南海共軛陸緣構(gòu)造不對(duì)稱性研究及其成因的數(shù)值模擬

董冬冬, 錢 進(jìn), Marta Pérez-Gussinyé, 盧志君, 欒 奕,

(1.中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 2.Royal Holloway, University of London, Egham TW20 OBD, UK; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

巖石圈在水平拉張力的作用下會(huì)發(fā)生伸展變形,以致形成裂陷盆地, 但是在多因素的影響下, 巖石圈的拉張形式會(huì)存在很大的差異, 因此學(xué)者致力于提出不同模型解釋不同的裂陷盆地結(jié)構(gòu)。英國(guó)學(xué)者M(jìn)cKenzie根據(jù)大陸純剪切伸展模式建立了巖石圈伸展量與裂陷盆地的沉降量以及后裂陷階段熱沉降量之間的定量模型[1], 在解釋被動(dòng)大陸邊緣的地殼減薄、張裂和沉降方面發(fā)揮了重要作用[2-3], 但它僅適用于完全對(duì)稱的純剪拉張模型, 很難解釋非對(duì)稱共軛陸緣的結(jié)構(gòu), 從而引發(fā)了學(xué)者對(duì)共軛陸緣不對(duì)稱性及其張裂模式的探討[4-7]。近年來(lái)多篇發(fā)表于《Nature》的文章研究了非火山型被動(dòng)陸緣的不對(duì)稱性并對(duì)其張裂機(jī)制進(jìn)行了有益的探討[8-9], 因此被動(dòng)陸緣的不對(duì)稱性研究日益成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

既然不對(duì)稱陸緣廣泛存在, 那么是什么機(jī)制造成了這種陸緣的形成？此問(wèn)題必然引起學(xué)者的重視,而數(shù)值模擬方法在這方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)南海發(fā)育類似非火山型的陸緣, 年齡新、規(guī)模小, 陸緣構(gòu)造保存較好, 便于進(jìn)行共軛陸緣的對(duì)比[10]。本文將綜述國(guó)內(nèi)外針對(duì)共軛陸緣構(gòu)造開(kāi)展的對(duì)比研究, 介紹數(shù)值模擬在南海陸緣演化及其成因機(jī)制研究中的作用, 并重點(diǎn)介紹南海共軛陸緣的相關(guān)研究進(jìn)展。

1 共軛陸緣的構(gòu)造演化特征研究

在共軛陸緣的對(duì)比研究中, 北大西洋兩岸的西伊比利亞-紐芬蘭共軛陸緣是研究程度較高的地區(qū)之一, 因?yàn)樵搮^(qū)有3條美國(guó)大洋計(jì)劃(ODP)剖面和多個(gè)ODP鉆孔, 并且開(kāi)展過(guò)大量的地球物理綜合調(diào)查。深反射地震剖面顯示, 西伊比利亞陸緣發(fā)育很多深大斷裂, 陸緣厚度由陸向海逐漸變薄, 而與之對(duì)應(yīng)的紐芬蘭共軛陸緣則顯示為陸緣厚度由陸向海急劇變薄, 且只發(fā)生了小規(guī)模的斷陷作用[11], 這是典型的不對(duì)稱型共軛陸緣。陸緣張裂過(guò)程被發(fā)現(xiàn)存在地殼伸展的差異性, 即地殼減薄的程度比脆性斷裂導(dǎo)致的拉張量要大[12-14]。這種伸展差異通常被解釋為脆性和塑性地殼層的差異性拉張, 但這并不容易解釋共軛陸緣典型的不對(duì)稱性結(jié)構(gòu)。Ranero等[8]利用橫跨共軛陸緣的深度剖面精確測(cè)量了斷裂的拉張量, 并與地殼減薄作對(duì)比發(fā)現(xiàn), 如果在陸緣張裂過(guò)程中發(fā)育順序斷裂(sequential fault), 即不同斷裂的活動(dòng)時(shí)代不同, 就可以解釋斷裂控制的地殼減薄(從裂谷盆地發(fā)展到不對(duì)稱結(jié)構(gòu))和共軛張裂陸緣的強(qiáng)烈減薄, 有助于解釋伸展差異性的形成機(jī)制。陸緣的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)受控于大陸巖石圈在裂離之前的主要拉張模式, 在眾多的影響因素中, 裂前的地殼結(jié)構(gòu)對(duì)于控制大陸張裂的過(guò)程發(fā)揮著重要的作用。Corti等[15]利用物理模擬方法, 研究了不對(duì)稱莫霍面在控制不對(duì)稱陸緣發(fā)育過(guò)程中的作用, 張裂過(guò)程中的不對(duì)稱性包括三個(gè)方面: 邊界斷層產(chǎn)生的拉張量、巖石圈減薄或軟流圈上涌的類型以及巖漿運(yùn)移的軌跡。這些成果為我們研究南海陸緣的構(gòu)造不對(duì)稱性提供了很好的新思路。

Huismans[5,9,16]和 Pérez-Gussinyé[17]等學(xué)者針對(duì)非火山型被動(dòng)陸緣的巖石圈動(dòng)力學(xué)開(kāi)展了較為細(xì)致的數(shù)值模擬研究。采用任意拉格朗日-歐拉(ALE)有限元方法求解不可壓縮黏塑性蠕流方程及熱演化方程, 可以模擬不同流變學(xué)結(jié)構(gòu)的巖石圈拉張[5,16]。結(jié)果顯示, 巖石圈拉張速率的變化引起流變學(xué)的變化,進(jìn)而影響拉張模式, 形成不對(duì)稱的陸緣。根據(jù)大量的模擬結(jié)果, Huismans集中研究了2類非火山型大陸邊緣的特征, 稱之為I型和II型(圖1)[9]。2類陸緣模型分別基于伊比利亞-紐芬蘭共軛陸緣和南大西洋陸緣中部的實(shí)際觀測(cè)而建立, 兩種類型的陸緣在多個(gè)構(gòu)造部位存在差異。I型巖石圈是由脆性到韌性的巖層相互緊密黏合而成的層狀構(gòu)造, 僅在底部比較軟弱。拉張過(guò)程中上層早于下層發(fā)生破裂, 從而發(fā)生地幔巖石圈的剝露。II型巖石圈具有三明治結(jié)構(gòu),軟弱的下地殼黏性層夾在上下兩層堅(jiān)硬層之間。拉張期間, 上下巖石圈在很寬的區(qū)域內(nèi)發(fā)生解耦。下巖石圈發(fā)生解體時(shí), 上巖石圈僅僅減薄了很小的量,地殼很晚才發(fā)生破裂, 從而形成超寬的陸緣。兩種類型的張裂陸緣在很多構(gòu)造部位均發(fā)育了不同的構(gòu)造特征(圖1)。

圖1 I型(a)和II型(b)非火山型大陸邊緣的構(gòu)造特征[9]

Pérez-Gussinyé運(yùn)用有限元方法求解二維牛頓黏性流方程, 同時(shí)用有限差分技術(shù)求解熱平流和擴(kuò)散方程, 方法和 Huismans的具有一定的相似性, 但研究目標(biāo)集中在模擬西伊比利亞陸緣拉張過(guò)程中發(fā)生的關(guān)鍵的流變學(xué)和化學(xué)變化[17]。模擬發(fā)現(xiàn), 拉張速率、地幔組分和溫度控制著非火山型大陸邊緣的演化過(guò)程。應(yīng)用數(shù)值模擬方法開(kāi)展非火山型被動(dòng)陸緣的巖石圈動(dòng)力學(xué)研究已日益成為國(guó)際的研究熱點(diǎn)。

2 南海陸緣的構(gòu)造不對(duì)稱性研究

南海共軛陸緣的地殼結(jié)構(gòu)具有不對(duì)稱性, 對(duì)它的研究有利于深刻揭示陸緣演化的歷史和成因機(jī)制,具有重要的科學(xué)意義。南海海盆由東向西呈現(xiàn)漸進(jìn)式擴(kuò)張[18], 因此南海共軛陸緣既存在南北向的差異,也具有東西向的差異。近年來(lái), 隨著我國(guó)大陸邊緣973項(xiàng)目的開(kāi)展, 在南海陸緣獲得了許多新的地球物理資料, 包括重磁震和海底地震儀(Ocean Bottom Seismometer, OBS)數(shù)據(jù)等, 并取得一系列重要成果,南海共軛陸緣結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性的研究也引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[19-26]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者早期針對(duì)南海共軛陸緣開(kāi)展了地殼結(jié)構(gòu)的對(duì)比研究工作[19], 通過(guò)重磁、OBS和水深數(shù)據(jù)分析了南海共軛大陸邊緣的地殼結(jié)構(gòu), 反演了密度與磁性結(jié)構(gòu), 對(duì)比研究認(rèn)為南北陸緣均應(yīng)以非火山型構(gòu)造屬性為主, 地殼結(jié)構(gòu)可劃分為減薄陸殼、洋陸殼轉(zhuǎn)換帶、洋殼及拉張裂谷等類型。通過(guò)共軛對(duì)比, Yan等[19]對(duì)南海陸緣的張裂模式也進(jìn)行了探討。綜合973項(xiàng)目的成果, 李家彪等[18,27]研究了南海海底擴(kuò)張的演化模式。Dong等[26]利用南海南北共軛陸緣的綜合地球物理數(shù)據(jù), 分別在東部次海盆、西南次海盆東部和西部選取典型剖面, 揭示了南海不同陸緣在海底地貌、斷裂發(fā)育及深部構(gòu)造發(fā)育方面具有空間差異性, 在新生代經(jīng)歷了不同的演化過(guò)程, 由此提出一種差異伸展模式解釋其成因(圖2), 認(rèn)為拆離斷層在南海新生代演化過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。最近2年來(lái), 中國(guó)科學(xué)院和中海油公司對(duì)南海中南部盆地構(gòu)造開(kāi)展聯(lián)合調(diào)查, 采集了大量一手的高質(zhì)量綜合地球物理數(shù)據(jù), 大大豐富了南海陸緣構(gòu)造對(duì)比的基礎(chǔ)資料。

圖2 南海的差異性伸展模式圖, 據(jù)Dong等[26]修改

隨著綜合地球物理資料的不斷豐富, 早期研究較少的南海南部陸緣日益受到學(xué)者的關(guān)注[23,28-30]。通過(guò)研究南海南部陸緣的構(gòu)造變形特征, 在地殼深部識(shí)別了拆離斷層體系[29]; 破裂不整合與碰撞不整合的構(gòu)造分析結(jié)果顯示, 南沙地塊內(nèi)的破裂不整合面存在穿時(shí)現(xiàn)象[28]。利用橫跨南海西南次海盆的OBS數(shù)據(jù)獲得了沿測(cè)線的二維縱波速度結(jié)構(gòu), 發(fā)現(xiàn)南北陸緣的下地殼均未發(fā)育高速層, 說(shuō)明兩側(cè)陸緣地殼下部的巖漿底侵都不發(fā)育, 但兩者在結(jié)構(gòu)上還是存在較大差別, 可能反映了西南次海盆的南北陸緣是一對(duì)非火山型不對(duì)稱拉張的共軛大陸邊緣[23]。

國(guó)外學(xué)者也對(duì)南海陸緣構(gòu)造差異性這一科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展了研究。Franke等[25]認(rèn)為南海張裂陸緣最顯著的特征是殼幔邊界起伏不平。初始裂陷過(guò)程在地殼尺度上大體對(duì)稱, 在將來(lái)形成洋陸轉(zhuǎn)換帶的區(qū)域, 盆地邊界斷層的任意一側(cè)后來(lái)穿透整個(gè)地殼, 在這個(gè)位置形成不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。然而, 大尺度拆離斷裂控制的不對(duì)稱變形僅僅局限在一個(gè)狹窄的區(qū)域, 而沿陸緣方向的構(gòu)造差異造成了“上下板塊”陸緣的交替發(fā)育, 沒(méi)有在整個(gè)陸緣尺度發(fā)育單一的單剪模式。

總體來(lái)講, 目前對(duì)南海陸緣的構(gòu)造不對(duì)稱性研究尚不夠深入, 而且大多集中在利用重磁和速度資料研究地殼的深部結(jié)構(gòu)。事實(shí)上, 深部地殼結(jié)構(gòu)制約著淺部沉積地層結(jié)構(gòu)甚至海底地形, 利用多波束和多道地震數(shù)據(jù)開(kāi)展精細(xì)海底地形和沉積地層結(jié)構(gòu)研究有利于揭示地殼的深部信息, 而且有助于解釋不對(duì)稱性陸緣的形成模式。

3 數(shù)值模擬在南海陸緣演化中的應(yīng)用

數(shù)值模擬方法在研究不對(duì)稱共軛陸緣的形成機(jī)制方面具有很大的優(yōu)勢(shì), 在建立陸緣結(jié)構(gòu)的流變性模型基礎(chǔ)上, 修改參數(shù)和邊界條件求解動(dòng)力學(xué)方程, 力求模擬和觀測(cè)結(jié)果達(dá)到最大程度的擬合, 分階段模擬陸緣的演化過(guò)程, 從而分析控制陸緣形成的因素。國(guó)外學(xué)者在這方面做了很多基礎(chǔ)性的研究工作[5,9,16-17,31-32], 也證實(shí)了數(shù)值模擬手段在闡明陸緣成因機(jī)制方面的有效性。

在利用數(shù)值模擬方法開(kāi)展南海巖石圈的動(dòng)力學(xué)研究方面, 熱模擬發(fā)揮了重要作用。何麗娟采用黏彈性動(dòng)力學(xué)模型模擬研究了巖石圈流變性對(duì)拉張盆地構(gòu)造熱演化的影響[33]。模擬研究發(fā)現(xiàn), 初始巖石圈的力學(xué)厚度、泊松比以及軟流圈的負(fù)密度差都是影響盆地構(gòu)造熱演化歷史的因素; 拉張前斷層的存在也是影響盆地基底形態(tài)的重要因素。張健等[34,35]對(duì)南海的西南次海盆開(kāi)展了熱模擬的研究, 重點(diǎn)研究了海底擴(kuò)張期后的殼幔熱結(jié)構(gòu)與熱演化過(guò)程, 計(jì)算結(jié)果表明西南海盆中央殘余擴(kuò)張脊之下具備產(chǎn)生擴(kuò)張期后巖漿熔融的溫度條件, 在局部斷裂的拉張背景下可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng), 從而形成海山。

目前, 針對(duì)南海成因機(jī)制的數(shù)值模擬研究[34-36]總體處于研究初始階段, 尤其是針對(duì)不對(duì)稱陸緣形成的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)綜合成因方面, 幾乎沒(méi)有開(kāi)展過(guò)數(shù)值模擬工作, 因此也使得在南海成因方面至今仍存在很大爭(zhēng)議。此外, 與世界其他非火山型陸緣類似, 南海陸緣同樣發(fā)現(xiàn)脆性上地殼的拉張程度與地殼減薄程度之間存在差異[25,30], 如何解釋這一觀測(cè)結(jié)果也成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的問(wèn)題, 而數(shù)值模擬在這方面同樣具備優(yōu)勢(shì)。

綜上所述, 目前關(guān)于共軛被動(dòng)陸緣的不對(duì)稱性和數(shù)值模擬研究已成為國(guó)際研究熱點(diǎn), 近 2年來(lái)不斷有很好的研究工作得以發(fā)表。我國(guó)南海由于其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì), 勢(shì)必將成為共軛被動(dòng)陸緣構(gòu)造研究的熱點(diǎn)地區(qū)之一, 但目前有關(guān)南海共軛陸緣構(gòu)造不對(duì)稱性的研究才剛剛開(kāi)始, 還有大量的工作需要開(kāi)展。為解決一些南海陸緣張裂過(guò)程中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題, 如上下地殼的伸展差異性和陸緣形成的主控因素等, 急需在構(gòu)造不對(duì)稱研究的基礎(chǔ)之上開(kāi)展陸緣成因的數(shù)值模擬工作。

4 研究展望

基于目前的研究現(xiàn)狀, 很有必要從探討陸緣張裂模式的角度出發(fā), 利用多波束、重磁、多道地震和OBS數(shù)據(jù), 由淺及深綜合開(kāi)展南海共軛陸緣的不對(duì)稱性對(duì)比工作。研究?jī)?nèi)容包括結(jié)構(gòu)的差異和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的對(duì)比, 既考慮南北共軛的差異也應(yīng)兼顧東西向的變化; 在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討其動(dòng)力學(xué)成因,而數(shù)值模擬方法可以作為優(yōu)先選用的方法, 這對(duì)于揭示南海陸緣的成因及演化機(jī)制具有重要的科學(xué)意義。

為保證研究的廣度和可信度, 主要基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)選擇廣泛分布在南北陸緣的多道地震剖面, 長(zhǎng)度不少于 2 000 km; 為保證研究的精度和深度, 可重點(diǎn)解剖深水區(qū)的 4~6條典型剖面, 其中南北共軛陸緣各2~3條, 兼顧東西向的均勻布設(shè)。另外, 分布在南北陸緣的鉆井?dāng)?shù)據(jù)可以為地球物理解釋提供重要的參考, OBS數(shù)據(jù)可以為深部結(jié)構(gòu)研究提供約束。研究測(cè)線及鉆井等的位置分布如圖3所示, 具體包括以下4個(gè)方面。

圖3 研究測(cè)線及鉆井位置圖

4.1 淺部沉積盆地構(gòu)造

以鉆井?dāng)?shù)據(jù)為約束對(duì)地震測(cè)線進(jìn)行地球物理解釋, 查明不同時(shí)期沉積界面的特征及地質(zhì)結(jié)構(gòu); 利用多波束及區(qū)域重磁數(shù)據(jù), 分析海底構(gòu)造單元及斷裂展布。

4.2 深部地殼結(jié)構(gòu)研究

收集深部折射及OBS數(shù)據(jù), 分析地殼的速度結(jié)構(gòu)及莫霍面形態(tài); 對(duì)典型測(cè)線深度結(jié)構(gòu)開(kāi)展重磁震聯(lián)合反演, 揭示共軛陸緣地殼的南北及東西向構(gòu)造差異。

4.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)特征分析

選取典型地震剖面, 以巖石圈尺度的撓曲懸臂梁模型為基礎(chǔ)開(kāi)展陸緣張裂的正反演研究, 恢復(fù)其構(gòu)造發(fā)育史, 對(duì)比分析共軛陸緣的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征及差異。

4.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)結(jié)合的數(shù)值模擬

建立共軛陸緣巖石圈的流變學(xué)模型, 通過(guò)求解非牛頓粘性流方程, 模擬下地殼和巖石圈地幔對(duì)斷裂作用的響應(yīng)以及應(yīng)變軟化過(guò)程, 闡明陸緣形成的主控因素。

以上研究工作有望解決南海共軛陸緣演化方面的 2個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題: (1)如何在多種地球物理數(shù)據(jù)約束下精細(xì)刻畫(huà)南海共軛陸緣的構(gòu)造不對(duì)稱性, 包括淺部沉積層和深部地殼在結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的差異; (2)如何建立合理的流變學(xué)模型來(lái)模擬上地殼斷裂在巖石圈下部塑性層中誘發(fā)應(yīng)變軟化的過(guò)程, 從而揭示不對(duì)稱性陸緣的形成機(jī)制。

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