展,应该放弃.     

南海中南—司令断裂带的延伸特征及其与南海扩张演化的关系

为了确定中南—司令断裂带在南海海盆及其在南部陆缘的延伸位置,并探讨其与南海扩张的关系,本文利用重磁异常、地震、莫霍面深度、P波速度特征、钻井拖网资料,对中南—司令断裂带的延伸位置进行了综合地质和地球物理研究,厘定了中南—司令断裂带在东部次海盆与西南、西北次海盆之间呈NS向延伸,并南延至南海南部陆缘之上,深度上切割至莫霍面。根据南海海盆中磁异常条带走向的变化,及磁异常条带、走滑/转换断裂、扩张方向的印证关系,结合前人对古南海“剪刀状”碰撞闭合、南海扩张演化、构造应力场的研究,提出在32~25 Ma,伴随着南海东部次海盆的NNW向扩张,南海海盆及南沙地块整体发生顺时针旋转,使中南—司令断裂走向由形成初期的NNW向转变为N—S向;23.5 Ma之后,顺时针旋转停止,南海东部次海盆继续NNW向扩张,西南次海盆呈NW—SE向渐进式扩张。作为一条切穿地壳的深大断裂,中南—司令断裂与红河-越东断裂、马尼拉海沟断裂三条深大断裂一起组成区域“滑线场”,制约南海海盆的扩张与南沙地块的南移。     

慢速扩张洋脊上的快速裂谷扩展

慢速扩张洋脊上的快速裂谷扩展ＭａｒｔｉｎＣＫ等２０年前就已经认识到了沿着洋中脊扩张轴的裂谷扩展。一般说来这一过程是随着两个扩张段之间的水平断错沿洋脊走向的移动,一个扩张段吞蚀另一扩张段而加长的过程。这个移动留下了一些倾斜于脊轴的假断层。测量扩展脊...