瓊東南盆地地殼伸展因子計算及其伸展模式探討

賀超，龍根元，吳世敏

(1.中國科學院邊緣海地質(zhì)重點實驗室，中國科學院 南海海洋研究所，廣東 廣州510301;2.中國科學院研究生院，北京100049;3.海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，海南 ?？?70206;4.中山大學 地球科學系，廣東廣州510275

瓊東南盆地地殼伸展因子計算及其伸展模式探討

賀超1，2，龍根元3，吳世敏4

(1.中國科學院邊緣海地質(zhì)重點實驗室，中國科學院 南海海洋研究所，廣東 廣州510301;2.中國科學院研究生院，北京100049;3.海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，海南 海口570206;4.中山大學 地球科學系，廣東廣州510275

對伸展因子β的計算分析，可認識巖石圈的伸展變形特點?；诃倴|南盆地具有“多米諾”伸展斷層構造的5條反射地震剖面資料，利用“多米諾”伸展斷層模式計算了上地殼伸展因子，其值分布在1.17～1.58之間;與對應位置的全地殼和巖石圈的伸展因子比較，結果顯示上地殼、全地殼和巖石圈伸展因子三者之間存在差別，但不是簡單的隨深度增大，具體表現(xiàn)為盆地中北部的巖石圈伸展變形特點為巖石圈伸展因子大于全地殼大于上地殼，盆地西南部則表現(xiàn)為全地殼最大，巖石圈最小。通過計算，結合研究區(qū)相關研究成果，本文認為瓊東南盆地巖石圈發(fā)生了隨深度變化的伸展變形;不同構造位置的巖石圈伸展變形存在明顯差異。

“多米諾”伸展斷層;伸展因子;與深度相關的巖石圈伸展;瓊東南盆地

0 引 言

對巖石圈伸展變形的認識發(fā)展到今天，主要停留在兩個端元模型，即純剪模型(McKenzie，1978)和單剪模型(Wernicke，1985)。純剪模式假設盆地地殼和巖石圈的伸展量是相同的，伸展因子β是唯一的;而單剪模式則認為盆地巖石圈的伸展是非均一的，即存在上地殼、全地殼、巖石圈伸展因子。在對伸展模式的判斷中，伸展因子β起到一定檢驗作用。伸展因子β，即伸展前后的地殼厚度之比，是定量描述巖石圈變薄程度的參數(shù)(McKenzie，1978)。β值越大，表明地殼減薄程度越顯著。因其涉及到盆地的沉降充填、沉積物埋藏及熱演化史等，是研究盆地構造演化史最重要的基本參數(shù)之一。

目前，計算伸展因子β的方法主要有:(1)沉降史分析。利用鉆井、地震剖面資料，進行古水深校正、壓實校正、古海平面校正和沉積物重力均衡校正后，求得構造沉降量，通過構造沉降量反演伸展因子。該方法是目前最常用的方法;(2)從地殼減薄的角度，直接通過地殼厚度計算伸展因子β，即初始地殼厚度與減薄后地殼厚度之比。該方法普遍運用于對整個研究區(qū)的大面積計算。在實際操作中，初始地殼厚度為估算，拉伸后地殼厚度為重磁數(shù)據(jù)或者深部地震資料反演得出的Moho面深度減去新生代沉積層厚度;(3)“多米諾”伸展斷層模式(domino-style fault block model)，即旋轉平面式斷層模式。利用三角形邊角關系計算求得伸展因子β。

這些方法各有優(yōu)缺點，如第一種方法涉及古水深估算、古海平面變化以及去壓實等，并且要求正、反演結合，計算復雜，影響因素較多，存在一定不確定性;第二種方法在軟流圈發(fā)生熔融產(chǎn)生底侵作用的地區(qū)或者初始地殼厚度難以估算的地區(qū)，容易產(chǎn)生誤差;第三種方法要求地震剖面質(zhì)量高，地層分層明確，斷層分布與樣式相對簡單、清晰。

南海北部新生代沉積盆地歷經(jīng)數(shù)十年的石油勘探，對盆地的地層分層較為詳細，同時瓊東南盆地的伸展構造表現(xiàn)出相對簡單的“多米諾”伸展斷層(龍根元等，2010)，因此，本文利用“多米諾”伸展斷層模式對瓊東南盆地的伸展因子進行計算，然后結合其它方法計算的伸展因子進行對比，最后探討盆地的伸展模型。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

瓊東南盆地位于南海北部大陸邊緣西南部，其北側為海南隆起區(qū)，東側為神弧隆起區(qū)，東南與西沙隆起區(qū)相鄰，西側以1號斷裂與鶯歌海盆地相接(圖1)。

瓊東南盆地的基底由前古近系的火成巖、變質(zhì)巖及沉積巖組成，包括花崗巖、混合巖、角礫巖、凝灰?guī)r、集塊巖、安山玢巖、英安流紋巖、白云巖等(魏魁生等，2001)。盆內(nèi)主要充填古近紀-新近紀地層，從下至上分別為始新統(tǒng)(Tg-T8)、漸新統(tǒng)崖城組(T8-T7)、漸新統(tǒng)陵水組(T7-T6)、中新統(tǒng)三亞組(T6-T5)、中新統(tǒng)梅山組(T5-T4)、中新統(tǒng)黃流組(T4-T3)、上新統(tǒng)鶯歌海組(T3-T2)以及第四系(T2-)。

瓊東南盆地斷裂主要發(fā)育于古近系裂陷構造層，表現(xiàn)為NE、近EW、NW-NWW向3組斷裂。自西向東，整個盆地的斷裂空間展布呈現(xiàn)出由近EW向為主往以NE向為主轉變這一規(guī)律。

圖1 瓊東南盆地構造區(qū)劃分、主要斷裂分布以及地震測線圖(據(jù)龍根元等，2010，已修改)Fig.1 Sketch map showing tectonic units，main faults and profiles in the Qiongdongnan basin

瓊東南盆地經(jīng)歷裂陷和裂后兩大階段，以破裂不整合面T6為界劃分為上、下構造層，上構造層為統(tǒng)一坳陷，斷裂不發(fā)育;下構造層斷裂構造非常發(fā)育，相互分割盆地，形成了多個凹陷。盆地分為三個坳陷帶(圖1):北部坳陷帶、中央坳陷帶和南部坳陷帶。北部坳陷帶發(fā)育了崖北、崖南、松西和松東凹陷，構造樣式為半地塹;南部坳陷帶發(fā)育了北礁凹陷、玉琢礁凹陷等，構造樣式主要為半地塹;中央坳陷帶發(fā)育了樂東、陵水、松南和寶島凹陷，地塹為其主要的構造樣式(龍根元等，2010)。其中，半地塹為瓊東南盆地裂陷期最基本的構造樣式，其中又以“多米諾”式半地塹作為瓊東南盆地半地塹構造樣式中常見的一種，在坳陷、低隆起帶均有發(fā)育。該類型半地塹由2條或2條以上、同向傾斜的正斷層組成，整體形態(tài)呈鋸齒狀、內(nèi)部地層結構相似且斷層與地層傾向相反(李奮其，2003;龍根元等，2010)。隨著盆地拉張作用的進行，斷層、斷盤都發(fā)生旋轉，導致斷層傾角逐漸減小而地層傾角逐漸加大，從而實現(xiàn)了巖石圈的伸展(Schlische，1991)。

2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文的數(shù)據(jù)主要來自石油公司提供的地震剖面。本次計算了瓊東南盆地代表性“多米諾”式半地塹的地震剖面5條(圖1)。地層標定采用石油公司的對比方案(謝文彥等，2007;龍根元等，2010)，首先數(shù)字化時間地震剖面，然后利用中海油提供的瓊東南盆地時－深轉換表擬合的公式(1)，得到深度地震剖面。

3 伸展因子計算方法與結果

3.1 “多米諾”式斷盤模式的提出

“多米諾”伸展斷層是在拉張應力作用下，斷層和斷盤均發(fā)生旋轉所形成的正斷層，又稱為旋轉平面式正斷層，在不同尺度、幾何學形態(tài)中均識別出這種類型的斷層(Axen，1988)。該類構造最早在研究北美西部盆嶺構造時在拆離構造帶上發(fā)現(xiàn)。爾后，該區(qū)域發(fā)育的斷層等伸展構造特征也運用到其它伸展系統(tǒng)中，特別是被動大陸邊緣(Wernicke and Burchfiel，1982)。

Wernicke and Burchfiel(1982)在Airy均衡模式下，在假設斷層間距相同、分離層位水平這一理想條件下，建立了伸展因子β，正斷層旋轉后傾角φ，地層旋轉角度θ(初始為水平)，初始斷層水平間距F′、旋轉后斷層間距F這些參數(shù)之間的關系(圖2)，如下:

3.2 計算結果

在深度剖面上，橫、縱坐標比例一致的狀態(tài)下，測量出斷層傾角和地層傾角，利用公式(2)，計算出上地殼伸展因子β(圖3、圖4，表1)。

圖2 “多米諾”式斷層模式示意圖(據(jù) Schlische，1991)Fig.2 Schematic map of domino-style fault block model(Modified from Schlische，1991)

圖3 測線5地質(zhì)構造解釋圖Fig.3 Geological structure interpretation for profile No.5

圖4 測線5“多米諾”伸展斷層深度剖面圖Fig.4 Domino-style faults from profile 5 after conversion of the vertical axis from time to depth

表1 瓊東南盆地上地殼伸展因子Table 1 Upper crust stretching factors in the Qiongdongnan basin

結果表明，瓊東南盆地的上地殼伸展因子分布在1.17～1.58之間。瓊東南盆地上地殼伸展因子的變化總趨勢是同一測線深海處的伸展因子值大于淺海的，凹陷中央的伸展因子值大于邊緣的;靠近凹陷邊緣主控斷裂帶、凹陷隆起轉換處位置的伸展因子值明顯增大?？傮w而言，其大小分布并未表現(xiàn)出明顯的對稱規(guī)律。

4 討論與結論

有別于經(jīng)典的大西洋邊緣海盆地，南海北部大陸邊緣盆地的形成和巖石圈拉伸減薄機制是一直受到眾多學者的關注，存在爭議。爭議的焦點是純剪切模式、簡單剪切模式還是分層剪切模式。早期的觀點偏向于純剪切模式(Su et al.，1989)。隨著研究的深入，許多學者提出了不同的看法:Clift and Lin(2001)通過鉆井資料計算地殼、地幔伸展因子，認為北部灣盆地地殼伸展因子和地幔伸展因子近似相等，符合純剪模式，而珠江口盆地隨著深度是存在明顯差別的，不適合純剪模式;李思田等(1998)認為地殼(主要是上地殼)表現(xiàn)為簡單剪切，巖石圈地幔(包括部分下地殼)為純剪切;Hayes et al.(1995)提出巖石圈的伸展主要是純剪模式，但在切穿地殼的斷層附近則表現(xiàn)為簡單剪切;Schlüter et al.(1996)認為在大陸邊緣裂解伸展的過程中，并不是由始至終的純剪切或者簡單剪切模式，相反，隨著構造應力場的變化，伸展模式可以由簡單剪切轉換為純剪切。吳世敏等(2005)結合南海南部資料，認為晚白堊世－早始新世南海北部邊緣的伸展模型表現(xiàn)為簡單剪切模型，晚始新世－漸新世/早中新世則是通過純剪切模式完成的。

伸展模型的差異將導致伸展因子的不同，因此可以通過檢查伸展因子的空間分布特點，檢驗伸展模型。為此，我們進一步對本文5條剖面“多米諾”伸展斷層位置，利用劉兵①劉兵.2010.瓊東南盆地前新生代沉積基底的重磁反演.中國科學院南海海洋研究所碩士論文.對瓊東南盆地的基底及Moho面的反演數(shù)據(jù)，采用初始地殼厚度(假設為32 km)與現(xiàn)今地殼厚度之比的方法，得到對應位置的全地殼伸展因子，取平均值;另外在對應的“多米諾”伸展斷層與基底(Tg)交點，采用虛擬鉆井的方式，利用構造沉降史分析方法反演出巖石圈伸展因子，求其平均值，其中，古水深數(shù)據(jù)借助林暢松和張艷梅(1997)計算鶯－瓊盆地沉降曲線的方法;全球海平面參考Haq et al.(1987)三級全球海平面變化數(shù)據(jù);通過鉆井YC21-1-3(平面位置見圖1)泥巖、砂巖百分比含量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用Flex Decomp軟件(英國Badley Geoscience Ltd軟件產(chǎn)品)自帶計算工具，求得各層對應的沉積物顆粒密度PSG，孔隙度F及壓實系數(shù)C。與5條剖面“多米諾”伸展斷層位置的上地殼伸展因子的平均值比較，其結果如圖5。從結果來看，上地殼、全地殼、巖石圈伸展因子發(fā)生了隨深度的變化，而不是均一伸展的純剪變形。張中杰等(2010)對瓊東南盆地深反射地震剖面的上地殼、全地殼伸展因子的計算結果也顯示這一特點。目前過南海北部大陸邊緣盆地的大剖面中，并沒有識別出連續(xù)、大型的低角度拆離斷裂，表明簡單剪切模型在瓊東南盆地也難以適用，瓊東南盆地巖石圈的伸展變形則與深度相關。通過以上討論，我們得到以下認識:

(1)利用“多米諾”式斷盤模式計算瓊東南盆地上地殼伸展因子，介于1.17～1.58之間。

(2)瓊東南盆地的上地殼、地殼、巖石圈的伸展因子有一定的差別，但不是簡單的隨深度增大。

(3)瓊東南盆地不同構造位置的巖石圈伸展變形存在明顯的差異，盆地中北部(測線1和測線4)的巖石圈伸展變形特點為巖石圈伸展因子大于全地殼大于上地殼(圖5a、d)，盆地西南部(測線2、測線3和測線5)巖石圈伸展變形則表現(xiàn)為全地殼最大，巖石圈最小(圖5b、c、e)，可能與所處的西部剪切帶和南海北部的伸展邊緣交叉位置有關。

圖5 瓊東南盆地“多米諾”式半地塹處上地殼、地殼、巖石圈伸展因子平均值分布圖Fig.5 Sketch map showing lithospheric stretching factors in domino half-grabens of the Qiongdongnan basin

致謝:本文得到兩位匿名審稿專家的幫助和指導，提出了很多中肯的建議，在此深表感謝!

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魏魁生，崔旱云，葉淑芬，厲大亮，劉鐵樹，梁建設，楊國忠，武麗，周小鷹，郝運輕.2001.瓊東南盆地高精度層序地層學研究.地球科學，26(1):59－66.

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Estimation of the Stretching Factors of the Qiongdongnan Basin and Domino-Style Fault Model

HE Chao1，2，LONG Genyuan3and WU Shimin4
(1.CAS Key Laboratory of Marginal Sea Geology and South China Sea Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou510301，Guangdong，China;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China;3.Marine Geoglogical Instite of Hainan Province，Haikou570206，Hainan，China;4.Department of Earth Sciences，Sun Yat-Sen University，Guangzhou510275，Guangdong，China)

The calculation of stretching factors provides a feasible method to understand the extension and thinning of lithosphere.Based on the seismic profiles of the Qiongdongnan basin，the upper crust stretching factors are estimated by applying the domino-style fault block model，with results ranging from 1.17 to 1.58.The whole crust stretching factors and lithosphere stretching factors are also examined on the domino-style faults positions.The results demonstrate that there exists depth related difference，but not simply increase with depth，which indicates a heterogeneous lithospheric stretching.In conclusion，the depth dependent model is likely operational in the Qiongdongnan basin.

domino-style faults;stretching factors;depth-dependent lithospheric stretching;Qiongdongnan basin

P542;TE121.1

A

1001-1552(2012)02-0204-005

2011－06－29;改回日期:2011－12－29

項目資助:國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(2007CB411706-05)資助。

賀超(1986－)，女，碩士研究生，從事大陸邊緣構造研究。Email:282370296@163.com