南海三維熱巖石圈結構及地表構造響應

王曉芳， 王愷祺， 趙中賢*， 許鶴華， 趙俊峰，任自強,4， 張佳政

1 中國科學院邊緣海與大洋地質重點實驗室， 南海海洋研究所， 廣州 511458 2 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州), 廣州 511458 3 中國建筑科學研究院， 北京 100013 4 長江三峽勘測研究院有限公司(武漢), 武漢 430074

0 引言

大地熱流的研究歷來是板塊構造研究的核心內容.在板塊構造的確立中，大西洋洋脊兩側的熱流隨著板塊年齡的增加而降低，這為板塊構造理論提供了重要的證據(Larsen et al., 2018; Marcus et al.,1966)；在各個海域和大陸區(qū)域的構造動力學研究中(Li,2011；Cloetingh,2006)，區(qū)域熱流及板塊熱結構的研究是不可或缺的重要組成部分.巖石圈熱結構是指一個地區(qū)殼、幔兩部分熱流的配分比例及其組構關系(Blackwell,1971).殼、幔熱流配分影響到現今地殼、上地幔的活動性及深部溫度狀況，尤其地幔熱流能從本質上表征某一地區(qū)的構造活動性與板塊構造的密切關系.通過對其深入研究可以獲得板塊構造、盆地發(fā)育和巖漿活動的響應.

南海經歷了海底板塊生長、消減和巖漿溢出等過程(圖1)，而巖石圈變形和巖漿作用是其核心內容，它們與巖石圈的深部熱狀態(tài)和深部熱結構密切相關.因此，研究南海深部“熱”巖石圈結構與其深部構造的動態(tài)響應具有非常重要的意義.前人做了大量的研究工作， 施小斌等通過592個熱流數據勾畫出南海熱流分布(姚伯初，2006；饒春濤和李平魯，1991；饒春濤，1994)；何麗娟等根據584個熱流數據，通過一維熱傳導方法獲得了南海熱巖石圈厚度的整體框架，并發(fā)現南海海盆的熱流基本滿足隨洋殼年齡增加而降低的規(guī)律和中沙—西沙地區(qū)屬于中等偏高熱流區(qū)(何麗娟等，1998；He et al.，2001；施小斌等，2003)；在南海北部陸緣，洋-陸過渡帶的熱流高于陸緣一倍，是海底火成巖噴發(fā)影響所致(Anderson，1978)；對南海西部海域，認為從西沙海槽到瓊東南海盆中部NE向存在高熱流帶，這條熱流高帶主要和南海西沙和中沙海槽拉張破裂有關，是深部熱流上涌的結果(徐行等，2006).這些成果為我們認識南海深部熱結構和板塊構造提供非常有利的研究基礎.但南海深部熱狀態(tài)、熱結構和板塊構造的研究并不是很多，限于資料的原因，大多數成果建立在離散的點或者剖面的研究(Ru and Pigott,1986； Su et al., 1989；Nissen et al., 1995； 張健和汪集旸,2000； Clift et al.， 2002；Lin and Watts,2002；馬輝等,2012；Zhao et al., 2018)，其主要成果也只是對海底熱流變化特征、控制因素和各個構造單元之間的差異做定性的討論，對殼幔的熱流比例、莫霍面溫度、“熱”巖石圈底界及其溫度做一維或二維剖面的計算(張健和汪集旸，2000；施小斌等，2000，2003；汪集旸，2015；胡圣標等. 2019； Clift et al，2002).而今，隨著我國南海深水油氣、天然氣水合物資源勘探和海洋強國政策的推進，地熱探針技術的自主研發(fā)，海底熱流測量取得了大規(guī)模的成果(米立軍等，2009； 李亞敏等，2010；徐行等，2005;2006;2011;2012;2018)，見圖2.為我們深入研究南海深部熱結構提供非常有利的契機，與此同時南海深部大計劃自2011年實施以來，開展了海底地磁學、

圖2 南海熱流分布(米立軍等,2009; 徐行等,2005,2006,2018;Xu et al., 2011; 饒春濤和李平魯,1991; http:∥www.heatflow.org/thermoglobe/map)黑色粗線表示3000 m水深線和海岸線，黑色細線為熱流等值線，圓點為熱流站位.Fig.2 The heat flow distribution in the South China Sea (Mi et al., 2009; Xu et al., 2005, 2006, 2018; Xu et al., 2011; Rao and Li, 1991; http:∥www.heatflow.org/thermoglobe/map)The thick black line represents the 3000-meter isobaths and coastline, the thin black line represents the heat flow contour, and the dots represent the heat flow sites.

深部地球物理、構造地質和火山活動等學科的探測與研究，這些研究有助于進一步認識南海的形成年齡、深部結構和物質組成，但由于缺乏對南海現今熱狀態(tài)和熱結構三維整體趨勢的分析和研究，尚不能完整認識南海區(qū)域構造演化、盆地發(fā)育和巖漿活動特征.隨著計算機3D模擬飛速發(fā)展，也亟待從2D發(fā)展到3D角度去認識南海深部熱結構，本文試圖通過積累的整個南海熱流數據(圖2)，反演熱巖石圈底部邊界的埋深，從南海三維巖石圈熱結構、殼幔比和地表構造等揭示南海板塊構造、盆地發(fā)育和巖漿活動特點.

1 地質背景

根據南海地形和磁異常的分布特點，南海分為西北次海盆、東部次海盆和西南次海盆(Briais et al.，1993).其四周被不同類型的大陸邊緣所包圍：東部沿著馬尼拉海溝被分成兩段，北段南海板塊向菲律賓群島俯沖，南段受南海板塊和菲律賓板塊的雙向俯沖(瞿辰等，2007)；南部為禮樂灘、南沙群島和南沙海槽，在海底擴張過程中與婆羅洲發(fā)生了陸陸碰撞擠壓作用；西部以呈右旋走滑的紅河斷裂帶為界與印支半島相鄰，沿線分布著鶯歌海盆地、西沙海槽、中建南盆地和南薇西盆地，其中紅河—越東斷裂帶后期的右旋走滑影響了鶯歌海盆地的形成，并主導了其走向(崔濤，2008).西沙海槽沉積基底起伏較大，沉積厚度l～4 km，與鶯歌海盆地相比,其沉積較薄.西沙海槽有大量新生代晚期的巖漿和火山活動，形成了明顯的局部重、磁異常和高熱流值(Nissen et al., 1995)；北部陸緣發(fā)生了大規(guī)模的地殼拉張、減薄作用，形成了一系列張性盆地，珠江口盆地位于南海北部陸緣中部海區(qū)，主要經歷了華南陸緣的裂谷拉張過程.中中新世以來，受到菲律賓海板塊的擠壓碰撞(Biq，1978).南海東部在臺灣與西菲律賓海發(fā)生洋殼俯沖、陸陸碰撞；在馬尼拉海溝，南海海盆向呂宋島下俯沖(Taylor and Hayes, 1980).這種俯沖和碰撞造成南海東北部陸緣向西擠壓走滑，以及沿斷裂發(fā)生新近紀巖漿和火山活動(Lüdmann and Wong, 1999；李家彪等. 2011；Ho et al.,2000).

2 數據和模型

2.1 熱流數據

根據目前在南海及其周邊地區(qū)積累的1227個海底熱流分布(圖2)，發(fā)現其高熱流值(約90～120 mW·m-2)主要集中在南海北部陸緣珠江入海口西側、西北次海盆、東部次海盆西側、南海殘余洋中脊(磁異常C5Dr)及其東向沿線的呂宋島區(qū)域、西南次海盆和中建南盆地，特別有意思的是南海西南次海盆被分割成東、西兩部分，與有、無海山的分布恰好一致，西部紅河斷裂帶沿線的鶯歌海盆地、南薇西盆地、西沙海槽、中-西沙群島和東沙群島的熱流略低于海盆區(qū)(大約70～90 mW·m-2).南海周邊陸殼熱流值小于70 mW·m-2.這些熱流數據為我們深入研究南海巖石圈三維熱結構提供非常有利的數據基礎.

2．2 模型和邊界條件

根據多波束測深、重、磁和地震反演得到的水深、基底、莫霍面(Li et al., 2010；2012)和巖石圈底界數據(Yu et al., 2017;Tang and Zheng, 2013)建立了三維幾何模型(圖3).采用Comsol三維模擬軟件模擬實測海底熱流，熱傳導方程見公式(1).發(fā)現其與實測海底熱流數據相差較大(見圖4a)，于是通過改變巖石圈底界深度使模擬熱流與實測海底熱流數據相吻合，得到熱巖石圈底界的深度分布，模擬計算海底熱流與實測熱流的差值見圖4b.

圖3 三維幾何模型Fig.3 Three-dimensional geometric model

圖4 模擬計算海底熱流與實測熱流的差值(a) 以地震反演巖石圈底部邊界(Yu et al., 2017，Tang and Zheng, 2013)為約束模擬的熱流與實測熱流差值； (b) 本文擬合實測海底熱流的結果.黑色粗曲線表示3000 m等深線和海岸線，黑色細曲線表示模擬得到的海底熱流與實測熱流的差值的等值線Fig.4 Difference between the modelled and measured heat flow(a) The modelled heat flow constrained by the seismic wave inversed lithosphere-asthenosphere boundary,see Yu et al., 2017 and Tang and Zheng, 2013; (b) The modelled heat flow on basis of the lithosphere-asthenosphere boundary derived by fitting the measured heat flow.The thick black line represents the 3000-meter isobaths and coastline, the thin black line represents the heat flow contours of the difference between modelled and measured.

(1)

其中，A表示生熱率，T表示溫度，k是熱導率, 幾何模型四邊處于絕熱狀態(tài)，海底溫度選取10 ℃，巖石圈底部邊界溫度選取1330 ℃(陳凌等，2007；胡立天，2019).

表1 主要模擬參數Table 1 Parameters used in the modelling

3 計算結果

根據三維數值模擬得到的南海及周邊地區(qū)的三維熱巖石圈底部邊界的埋深(見圖5a).發(fā)現南海熱巖石圈底部邊界的深度為30～100 km，最薄區(qū)域集中在南海西北次海盆、西南次海盆、東部次海盆西側、南海北部陸緣中部、鶯歌海盆地、中建南盆地、南薇西盆地、沿馬尼拉海溝東北段和沿殘余擴張脊延伸方向的呂宋島弧，熱巖石圈底部邊界在30～70 km.其中，西南次海盆明顯分成東、西兩部分，東部與殘余擴張脊(海山的分布)一致，并與東部次海盆相連，西部與中建南盆地相鄰，西南部和南薇西盆地結合在一起，表現為減薄的巖石圈結構.東部次海盆沿55 km的巖石圈等深線也被分成東、西兩部分，西部與西北次海盆和西南次海盆一致表現出減薄的巖石圈，東部明顯增厚，熱巖石圈底部邊界埋深在55～80 km之間.西北次海盆與中、西沙海槽、中沙海臺、珠江口盆地相連，巖石圈減薄明顯.特別是在珠江口盆地內出現超薄巖石圈厚度，與斷裂帶(F1,F2、F3和F4)和凹陷(順德凹陷、白云主凹和白云南凹)分布一致.其他地區(qū)的熱巖石圈底部邊界埋深基本在70～100 km之間.通過對比本文計算的三維熱巖石圈底部邊界埋深與一維反演得到的熱巖石圈底部邊界埋深(圖5)，發(fā)現二者在整體的分布格局上近似，特別是海盆區(qū)，大約都在40 km以內，體現了地幔對海底熱流的主要貢獻，但從等深線分布來看，本文計算的三維熱巖石圈底部邊界埋深明顯比一維反演得到熱巖石圈底部邊界埋深淺(大約5～10 km)，而且本文得到熱巖石圈底部邊界受地形、基底和Moho面各圈層地形分布的影響，呈現出明顯的高低起伏的地形分布特征，而一維熱巖石圈底部邊界分布相對平坦.同時由于熱流數據的積累，我們得到了更為精細的西沙海槽，鶯歌海盆地、中建南盆地、西北次海盆和西南次海盆的熱巖石圈底部邊界埋深.

為了驗證我們計算結果的可靠性，將本文的熱巖石圈底部邊界埋深(圖5a)與地震波反演得到的巖石圈底部邊界埋深(圖6a,Yu et al.,2017,Tang and Zheng,2013)對比，并做差值(見圖6b)，發(fā)現除個別區(qū)域埋藏比較深，圖6b中深藍色(可能與計算誤差或者測得的熱流數據分布不均有關，我們可以取前人的結果作為參考)，大部分區(qū)域基本相近或者比地震波反演的結果埋藏淺.對于接近的結果，我們認為是可靠的.而埋藏淺的結果，主要分布在珠江入海口周邊地區(qū)、西北次海盆部分以及向南直到西南次海盆，包括中建南盆地和南薇西盆地、鶯歌海盆地和沿大型海山分布(磁異常識別的洋中脊)與呂宋島弧相交區(qū)域(119°E—122°E和13°N—17°N)，見圖6b的深綠色和黃色區(qū)域，其中珠江入海口周邊地區(qū)與Huang等(2014；2015)、Xia等(2018)計算的地震層析成像的結果相近.鶯歌海盆地和區(qū)域119°E—122°E和13°N—17°N與MITP08全球速度模型(Li et al.,2008)得到結果一致.而其他區(qū)域的情況可能與熱巖石圈底部邊界埋深比地震層析成像得到的巖石圈底部邊界埋深淺(陳凌等，2007)的觀點有關.

圖5 南海及周邊地區(qū)三維(a)和一維(b)熱巖石圈底界埋深黑色粗曲線表示3000m水深線和海岸線，黑色細線表示熱巖石圈底界埋深等值線.Fig.5 The depth of the lithosphere-asthenosphere boundary derived from the 3D (a) and 1D (b) modelling in the South China Sea and its surrounding areasThe thick black line represents the 3000-meter isobaths and coastline, the thin black line represents the depth contour of the Lithosphere-Asthenosphere Boundary.

圖6 南海及其周邊地區(qū)根據地震波計算的巖石圈底界深度(Yu et al., 2017，Tang and Zheng，2013)(a)和與本文模擬計算熱巖石圈底界深度的差值(b)黑色粗線表示3000m水深線和海岸線，黑色細線表示熱巖石圈底界埋深等值線.Fig.6 The depth of the seismic wave inversed Lithosphere-Asthenosphere Boundary (LAB) in the South China Sea and its surrounding areas (Yu et al.,2017, Tang and Zheng, 2013) (a) and the difference between the seismic wave inversed LAB and the modelled LAB in this paper (b)The thick black line represents the 3000-meter isobaths and coastline, the thin black line represents the contour of the Lithosphere-Asthenosphere Boundary.

根據三維熱巖石圈結構和殼、幔熱流的分布特點，我們得到了南海及其周邊地區(qū)海底熱流的殼幔貢獻比(圖7).從圖中可以看出南海海盆(3000 m水深)、中建南盆地南部、南薇西盆地和西沙海槽的殼、幔比小于0.1，從海盆區(qū)邊界(大約3000 m水深)到大陸破裂邊緣介于0.1～0.2之間，陸殼基本介于0.2～0.5之間.

圖7 南海及其周邊地區(qū)海底熱流殼、幔貢獻比黑色粗線表示3000 m水深線和海岸線，黑色細線表示熱巖石圈底界埋深等值線.Fig.7 The crust-mantle heat flow contribution ratio in the South China Sea and surrounding areasThe thick black line represents the 3000-meter isobaths and coastline, the thin black line represents the contour of the crust-mantle heat flow contribution ratio.

4 討論

在南海西緣，通過鶯歌海盆地、中建南盆地和南薇西盆地的熱巖石圈底部邊界埋深、海底熱流和地表形態(tài)的分布對比，發(fā)現它們具有很好的相關性，特別是中建南盆地(高紅芳和陳玲，2006)和南薇西盆地地表形態(tài)與深部結構的分布非常一致，見圖1、圖5a和圖7，而鶯歌海盆地雖與深部結構有關，但明顯不一致，可能與紅河斷裂帶左旋走滑形成的拉分盆地有關(郭令智等,2001；龔再升等,1997;李思田等,1998;Allen et al.,1984;Leloup et al., 1995;Sun et al.,2003).

在南海中部，以珠江入?？诤椭榻谂璧貫橹行牡哪虾１辈筷懢壋尸F熱流高和巖石圈底部邊界埋藏淺的特征，其中珠江入?？谥苓叺貐^(qū)熱巖石圈結構與地震層析成像結果一致(Xia et al.，2018；Huang, 2014; Huang et al.，2015)，珠江口盆地熱巖石圈結構與孫珍等(2005)識別的斷層和凹陷分布位置一致，特別是白云主凹、白云南凹和順德凹陷都對應特別高的熱流值和比較淺的巖石圈底部邊界埋深，這可能與擴張后期巖漿活動和沿斷層帶的巖漿活動有關(Zhao et al., 2016).西沙海槽、西北次海盆、和東部次海盆西側也表現出比較高的熱流值和比較淺的巖石圈底部邊界埋深，特別是西沙海槽深部熱巖石圈結構與地表形態(tài)具有鏡像對稱的分布特點，表現出深部構造對地表的控制作用.而西南次海盆海底熱流分布和熱巖石圈底部埋深都被明顯分成兩半，東側與東部次海盆西南部相連，與磁異常識別的洋中脊分布一致，表現為大型海山，說明有同樣的深部構造屬性.根據中南海山及毗鄰東部次海盆的珍貝海山和漲中海山的玄武巖形成年齡(9～7 Ma)和巖石地球化學性質均屬OIB堿性玄武巖，認為與海底擴張后南海周緣大量巖漿活動的規(guī)律一致(Xu et al.,2012; Yan et al., 2014)，表明海底擴張期和擴張停止后巖漿活動強烈，巖漿供應量較充足(丁航航等，2019).西側表明巖漿作用較弱，洋殼形成過程中更多表現裂谷作用的特征，基底主要為構造伸展為主導的斷塊類型和深大斷裂發(fā)育(Li et al., 2012; Ding and Li, 2016).西南次海盆在海底擴張動力背景下疊加了強烈的構造拉伸作用，具有明顯的構造主導型海底擴張的特點，預示著海盆地殼結構在時空上可能發(fā)生改變，可能從正常洋殼過渡到超薄洋殼或蛇紋石化橄欖巖的異常地幔(丁航航等，2019).但被分成兩部分的西南次海盆都表現為較高的熱流值和比較淺的熱巖石圈底部邊界埋深.在南海東部，馬尼拉海溝東北段呈現出較高熱流值和較淺的熱巖石圈底部邊界埋深，中段則相反，而沿大型海山分布(磁異常識別的洋中脊)與呂宋島弧相交區(qū)域(119°E—122°E和13°N—17°N)呈現比較高熱流值和比較淺的熱巖石圈底部邊界埋深.東部次海盆被分成東、西兩部分，西側與西南次海盆和西北次海盆相連，呈現比較高的熱流值和比較淺的熱巖石圈底部邊界埋深，而東側呈現比較低的熱流值和比較深的熱巖石圈底部邊界埋深，這可能與南海和古南海的俯沖有一定的相關性(Wu and Suppe, 2018；Sun et al.，2019).

5 總結

(1)南海三維熱巖石圈底界埋深與一維反演得到熱巖石圈底界埋深的整體的分布近似，特別是海盆區(qū)西側，大約都在40 km以內，體現了地幔對海底熱流的主要貢獻.但從等深線分布來看，本文計算的三維熱巖石圈底部邊界埋深明顯比一維反演得到熱巖石圈底部邊界埋深淺(大約5～10 km)，而且本文得到熱巖石圈底部邊界埋深受地形、基底和Moho面各圈層地形分布的影響，呈現出明顯的高低起伏的地形分布特征，而一維反演得到的熱巖石圈底界埋深相對平坦.

(2)根據南海及其周邊地區(qū)的海底熱流的殼幔貢獻比，南海海盆(3000 m水深)、中建南盆地南部、南薇西盆地和西沙海槽的部分的殼幔比小于0.1，說明其海底熱流主要由地幔貢獻.從海盆區(qū)邊界(大約3000 m水深)到大陸破裂邊緣殼幔比介于0.1～0.2之間，陸殼基本介于0.2～0.5之間，說明海底熱流的20%～50%來自地殼.

(3)通過南海三維熱巖石圈結構的數值模擬，發(fā)現南海深部熱巖石圈結構和地表的不同構造單元有鏡像對稱的響應關系.如西沙海槽、西北次海盆、東部次海盆西側、西南次海盆、中建南盆地和南薇西盆地的地表形態(tài)基本受深部熱巖石圈結構的控制.鶯歌海盆地雖與深部構造有關，但明顯不一致，可能與紅河斷裂帶左旋走滑形成的拉分盆地有關.以珠江入?？诤椭榻谂璧貫橹行牡哪虾１辈筷懢壋尸F特別高的熱流值和巖石圈底界埋藏淺的特征，特別是白云主凹、白云南凹和順德凹陷，可能與擴張停止后的巖漿活動和沿斷層帶的巖漿活動有關.

(4)南海深部熱巖石圈結構與板塊構造密切相關.西南次海盆和東部次海盆的深部熱巖石圈底部邊界埋深都被分成東、西兩部分，西南次海盆與東部次海盆相連部分，表現為大型海山和很強的巖漿活動，說明有同樣的深部構造屬性，西南次海盆西側表現出較弱的巖漿作用，海底擴張以構造裂谷作用為主導.東部次海盆東側呈現熱流低和熱巖石圈底部邊界埋深更深的特點，而沿馬尼拉海溝的東北端呈現較高的熱流值和淺的熱巖石圈底部邊界埋深，可能與南海和古南海的俯沖有關.在119°E—122°E和13°N—17°N區(qū)呈現較高的熱流值和淺的熱巖石圈底部邊界埋深，可能與南海板塊和菲律賓海板塊的雙向俯沖有關.