南海南沙海槽深部熱狀態(tài)及其構(gòu)造意義

任自強(qiáng), 施小斌, 王曉芳, 趙鵬, 諶永強(qiáng)

1. 中國(guó)科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南海海洋研究所, 南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院, 廣東 廣州 510301;

2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州) , 廣東 廣州 511458;

3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

南海南部大陸邊緣不僅發(fā)育有眾多的含油氣盆地, 而且在南海構(gòu)造演化中扮演著重要角色。特別是南沙海槽區(qū)域, 古南海在此處向婆羅洲之下俯沖消減, 東南向的俯沖拖曳及中新世海溝兩側(cè)地塊的碰撞對(duì)南海陸緣裂陷和南海形成演化具有重要作用(Taylor et al, 1980), 因而該區(qū)域的構(gòu)造變形史記錄著南海前世今生構(gòu)造演化的重要信息。地質(zhì)體變形和巖石圈流變性質(zhì)與其熱狀態(tài)密切相關(guān)(馬輝 等,2011; 張健 等, 2017), 因而南沙海槽熱狀態(tài)研究不僅有助于評(píng)估沉積盆地的油氣資源潛力, 而且可為深入研究南沙海槽區(qū)域的流變學(xué)強(qiáng)度與變形機(jī)制提供地?zé)釋W(xué)基礎(chǔ)。

大地?zé)崃魇怯靡匝芯繀^(qū)域深部熱狀態(tài)和評(píng)價(jià)油氣資源潛力的重要參數(shù)。南海南部大陸邊緣熱流分布的一個(gè)典型特征是以NW向西巴蘭線為界, 東側(cè)的地溫梯度和大地?zé)崃髅黠@低于西側(cè)(圖1)(Hall,2002; Shi et al, 2003; Cullen, 2010; Hutchison, 2010)。西巴蘭線以西的曾母盆地?zé)崃髌骄蹈哌_(dá)102mW·m-2, 地溫梯度介于36～55mW·m-2(Madon,1999; Shi et al, 2003); 而西巴蘭線以東的文萊-沙巴盆地和南沙海槽底部熱流平均值僅約60mW·m-2(圖1), 其中文萊-沙巴盆地鉆井地溫梯度一般低于36mW·m-2(Shi et al, 2003)。南沙海槽為一北東向槽型深水區(qū), 槽內(nèi)地形平坦, 水深介于2.8～2.9km之間,海槽東南側(cè)為自婆羅洲向北持續(xù)推覆的文萊-沙巴盆地深水沖斷帶(圖1、2)(Ingram et al, 2004; 唐武等, 2018a, b)。海底表層熱流觀測(cè)容易受到淺層地質(zhì)過(guò)程如沉積物快速堆積作用、流體活動(dòng)等因素影響,海槽東南側(cè)沖斷帶內(nèi)地形復(fù)雜、流體活動(dòng)頻繁, 熱流測(cè)量值受到多種因素的影響(Zielinski et al, 2007;Morley et al, 2014), 而海槽底部深水區(qū)熱流測(cè)量結(jié)果主要受源自東南側(cè)的沉積物快速堆積的影響。因此, 為獲取南沙海槽的深部熱狀態(tài)信息, 其觀測(cè)熱流數(shù)據(jù)還需進(jìn)行淺層影響因素分析。

圖1 南沙海槽位置及熱流值該圖基于中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局編制出版的南海暈渲地形圖制作, 審圖號(hào)為JS(2015)02-107, 底圖無(wú)修改。圖中洋紅色曲線為3000m等深線, 黃色曲線為南沙海槽區(qū)域2000m等深線, 黑色方框?yàn)閳D4a位置, 白色陰影區(qū)為文萊滑坡[據(jù)Gee等(2007)], 黑色直線為圖2和圖3的剖面位置, 紅色細(xì)線為文萊沙巴盆地深水沖斷帶[引自唐武等(2018b)], 紅色粗虛線為區(qū)域斷裂及推測(cè)的古俯沖位置[據(jù)Cullen (2014)]。圖中圓點(diǎn)為熱流,熱流數(shù)據(jù)來(lái)源于Shi等(2003)和徐行等(2018b), 黑色點(diǎn)為禮樂(lè)灘礁體區(qū)鉆井, 空心圓為陳愛(ài)華等(2017)測(cè)得的熱流站位Fig.1 Location of the Nansha Trough, showing observed heat flow sites

除熱流測(cè)量外, 可以利用巖石圈磁性層的分布研究南沙海槽區(qū)的深部熱狀態(tài)。巖石圈中磁性礦物的溫度隨深度增加而升高, 當(dāng)溫度超過(guò)550～580℃時(shí), 巖石將失去磁化能力(Bhattacharyya et al, 1975)。因此, 可以通過(guò)獲取磁性層的底界面即居里面深度,以反映南沙海槽區(qū)域的深部熱狀態(tài)信息。考慮到南沙海槽底部深水區(qū)的熱流測(cè)量結(jié)果主要受沉積物快速堆積的影響, 影響因素較為單一, 為了獲取南沙海槽區(qū)可靠的熱狀態(tài)信息, 本文選取該區(qū)觀測(cè)熱流值, 利用一維數(shù)值模擬軟件SlugSed(Hutnak et al, 2007)分析沉積物快速堆積對(duì)海槽底部深水區(qū)海底熱流的影響, 獲取反映海槽深部熱狀態(tài)的熱流值; 并通過(guò)分析研究區(qū)磁異常數(shù)據(jù), 獲取南沙海槽及其附近區(qū)域的居里面深度; 利用表層熱流和磁居里面的共同約束, 明確南沙海槽的深部熱狀態(tài), 進(jìn)而探討其構(gòu)造意義。

1 地質(zhì)概況

一般認(rèn)為, 古近紀(jì)期間, 南沙地塊位于古南海北側(cè)的被動(dòng)大陸邊緣。隨著古南海向婆羅洲之下俯沖消減, 南沙地塊與南?，F(xiàn)今北部陸緣一起發(fā)生裂陷作用, 并在南海海盆擴(kuò)張過(guò)程中逐漸向南漂移(Taylor et al, 1980; Briais et al, 1993; 李家彪 等,2012)。早中新世末, 南沙地塊與婆羅洲發(fā)生碰撞作用, 俯沖帶南側(cè)的早期俯沖帶增生楔等混雜巖呈北西向仰沖于南沙地塊的減薄型陸殼之上(圖2、3)。中新世以后, 受到婆羅洲南側(cè)印澳板塊的北向俯沖影響,婆羅洲北部經(jīng)歷了多期隆升和剝蝕, 沉積物被運(yùn)移至沙巴陸緣, 并不斷向北推覆在南沙地塊之上(Morley,2007, 2009)。受逆沖推覆體和沉積物的負(fù)載作用, 南沙地塊南端基底發(fā)生快速撓曲下沉(Hall, 2011), 其上發(fā)育了文萊-沙巴盆地和南沙海槽盆地(圖1)。

南沙海槽位于南沙地塊南部, 西南向以西巴蘭斷裂與曾母盆地相隔, 向東北一直延伸到巴拉巴克斷裂, 海槽北側(cè)為南沙島礁區(qū)(包括永暑礁、鄭和群礁、禮樂(lè)灘和安渡灘等), 南側(cè)為自婆羅洲向北持續(xù)推覆的文萊-沙巴盆地深水沖斷帶(圖1、3)(Bell Hamilton, 1979; Hinz et al, 1989; Franke et al, 2008)。沖斷帶內(nèi)逆沖斷層上盤形成斷層傳播褶皺, 并突出海底形成背斜脊, 所有逆沖斷層向下延伸至同一個(gè)滑脫面。沖斷帶前緣(靠近海槽的一側(cè))高角度的逆沖斷層一直錯(cuò)斷至海底(圖 3)(Clift et al, 2008;Franke et al, 2008), 說(shuō)明沖斷帶至今仍在活動(dòng)。三維地震數(shù)據(jù)顯示, 南沙海槽南端存在可能由背斜頂部崩塌造成的巨型海底滑坡, 稱為文萊滑坡(Gee et al,2007)。該滑坡由婆羅洲陸架前緣延伸至南沙海槽底部(圖1、4), 面積超過(guò)6300km2(任金鋒 等, 2020),在南沙海槽底部形成約100m厚的沉積(圖4b)。根據(jù)滑坡上覆沉積層厚度及沉積速率(約6～20cm·ka-1)可估算該滑坡的年齡為 2000～7000a(Gee et al,2007)。同時(shí), 文萊滑坡體之下存在多處透鏡狀反射體, 說(shuō)明可能發(fā)生過(guò)多期滑坡(圖4b)。受沉積物不均勻壓實(shí)的影響, 海槽內(nèi)局部存在泥火山(Morley et al, 2014)。

圖3 南沙海槽深水沖斷帶地震剖面[修改自Franke等(2008)]圖中黑色線為逆沖斷層, 紫色線為沖斷帶的主滑脫面, 各地層界面年齡據(jù)Franke等(2008)。剖面位置見(jiàn)圖1Fig.3 Seismic profile showing the deep-water thrust zone in the Nansha Trough

圖4 文萊滑坡區(qū)熱流點(diǎn)分布(a)及南沙海槽深水區(qū)滑坡體分布(b)[修改自Gee等(2007)]圖a為文萊滑坡區(qū)地形, 位置如圖1中方框所示; 圖中熱流點(diǎn)據(jù)Zielinski等(2007), 紅色點(diǎn)為高熱流值點(diǎn)(大于99mW·m-2), 藍(lán)色點(diǎn)為低熱流值點(diǎn)(小于40mW·m-2), 綠色點(diǎn)為C182站位, 熱流值為27mW·m-2 (Sclater et al, 1976); 黑色長(zhǎng)條陰影區(qū)為逆沖斷層在海底形成的構(gòu)造脊, 黑色箭頭為滑坡滑塌的方向, 黑色曲線為等深線(單位: km), 短虛線為地震識(shí)別的滑坡范圍; 長(zhǎng)虛線為高熱流區(qū)和低熱流區(qū)的分界, 其中南側(cè)高熱流區(qū)平均值為84mW·m-2, 北側(cè)低熱流區(qū)平均值為59mW·m-2 (Zielinski et al,2007)。圖b為南沙海槽底部穿過(guò)文萊滑坡體的剖面[引自Gee等(2007)], 剖面位置如圖a所示Fig.4 (a) Heat flow stations in the Brunei Landslide and(b) landslide units in the deep-water area of the Nansha Trough

現(xiàn)今南沙地塊整體具有減薄的地殼, 其中北部南沙群島區(qū)域島礁林立、地形復(fù)雜, 地殼厚度在10～25km之間(圖2), 南部的南沙海槽內(nèi)水深大于2000m, 地形相對(duì)平坦(圖1)。穿越南沙海槽的折射地震剖面顯示, 地殼厚度自南沙群島區(qū)域向南沙海槽減薄至8～9km(Franke et al, 2008), 南沙海槽基底為強(qiáng)烈減薄的陸殼(Vijayan et al, 2013)。高分辨率地震剖面顯示, 海槽內(nèi)存在高于海底超過(guò)1000m的海山, 其上有明顯的碳酸鹽巖發(fā)育特征, 說(shuō)明海槽區(qū)域存在快速沉降(Hutchison, 2010)。

圖2 南沙地塊地殼結(jié)構(gòu)圖a地殼結(jié)構(gòu)據(jù)丘學(xué)林等(2011), 圖b地殼結(jié)構(gòu)據(jù)Franke等(2008); 圖中紅色曲線為居里面深度; 剖面位置見(jiàn)圖1Fig.2 Crustal structure profiles in the Nansha Block

2 熱流分布

南沙群島北側(cè)為南海海盆, 西側(cè)為具有高熱流值的曾母盆地(圖1)。南沙群島北部熱流平均值約為79mW·m-2(徐行 等, 2018b), 位于永暑礁南側(cè)的ODP1143鉆井熱流值高達(dá)84mW·m-2(Shi et al,2003)。對(duì)南沙海域東部的禮樂(lè)灘礁體區(qū)的鉆井測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)分析顯示, 該區(qū)基底熱流介于65～75mW·m-2之間(王麗芳 等, 2020; 任自強(qiáng) 等, 2021)。位于南沙海域西部的北康盆地及其鄰近海域, 熱流值介于43～115mW·m-2之間, 平均值約77mW·m-2(陳愛(ài)華等, 2017)。

根據(jù)折射地震解釋剖面(圖2), 南沙海槽基底為南沙地塊東南向延伸的強(qiáng)烈減薄的陸殼。現(xiàn)有熱流測(cè)量結(jié)果顯示海槽區(qū)域熱流值變化很大。Sclater等(1976)曾在該區(qū)域獲得6個(gè)站位的海底熱流數(shù)據(jù)(表1), 其中兩個(gè)站位(C182和C183)位于海槽兩側(cè), 熱流值僅為27mW·m-2和14mW·m-2, 其余4個(gè)站位(A176～A179)位于海槽底部, 平均值為61mW·m-2。然而, 其在熱流計(jì)算過(guò)程中所用的沉積物熱導(dǎo)率僅為0.70μW·m-3左右(表1), 明顯小于南海其他區(qū)域的熱導(dǎo)率實(shí)測(cè)值(Xu et al, 2016; 徐行 等, 2018a,b)。如以南海西南次海盆及南沙島礁區(qū)海底沉積物的熱導(dǎo)率平均值0.85μW·m-3(徐行 等, 2018b)進(jìn)行計(jì)算, 則海槽底部熱流在68～78mW·m-2之間, 平均約74mW·m-2, 與北部南沙群島區(qū)域的熱流測(cè)量結(jié)果相當(dāng)(表1)。

表1 南沙海槽區(qū)域海底熱流值Tab. 1 Heat flow in the Nansha Trough

南沙海槽南端文萊滑坡區(qū)域海底探針熱流測(cè)量結(jié)果顯示(圖4a), 海槽東南側(cè)沖斷帶內(nèi)的熱流值平均約為84mW·m-2, 而靠近南沙海槽的深水區(qū)海底熱流平均值明顯較低, 僅為59mW·m-2(Zielinski et al, 2007)。海槽底部滑坡區(qū)熱流測(cè)量值明顯低于滑坡區(qū)以外熱流值, 與其強(qiáng)烈減薄的陸殼特征并不一致,很可能是受到了淺層地質(zhì)過(guò)程的擾動(dòng)。

3 研究方法與參數(shù)

3.1 沉積物熱披覆效應(yīng)影響分析

南沙海槽及其鄰近區(qū)域的熱流站位多集中于南側(cè)的文萊-沙巴盆地, 海槽底部深水區(qū)熱流站位很少(圖1)。文萊-沙巴盆地早期為逆沖推覆堆積,近期發(fā)育重力滑脫體、滑坡體, 區(qū)內(nèi)地質(zhì)活動(dòng)復(fù)雜,存在較多影響熱流測(cè)量的因素, 而南沙海槽底部熱流測(cè)量值的影響因素主要為滑坡沉積物的快速堆積作用。因此本文選取南沙海槽底部文萊滑坡范圍內(nèi)的熱流站位(圖4a), 利用SlugSed程序(Hutnak et al, 2007)對(duì)滑坡沉積物快速堆積的熱披覆效應(yīng)進(jìn)行分析, 以獲取能夠反映深部熱背景的海槽區(qū)熱流值。

SlugSed方法(Hutnak et al, 2007)采用變換有限差分網(wǎng)格計(jì)算沉積作用及流體活動(dòng)對(duì)地溫場(chǎng)的影響?？紤]到本文主要研究沉積物堆積過(guò)程對(duì)表層熱流影響, 因此忽略流體傳熱及沉積物生熱率的影響,因而熱傳遞方程可簡(jiǎn)化為:

式中: 下標(biāo)w和s分別代表孔隙水和沉積物骨架,?為沉積物孔隙度。深度上相鄰兩節(jié)點(diǎn)z1和z2間的速度v由公式(4)和(5)計(jì)算獲得:

沉積物的熱導(dǎo)率λ依據(jù)沉積物骨架熱導(dǎo)率及孔隙水熱導(dǎo)率按下式計(jì)算:

式中:λw和λs分別為孔隙水和沉積物骨架的熱導(dǎo)率。假設(shè)沉積物孔隙度僅隨深度減小, 并且忽略孔隙水及泥沙骨架的可壓縮性時(shí), 孔隙度的計(jì)算方程為:

式中:0?為海底表層沉積物的孔隙度,c為壓實(shí)系數(shù)。

計(jì)算模型分為兩層, 上層為不斷增厚的沉積層,下層為沉積基底(圖5a)。頂邊界為定溫度邊界, 溫度取3℃, 底部為定熱流邊界Q0。計(jì)算過(guò)程中以模型頂部(海底表層)熱流Qb與底邊界熱流Q0的比值Qb/Q0計(jì)量沉積物熱披覆作用對(duì)海底熱流的影響程度。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn), 相同熱物理性質(zhì)及沉積速率下, 底邊界熱流Q0的取值對(duì)Qb/Q0無(wú)影響(圖5b)。為方便計(jì)算, 本研究的底邊界熱流Q0取100mW·m-2。

圖5 沉積物熱披覆效應(yīng)計(jì)算模型示意圖(a)[修改自Hutnak等(2007)]和模型頂、底熱流比值隨底邊界熱流值的變化(b)圖a中加號(hào)和向下箭頭表示沉積層向下增厚。圖b中不同直線表示為圖a中模型在不同沉積速率下持續(xù)沉積100a, 之后沉積作用結(jié)束7000a后頂、底邊界熱流比值隨底邊界熱流值的變化Fig.5 (a) Schematic diagram of sediment thermal blanketing model, and (b) ratio of heat flow at the top and bottom of the model versus the bottom boundary conditions

SlugSed方法(Hutnak et al, 2007)可以依據(jù)不同基底的熱物理性質(zhì)條件, 計(jì)算沉積物熱披覆效應(yīng)對(duì)海底熱流的影響?？紤]到基底熱導(dǎo)率對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小, 一般介于2%～4%(Hutnak et al, 2007), 故本文忽略模型基底熱導(dǎo)率變化的影響, 其熱導(dǎo)率取值2.0W·m-1·K-1。根據(jù)地震剖面顯示(圖4b), 海槽南端的文萊滑坡在海槽底部形成了約100m厚的沉積層,由于滑坡體滑塌的時(shí)間普遍較短, 本文把滑坡體滑塌過(guò)程中沉積物在海槽底部的堆積速率近似為恒定常數(shù)。如果該100m厚的沉積物分別在1a、10a和100a時(shí)間段內(nèi)堆積完成, 那么對(duì)應(yīng)的平均堆積速率分別為100m·a-1、10m·a-1及1m·a-1。相對(duì)于滑坡沉積物的快速堆積, 滑坡滑塌結(jié)束后的正常沉積速率很小, 約為6～20cm·ka-1(Gee et al, 2007), 經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)其對(duì)滑塌結(jié)束后海底熱流恢復(fù)的影響小于1 %,因而計(jì)算過(guò)程中忽略滑坡滑塌結(jié)束后的正常沉積過(guò)程。模型假定滑坡體沉積物主要為砂質(zhì)沉積物(Ingram et al, 2004), 模型參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 滑坡體熱披覆效應(yīng)影響分析模型的參數(shù)與取值Tab. 2 Parameters and values used in the landslide thermal blanketing model

3.2 居里面深度計(jì)算

巖石圈中磁性礦物因溫度升高而失去磁性的深度界面被稱為居里面, 通常認(rèn)為磁性地層的底界面為居里溫度界面。因此, 如果能獲得磁性層的底界,則可以對(duì)研究區(qū)深部熱狀態(tài)進(jìn)行約束。居里面深度可利用區(qū)域磁異常的頻譜分析獲得, 本文采用Salem等(2014)提出的“去分形法”計(jì)算南沙海槽及其鄰近區(qū)域的居里面深度。

依據(jù)Salem等(2014)的去分形方法, 當(dāng)磁性層磁化強(qiáng)度在x和y方向上具有分形特征, 而在豎直方向上表現(xiàn)為完全隨機(jī)分布時(shí), 其磁異常強(qiáng)度功率譜ΦF(kx,ky)可以表示為:

式中:α為該磁性層平面上的分形指數(shù),Φ(kx,ky)為磁化強(qiáng)度完全隨機(jī)分布時(shí)的磁異常強(qiáng)度功率譜, 其計(jì)算公式為:

式中:A是與磁化方向和地磁場(chǎng)方向有關(guān)的常數(shù),ΦM(kx,ky)為磁化強(qiáng)度M(x,y)的功率譜,zt與zb分別為磁性層的頂、底界深度,kx和ky分別是x和y方向上的波數(shù), 并且有:

當(dāng)磁化強(qiáng)度完全隨機(jī)分布時(shí),ΦM(kx,ky)為常數(shù)(Tanaka et al, 1999), 這時(shí)磁異常強(qiáng)度的徑向平均功率譜為:

式中: A′為常數(shù)。在中、高波數(shù)域, 即當(dāng)波長(zhǎng)小于兩倍磁性層厚度時(shí), 公式(11)可近似變?yōu)?

式中: B為常數(shù)。

對(duì)公式(13)兩邊取對(duì)數(shù)可得:

采用去分形法計(jì)算時(shí), 通過(guò)不斷調(diào)整分形指數(shù)α, 當(dāng)實(shí)測(cè)功率譜和理論功率譜一致時(shí), 即可獲得磁性層底界深度。具體步驟為: 首先假設(shè)一個(gè)較小的分形指數(shù)α(Salem et al, 2014), 根據(jù)式(8)計(jì)算實(shí)測(cè)磁異常的去分形功率譜Φ; 在給定波數(shù)域內(nèi)利用公式(15)計(jì)算得到磁性層底界深度zb, 并計(jì)算出理論功率譜ΦMod; 對(duì)比實(shí)測(cè)功率譜Φ和理論功率譜ΦMod, 當(dāng)Φ與ΦMod一致時(shí)所得到的zb即為磁性層的底界深度, 如果兩者一致性達(dá)不到目標(biāo)值, 則按步長(zhǎng)修正分形指數(shù)α; 重復(fù)前述過(guò)程, 直至觀測(cè)和理論功率譜的一致性達(dá)到目標(biāo)值。

居里面計(jì)算所采用的磁異常數(shù)據(jù)為最新全球磁異常數(shù)據(jù)EMAG2v3(Meyer et al, 2017), 分辨率為2'(圖6a)。為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性, 計(jì)算窗口避開了區(qū)內(nèi)無(wú)磁異常數(shù)據(jù)的區(qū)域。同時(shí)為滿足窗口尺寸至少大于居里面深度6～10倍的計(jì)算要求(Ravat et al,2007; Salem et al, 2014), 本次計(jì)算窗口大小定為256km×256km, 以保證獲取足夠深的磁性層底界,且相鄰兩個(gè)窗口之間有50%的重疊, 即窗口在x和y方向的移動(dòng)步長(zhǎng)均為128km(圖6a)。

圖6 南沙及其鄰近區(qū)域的磁異常分布(a)和計(jì)算獲得的居里面深度分布(b)該圖基于中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局編制出版的南海暈渲地形圖制作, 審圖號(hào)為JS(2015)02-107, 底圖無(wú)修改。圖a中磁異常數(shù)據(jù)來(lái)源于Meyer等(2017); 圖b中洋紅色曲線為3000m等深線, 藍(lán)色虛線為南沙海槽區(qū)2000m等深線, 紅色實(shí)線為區(qū)域斷裂, 黑色直線為圖2的剖面位置Fig.6 (a) Map of total field magnetic anomalies, and (b) Curies depth in Nansha and its adjacent area

4 結(jié)果與討論

4.1 滑坡沉積物堆積對(duì)海底熱流的影響

圖7為3種堆積速率下, 南沙海槽深水區(qū)文萊滑坡沉積物對(duì)海底熱流的影響程度及其隨時(shí)間的變化曲線。根據(jù)該圖顯示, 在滑坡體發(fā)育時(shí), 由于沉積物堆積速率很大, 新堆積的沉積物不能被及時(shí)加熱,海底熱流在沉積物堆積過(guò)程中明顯降低; 滑塌結(jié)束后, 模型假定沒(méi)有新的沉積, 滑塌沉積物被緩慢加熱, 海底熱流逐漸恢復(fù)。如圖7a所示, 不同堆積速率對(duì)海底熱流降低過(guò)程有較大的影響。當(dāng)堆積速率較大時(shí), 如100m·a-1和10m·a-1時(shí)(相當(dāng)于滑坡發(fā)育持續(xù)1a和10a), 由于沉積物快速堆積, 海底熱流迅速降低; 而當(dāng)堆積速率較小時(shí), 如1m·a-1時(shí)(相當(dāng)于滑坡發(fā)育持續(xù)100a), 海底熱流先快速降低然后再緩慢降低, 滑塌結(jié)束時(shí)海底熱流降至最低。由于不同堆積速率下沉積物被加熱的時(shí)間不同, 因而滑塌結(jié)束后海底熱流的恢復(fù)過(guò)程亦存在差別, 然而這種差別僅存在于滑坡形成后的幾百年內(nèi)。如圖7a所示,在滑塌開始后600a內(nèi), 海底熱流的恢復(fù)曲線有明顯的差別, 約600a后不同堆積速率對(duì)海底熱流的影響程度近于相同。

總體上, 在深部熱狀態(tài)一定并且海底熱流僅受文萊滑坡沉積物快速堆積的熱披覆作用影響時(shí), 不論滑塌時(shí)間持續(xù)多長(zhǎng), 南沙海槽深水區(qū)海底熱流均會(huì)在沉積物快速堆積過(guò)程中降低, 在約1200a后恢復(fù)至深部熱流的50%, 而要恢復(fù)至90%則至少需要40ka。Gee等(2007)根據(jù)文萊滑坡上覆沉積層的厚度估算其年齡為2000～7000a, 由圖7b可推測(cè), 現(xiàn)今海槽底部深水區(qū)文萊滑坡體上的海底熱流僅恢復(fù)至深部熱流的60%～77%, 說(shuō)明該滑坡體形成過(guò)程中的沉積物快速堆積對(duì)現(xiàn)今南沙海槽底部深水區(qū)海底熱流仍具有較大的影響。

圖7 沉積物堆積速率對(duì)海底熱流的影響圖a為滑坡開始形成后1000a內(nèi)海底熱流恢復(fù)程度隨時(shí)間的變化, 不同曲線分別代表不同的沉積物堆積速率。圖b和圖c分別為滑坡開始形成后100ka和10ka內(nèi)海底熱流恢復(fù)程度隨時(shí)間的變化, 圖b中灰色區(qū)域?yàn)閳Dc的時(shí)間跨度, 圖c中灰色區(qū)域?yàn)楣浪愕奈娜R滑坡的年齡范圍Fig.7 Effects of different accumulation rates on heat flow

4.2 南沙地塊居里面深度變化

圖6b為計(jì)算得到的南沙及其鄰近區(qū)域的居里面深度分布圖。圖中顯示, 南沙及其鄰近區(qū)域的居里面埋深介于12～24km之間, 其中南沙群島的居里面較深, 南沙海槽以及西巴蘭線的居里面相對(duì)較淺。

南沙群島海區(qū)的居里面深度在18～24km之間(圖2), 其中鄭和群礁及禮樂(lè)灘等地殼較厚的區(qū)域,其居里面深度最大(大于22km), 位于永暑礁南側(cè)ODP1143井之下的居里面埋深約20km(圖6b)。據(jù)ODP Leg 184航次報(bào)告顯示, 1143鉆井水深2772m,沉積物厚度約1250m(Wang et al, 2000), 地震剖面揭示該區(qū)域莫霍面埋深約18km, 上、下地殼厚度分別約7km和7.5km(圖2)。一維熱傳導(dǎo)方程計(jì)算結(jié)果顯示, 當(dāng)頂部溫度為3℃, 底部熱流為66mW·m-2, 各層巖石的熱物性依據(jù)表3取值時(shí), 可擬合鉆井實(shí)測(cè)熱流值為84mW·m-2, 此時(shí)580℃(居里溫度)的溫度界面埋深約20km(圖8a), 與居里面計(jì)算結(jié)果相當(dāng),說(shuō)明本次計(jì)算得到的居里面深度與該區(qū)溫度結(jié)構(gòu)具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表3 一維地溫場(chǎng)計(jì)算參數(shù)值Tab. 3 Parameter values used for 1D temperature calculation

由南沙群島至南沙海槽區(qū)域, 居里面抬升至莫霍面以上, 埋深小于16km, 與地殼的減薄趨勢(shì)相當(dāng)(圖2)。根據(jù)地震剖面顯示, 南沙海槽內(nèi)沉積層較厚,約為5.5km, 上、下地殼厚度分別為4.7km和8.2km(圖2)。在一維熱傳導(dǎo)條件下, 當(dāng)海底溫度取3℃, 底部邊界熱流取71mW·m-2時(shí), 580℃等值線埋深約為 16km(圖 8b), 此時(shí)頂邊界熱流約為90mW·m-2, 說(shuō)明南沙海槽穩(wěn)態(tài)熱狀態(tài)下應(yīng)具有較高的熱流值, 但受沉積物快速堆積的熱披覆作用影響, 海槽底部滑坡范圍內(nèi)的熱流測(cè)量值相對(duì)較低。

西巴蘭線位于南沙海域的西南緣, 可能是一條切穿地殼的NW向走滑斷裂帶(熊莉娟 等, 2012; 趙斐宇 等, 2017), 沿?cái)嗔褞Ь永锩嫔疃仍?6km以淺。該斷裂帶是古南海向南俯沖的西側(cè)界限, 斷裂兩側(cè)地殼流變性質(zhì)不同(Cullen, 2014)。沿?cái)嗔褞崃鬏^高(圖1), 與該線較淺的居里面深度相符。

4.3 南沙海槽深部熱狀態(tài)

上述計(jì)算結(jié)果表明, 南沙海槽底部深水區(qū)文萊滑坡范圍內(nèi)較低的熱流值明顯受到了滑坡沉積物快速堆積熱披覆作用的影響。如以區(qū)內(nèi)熱流觀測(cè)平均值計(jì)算(圖4a), 該區(qū)深部熱流介于77～98mW·m-2之間, 表現(xiàn)為較高的熱背景。如圖4b所示, 除文萊滑坡以外, 海槽內(nèi)還發(fā)育有多期的古滑坡, 這些更早期的古滑坡活動(dòng)對(duì)現(xiàn)今海底熱流可能也有一定的熱披覆效應(yīng), 說(shuō)明海槽底部深水區(qū)可能具有更高的深部背景熱流。依據(jù)南沙海槽區(qū)較淺的居里面埋深,當(dāng)沒(méi)有沉積物堆積的熱披覆效應(yīng)影響時(shí), 海槽區(qū)的海底熱流值可能達(dá)到90mW·m-2左右(圖8b), 與文萊滑坡區(qū)沉積物熱披覆效應(yīng)分析得到的深部背景熱流值相當(dāng)。據(jù)圖8中的計(jì)算結(jié)果顯示, 南沙海槽現(xiàn)今熱流大部分來(lái)源于深部地幔(分別為66mW·m-2和71mW·m-2), 也說(shuō)明南沙海槽區(qū)深部具有較高的熱背景。

圖8 ODP1143井(a)和南沙海槽區(qū)域(b)的一維穩(wěn)態(tài)地溫場(chǎng)一維模型的頂邊界為定溫度邊界, 溫度為3℃, 底邊界為熱流邊界。圖中紅色線為580℃溫度線Fig.8 One-dimensional steady state temperature field at (a) ODP 1143 drill and (b) in the Nansha Trough

南沙海槽區(qū)的高背景熱流與其新生代構(gòu)造演化過(guò)程相符?，F(xiàn)今南海海底擴(kuò)張之前, 其南側(cè)的古南海于始新世開始向南俯沖于西北婆羅洲之下(Hall et al, 2017), 南沙地塊與現(xiàn)今南海北部陸緣一起經(jīng)歷了強(qiáng)烈的拉張減薄作用。在巖石圈拉張減薄過(guò)程中,深部地幔上涌, 南沙地塊熱流及深部溫度持續(xù)升高(趙長(zhǎng)煜 等, 2014; Tang et al, 2014; 施小斌 等,2020)。漸新世至早中新世期間, 南沙島礁區(qū)隨著古南海的拖曳作用和南海海盆的擴(kuò)張逐漸向南漂移,并于早中新世末與婆羅洲碰撞(Hall et al, 2017)。地震剖面顯示, 南沙海槽地殼已經(jīng)被強(qiáng)烈減薄, 現(xiàn)今海槽區(qū)及南側(cè)沖斷帶之下的地殼厚度僅約8～9km(圖2)。因而南沙海槽內(nèi)較高的深部熱狀態(tài)與其地殼的減薄特征相符, 是新生代華南陸緣裂解及南海形成過(guò)程中地殼裂陷作用的結(jié)果, 海槽底部滑坡范圍內(nèi)現(xiàn)今較低的熱流觀測(cè)值主要受來(lái)自東南側(cè)沉積物的熱披覆作用影響。

現(xiàn)今南沙海槽是在強(qiáng)烈減薄陸殼基礎(chǔ)上, 受沉積物(尤其是東南側(cè)推覆體)負(fù)載作用而撓曲下沉形成的前陸盆地(韓冰 等, 2015; 張健 等, 2017), 其下為中中新世之前發(fā)育的被動(dòng)大陸邊緣裂陷盆地。撓曲盆地的寬度和撓曲深度不僅與負(fù)載大小有關(guān),而且與其巖石圈強(qiáng)度密切相關(guān)。在負(fù)載分布一定的情況下, 巖石圈強(qiáng)度越小, 盆地寬度越小, 盆地則越深。由于巖石圈強(qiáng)度與溫度密切相關(guān), 因此具有高背景熱流的區(qū)域往往具有較低的巖石圈強(qiáng)度(馬輝 等, 2011; 陳波, 2013; 張健 等, 2017)。依據(jù)重力異常和地形數(shù)據(jù)譜分析獲得的南沙海槽區(qū)有效彈性厚度僅約15km (Shi et al, 2017), 這亦表明研究區(qū)具有較低的巖石圈強(qiáng)度和較高的背景熱流。因此, 現(xiàn)今南沙海槽的寬度、基底埋深以及前隆位置與其較低的巖石圈強(qiáng)度和深部高熱背景密切相關(guān)。

5 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬方法分析了文萊滑坡沉積物的堆積對(duì)南沙海槽深水區(qū)海底熱流值的影響, 通過(guò)磁異常數(shù)據(jù)分析獲取了研究區(qū)的居里面深度, 并在此基礎(chǔ)上明確了南沙海槽的深部熱狀態(tài)。主要結(jié)論如下:

1) 受沉積物快速堆積的影響, 南沙海槽底部文萊滑坡范圍內(nèi)的海底熱流在滑坡發(fā)育時(shí)明顯降低,在滑坡體活動(dòng)停止后又逐漸升高, 其現(xiàn)今海底熱流僅恢復(fù)至深部熱流的60%～77%。依據(jù)該區(qū)的熱流測(cè)量平均值(59mW·m-2)估算, 海槽深部熱流約為77～98mW·m-2。

2) 南沙及其鄰近區(qū)域的居里面埋深介于12～24km之間, 其中南沙群島內(nèi)居里面深度約18～24km,南沙海槽內(nèi)居里面深度相對(duì)較淺, 在16km以上。南沙地塊內(nèi)居里面深度與其溫度結(jié)構(gòu)有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3) 依據(jù)南沙海槽居里面深度和實(shí)測(cè)海底熱流的分析結(jié)果, 可推測(cè)南沙海槽深部具有較高的背景熱流。該區(qū)較高的深部熱狀態(tài)與其超薄的地殼厚度對(duì)應(yīng), 是新生代以來(lái)區(qū)域構(gòu)造演化過(guò)程中地殼裂陷減薄作用的結(jié)果。