南海重力异常特征及其显著的构造意义

在南海地区地震测深数据有限的情况下,利用重力异常可以研究南海大范围的深部地壳结构及地质构造展布特征。基于空间重力异常,结合最新的地形、沉积物厚度及地震测深等数据,分别从地震约束的莫霍面反演和无约束的三维相关成像两个视角研究南海的地壳结构,利用壳幔界面起伏、地壳厚度及三维等效密度分布来探讨地壳结构的纵横向变化。同时,联合采用延拓、水平梯度及线性构造增强滤波方法聚焦重力异常中的区域线性特征,突出显示了反映地壳横向变化的深断裂、洋陆转换边界、海盆扩张轴等线性构造的展布。重力解释与贯穿南海南北的广州-巴拉望地学断面对比表明,重力异常反演及异常的区域线性特征,较好地揭示了南海海域大范围的地壳结构与区域构造展布。     

南海南部地壳结构的重力模拟及伸展模式探讨

对南海南部地壳结构研究有助于揭示南海完整的演化历史。本研究对南海南部获取的两条多道地震剖面进行了地震 解释,并对重力数据进行了壳幔密度反演。其中 NH973-1 测线始于南海西南次海盆,覆盖了南沙中部的北段;NH973-2 测 线始于南海东部次海盆,穿越礼乐滩东侧。反演结果显示,莫霍面埋深在海盆区 10~11 km,陆缘区 15~21 km 左右,洋壳向 陆壳莫霍面深度迅速增加。海盆区厚度在 6~7 km,为典型的洋壳;陆缘区地壳厚度在 15~19 km,为减薄型地壳。进一步研 究表明(1)在西南次海盆残余扩张脊之下,莫霍面比两侧略深;(2)在礼乐滩外侧海盆区有高值重力异常体,推测为洋壳与深 部岩浆混合的块体;(3)南沙区域上地壳存在高密度带,且横向上岩性可能变化。南海南部陆缘未发现有下地壳高速层,有 比较一致的构造属性和拉张样式,为非火山型陆缘。我们对两条测线陆缘的伸展因子进行了计算,发现上地壳脆性拉伸因 子与全地壳拉伸因子存在差异,其陆缘的拉张模式在纵向上是不均匀一的。     

南海北部古俯冲带的位置及其对南海扩张的控制

为了确定南海北部古俯冲带的具体位置,作者利用美国LCT综合反演软件对收集到的重磁数据进行处理解释,结果显示在南海北部从台湾西南部到一统暗沙隆起,即沿南海海盆北部陆坡为一条布格重力异常水平梯度峰值带,指示了古俯冲带的具体位置;其北部的高磁异常代表了与之对应的古火山弧。深反射地震资料也验证了南海北部陆坡位置存在古俯冲带,钻井资料显示俯冲带存在的时代为晚侏罗世到早白垩世。据此绘制了南海地区晚中生代到现今的构造古地理演化图,指出南海的扩张应与晚中生代俯冲带这个先存的软弱带有关,南海海盆正是从古俯冲带的位置开始扩张。     

中南-礼乐断裂带在南海海盆北部的时空展布与深部结构

中南-礼乐断裂带是协调南海各次海盆扩张的重要断裂.深入研究中南-礼乐断裂带时空展布和深部结构对于认识南海海盆多期次海底扩张和构造演化具有重要意义.本文主要基于深反射多道地震的精细剖析,结合重力、磁力与地形等地质与地球物理资料,揭示了中南-礼乐断裂带在南海海盆北部的时空展布特征、内部构造形变及其深部结构特征.结果表明:中...     

南海张裂过程及其对晚中生代以来东南亚构造的启示——IODP建议书735-Full介绍

南海的形成揭示了大陆边缘张裂和盆地形成的复杂模式,尽管已经进行了广泛研究,但是关于基底岩石和深海盆沉积层的精确年代数据还很缺乏,这使得对南海张裂年代的估计存在很大的误差,对张裂机制和历史的各种假设没有得到验证.同时只有对南海的张裂过程有了精确地分析与刻画,才能更好地理解西太平洋边缘海盆地的形成以及它们在印支块体受印度-欧亚板块碰撞而向东南挤出、青藏高原隆升中可能起到的作用.2009年正式提交的国际综合大洋钻探计划(IODP)建议书735-Full建议在南海深海盆内的4个站位上实施钻探.这4个站位分布在南海盆地4个不同的次级构造单元上(南海东北部、西北次海盆、东部次海盆和西南次海盆),这样的站位设计会确保完成本建议书的整体研究目标,即揭示南海的张裂历史和它对晚中生代以来东南亚构造的启示.位于南海盆地最东北部的站位有助于确定该区域地壳的属性和验证古南海是否存在,位于西北次海盆的站住可能会提供南海的最早张裂年代,另外2个分别位于东部次海盆和西南次海盆的站位将重点确定2个次海盆的绝对年龄、基底矿物成分与磁化率以及2个次海盆的相对张裂次序.这些站位的水深大约在2 910～4 400 m,钻探深度预计到海底以下大约700～2 200 m,总的钻透深度为5 959 m,其中5 359 m穿透沉积层,另外600 m或400 m钻入基底.所有这些站位的位置是由已有的地球物理观测数据所确定,目前计划收集更多的地质与地球物理数据以满足IODP对井位调查数据的要求.     

利用重力梯度反演南海西南海盆深部构造

重力梯度异常反映的是重力异常的变化,其分辨率比重力异常高。重力梯度空间参量图能给出构造倾角和倾面的信息,结合重力梯度剖面和梯度空间参量图可以构建出地下构造的几何模型,进而对一些复杂构造进行解释。本文利用重力梯度异常对南海西南海盆进行了解释,得到大致以西南海盆北东向扩张轴为对称轴的穹隆状构造面。该构造面在西南海盆下6~15km处形成一个密度界面,此界面可能是西南海盆北西-南东向海底扩张期间地幔上隆所引起的。      

中沙地块南部断裂发育特征及其成因机制

利用最新多道地震剖面资料,结合重力、磁力、地形等地球物理资料,揭示了中沙地块南部断裂空间展布特征、断裂发育时期、断裂内部构造形变特征及深部地壳结构,并基于认识探讨了断裂的发育机制。研究结果认为,中沙地块南部陆缘构造属性为非火山型被动大陆边缘：地壳性质从西北向东南由减薄陆壳向洋陆过渡壳再向正常洋壳发育变化;Moho面埋深从中沙地块下方的26 km快速抬升到海盆的10~12 km;从中沙地块陡坡至其前缘海域的重力异常明显负异常区为洋陆过渡带,在重力由高值负异常上升到海盆的低值正、负异常的边界为洋陆边界。中沙地块南部发育有4组阶梯状向海倾的深大正断裂,主要发育时期为晚渐新世到中中新世。断裂早期发育与南海东部次海盆近NS向扩张有关,后期遭受挤压变形、与菲律宾海板块向南海的NWW向仰冲有关。该研究有助于更好认识南海海盆的扩张历史和南海被动大陆边缘的类型。     

南海海盆区莫霍面分布规律及其对深部钻探的意义

钻遇莫霍面是人类一直以来的梦想。深海海底是地球上离莫霍面最近的地方，目前有研究推测南海是世界上莫霍面深度最浅的海域之一，但缺乏足够的直接证据。深反射地震探测可以直接揭示岩石圈的构造形态，是莫霍面探测的重要手段。本文基于长达15000 km的深反射多道地震剖面的解释、处理、制图和分析，结合前人的研究，形成了南海海盆区莫霍面反射特征和空间分布的初步认识。① 南海东部次海盆南部早期经历了较快速扩张，岩浆供应充足，受扩张停止后岩浆活动影响较小，基底平坦，地质构造相对简单，同时洋壳地震速度结构不存在异常，且有较强的广角莫霍面反射波和可识别的地幔顶部折射波，具备莫霍面钻探的基本条件。② 南海海盆不同区域的莫霍面反射强度存在较大差异。其中东部次海盆莫霍面反射最为强烈且清晰，西北次海盆次之，西南次海盆仅有零星出现的清晰莫霍面反射且可信度不高。③ 识别南海海盆区莫霍面地震反射长度超过3500 km，首次形成了海盆区深度域莫霍面地震反射空间分布图。与重力反演的莫霍面深度相比，利用深反射多道地震计算的莫霍面深度细节更为丰富，并且可以在垂向上清晰刻画莫霍面的结构。整体上，南海海盆区莫霍面地震反射强烈和可信度高的区域中，深度较浅的区域之一是东部次海盆南部，最浅处仅约9. 5 km，其中水深4. 01 km，洋壳厚度仅5. 54 km。综合判断，东部次海盆南部是南海重要的莫霍面钻探备选区，这对南海莫霍面钻探选址具有重要意义。     

南海西南次海盆与东部次海盆地质与地球物理分析

在对南海西南次海盆和东部次海盆的地质和地球物理特征分析和对比的基础上,提出了南海东部次海盆的地球物理场异常和地质构造均呈EW向分布,而西南次海盆则表现为NE向分布。并利用插值切割法对南海深海盆的磁力异常场进行了分析处理,提出了其显示的地球动力学过程的差异,并对南海西南次海盆和东部次海盆的演化史进行了探讨：东部次海盆是在晚渐新世－早中新世通过SN向的海底扩张形成的,而西南次海盆是在中始新世至早渐新世通过NE向的大陆边缘裂谷作用形成的。     

南海中央海盆高精度地震勘探揭示的大陆漂移过程

南海的形成和演化得到了广泛研究,前人提出了超过5种成因模式,当前流行是海底扩张模式,但它难以合理解释南海洋壳上的洋中脊跳跃和南海中央海盆上的大陆残片。本文首先基于南海中央海盆中的两条高精度地震勘探剖面,在深入剖析洋壳的分层结构基础上,对这两条地震勘探剖面进行了新的构造地质解释。然后通过伸展构造的形成过程,发展了地幔上涌和陆壳重力滑移双驱动大陆漂移模型,最后深入研究了南海的形成和演化过程。结果说明,南海的形成是一种“构造挤出+主动漂移”模式。构造挤出是印度-欧亚大陆碰撞造成的欧亚东南缘微陆块大规模被动挤出,而主动漂移是微陆块在被挤出后发生了主动裂解漂移。南海中央海盆上残留的地震反射特征,是微陆块主动漂移后造成的海底被扩张现象。并进一步恢复了南海演化过程中周边陆块的运动演化历史。所提出的新模式能够合理解释南海的洋中脊跳跃现象及大陆残片的成因机制。新大陆漂移模型为板块运动提供了一个新的动力模式。     

Asymmetry in oceanic crustal structure of the South China Sea basin and its implications on mantle geodynamics

ABSTRACT

We investigated the oceanic crustal structure and lithospheric dynamics of the South China Sea (SCS) basin through a comprehensive analysis of residual gravity anomaly and bathymetry combined with seismic constraints and interpretation from geodynamic modelling. We first calculated the residual mantle Bouguer anomaly (RMBA) of the oceanic crustal regions of the SCS by removing from free-air gravity anomaly the predicted gravitational attractions of water-sediment, sediment-crust, and crust-mantle interfaces, as well as the effects of lithospheric plate cooling, using the latest crustal age constraints including IODP Expedition 349 and recent deep-tow magnetic surveys. We then calculated models of the gravity-derived crustal thickness and calibrated them using the available seismic refraction profiles of the SCS. The gravity-derived crustal thickness models correlate positively with seismically determined crustal thickness values. Our analysis revealed that the isochron-averaged RMBA are consistently more negative over the northern flank of the SCS basin than the southern conjugate for magnetic anomaly chrons C8n (~25.18 Ma) to C5Dn (~17.38 Ma), implying warmer mantle and/or thicker crust over much of the northern flank. Computational geodynamic modelling yielded the following interpretations: (1) Models of asymmetric and variable spreading rates based on the relatively high-resolution deep-tow magnetic analysis would predict alternating thicker and thinner crust at the northern flank than the southern conjugate, which is inconsistent with the observed systematically thicker crust on the northern flank. (2) Models of episodic southward ridge jumps could reproduce the observed N-S asymmetry, but only for crustal age of 23.6–20 Ma. (3) Southward migration of the SCS ridge axis would predict slightly thinner crust at the northern flank, which is inconsistent with the observations. (4) Models of higher mantle temperatures of up to 25–50°C or >2% less depleted mantle sources on the northern flank could produce large enough anomalies to explain the observed N-S asymmetries.     

上地幔含水量对海底扩张过程中洋壳厚度的影响:数值模拟

地幔中不同含量的水会对洋壳的生成产生重要影响,但目前不同含水量下的均匀和局部含水地幔会怎样影响洋壳厚度还不清楚.利用动力学数值模拟的方法,对上地幔均匀含水和局部含水两种情况下洋壳的生成过程展开研究.结果表明:当上地幔均匀含水时,含水量的增加在减小最大熔融分数的同时,会增大初始熔融深度和熔融面积,因而生成的洋壳厚度会增加...     

Insights about the structure and development of Zhongsha Bank in the South China Sea from integrated geophysical modelling

ABSTRACT

We construct a complete density transection based on the velocity structures across the Zhongsha Bank in the South China Sea. Gravity modelling of the lateral density contrasts between tectonic units helps us to determine the structural attributes and boundaries between continental blocks and deep basins. The configuration of the continent–ocean boundary (COB) around the Zhongsha Bank is mapped based on the gravity/magnetic anomaly and crustal structures. A low-density mantle is found beneath the Zhongsha Bank and the oceanic basins, and this mantle is associated with the high heat-flow background. The COB orientation is northeast-east in the north of the bank, with faulted linear structures. In further southeast, where there is a more intact crust, the COB orientation changed to north-northeast. The reconstructed density model and gravity/magnetic map indicate that the Zhongsha Bank is conjugated with the Liyue Bank by a rifted basin, where the crust had experienced localized deformation before the seafloor spreading. Because of the insufficient magmatism in the oceanic basin, the spreading ridge propagates into the weakened continental lithosphere between the two continental blocks, thus completely separating the Zhongsha Bank from the Liyue Bank. Seafloor spreading ridge jumps within the South China Sea may also be affected by the heterogeneous lithosphere beneath the continental blocks and oceanic basins.     

Gravity anomalies over the Central Indian Ridge between 3<Superscript>∘</Superscript>S and 11<Superscript>∘</Superscript>S,Indian Ocean: Segmentation and crustal structure

High-resolution shipboard geophysical investigations along the Indian Ocean ridge system are sparse especially over the Carlsberg and Central Indian ridges. In the present study, the shipboard gravity and multibeam bathymetry data acquired over a 750 km long section of the Central Indian Ridge between 3 ^°S and 11 ^°S have been analysed to understand the crustal structure and the ridge segmentation pattern. The mantle Bouguer anomalies (MBA) and the residual mantle Bouguer anomalies (RMBA) computed in the study area have shown significant variations along the ridge segments that are separated by transform and non-transform discontinuities. The MBA lows observed over the linear ridge segments bounded by well-defined transform faults are attributed to the thickening of the crust at the middle portions of the ridge segments. The estimates of crustal thickness from the RMBA shows an average of 5.2 km thick crust in the axial part of the ridge segments. The MBA and relative RMBA highs along the two non-transform discontinuities suggests a thinner crust of up to 4.0 km. The most significant MBA and RMBA highs were observed over the Vema transform fault suggesting thin crust of 4 km in the deepest part of the transform fault where bathymetry is more than 6000 m. The identified megamullion structures have relative MBA highs suggesting thinner crust. Besides MBA lows along the ridge axis, significant off-axis MBA lows have been noticed, suggesting off-axis mantle upwelling zones indicative of thickening of the crust. The rift valley morphology varies from the typical V-shaped valley to the shallow valley floor with undulations on the inner valley floor. Segments with shallow rift valley floor have depicted well-defined circular MBA lows with persistent RMBA low, suggesting modulation of the valley floor morphology due to the variations in crustal thickness and the mantle temperature. These are supported by thicker crust and weaker lithospheric mantle.     

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。     

南海岩石圈结构与油气资源分布

南海是中国唯一发育有洋壳的边缘海,是世界四大海洋油气聚集中心之一。油气勘探表明,南海的油气田分布在北部、西部和南部陆缘沉积盆地内,而大中型油气田集中分布在西部海域盆地中,自北而南有莺歌海—琼东南盆地、万安盆地、湄公盆地、曾母盆地和文莱—沙巴盆地,且以含气为主,含油次之。此外,这一区域深水区还存在多个潜在的大型含油气盆地。研究发现,南海的油气分布与深部岩石圈结构有密切关系。在构造上,南海的含油气盆地位于岩石圈块体边缘或之上,受控于大型岩石圈断裂的发育与演化。在油气富集的盆地中,莫霍面显著凸起,与盆地基底形成镜像,地壳厚度最薄处仅数千米厚,热流值明显较周围地区高,热岩石圈厚度大大减薄。地震层析成像结果反映,这些盆地深部发育一条规模宏大的北西向上地幔隆起带,自红河口向东南穿越南海西部海盆,一直延伸到婆罗州东北部地区,在宏观上控制了南海的油气分布与富集。     

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。为此我们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地球物理证据,以丰富和完善南海的动力学演化模式。