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。     

南海海底地震仪三维深地震探测的进展及挑战

获取深部速度结构是认识南海形成演化模式的基础.海底地震仪（OBS）二维与三维深地震探测技术是获取深部速度结构最成功的方法之一.OBS三维探测结果揭示:西南次海盆横跨残留扩张脊两侧洋壳不对称增生的速度结构特征;东部次海盆具有4种不同洋壳类型的速度结构;珍贝-黄岩海山链是在海盆停止扩张后6~10 Ma岩浆活动形成的;东沙隆起区显示了张裂期后的岩浆活动及其上涌通道;南海东北部马尼拉俯冲带前缘是受到张裂期后岩浆活动影响的减薄陆壳.IODP367-368钻探区实施的OBS三维探测将以建立南海洋陆转换带（COT）张裂-破裂机制模型为科学目标.OBS三维探测方法在南海各向异性、岩浆活动、形成演化等方面将继续发挥着不可替代的作用.      

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。     

菲律宾海四国海盆地壳结构重力反演及其形成演化过程分析

四国海盆是位于菲律宾海板块内由岛弧张裂形成的弧后盆地,其深部地壳结构对认识伊豆小笠原岛弧的裂解和弧后盆地的扩张过程有重要的意义.在反射多道地震剖面和深部海底地震（OBS）探测剖面的约束下,结合磁异常条带数据,利用两条横穿四国海盆的重力测线数据对海盆的地壳物性结构反演,对比重力反演剖面与深部探测剖面地壳厚度和密度特征,得到更加精细的四国海盆地壳结构.研究结果显示,四国海盆洋壳厚度自西向东逐渐增厚,在残留扩张脊处莫霍面深度迅速增加.根据地壳密度和厚度将四国海盆分为:洋壳减薄区、洋壳增厚区、后扩张洋壳增生区,分别对应初始慢速张裂、单翼快速扩张、对称慢速扩张3期扩张活动.南北测线不同构造分区得到的扩张速率与由磁异常条带得到扩张速率相同;洋壳减薄区下地壳均有高密度体,与OBS剖面中下地壳高速体相对应,可能是由于洋壳慢速扩张过程中强烈拆离作用,地幔蛇纹石化导致.      

南海洋脊抽吸作用对其周边新生代玄武质岩浆活动的影响

洋中脊与地幔柱相互作用诱发的洋脊抽吸作用,被认为是产生富集型洋中脊玄武岩以及某些洋岛和海山的重要地质过程。但是,对于边缘海扩张是否同样会产生洋脊抽吸作用并控制其周边的玄武质岩浆活动,目前仍不清楚。南海海盆是世界上最大的边缘海海盆之一,它的扩张时间为~32~16 Ma。由于其周边分布有大量的软流圈来源的玄武岩,因而是讨论这一问题的理想研究区。文章对相对远离南海扩张中心的浙江省新生代玄武岩进行了K-Ar定年工作,发现浙江余姚的新生代玄武岩主要形成于渐新世至早中新世(32.2~21.7 Ma),属于南海扩张期的玄武岩。前人研究发现,南海周边的新生代玄武岩主要是形成于南海盆地扩张结束之后。结合前人数据和此次研究的年龄结果发现,越远离南海扩张中心,中国东南部的南海扩张期玄武质岩浆活动越密集。洋脊抽吸作用可以很好的解释这一时空分布规律,因为上涌的地幔流会汇聚在南海扩张中心的区域。而在浙江地区发现了南海扩张期玄武岩,则表明该区域深部的地幔流并没有受到南海洋脊抽吸作用的显著影响。     

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.当上地幔局部含水时,局部含水地幔熔融后也会增大生成的洋壳厚度,但开始影响洋壳厚度的时间与其含水量有关.结合南海洋壳特征进一步分析认为:南海扩张期间其地幔源含水量具有非均质性.东部次海盆的洋壳比西南次海盆厚1 km,可能是因为前者地幔源含水量整体高于后者(本模型表明约高50×10-6).南海玄武岩中碳酸盐化硅酸盐熔体的存在,可能是由局部高含水量地幔在深部熔融产生的熔体携带上来的.南海洋壳厚度在时间上没有大幅度变化,可能是因为局部高含水量地幔的体积相对较小或体积虽大但其含水量没有显著高于地幔背景含水量.      

南海大陆边缘动力学:从陆缘破裂到海底扩张

边缘海如何形成是地球科学的基本问题.本研究通过对南海区域深反射地震数据及钻井数据的综合解释,聚焦地壳深部结构和三维全变形机制,在南海陆缘张裂-海盆扩张的构造动力学研究中取得重要进展:(1)“大陆破裂非均一”:拉张过程垂向上分层非均一,受拆离断层系统控制;裂离过程横向上高度变化,中-东侧受岩浆作用主导,西侧受构造作用主导.(2)“海盆扩张非对称”:受周期性地幔对流活动主导,扩张表现为两次洋脊南向跃迁,方向也发生多次转变,导致南海扩张的不连续-非对称性.据此提出西太俯冲背景下周缘受限型海盆高度变化-非均衡扩张模式的新认识,丰富大陆边缘动力学理论.      

南海西北次海盆及其邻区地壳结构和构造意义

西北次海盆的深部地壳结构蕴含着南海北部陆缘拉张过程的重要信息.广角反射/折射测线(OBS2006-2)长386 km,是目前唯一的一条沿NEE向穿过西沙地块、并平行于西北次海盆扩张脊的深地震测线.通过射线追踪与走时模拟方法(RAYINVR),获得了OBS2006-2测线下方的速度结构.结果表明:西沙地块的沉积层厚度约为1~2 km,而西北次海盆的沉积层厚度大约为2~3 km;Moho界面从西沙地块的27 km逐步抬升到西北次海盆的12 km,Moho界面下方的速度为7.8~8.0 km/s;未发现壳内高速层和低速层.在西沙地块和西北次海盆的过渡区,有着较大量的岩浆活动信息,推测与西北次海盆的初始扩张有关.OBS2006-2测线中114.5°E以西的地区为减薄的陆壳,而114.5°E以东的地区为洋壳,莫霍面在陆壳与洋壳的结合处剧烈抬升,地壳厚度明显减薄.西北次海盆的扩张脊下方可能有残余岩浆的存在.      

发育大洋斜长花岗岩的南海管事平顶海山：深部地壳和莫霍面钻探的优选区？

本文紧密围绕IODP“面向2050年大洋钻探科学框架”中的“地球深部探测”旗舰计划和“莫霍面”梦想，研究并总结全球现代洋壳发现的大洋斜长花岗岩的分布规律、岩石组合特征和成因模式，探讨发育大洋斜长花岗岩的南海管事平顶海山是否为深部地壳和莫霍面钻探潜在优选区。统计结果表明大洋斜长花岗岩在多种不同构造背景形成的洋壳上均有发现，包括西南印度洋超慢速扩张构造环境，大西洋、西北太平洋、西印度洋和中印度洋慢速扩张构造环境，东太平洋快速扩张构造环境，南海等边缘海构造环境，伊豆- 小笠原- 马里亚纳(IBM)岛弧、九州- 帕劳海脊、Amami海底高原等洋内俯冲构造环境。多数大洋斜长花岗岩呈脉状零散分布于辉长岩中，意味大洋斜长花岗岩可能形成于洋壳深部，在后期断裂等地质作用下被剥蚀而更容易被发现，成为了解洋壳深部岩浆过程和洋壳结构的一个窗口。管事平顶海山位于南海东部次海盆古扩张脊附近，拖网获得MORB型大洋斜长花岗岩，前人基于地球化学数据认为其可能为辉长岩部分熔融形成。本文推测管事平顶海山大洋斜长花岗岩很可能为洋壳深部物质剥露海底，是南海的一个重要构造窗口，有望成为南海深部地壳和莫霍面钻探的潜在优选区，但需要开展进一步调查研究以验证推测：① 海山大洋斜长花岗岩为拖网所得，位置误差较大，需开展可精确定位的电视抓斗、浅钻或有缆遥控水下机器人(ROV)调查；② 海山目前只发现大洋斜长花岗岩，需调查海山是否发育辉长岩等深部地壳岩石组合；③ 需开展重磁、深反射地震、海底地震仪(OBS)、大地电磁等调查研究，建立管事平顶海山洋壳和上地幔结构模型，查明断裂带分布，揭示莫霍面深度。     

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-礼乐断裂带在西北次海盆与东部次海盆之间宽约25~35 km,北延于珠江海谷西侧(18.7°N,115.5°E),南消失于中沙地块东北侧(17.2°N,116.0°E),主要呈NNW向延伸.该断裂带的主控断裂沿大型海山和侵入岩体分布,主要发育时期是渐新世至早中新世,中中新世至晚中新世为继承性活动,其内部断裂对早中新世及以前的地层具有控制作用,表现为正断层.深部结构上,中南-礼乐断裂带两侧Moho面埋深不一,两侧次海盆的沉积厚度和洋壳厚度存在明显差异,表明该断裂带至少是一条地壳级断裂,甚至可能是岩石圈级断裂.      

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.     

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。     

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。