南極布蘭斯菲爾德海峽及鄰區(qū)地殼結(jié)構(gòu)反演及構(gòu)造解析*

馬 龍 邢 健

南極布蘭斯菲爾德海峽及鄰區(qū)地殼結(jié)構(gòu)反演及構(gòu)造解析*

馬 龍1, 2, 3邢 健4

(1. 自然資源部第一海洋研究所海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266061; 2. 自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510075; 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室, 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266237; 4. 國家海洋局東海海洋環(huán)境調(diào)查勘察中心 上海 200137)

南極布蘭斯菲爾德海峽及鄰區(qū)是南極半島海域火山、地震等新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最活躍的地區(qū), 由于前人對(duì)資料處理解釋的差異, 導(dǎo)致盆地的構(gòu)造格局仍部分存疑。本文以研究區(qū)的衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 以多道反射地震和部分巖性資料為約束, 采用重震聯(lián)合反演方法構(gòu)建了三條橫跨研究區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)剖面, 并進(jìn)一步研究布蘭斯菲爾德海峽盆地的地殼結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明布蘭斯菲爾德海峽盆地莫霍面深度為33—38km。菲尼克斯板塊俯沖消減下沉至南設(shè)得蘭島弧之下, 導(dǎo)致南設(shè)得蘭海溝的俯沖帶后撤, 產(chǎn)生3—4km厚的巖漿混染地殼, 密度為2.9g/cm3。分析認(rèn)為受板塊運(yùn)動(dòng)和弧后擴(kuò)張影響, 沿布蘭斯菲爾德海峽盆地?cái)U(kuò)張脊分布的海底火山裂隙式噴發(fā), 并進(jìn)一步導(dǎo)致盆地的持續(xù)性擴(kuò)張。

布蘭斯菲爾德海峽; 重震聯(lián)合反演; 地殼結(jié)構(gòu); 擴(kuò)張脊

布蘭斯菲爾德海峽盆地(Bransfield Basin)位于南極半島北部陸緣, 是海底火山、地震等新構(gòu)造活動(dòng)極為活躍的地區(qū)。查明該盆地的地殼結(jié)構(gòu)特征對(duì)于研究南極半島乃至整個(gè)南極的地質(zhì)構(gòu)造演化過程及自然資源分布具有重要意義。布蘭斯菲爾德海峽的形成及演化過程包括板塊俯沖、裂谷、海底擴(kuò)張等多種構(gòu)造過程, 使得布蘭斯菲爾德海峽及周邊區(qū)域成為南極半島邊緣海研究的天然實(shí)驗(yàn)室。

本文以研究區(qū)的衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 以多道反射地震和前人的巖性資料為約束, 通過重震聯(lián)合反演方法研究布蘭斯菲爾德海峽盆地地殼結(jié)構(gòu), 構(gòu)建了三條橫跨研究區(qū)的物性結(jié)構(gòu)剖面(圖1), 初步建立了研究區(qū)地殼結(jié)構(gòu)的總體框架, 進(jìn)而探討分析布蘭斯菲爾德海峽盆地地殼結(jié)構(gòu)的差異。

1 地質(zhì)背景

布蘭斯菲爾德海峽盆地?cái)U(kuò)張脊與兩側(cè)的兩條主斷裂帶(夏克爾頓斷裂帶/Shackleton Fracture Zone和英雄斷裂帶/Hero Fracture Zone)的相互作用(圖2), 導(dǎo)致中央盆地沿?cái)U(kuò)張脊水深加深、火山噴發(fā)和地殼減薄(Lawver, 1996; Barker, 2003), 最終影響盆地“南北分帶, 東西分塊”的構(gòu)造格局(陳邦彥等, 2016)。前人依據(jù)布格重力異常、地震剖面等資料, 發(fā)現(xiàn)在海峽盆地軸部下方存在異常上地幔, 認(rèn)為布蘭斯菲爾德海峽盆地為具有大洋地殼的邊緣盆地(Ashcroft, 1972; Emilia, 1972), 更多地震波速度及地殼結(jié)構(gòu)反演結(jié)果(Barker, 2003), 則表明盆地地殼結(jié)構(gòu)明顯減薄, 與南極半島和南設(shè)得蘭群島(South Shetland Islands)明顯不同, 屬于發(fā)生大陸殼拉張的弧后盆地(Eagle, 2009)。

圖1 布蘭斯菲爾德海峽地形及測線分布圖

注：編號(hào)TH88-02C、SA500-007、KSL9403、TH88-02A為多道地震剖面編號(hào)

前人對(duì)布蘭斯菲爾德海峽及鄰區(qū)所獲取的地球物理資料處理結(jié)果和認(rèn)識(shí)的差異, 也導(dǎo)致盆地的構(gòu)造格局仍部分存疑(王光宇等, 1996; Biryol, 2018)。Barker等(2003)和Christeson等(2003)基于NBP00-02、NBP00-07A航次在布蘭斯菲爾德海峽采集的8條海底地震儀剖面資料, 推測海峽中央盆地的殼幔邊界位于10–15km波速大于7.25km/s的邊界層(圖3a); Grad等(1997)和Janik等(2006)基于多條深地震剖面資料, 推測繪制了海峽莫霍面深度(圖3b), 認(rèn)為Barker和Christeson推測的殼幔邊界應(yīng)為高速體頂面, 實(shí)際莫霍面應(yīng)為更深的30—32km波速大于8km/s的界面。

圖2 研究區(qū)構(gòu)造背景圖(修改自Dziak et al, 2010)

圖3 部分反演的地殼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

注：a中黑點(diǎn)表示OBS站位點(diǎn)

另一方面前人基于已有的地球物理資料對(duì)布蘭斯菲爾德海峽局部地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解釋, 不同學(xué)者對(duì)熱點(diǎn)或地幔柱造成布蘭斯菲爾德海峽盆地南、北緣主斷裂帶水平擴(kuò)張分析結(jié)果的差異(Pearce, 2001; Yegorova, 2011), 導(dǎo)致對(duì)擴(kuò)張脊線性構(gòu)造軸的幾何學(xué)分段性得出了諸多不同觀點(diǎn), 有的研究者推測出兩條軸(Jin, 2002), 四條軸(Hervé, 2006), 甚至六條軸(Smalley, 2007), 且軸間地段發(fā)育轉(zhuǎn)換斷層互相隔開。

2 數(shù)據(jù)和方法

南極布蘭斯菲爾德海峽及鄰近海區(qū)歷來是各國地球物理調(diào)查的重點(diǎn)區(qū)域, 20世紀(jì)60年代以來, 各國科學(xué)家在該地區(qū)進(jìn)行了多次綜合地球物理調(diào)查, 獲得了大量的海洋地球物理資料。本文水深數(shù)據(jù)采用GEBCO 2015年3月發(fā)布更新的GEBCO_2014全球水深網(wǎng)格數(shù)據(jù), 該數(shù)據(jù)是基于08版本升級(jí)的模型, 空間分辨率為30弧秒。四條(表1)具有代表性的多道地震剖面SA500-077、TH88-02A、TH88-02C、KSL9403收集自南極地震數(shù)據(jù)資料系統(tǒng)(Antarctic Seismic Data Library System, SDLS, https://sdls.ogs.trieste.it/cache/index.jsp)。測線位置如圖1所示, 分別從SSE、NEE向跨越了布蘭斯菲爾德海峽西部、中央和東部三個(gè)盆地。

表1 多道地震剖面參數(shù)

Tab.1 Parameters of the multi-channel seismic profiling

隨著測高衛(wèi)星個(gè)數(shù)和觀測數(shù)據(jù)的逐步增多、衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn), 衛(wèi)星重力異常的精度已接近毫伽級(jí), 并且全球覆蓋度高。Sandwell等(2014)在最新發(fā)射的CryoSat-2和Jason-1測高衛(wèi)星基礎(chǔ)上構(gòu)建了全球的高精度、高分辨率海洋重力異常能夠完全覆蓋研究區(qū)域。本文基于該重力模型數(shù)據(jù)追蹤三條地震剖面的主要構(gòu)造和地層, 構(gòu)建包含先驗(yàn)信息約束的初始地質(zhì)斷面, 使用重力2.5維擬合方法(Cady, 1980)開展重震聯(lián)合反演工作, 進(jìn)一步揭示布蘭斯菲爾德海峽及鄰區(qū)殼幔內(nèi)的構(gòu)造信息和物質(zhì)分布情況。

3 布蘭斯菲爾德海峽及鄰區(qū)地殼結(jié)構(gòu)分析

布蘭斯菲爾德海峽的新洋殼伴隨海底火山作用持續(xù)生成, 由于海峽盆地整體的左旋走滑運(yùn)動(dòng), 導(dǎo)致中部和東部盆地分別處于海底擴(kuò)張初期和擴(kuò)張前弧后裂谷階段, 并表現(xiàn)為完全不同的地形地貌、火山活動(dòng)及沉積特征。目前對(duì)布蘭斯菲爾德海峽盆地巖石圈擴(kuò)張階段及動(dòng)力因素也沒有一致的看法, 多數(shù)人認(rèn)為: 南設(shè)得蘭島弧之下的菲尼克斯板塊(Phoenix plate)持續(xù)緩慢的俯沖消減, 引起地幔物質(zhì)上涌, 造成巖石圈拉張、減薄和破裂, 在南極半島北部形成一系列地塹、地壘, 沿盆地構(gòu)造擴(kuò)張脊的火山活動(dòng)不斷持續(xù), 并在周邊區(qū)域開始堆積沉積物, 逐步形成布蘭斯菲爾德海峽盆地如今的構(gòu)造格局(王光宇等, 1996; Dziak, 2010; Schreider, 2014, 2015; Biryol, 2018)。

與其他弧后盆地新生擴(kuò)張中心類似, 沿布蘭斯菲爾德海峽盆地?cái)U(kuò)張中心海底分布有大量的新鮮火山巖(Keller, 2002)。南極半島陸地和陸架上巖石露頭主要由南極半島基底深成巖和南極半島火山群火山巖組成(Leat, 1995)。其中火山巖依據(jù)屬性和組成不同可細(xì)分為兩組(密度分別為=2.7g/cm3和2.84—2.90g/cm3), 南極半島巖基主要由花崗閃長巖組成, 同時(shí)也包含少量花崗巖, 依據(jù)不同的巖石樣品物性資料(Yegorova, 2011), 建立重震聯(lián)合反演的密度參考模型(表2)。

表2 密度參數(shù)模型

Tab.2 Density parameter model

3.1 SA500-077線

測線SA500-077走向南南東, 橫跨南設(shè)得蘭群島, 途經(jīng)布蘭斯菲爾德海峽中央盆地三姊妹山(Three Sisters Uplift), 直抵南極半島陸坡(圖4)。該測線與另三條地震剖面走向近似垂直, 能夠揭示布蘭斯菲爾德海峽盆地弧后擴(kuò)張中心的斷面地殼結(jié)構(gòu)信息。

測線橫穿研究區(qū)弧后擴(kuò)張中心區(qū), 沿地震剖面追蹤地層, 獲得該測線地球物理綜合剖面。密度參數(shù)模型、斷面重力資料及補(bǔ)充的多道地震剖面為重震聯(lián)合反演提供依據(jù)。

圖4 SA500-077線地球物理綜合剖面

注：a中黑色實(shí)線代表地層, 虛線代表多次被, 紅色實(shí)線代表斷層, A1、A2表示出現(xiàn)重力異常場幅值變化的位置; c中數(shù)值為密度, 單位為g/cm3

通過追蹤異常場幅值變化, 發(fā)現(xiàn)在A1和A2位置, 空間重力異常值存在一個(gè)陡變的變化階段, 通過地震剖面識(shí)別在A1位置存在一個(gè)切割地層的正斷層, 使地層層位發(fā)生明顯變化; 在A2位置存在一個(gè)地壘和地塹構(gòu)造, 與中央海山(弧后擴(kuò)張中心)隆起對(duì)應(yīng)的則是空間重力場的陡升, 升幅為8×10-5m/s2左右, 這也表明海山的地幔物質(zhì)上涌改變了該區(qū)域的重力場特征。

重震聯(lián)合反演剖面圖顯示, 部分陸架區(qū)重力異常值位于零值附近, 表明基本達(dá)到了重力均衡狀態(tài)。在A1位置發(fā)現(xiàn)由于板塊下沉導(dǎo)致的俯沖后撤(Dziak, 2010; Yegorova, 2011), 產(chǎn)生3—4km厚的下地殼高速層, 反演過程中密度設(shè)置為2.9g/cm3。通過地震剖面可以發(fā)現(xiàn)在A2位置存在巖漿活動(dòng)(火山或者巖漿侵入體), 地層密度自下而上分別為3.0、2.8、2.45和2.1g/cm3, 莫霍面深度為33—36km。

3.2 TH88-02C線

測線TH88-02C走向北東東, 大致與南設(shè)得蘭群島平行, 起于布蘭斯菲爾德海峽西部盆地, 止于利文斯頓島沿岸陸坡?？臻g重力異常指示在B1、西部盆地兩端和B2等處發(fā)生明顯局部異常變化(圖5)。剖面西段處于內(nèi)陸架泥床盆地, 水深相對(duì)較淺, 沿該段剖面廣泛發(fā)育有斷層但作用深度較淺?？臻g重力異常和莫霍面界面深度隨斷裂帶陡然降低之后, 沿剖面緩慢升高。

圖5 TH88-02C線地球物理綜合剖面

注：a中B1、B2表示需要分析關(guān)注的重力場局部異常變化位置; c中數(shù)值為密度, 單位為g/cm3

空間重力異常在B1段發(fā)生鋸齒狀變化, 表明上覆地層物質(zhì)分布在該段有差異變化, 從地震剖面解譯發(fā)現(xiàn)該段基底不明顯, 沉積層與巖基之間存在過渡層, 與相鄰地段不同。測線途徑洛島和欺騙島附近高地, 空間重力異常出現(xiàn)高頻的鋸齒狀變化。伴隨兩端正斷層的構(gòu)造作用, 布蘭斯菲爾德海峽西部盆地兩側(cè)發(fā)生明顯的地層錯(cuò)斷, 海底地形發(fā)生明顯變化, 空間重力異常均產(chǎn)生一個(gè)接近40×10-5m/s2的梯度帶。欺騙島是南極洲的活火山之一, 持續(xù)進(jìn)行的火山巖漿活動(dòng), 導(dǎo)致該區(qū)域物質(zhì)分布不均衡。

在西部盆地中央有一處沉積基底異常隆起, 判別為新生巖漿噴發(fā)形成的巖漿侵入體。隨著擴(kuò)張的持續(xù)進(jìn)行, 地幔物質(zhì)上涌, 地殼均衡將被進(jìn)一步破壞, 空間重力異常也將發(fā)生差異變化。

剖面東段屬于布蘭斯菲爾德海峽中央盆地, 中間發(fā)育多條大的斷裂帶, 重力異常值和莫霍面深度在剖面末端均出現(xiàn)一個(gè)異常低頻高值抖動(dòng), 從地震剖面中發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的B2位置處出現(xiàn)多套累加沉積層?；诳臻g重力異常、密度模型及地震剖面等成果資料建立的重震聯(lián)合反演剖面, 能夠大體揭示斷面上覆地層的大范圍起伏及由構(gòu)造活動(dòng)引起的密度變化,自上而下形成密度分別為1.45、2.45、2.78、3.0和3.2g/cm3的多套地層結(jié)構(gòu), 莫霍面深度為34—38km。

3.3 KSL9403和TH88-02A線

為保證重力場特征研究的連貫性, 依據(jù)KSL9403和TH88-02A測線的布置情況和剖面質(zhì)量, 將兩條地震剖面線進(jìn)行拼接并完成聯(lián)合反演(圖6)。聯(lián)合剖面線起點(diǎn)接近TH88-02C線終點(diǎn), 終點(diǎn)位于布蘭斯菲爾德海峽東部盆地中央。

圖6 KSL9403和TH88-02A線地球物理綜合反演剖面

注：a中C1、C3、C4表示地塹, C2表示海底高地, C5表示斷裂帶; c中數(shù)值為密度, 單位為g/cm3

剖面位置與布蘭斯菲爾德海峽盆地弧后擴(kuò)張脊走向一致, 途經(jīng)三個(gè)地塹(C1、C3、C4), 一個(gè)海底高地C2和一個(gè)斷裂帶C5, 沿剖面發(fā)育多條斷層。在剖面前半段地震剖面線指示存在巖漿侵入體, 但重力資料變化不明顯, 表明該處的海底擴(kuò)張引發(fā)的巖漿活動(dòng)作用時(shí)間較短, 未造成地殼密度分布的明顯差異。受巖漿作用活動(dòng)影響, 與中央盆地下地殼密度2.9g/cm3不同, 東部盆地下地殼密度為2.95g/cm3。

剖面空間重力異常數(shù)據(jù)在構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的區(qū)域也呈現(xiàn)不規(guī)則的鋸齒狀變化。其中以C2位置(布里奇曼島高地)異常值差異變化最為明顯, 布蘭斯菲爾德海峽盆地也在該處被分為中央盆地和東部盆地, 該處沉積層明顯變薄, 異常值幅值變化劇烈, 幅度約30×10-5m/s2。

從重力資料數(shù)值變化可以得出, 剖面所處位置自布里奇曼島至終點(diǎn)位置, 上覆地層物質(zhì)變化劇烈。在胡克海嶺(Hook ridge)內(nèi), 海底地形起伏變化明顯, 形成兩個(gè)地塹C3和C4。地塹C4和斷裂帶C5之下辨識(shí)出多個(gè)巖漿侵入體, 這也進(jìn)一步導(dǎo)致異常值變化更加劇烈。

布蘭斯菲爾德海峽盆地為一新生代形成的裂谷盆地(Maurice, 2003), 總體呈NE走向, 按構(gòu)造走向以欺騙島和布里奇曼島為界, 分為西部盆地、中央盆地和東部盆地。三條重震聯(lián)合反演剖面均能揭示在布蘭斯菲爾德海峽中央盆地附近的火山活動(dòng)和部分底辟作用區(qū)是研究區(qū)最重要的構(gòu)造單元。板塊運(yùn)動(dòng)和弧后擴(kuò)張進(jìn)一步誘發(fā)巖漿活動(dòng), 造成沿盆地?cái)U(kuò)張脊分布的海底火山裂隙式噴發(fā), 并進(jìn)一步導(dǎo)致布蘭斯菲爾德海峽的擴(kuò)張。研究區(qū)內(nèi)的地殼由于受到拉張減薄的作用, 導(dǎo)致存在眾多海底斷裂帶及新海底火山區(qū), 并伴隨菲尼克斯板塊持續(xù)緩慢的俯沖消減及南設(shè)得蘭海溝俯沖帶的后撤(Barker, 1998; Maurice, 2003)。

4 結(jié)論

本文在對(duì)研究區(qū)衛(wèi)星空間重力異常及部分海底水深資料分析的基礎(chǔ)上, 結(jié)合已有的巖石樣品密度資料, 重點(diǎn)對(duì)SA500-077、TH88-02A、TH88-02C和KSL9403四條多道地震剖面進(jìn)行了解釋和重震聯(lián)合反演, 分析了布蘭斯菲爾德海峽盆地地殼結(jié)構(gòu)及莫霍面深度, 得出如下結(jié)論:

(1) 菲尼克斯板塊俯沖消減下沉至南設(shè)得蘭島弧之下, 導(dǎo)致南設(shè)得蘭海溝的俯沖帶后撤, 并產(chǎn)生3—4km厚的巖漿混染地殼, 密度設(shè)置為2.9g/cm3。通過重震聯(lián)合反演剖面可以發(fā)現(xiàn)在布蘭斯菲爾德海峽中央盆地多處存在巖漿活動(dòng)(火山或者巖漿侵入體), 地層密度自下而上分為3.0、2.8、2.45和2.1g/cm3, 莫霍面深度為33—36km。

(2) 布蘭斯菲爾德海峽西部盆地中央有一處沉積基底異常隆起, 判別為新生巖漿噴發(fā)形成的巖漿侵入體。隨著擴(kuò)張的持續(xù)進(jìn)行, 地幔物質(zhì)上涌, 中央盆地發(fā)育多條大的斷裂帶。斷面上覆地層的大范圍起伏及相應(yīng)的構(gòu)造活動(dòng)引起的地殼結(jié)構(gòu)和密度的不斷變化, 自上而下形成密度分別為1.45、2.45、2.78、3.0和3.2g/cm3的多套地層結(jié)構(gòu), 莫霍面深度為34—38km。

(3) 沿布蘭斯菲爾德海峽東部盆地海底發(fā)育多條斷層, 并判斷識(shí)別出多處巖漿侵入體, 但重力資料變化不明顯, 表明該處的海底擴(kuò)張引發(fā)的巖漿活動(dòng)作用時(shí)間較短, 未造成地殼密度分布的明顯差異。受巖漿作用活動(dòng)影響, 與中央盆地下地殼密度2.9g/cm3不同, 東部盆地下地殼密度為2.95g/cm3, 莫霍面深度為33—37km。

布蘭斯菲爾德海峽是處于從裂谷到擴(kuò)張演化階段的第四紀(jì)弧后盆地, 本文從四條分別橫跨、縱跨布蘭斯菲爾德海峽盆地的多道地震剖面著手, 從整體上分析研究區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)和莫霍面深度, 獲得布蘭斯菲爾德海峽盆地東、西地殼的結(jié)構(gòu)差異。

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STRUCTURE INVERSION AND ITS TECTONIC INTERPRETATION IN BRANSFIELD STRAIT AND THE ADJACENT AREA, ANTARCTIC

MA Long1, 2, 3, XING Jian4

(1. First Institute of Oceanography, MNR, Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environmental Geology,Qingdao266061,China; 2. Key Laboratory of Marine Mineral Resources, Ministry of Natural Resources, Guangzhou 510075, China; 3. Laboratory for Marine Geology, Pilot National Oceanography Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China; 4. East Sea Marine Environmental Investigating & Surveying Center, SOA,Shanghai200137, China)

The Bransfield Strait, Antarctic, and the adjacent areas are the most active neotectonics region of volcanoes and earthquakes. Due to the differences in interpretation of data by former researchers, the structural pattern of the basin is still partially questionable. Based on the satellite gravity data, multi-channel reflection seismic and parts of the lithology data, we used gravity modeling to establish three crustal structure profiles across the basin, and analyzed the crustal structure. Results show that the Moho depth of the Bransfield Basin is 33—38km. The Phoenix Plate submerged and sank below the South Shetland Islands, causing the South Shetland trench subduction zone to retreat, producing a 3—4 km thick magma-contaminated crust in density of 2.9 g/cm3. The analysis suggests that under the influence of plate movement and back-arc spreading, the submarine volcanic fissure eruption along the spreading ridge of the Bransfield Basin leads to a further continued spreading of the basin.

Bransfield Strait; gravity modeling; crustal structure; spreading ridge

* 自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金, KLMMR-2018-B-01號(hào); 國家基金委-山東省聯(lián)合基金項(xiàng)目, U1606401號(hào); 泰山學(xué)者攀登計(jì)劃, TSPD20161007號(hào)。馬 龍, 研究實(shí)習(xí)員, E-mail: malong@fio.org.cn

2019-10-20,

2019-12-19

P738

10.11693/hyhz20191000192