臺(tái)西南盆地巖石圈伸展及裂后沉降特征分析

吳 哲，楊風(fēng)麗，鐘家良，鐘廣見(jiàn)

（1.同濟(jì)大學(xué) 海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.中海石油能源發(fā)展鉆采工程研究院 湛江實(shí)驗(yàn)中心，廣東 湛江 524057；3.國(guó)土資源部 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760）

一個(gè)典型伸展性盆地的形成和演化包括裂陷階段和裂后階段，有效彈性厚度（Te）和拉張因子是表征伸展性盆地形成機(jī)制和演化特征的兩個(gè)重要參數(shù)，能夠很好地反映裂陷階段巖石圈的縱向抗變形能力和橫向伸展情況，并且由于隆升的巖石圈熱物質(zhì)在裂后階段逐漸冷卻、體積變小，從而形成裂后熱沉降作用［1-2］.伸展性盆地巖石圈伸展的機(jī)制主要有四種模型：純剪切模型［3］、簡(jiǎn)單剪切模型［4］、彈性梁伸展模型［5-6］和分層剪切變形模式［7］.其中彈性梁模型是在Mckenzie模型的基礎(chǔ)上添加了撓曲均衡的機(jī)制，并且考慮了上地殼的脆性斷裂對(duì)伸展盆地的影響作用，更接近實(shí)際地質(zhì)情況.目前針對(duì)南海北部被動(dòng)大陸邊緣伸展性盆地巖石圈伸展機(jī)制和深部構(gòu)造特征的大量研究中，南海被動(dòng)陸緣有效彈性厚度的研究結(jié)果各不相同.龐雄等［8］認(rèn)為白云凹陷有效彈性厚度為3km時(shí)，所得到的古地形起伏太大，Te為0km時(shí)符合白云凹陷的情況；利用自由空間重力異常數(shù)據(jù)計(jì)算的方法得出靠近臺(tái)灣的南海大陸架的有效彈性厚度應(yīng)該在13km左右［9］；運(yùn)用響應(yīng)函數(shù)的方法計(jì)算得出南海周緣地區(qū)的有效彈性厚度在1～3km 之間［10］；曹潔冰等［11］運(yùn)用構(gòu)造模擬的方法認(rèn)為曾母盆地最合適的有效彈性厚度為3km.對(duì)于南海北部拉張因子的計(jì)算研究主要集中在珠江口盆地和瓊東南盆地，并且利用不同方法計(jì)算得到的拉張因子結(jié)果存在差別.以珠江口盆地為例，利用平衡剖面技術(shù)研究珠江口盆地深水區(qū)珠二坳陷得到新生代拉張系數(shù)在1.15～1.35之間［12］；通過(guò)模擬計(jì)算得到珠江口盆地總的拉張因子約在1.70～2.00之間［13］；根據(jù)地震剖面和測(cè)井資料計(jì)算得出珠江口盆地總的地殼拉張因子為1.40［10］；Westaway［14］計(jì)算出珠江口盆地總的拉張因子為1.80，上地殼最大拉張因子為1.30.這些結(jié)果存在差異的主要原因是不同方法反映的是不同尺度的拉張因子，在沒(méi)有明確所計(jì)算拉張因子地質(zhì)意義的前提下，不能隨意進(jìn)行比較.總的來(lái)說(shuō)，目前針對(duì)臺(tái)西南盆地巖石圈伸展特征和裂后沉降特征的研究較少，從彈性梁模型和撓曲均衡原理角度進(jìn)行研究是一個(gè)較新的方向.

針對(duì)以上問(wèn)題，本次研究利用橫穿臺(tái)西南盆地的地震-地質(zhì)解釋剖面，采用基于彈性梁模型和撓曲均衡原理的二維正反演相結(jié)合的構(gòu)造模擬分析方法，計(jì)算臺(tái)西南盆地的有效彈性厚度、陸架和陸坡區(qū)不同尺度（上地殼、地殼、巖石圈）拉張因子來(lái)反映巖石圈伸展特征，并結(jié)合裂后階段不同時(shí)期沉降速率特征的分析來(lái)再現(xiàn)一個(gè)伸展性盆地的形成、演化過(guò)程.

1 區(qū)域地質(zhì)概況

臺(tái)西南盆地是新生代發(fā)育于南海東北部被動(dòng)陸緣的伸展性盆地，位于臺(tái)灣的西南部，東側(cè)是菲律賓海板塊和歐亞板塊的碰撞擠壓結(jié)合部位，南與南海海盆相接，從北向南分割為北部坳陷、中央隆起及南部坳陷3個(gè)構(gòu)造單元（圖1），臺(tái)西南盆地中的斷裂十分發(fā)育，既有北東、北東東和近東西走向的正斷層，又有北西—北西西和南北走向的逆斷層，盆地內(nèi)發(fā)育中生代（J-K）、新近紀(jì)和古近紀(jì)地層，新生代地層厚度大［15-17］.從橫穿該地區(qū)的地震-地質(zhì)解釋剖面A-B可以發(fā)現(xiàn)（圖2），以不整合面T7（29.3Ma晚漸新世初期）為界，可以將新生代以來(lái)的地層劃分為兩個(gè)特征明顯不同的構(gòu)造層：裂陷階段構(gòu)造層和裂后階段構(gòu)造層［18］.不整合面T7上、下地層為明顯的角度不整合關(guān)系，可見(jiàn)明顯的削蝕或侵蝕現(xiàn)象，其中裂陷階段的沉積受主干斷層控制，靠近主干斷裂的區(qū)域快速沉積，形成地塹、半地塹的構(gòu)造樣式，不整合面T7之上為披覆式坳陷發(fā)育期的構(gòu)造樣式.

圖1 臺(tái)西南盆地及鄰區(qū)構(gòu)造區(qū)劃簡(jiǎn)圖Fig.1 Tectonic subdivision sketch of the Taixinan Basin and its neighboring areas

圖2 橫穿臺(tái)西南盆地的地震-地質(zhì)解釋剖面［18］Fig.2 Seismic-geological structure interpretation profiles across Taixinan Basin

2 有效彈性厚度和不同尺度拉張因子的計(jì)算原理

有效彈性厚度Te是一個(gè)抽象的物理量，反映了現(xiàn)今巖石圈抵抗變形的能力，代表巖石圈的綜合強(qiáng)度.將正演軟件Stretch和反演軟件Flex-Decomp相結(jié)合可求得Te值.首先利用撓曲回剝后的地層厚度計(jì)算公式求得彈性撓曲剛度D［6］.

式中：Y為回剝后的厚度；Y′為回剝前的厚度；ρ地幔，ρ水和分別為地幔、水以及地層總的平均密度；Wd為古水深的深度；Δsl為海平面的變化；λ的數(shù)值為盆地寬度的兩倍；D為巖石圈的撓曲剛度.再依據(jù)Te和彈性撓曲剛度D之間的關(guān)系式可以計(jì)算得到Te.

式中：E為楊氏模量；ν為泊松比.

拉張因子是指巖石圈（或全地殼、上地殼、下地殼、某一時(shí)期地層）伸展后與伸展前長(zhǎng)度的比值.本次研究中巖石圈、上地殼、全地殼尺度拉張因子的計(jì)算方法互不相同［19］，其中巖石圈尺度的拉張因子是基于 Mckenzie［3］提出的巖石圈拉張因子與熱的關(guān)系，應(yīng)用Flex-Decomp軟件，采用撓曲回剝、去壓實(shí)以及裂后熱沉降反演模擬等關(guān)鍵技術(shù)求??；上地殼尺度的拉張因子主要是由斷裂性質(zhì)控制，通過(guò)在地震剖面上統(tǒng)計(jì)裂陷期活動(dòng)的、斷達(dá)基底并控制地層沉積的斷層屬性參數(shù)，包括斷層位置、極性、傾角和水平斷距等信息，應(yīng)用Stretch軟件求??；受新生代拉伸作用影響較小的相鄰華南地區(qū)的地殼厚度在30～35km之間［20］，本次研究中將32km作為初始地殼的厚度，利用現(xiàn)今臺(tái)西南盆地莫霍面深度數(shù)據(jù)可求取全地殼尺度的拉張因子.

運(yùn)用反演軟件Flex-Decomp和正演軟件Stretch相互結(jié)合、互相驗(yàn)證的模擬方法可以定量再現(xiàn)一個(gè)伸展盆地的發(fā)育演化過(guò)程.反演模擬可以運(yùn)用撓曲回剝法恢復(fù)盆地的裂后時(shí)期演化歷史，正演模擬可以運(yùn)用撓曲懸臂模型正演盆地裂陷時(shí)期和裂后時(shí)期的演化歷史.本次模擬過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)取值主要有：上地殼脆性厚度15km、地幔厚度32km、地殼密度2.8g·cm-3、地幔密度3.3g·cm-3、水密度1.0g·cm-3、巖石圈溫度1333.0℃、熱擴(kuò)散系數(shù)3.28×10-5.研究中所使用軟件已成功應(yīng)用于北海、東非大裂谷、珠江口盆地、瓊東南盆地等伸展性盆地［21-27］.

3 臺(tái)西南盆地巖石圈伸展特征分析

3.1 有效彈性厚度的計(jì)算

將從地震剖面上讀取的9條控制斷裂的屬性參數(shù)（表1）輸入Stretch軟件中，保持其他參數(shù)一定，調(diào)整Te值得到不同盆地形態(tài)的模擬結(jié)果（圖3），與現(xiàn)今地質(zhì)剖面回剝反演至T7界面拉平后的剖面（圖中虛線部分）相比較可以發(fā)現(xiàn)，Te為1.5km時(shí)與去壓實(shí)回剝拉平后的剖面的地層厚度以及分布范圍吻合度最高，在剖面60～75km，105～130km，140～165 km位置都出現(xiàn)Tg～T7的地層，與實(shí)際情況相吻合；Te為0km即沒(méi)有考慮巖石圈彈性強(qiáng)度的情況下，模擬結(jié)果與實(shí)際情況相差很大，說(shuō)明該地區(qū)巖石圈性質(zhì)為撓曲均衡而不是Airy均衡；Te為3km或者6km時(shí)與實(shí)際沉積地層相比較在剖面位置40～60km的分布范圍內(nèi)沉積厚度都過(guò)大.有效彈性厚度能夠影響盆地的整體形態(tài)，對(duì)伸展性盆地內(nèi)斷塊下盤(pán)翹起和上盤(pán)沉降起重要作用.Robert等［23］通過(guò)綜合研究指出被動(dòng)陸緣伸展性盆地巖石圈的有效彈性厚度在1.5～5.0km之間.本次模擬結(jié)果表明1.5km為臺(tái)西南盆地最合適的有效彈性厚度，表征被動(dòng)大陸邊緣環(huán)境.

表1 正演模擬中所設(shè)置的斷裂屬性參數(shù)Tab.1 Property fault parameters used in the forward modeling

3.2 不同尺度拉張因子的計(jì)算

依據(jù)不同尺度拉張因子的計(jì)算方法，首先將圖2的地震-地質(zhì)剖面數(shù)字化后輸入Flex-Decomp軟件（圖4a），然后將現(xiàn)今的地質(zhì)剖面回剝至裂陷階段結(jié)束時(shí)的T7界面（圖4b），該時(shí)期的沉積環(huán)境為湖沼相［13］，以此作為約束條件計(jì)算求得巖石圈尺度的拉張因子在1.2～4.8之間，減薄系數(shù)在0.20～0.80之間變化；運(yùn)用Stretch軟件將盆地從基底斷裂發(fā)育時(shí)期正演至裂陷階段結(jié)束時(shí)的T7界面，計(jì)算求得上地殼尺度的拉張因子在1.0～1.2之間，減薄系數(shù)在0～0.15之間變化；通過(guò)現(xiàn)今的莫霍面深度［28］計(jì)算求得全地殼尺度的拉張因子在1.1～3.0之間，減薄系數(shù)在0.11～0.66之間變化.將三種尺度的拉張因子進(jìn)行比較（圖4c，4d），可以發(fā)現(xiàn)臺(tái)西南盆地巖石圈、全地殼和上地殼尺度的拉張因子都隨剖面位置變化，表現(xiàn)為橫向的非均質(zhì)性：從盆地邊緣向坳陷中心逐漸增大，從坳陷位置向隆起地區(qū)逐漸減小，拉張因子的極值都出現(xiàn)在坳陷中心，靠近洋殼的南部坳陷中心的拉張因子數(shù)值大于北部坳陷中心的數(shù)值，拉張因子中心有從北向南增大的趨勢(shì).同時(shí)從加入15%標(biāo)準(zhǔn)誤差量的模擬結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，臺(tái)西南盆地巖石圈伸展具有深度依賴性：巖石圈和全地殼尺度的拉張因子明顯大于上地殼尺度的拉張因子，在陸架范圍內(nèi)（0～60km）上地殼和全地殼尺度的拉張因子不能明顯分開(kāi)，而向南處于深水區(qū)的陸坡范圍內(nèi)，巖石圈、全地殼與上地殼尺度拉張因子的差別越來(lái)越明顯，即巖石圈在陸架和陸坡地區(qū)所發(fā)生的伸展作用特征有所不同.

圖3 臺(tái)西南盆地A—B測(cè)線不同有效彈性厚度取值的模擬結(jié)果比較Fig.3 Results with various Te across Line A—B profile in Taixinan Basin

在不同尺度拉張因子計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，依據(jù)公式（3）求得臺(tái)西南盆地巖石圈、全地殼、上地殼尺度的伸展量如圖4所示，分別為（138±20）km，（90±14）km，（13±2）km（15%的標(biāo)準(zhǔn)誤差量）.

式中：E為伸展量；β（x）為剖面x處的拉張因子.

4 臺(tái)西南盆地裂后沉降特征分析

反演模擬回剝分析中，考慮沉積物荷載、水的荷載以及構(gòu)造荷載等作用的影響后恢復(fù)不同時(shí)期的地層厚度，計(jì)算各個(gè)時(shí)期的沉降速率曲線.理論上的熱沉降沉積應(yīng)該是大致分布在通過(guò)主凹中心并沿陸坡方向延伸的一個(gè)長(zhǎng)垣形范圍內(nèi)，同時(shí)沉降速率隨深度呈冪指數(shù)減?。?］，但是如圖6所示，臺(tái)西南盆地裂后階段各個(gè)時(shí)期不同位置的沉降速率變化很大，沒(méi)有明顯的規(guī)律性，不同與McKenzie典型的伸展性盆地裂后階段熱沉降模式.只是南部坳陷的沉降中心在不斷變化，與所處的沉積環(huán)境相對(duì)應(yīng)，北部坳陷沉降速率波動(dòng)如此之大，分析與10.5Ma發(fā)生的東沙運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致北部局部隆起密切相關(guān).南海北部的瓊東南盆地裂后沉降特征具有明顯的規(guī)律性，從盆地隆起區(qū)到深水坳陷區(qū)沉降速率逐漸增大，并存在沉降速率突然加速的現(xiàn)象［27］.將臺(tái)西南盆地裂后沉降特征與珠江口盆地（圖7）、瓊東南盆地［27］相比較可以發(fā)現(xiàn)，南海北部地區(qū)的裂后沉降特征具有地區(qū)的差異性，臺(tái)西南盆地受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較大，裂后沉降特征沒(méi)有明顯的規(guī)律性.從沉降特征、基底隆升和地層接觸的關(guān)系推測(cè)與18.6～16.0Ma陸架坡折形成、10.5Ma的東沙運(yùn)動(dòng)兩期構(gòu)造事件影響較大有關(guān).珠江口盆地和瓊東南盆地裂后沉降特征比較有規(guī)律性：珠江口盆地在18.5～16.0Ma沉降速率存在重大加速現(xiàn)象，推測(cè)與當(dāng)時(shí)陸架坡折形成、海平面的快速上升相對(duì)應(yīng)；而瓊東南盆地5.5Ma以來(lái)的沉降速率明顯增大［27］，與深部地幔對(duì)流以及強(qiáng)烈的巖石圈減薄作用有關(guān)［29］.東沙運(yùn)動(dòng)形成的影響在臺(tái)西南盆地表現(xiàn)最大，從珠江口盆地傳遞到瓊東南盆地已經(jīng)很微弱.

圖4 臺(tái)西南盆地A—B測(cè)線不同尺度拉張因子及減薄系數(shù)的計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculated different scales of extension and thinning factors of Line A—B in Taixinan Basin

圖5 臺(tái)西南盆地不同尺度伸展量的計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculated results for different scales of extension in Taixinan Basin

5 結(jié)論

（1）運(yùn)用基于彈性梁模型和撓曲均衡原理的二維正反演相結(jié)合的構(gòu)造模擬分析方法計(jì)算得到臺(tái)西南盆地在裂陷時(shí)期不符合Airy均衡現(xiàn)象，最適合的有效彈性厚度數(shù)值為1.5km，表征大陸邊緣環(huán)境，接近洋殼性質(zhì).依據(jù)不同尺度拉張因子的計(jì)算方法計(jì)算得到臺(tái)西南盆地巖石圈尺度的拉張因子在1.2～4.8之間，上地殼尺度的拉張因子在1.0～1.2之間，全地殼尺度的拉張因子在1.1～3.0之間.臺(tái)西南盆地巖石圈伸展具有橫向的非均質(zhì)性和深度的依賴性，極值都在坳陷中心，拉張因子中心有從北向南增大的趨勢(shì)，同時(shí)巖石圈伸展在陸架和陸坡區(qū)所具有的深度依賴性存在差別.在研究剖面上巖石圈、全地殼、上地殼尺度的伸展量分別為（138±20）km，（90±14）km，（13±2）km.

（2）臺(tái)西南盆地裂后沉降特征不同與典型的伸展性盆地裂后沉降模式，裂后階段各個(gè)時(shí)期不同位置的沉降速率變化大，沒(méi)有明顯的規(guī)律性，受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較大，分析主要與18.6～16.0Ma陸架陸坡形成和10.5Ma的東沙運(yùn)動(dòng)兩期構(gòu)造事件相關(guān).

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