南海北部陸緣地熱狀態(tài)及其成因探討

李守軍

（1.中國地質大學（武漢）資源學院，湖北 武漢 430074；2.國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州310012；3.國家海洋局 海底科學重點實驗室，浙江 杭州 310012）

0 引言

南海北部陸緣地處歐亞板塊、印度－澳洲板塊和菲律賓海板塊交匯拼合部位，中生代末區(qū)域構造應力場由擠壓轉為伸展［1］；新生代早期又經(jīng)歷了陸緣張裂、海底擴張、基底沉降形成盆地的復雜演化過程［2］；裂后晚期構造－熱事件頻發(fā)，巖漿活動、斷裂體系發(fā)育［3］；新近紀晚期菲律賓海板塊相對歐亞板塊的北西向運動，在南海東部形成馬尼拉海溝俯沖、臺灣擠壓造山的新構造體系［4－5］。

南海北部陸緣構造位置特殊、演化歷史復雜、地質現(xiàn)象異常豐富，海底熱流和深部地溫場經(jīng)受了巖石圈拉張減薄、底侵熱事件、斷裂作用、火山活動和板塊之間相互俯沖擠壓等眾多因素的影響。前人針對南海北部大地熱流、地溫梯度、巖石圈和地殼熱流變結構曾開展過觀測和研究工作［6－11］，但目前尚缺少對南海北部地熱平衡狀態(tài)判斷及具體構造活動、熱事件與地熱狀態(tài)成因的關聯(lián)性研究。本文在系統(tǒng)收集、整理南海北部地熱資料基礎上，通過穩(wěn)態(tài)熱傳導方程計算南海北部陸緣隨深度變化的熱流和溫度分布，求取熱居里面埋深，通過地磁資料反演磁居里面埋深，進行熱、磁居里面埋深對比，進而分析南海北部陸緣大地熱流分布特征，進行地熱平衡狀態(tài)判斷；并通過地殼結構、拉張因子、莫霍面埋深、斷裂體系分布、火山活動的綜合分析，探討南海北部陸緣地熱狀態(tài)的成因。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究區(qū)域為南海北部大陸邊緣，地理坐標范圍為105°E～123°E，15°N～25°N，為避免數(shù)據(jù)網(wǎng)格化時在邊緣處產(chǎn)生變形，實際參與計算的數(shù)據(jù)范圍向四周擴大了1°，文中圖件只顯示研究區(qū)海域數(shù)據(jù)的計算結果，陸上區(qū)域以岸線填充遮蔽。地熱資料主要來源于全球地熱資料庫（http：／／epic.awi.de／31378／），數(shù)據(jù)類型包括地溫梯度、熱導率和大地熱流值，又通過文獻檢索獲得最新地熱資料77組，包括米立軍等［6］2009年公布的南海北部地熱資料34組，徐行等［7］2006年公布的地熱資料7組，張健等［8］2000年公布的地熱資料20組以及劉昭蜀等［12］2002年公布的地熱資料16組，全部地熱資料采集時間跨度為1970年至2009年。針對地熱資料采集時間跨度大，儀器型號不同的情況，為了保證計算結果一致和可靠，對個別干擾數(shù)據(jù)進行了剔除，最終形成有效地熱資料462組，采用克里格算法進行網(wǎng)格化。南海北部海底大地熱流分布見圖1。

圖1 南海北部海底熱流分布Fig.1 Distribution of heat flow values in the northern margin of the South China Sea

本研究采用的地磁數(shù)據(jù)主要來源于國家海洋局第二海洋研究所20世紀90年代以來在南海北部進行的船載海洋磁力測量。同時為了數(shù)據(jù)的完整性，在資料稀疏區(qū)域加入了CCOP磁力數(shù)據(jù)（Geological Survey of Japan and CCOP，1996）。采用2009年第十一代國際地磁參考系數(shù)進行正常場改正，計算研究區(qū)的ΔT地磁異常，南海北部地磁異常分布特征見圖2。

南海北部斷裂體系十分發(fā)育，前人通過海底地形、重力和地磁異常反演、地震剖面、海底地震探測和層析成像、應力場和大地動力學分析等多種手段對南海北部斷裂帶進行了識別和研究。目前普遍認為南海北部中、新生代存在NE（NEE）和NW（NWW）兩組主要斷裂，其中NE（NEE）向斷裂為南海北部地區(qū)的最主要斷裂，發(fā)育時間較早，以張性斷裂為主，控制著大規(guī)模張裂盆地的形成；NW（NWW）向斷裂相對NE（NEE）向斷裂來說形成時間較晚，多數(shù)切割NE（NEE）向斷裂，在南海北部形成南北分帶、東西分塊的構造格局［13－18］。本文對前人有關南海北部斷裂體系的研究成果進行了綜合，將南海北部主要斷裂繪于海底地磁異常平面圖中（圖2）。

1.2 深部溫度和熱流計算方法

圖2 南海北部地磁異常與斷裂帶分布Fig.2 Characteristic of geomagnetism and distribution of faults in the northern margin of the South China Sea

根據(jù)大地熱流值、熱導率和生熱率可以計算隨深度變化的溫度和熱流分布。深部溫度和熱流值作為一組重要的地球物理參量可定量地反映南海北部陸緣深部地熱特征及熱結構。本文采用穩(wěn)態(tài)熱傳導方程模擬南海北部大陸邊緣的地溫場和熱結構，以575℃等溫線所在的深度作為熱居里面的埋深。模型厚度取100km；上邊界取地表常年平均溫度13℃，事實上地表溫度隨水深變化可以達到3℃左右，但是這種小幅度的上邊界溫度變化對地溫場的影響很?。幌逻吔缛崃鬟吔??！盁帷睅r石圈底界為“干”玄武巖固相線的絕對溫度T＝1 050＋3z（℃），其中z為計算深度。因為地幔生熱率小于0.1μW／m3，可以忽略不計，因此下邊界熱流通過地表熱流減去地殼熱貢獻獲得［10－11，19］。實際計算時，生熱率在沉積層取2.0μW／m3，上地殼取2.5μW／m3，下地殼取0.4μW／m3；熱導率在沉積層取2.0W／m·K，上地殼取3.1W／m·K，下地殼取2.5W／m·K，地幔熱導率為3.4W／m·K。根據(jù)生熱率分別估算各層的熱流貢獻，莫霍面熱流通過海底熱流減去各層熱流貢獻得到。下邊界熱流的初始值取上述莫霍面熱流估算值，通過調整下邊界熱流，使得模型中莫霍面熱流與估算值接近。

1.3 磁居里面深度反演

磁居里面即傳統(tǒng)地質意義上的居里面，指巖石中鐵磁礦物因溫度升高達到居里點而由鐵磁性變?yōu)轫槾判詴r的溫度界面，又稱居里等溫面。該界面可由磁力測量資料根據(jù)一定的模型反演計算得到。吳招才等［16］2010年采用離散型棱柱體模型功率譜法來反演居里面深度。反演流程為：（1）根據(jù)全區(qū)ΔT地磁異常結果確定160km×160km的方形窗口及40km×40km的滑動窗口，滑動窗口縱橫向可以重疊，計算窗口內數(shù)據(jù)的對數(shù)功率譜；（2）根據(jù)對數(shù)功率譜計算直立棱柱體的頂面深度Zt、中心深度Z0和底面深度Zb，并把底面深度值放在窗口中心作為該處的居里面深度；（3）按照滑動距離移動窗口至下一個位置，重復（1）和（2）的步驟，直至得到全區(qū)居里面反演結果［16］。南海北部磁居里面深度分布見圖3。

從理論上來講，無論是磁居里面還是熱居里面，它們所反映的都是地下的同一個溫度界面。就某地而言，若其地下發(fā)生了深部熱事件，居里面埋深發(fā)生變化，經(jīng)過足夠長的地質時期，熱以某種方式傳遞到地表，并通過地表熱流測量被識別出來，則整個過程可以由穩(wěn)態(tài)溫度場模型進行模擬，此時磁居里面深度和熱居里面深度一致，稱為熱平衡狀態(tài)。但是，深部熱流傳導到地表需要一定的時間，倘若某個深部熱事件發(fā)生較晚，雖然深部溫度場結構已經(jīng)發(fā)生了改變，但熱流尚未傳遞到地表，地表熱流探測無法反映該熱事件，此時磁居里面深度將淺于熱居里面，此種情況即地熱處于不平衡狀態(tài)。

圖3 南海北部磁居里面深度分布Fig.3 Depth distribution of Magnetic Curie Point Isotherm in the northern margin of the South China Sea

2 計算結果分析

2.1 南海北部大地熱流分布和磁居里面深度

南海北部462組地熱資料統(tǒng)計結果顯示，大地熱流值范圍為41～135mW／m2，平均大地熱流值達到84mW／m2。由圖1可見南海北部從陸架向海盆方向，大地熱流表現(xiàn)為遞增趨勢。依據(jù)McKenzie經(jīng)典巖石圈瞬時拉張模型，以南海北部平均地殼拉張因子值為3.0計算，對大地熱流值隨時間變化進行預測，南海北部大地熱流值小于63mW／m2。但是，實測地熱資料中67%的熱流值大于63mW／m2，平均地溫梯度52℃／km也遠大于正常海底面地溫梯度30℃／km，地熱資料統(tǒng)計結果表明南海北部陸緣具有普遍偏高的大地熱流值和地溫梯度，地熱狀態(tài)不能用經(jīng)典模型予以預測。

南海北部陸緣磁居里面深度反演結果（圖3）表明，磁居里面埋深表現(xiàn)為陸架和海盆區(qū)下拗，中、下陸坡明顯上隆的整體趨勢，其中陸架和海盆區(qū)磁居里面埋深25～30km，中、下陸坡埋深15～23km，磁居里面上隆分布在陸坡北緣斷裂（F1）和中央海盆北緣斷裂（F4）之間。

2.2 居里面深度對比與熱平衡狀態(tài)分析

南海北部珠江口盆地OBS93剖面地殼厚度從陸架區(qū)的22km減薄至海盆區(qū)的8km，下地殼底部存在厚度為3～5km的高速層，隨著地殼厚度由陸架向海盆方向減薄，海底熱流值由陸架區(qū)的60 mW／m2增加至海盆區(qū)的140mW／m2，洋陸邊界帶（Continent Ocean Boundary，COB）兩側出現(xiàn)高熱流值。在F2和F4斷裂之間熱居里面深度大于磁居里面深度，兩者深度差為3～15km，處于地熱不平衡狀態(tài)，F(xiàn)2斷裂以北的上陸坡和陸架區(qū)以及F4斷裂以南的海盆區(qū)熱、磁居里面埋深基本一致（圖4）。磁居里面反演結果顯示F2和F4斷裂之間磁性層底界面抬升，磁性層減薄，平面位置對應于前人研究所指的中、下陸坡磁靜區(qū)［20］，其中F2和F3斷裂之間磁居里面與抬升的莫霍面相交，磁性體集中在上地殼和下地殼頂部，F(xiàn)3斷裂以南磁居里面深度逐漸加大，至F4斷裂以南的海盆區(qū)整個地殼和上地幔被地球磁場所磁化［16］。地溫場計算結果顯示陸架和上陸坡區(qū)莫霍面溫度為400～500℃，而下陸坡和海盆區(qū)莫霍面溫度為200～300℃，海盆區(qū)脆性層底界深度達到30km。

從綜合剖面圖4可見，F(xiàn)2和F4斷裂之間是下地殼高速層主要存在區(qū)域，同時對應著大地熱流由上陸坡向海盆方向增加和熱、磁居里面深度不一致的區(qū)域。地殼拉張因子剖面顯示F2和F4斷裂之間是地殼強烈拉張減薄的區(qū)域。F2斷裂帶以北O(jiān)BS2～4號站對應于磁異常平面圖上的高磁異常帶（圖2），前人研究認為南海北部高磁異常帶是中生代俯沖帶對應的火山?。?1－22］。依據(jù)地質年代計算，F(xiàn)2斷裂帶以北有足夠時間達到地熱平衡，可以解釋熱、磁居里面深度相同。F4斷裂帶以南是海底擴張形成的洋殼區(qū)，莫霍面淺，地殼薄，深部熱傳導至地表時間短，已達到熱平衡狀態(tài)，熱、磁居里面深度一致。

圖4 南海北部OBS93剖面地殼和地熱結構綜合剖面圖Fig.4 Integrated profile of crust and thermal structure along the seismic line of OBS93in the northern margin of the South China Sea

南海北部陸坡ESP－E剖面勘測結果顯示北端莫霍面埋深約30km，地殼厚度為28km，測線南端海盆區(qū)莫霍面抬升至深度10km，地殼厚度減薄至5 km，屬于洋殼性質。綜合剖面圖5中，由測線北端至南端，表現(xiàn)為地殼厚度逐漸減薄，莫霍面逐步抬升和大地熱流逐步增高的趨勢。從上陸坡ESP7站所在的東沙島開始向海盆方向，地殼底部存在寬度約300km的下地殼高速層，厚度為3～17km。地溫場模擬和磁居里面反演結果表明，ESP－E剖面中8號站位與4號站位之間，磁居里面埋深淺于熱居里面埋深，處于熱不平衡狀態(tài)，且兩者之間的深度差異與下地殼高速層厚度呈正比關系。F2斷裂所在的ESP8號站位以北至F1斷裂所在的ESP9號站位之間，熱、磁居里面埋深一致，位置對應于高磁異常帶（圖2），其性質與OBS93剖面的2～4號站位相同。F4斷裂以南為洋盆區(qū)域，熱、磁居里面深度一致。南海北部裂后晚期構造活動頻繁，火山巖漿活動發(fā)育，海底地形圖和重、磁異常研究表明東沙島東南的下陸坡存在線性排列的海底火山［23］，位置對應于ESP－E剖面4號站至2號站之間，即F3和F4斷裂之間。研究表明該區(qū)域在裂后10Ma左右存在大規(guī)模海底火山活動［3］，巖漿噴發(fā)形成良好疏導通道，深部熱流體輸送至地表，熱流值增高，由熱流值模擬的溫度場升高，造成F3和F4斷裂之間熱、磁居里面交叉，地熱狀態(tài)受到裂后巖漿底侵事件和火山活動的共同影響。

圖5 南海北部ESP－E剖面地殼和地熱結構綜合剖面圖Fig.5 Integrated profile of crust and thermal structure along the seismic line of ESP－E in the northern margin of the South China Sea

3 討論

3.1 地殼拉張減薄和莫霍面抬升對地熱狀態(tài)的控制

南海北部珠江口盆地中、下陸坡區(qū)域熱居里面埋深大于磁居里面埋深，依據(jù)居里面的定義，表明存在深部熱事件，引起地熱不平衡，熱不平衡程度由海盆向陸坡方向變強。地震剖面探測結果表明，南海北部由陸架向海盆方向地殼厚度逐漸變薄，莫霍面抬升與地殼減薄呈鏡像關系。對于同一深部熱事件而言，莫霍面埋深越淺，地殼厚度越薄，地熱更容易傳導到地表，通過地熱測量而得知，通過地溫模擬的居里面深度和地磁反演的居里面深度越一致，就越接近地熱平衡狀態(tài)。OBS93和ESP－E兩個剖面中海盆區(qū)莫霍面埋深小于10km，地殼厚度小于8km，拉張因子大于3.0，對應大地熱流高值區(qū)。

3.2 深部熱事件和巖漿活動對地熱狀態(tài)的影響

根據(jù)McKenzie巖石圈拉張模型，被動大陸邊緣地殼在經(jīng)歷瞬時拉張之后，大地熱流表現(xiàn)為拉張因子和時間的函數(shù)，地表熱流隨時間的推移逐步降低，并逐漸達到熱平衡狀態(tài)。本文中的地溫模擬和居里面反演結果顯示，南海北部具有普遍偏高的大地熱流和地溫梯度，OBS93和ESP－E綜合剖面表明珠江口盆地中、下陸坡區(qū)域的熱居里面埋深大于磁居里面埋深，處于地熱不平衡狀態(tài)。前人研究表明南海北部中、下陸坡下地殼高速層由裂后巖漿底侵事件形成［23－24］，本文研究所發(fā)現(xiàn)居里面埋深差異較大的區(qū)域與下地殼高速層所在的位置恰好對應，且下地殼高速層厚度與居里面深度差異成正比例關系，據(jù)此推斷裂后深部熱事件是南海北部中、下陸坡下地殼高速層和地熱不平衡狀態(tài)的成因。同時，根據(jù)上文中ESP－E剖面F3和F4斷裂之間熱、磁居里面交叉的情況判斷，裂后晚期火山巖漿活動對地熱狀態(tài)亦有重要影響。

4 結論

大地熱流和地溫梯度數(shù)據(jù)分析結果表明，南海北部陸緣具有普遍偏高的大地熱流和地溫梯度，大地熱流值總體表現(xiàn)為由陸架向洋盆方向遞增的趨勢。地殼結構、拉張因子、莫霍面埋深、斷裂帶及火山活動綜合分析表明南海北部陸緣地熱狀態(tài)主要受控于由陸向洋方向的地殼強烈拉張減薄和莫霍面抬升的構造格局。

海底熱流資料經(jīng)穩(wěn)態(tài)溫度場計算，獲取熱居里面深度，與地磁反演的居里面深度進行對比，發(fā)現(xiàn)南海北部中、下陸坡F2和F4斷裂之間磁居里面深度淺于熱居里面深度，處于地熱不平衡狀態(tài)，其位置與下地殼高速層相對應。通過OBS93和ESP－E綜合剖面分析結果表明，F(xiàn)2斷裂與F4斷裂之間的中、下陸坡區(qū)域在裂后發(fā)生巖漿底侵事件，地熱不平衡狀態(tài)由該事件引起，F(xiàn)2和F4斷裂為底侵事件發(fā)生的南、北邊界；裂后晚期局部火山巖漿活動對地熱狀態(tài)亦有所影響。

致謝感謝國家海洋局海底科學重點實驗室吳招才博士提供海底地磁異常和磁居里面深度反演結果。衷心感謝2位審稿專家提供的寶貴意見和建議！

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