南海北部濱海斷裂帶的深部結(jié)構(gòu)探測現(xiàn)狀和展望*

李志剛，張培震，惠格格，胡立天，李冠華，張逸鵬，梁浩，李琳琳，王偉濤，閆永剛，代向明

1. 中山大學地球科學與工程學院/廣東省地球動力作用與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，廣東 珠海 510892

2. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519082

3. 汕頭大學理學院，廣東 汕頭 515063

1 引 言

受印澳板塊和歐亞板塊碰撞和側(cè)向逃逸以及菲律賓海板塊向北西俯沖的共同作用下，南海北部陸緣區(qū)發(fā)育了多組不同時期、規(guī)模不一的斷裂帶，這些斷裂帶縱橫交織，共同構(gòu)成了這個區(qū)域復雜的斷裂框架［1］（圖1［2-3］）。濱海斷裂帶，該區(qū)域其中一條NEE走向的活動斷裂帶，因其特殊的構(gòu)造位置和復雜的地殼結(jié)構(gòu)以及板內(nèi)地震機制，長期以來受到了眾多關(guān)注［4-9］。濱海斷裂帶，不僅是華南次級板塊和南海次級板塊的分界斷裂［6，10］，也是珠江口盆地新生代含油氣盆地的控盆斷裂［11］，同時是南海北部陸緣的主要控震和孕震構(gòu)造［5，12］，因此，研究該斷裂帶具有重大的科學、社會和經(jīng)濟意義。

圖1 南海北部濱海斷裂帶及其周緣構(gòu)造-沉積-地震背景（改自文獻［2-3］）Fig.1 Tectonic-sedimentary-earthquake backgrounds of the littoral fault zone in the northern South China Sea(modified from Cao et al[2]and Li et al[3])

濱海斷裂帶是華南南部地區(qū)正常型陸殼和南海北部地區(qū)減薄型陸殼的邊界斷裂，保存著跟南海擴張和演化過程相關(guān)的豐富的構(gòu)造信息［6，13］。根據(jù)重、磁特征和深地震剖面研究揭示濱海斷裂帶本質(zhì)上是華南大陸正常陸殼向南海微板塊減薄的一個分界斷裂，是南海被動大陸陸緣擴張過程中活動的張性斷裂構(gòu)造帶?？鐬I海斷裂帶的地質(zhì)和地球物理數(shù)據(jù)揭示出其南北兩側(cè)具有明顯的地形、沉積和構(gòu)造差異：北側(cè)地形起伏較大，缺少新近系沉積地層，第四系沉積厚度一般小于30 m，莫霍面深度大于29 km，整體呈現(xiàn)出正負交替的重力異常及顯著變化的高磁異常帶；南側(cè)地形起伏小，以海底正地形為主，新生界沉積厚度約5～7 km，其中第四系地層厚度一般大于150 m，莫霍面深度小于28 km，整體表現(xiàn)為正重力異常和穩(wěn)定的負磁異常（圖1）［2，4-5，14-16］。濱海斷裂帶在深地震探測剖面和重、磁異常特征上都是切割深度超過莫霍面的重要構(gòu)造邊界，其系統(tǒng)研究有助于理解南海北部構(gòu)造幾何學、運動學過程及其動力學機制，為南海擴張和演化等重大科學問題提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐。

濱海斷裂帶是南海北部地區(qū)地震活動強度最大、頻度最高的地震帶，也是主要的控震和潛在的孕震構(gòu)造［8，17］。有史料記載以來，濱海斷裂帶共發(fā)生7.0 以上的地震4 次，包括1600 年南澳7.0級地震，1604 年泉州8.0 級地震，1605 年瓊海7.5級地震，1918年南澳7.5級破壞性強震。這些歷史強震都表現(xiàn)為震源較淺、破壞較強的特點，均造成了較大的人員傷亡和財產(chǎn)損失［5，10］。目前，濱海斷裂帶西北段和東南段都發(fā)生過強震，而且小震密集；縱貫粵港澳大灣區(qū)的珠江口段，未出現(xiàn)小震密集區(qū)，并且大震、強震空缺，形成了濱海斷裂帶珠江口段地震空區(qū)，未來很有可能發(fā)生強震（圖1）［12］。因此，研究濱海斷裂帶最新活動性，對于粵港澳大灣區(qū)等華南沿海大中型城市的防震減災(zāi)事業(yè)、經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展等有十分重要的意義。

濱海斷裂帶作為珠江口盆地北部邊界，其研究可為南海北部新生代含油氣盆地的形成和演化過程研究提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)約束。濱海斷裂帶兩側(cè)構(gòu)造特征差異顯著：東南盤是沉降的新生代盆地，分布有珠江口盆地、臺西南盆地、瓊東南盆地等含油氣盆地，其新生界地層沉積厚度大于10 km；北西盤為相對上升的隆起帶。已有部分剖面結(jié)果顯示斷裂兩側(cè)新生代沉積物厚度向東增厚，呈現(xiàn)明顯的控盆特征，然而晚漸新世后期斷裂表現(xiàn)為逆斷層性質(zhì)（圖1）［11，18］。濱海斷裂帶的形成和演化控制著斷裂兩側(cè)的海相-陸相沉積地層的差異及南側(cè)新生代含油氣盆地的發(fā)育，其研究具有重要的經(jīng)濟意義。

2 南海北部濱海斷裂帶的研究現(xiàn)狀

2.1 斷裂帶地球物理特征與深部結(jié)構(gòu)探測進展

濱海斷裂帶是南海北部陸緣區(qū)主要的構(gòu)造邊界。自20 世紀90 年代以來，不同學者針對濱海斷裂帶位置、深部全地殼結(jié)構(gòu)（圖2［2，6，15，19-20］）和上地殼變形（圖3［1-2，20-22］）等開展了大量研究工作，取得了非常顯著的成果［1，4-5，17，23］。劉以宣［4］在研究華南沿海地區(qū)主要區(qū)域性斷裂過程中，第一次提出濱海斷裂帶這一概念，并根據(jù)遙感衛(wèi)星影像和重磁異常等數(shù)據(jù)，首次給出了斷裂帶大致位置。隨后，劉以宣［1，5］和鐘建強［17］通過重力和航磁資料的推測，結(jié)合南海北部區(qū)域地形、地貌特征和衛(wèi)星影像解譯結(jié)果，證實了斷裂帶的位置。另外，不同學者在濱海斷裂帶南北兩側(cè)分別開展了大量人工地震探測工作［23-26］。但由于濱海斷裂帶特殊的位置，特別是海洋和陸地的地球物理探測是分開的，無法獲得由海到陸連續(xù)的地殼結(jié)構(gòu)剖面，部分剖面也未跨過濱海斷裂帶，因此，濱海斷裂帶的精確位置及其鄰近的沉積地層結(jié)構(gòu)和變形特征都未能獲取。另外，海水覆蓋、海洋地球物理探測技術(shù)等原因，此階段對濱海斷裂帶的整體認識主要以宏觀觀測為主，缺少直接的探測結(jié)果。

圖2 濱海斷裂帶兩側(cè)的地殼速度結(jié)構(gòu)Fig.2 The crustal velocity structures of the littoral fault zone

圖3 不同時期獲取的過濱海斷裂帶的淺層地震反射剖面探測結(jié)果Fig.3 The seismic reflection profiles pass through the littoral fault zone

2000 年之后，中國科學院南海所聯(lián)合廣東省地震局等單位，采用海底地震儀和陸上臺站相結(jié)合的方式，實測了多條海-陸聯(lián)合的地殼結(jié)構(gòu)探測剖面，獲得了由海至陸連續(xù)的地殼結(jié)構(gòu)信息。這些剖面顯示，濱海斷裂帶表現(xiàn)為一條傾向南東、向下連續(xù)延伸至莫霍面深度的低速破碎帶，該斷裂帶寬度變化范圍在6～60 km之間。在擔桿列島以南約20 km 處，存在一寬度為10 km 左右的、向下連續(xù)延伸的低速破碎帶；在南澎列島東南約35 km處，也存在一縱向低速帶，寬度為6 km 左右，對應(yīng)于重、磁異常帶。擔桿列島和南澎列島的低速破碎帶被前人推測為濱海斷裂帶的位置，變形帶寬度存在一定的差異［2，6，9，15，19-20，27-28］。

2015 年，中國科學院南海所同廣東省地震局和中國地震局地球物理勘探中心（鄭州）等單位合作，在珠江口外海域利用多道地震、海底地震儀和陸上地震臺站，聯(lián)合完成了一次海-陸探測，獲取了濱海斷裂帶在這一區(qū)域的精確位置以及鄰區(qū)的沉積地層結(jié)構(gòu)和莫霍面延展特征。由于使用的氣槍震源頻率較低、噪音較大等原因，加上深地震探測分辨率限制，該海-陸聯(lián)合探測未獲得海底淺部的沉積地層精細結(jié)構(gòu)和變形特征［20-21，29-30］。該探測中的剖面覆蓋范圍相對較小，僅集中在珠江口外海域和臺灣海峽的小范圍內(nèi)，對濱海斷裂帶沿走向上的區(qū)域深部結(jié)構(gòu)和變形特征等還知之甚少。

基于系統(tǒng)調(diào)研結(jié)果，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段對濱海斷裂帶的研究集中于宏觀觀測和深部全地殼結(jié)構(gòu)，缺少淺部精細結(jié)構(gòu)探測和近海底數(shù)據(jù)約束。濱海斷裂帶的走向、傾向、傾角和深度在空間上變化較大，說明存在明顯的分段性，單純依靠數(shù)條二維剖面和小比例尺的重力、航磁、地形等數(shù)據(jù)，難以獲得濱海斷裂帶全段在三維空間上的展布規(guī)律。因此，需結(jié)合濱海斷裂帶深部（35 km）地殼結(jié)構(gòu)探測結(jié)果，重點在不同關(guān)鍵位置開展淺部（5～10 km）、淺表（1.0～1.5 km）和近海底（40～50 m）的密集地震剖面聯(lián)合探測，以獲取斷裂帶精確位置、深-淺結(jié)構(gòu)關(guān)系和空間展布規(guī)律。

2.2 濱海斷裂帶構(gòu)造屬性和活動性研究進展

許多學者也對濱海斷裂帶的構(gòu)造屬性和活動性做了大量研究，被認為形成于前中生代。劉以宣［5］認為濱海斷裂帶強烈活動于漸新世-上新世，是由陸緣擴張的拉張應(yīng)力形成的張性斷陷構(gòu)造帶。李唐根等［31］根據(jù)重、磁異常條帶解譯和分析以及華南大陸及濱海地區(qū)的巖性和地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)分析，認為濱海斷裂帶是來自印支-燕山時期的特提斯洋碰撞的縫合線。曾維軍［32］根據(jù)巖性分析認為濱海斷裂帶是加里東期華南地體和南海北部陸緣地體碰撞的古縫合線位置。劉宗惠［33］采用了一套在當時較為先進的高分辨率地球物理系統(tǒng)（包括多道、單道地震，淺層剖面、測深等），以及淺鉆和海底地質(zhì)取樣等手段，獲取了濱海斷裂帶附近豐富的地質(zhì)和地球物理資料，論證該斷裂帶在晚第三紀-第四紀期間較為活躍。李趕先［34］認為濱海斷裂帶是中生代末期及新生代早期地幔上涌形成的張性斷裂。馮志強等［35］根據(jù)重磁異常及南海北部海陸沉積地層的差異演化史，認為濱海斷裂帶是華南次級板塊和南海次級板塊之間存在的一條巖石圈大斷裂。吳進民［36］提出在濱海斷裂帶附近并未發(fā)現(xiàn)蛇綠巖為代表的古洋殼證據(jù)，也未找到地質(zhì)相關(guān)的其他證據(jù)，因此否定了古縫合線和碰撞帶的觀點，同時推出可能是新生代早期的斷裂；徐杰等［7］根據(jù)珠江口盆地基底性質(zhì)分析，認為濱海斷裂帶是華南加里東褶皺系內(nèi)部的一條巖石圈斷裂帶，而不是陸塊之間的碰撞結(jié)合帶。程世秀等［37］根據(jù)濱海斷裂帶南北兩側(cè)的古新統(tǒng)沉積地層厚度差異，認為該斷裂起始于古新世，是珠江口盆地的主要控盆斷裂帶，且6～5 Ma 以來活動性增強，控制著兩側(cè)上新世以來的地層沉積和變形。Zhang et al［21］利用反射地震剖面和鉆井年代學約束出濱海斷裂帶在臺灣海峽西部的活動時間開始于中新世。

不難看出，導致上述觀點層出不窮的原因是現(xiàn)有的勘探技術(shù)對濱海斷裂帶定量約束太少，精度更高的地質(zhì)和地球物理探測數(shù)據(jù)相對較少，加上該斷裂帶空間上活動性的差異性，致使對其構(gòu)造屬性、空間分布、活動特征等方面的研究處于定性描述階段。需要特別強調(diào)的是，目前對濱海斷裂帶晚第四紀活動性的研究依然是處于空白。

2.3 濱海斷裂帶孕震構(gòu)造研究進展

南海北部陸緣存在一條明顯的板內(nèi)地震活躍帶。濱海斷裂帶是這一區(qū)域中地震活動強度最大、頻度最高的地震帶，也是重要的控震和孕震構(gòu)造［8，17］。濱海斷裂帶曾發(fā)生6級以上地震18 次，7級以上地震4 次，包括1600 年南澳7.0 級、1604年泉州8.0 級、1605 年瓊海7.5 級和1918 年南澳7.5 級破壞性強震［5，10］。板內(nèi)大震、強震發(fā)生的動力學來源和深部構(gòu)造背景密切相關(guān)，殼內(nèi)低速層往往作為主要的應(yīng)力集中帶和應(yīng)變積聚帶，強震易發(fā)生其中。深部探測結(jié)果顯示，濱海斷裂帶在擔桿列島和南澎列島附近為一殼內(nèi)連續(xù)、傾向SE的低速破碎帶，其寬度為6～10 km。不同學者認為濱海斷裂帶與該低速層的銜接構(gòu)造位置組成了南海北部最為主要的應(yīng)力集中帶和應(yīng)變積聚帶，為強震的孕育和發(fā)生提供了深部動力學來源（圖4）［8，10，29，38］。

以1918年發(fā)生在濱海斷裂帶東北段的南澳7.5級大地震為例，研究者開展了詳細的深-淺結(jié)構(gòu)探測、地震地質(zhì)野外考察和歷史地震記錄對比研究工作，確定該地震的震中位于上地殼下部低速層向SW 尖滅、NNE向濱海斷裂帶以及NW 向黃崗水斷裂帶三者結(jié)合位置，對應(yīng)深度約15～25 km（見圖4）［8，39］。Zhang et al［21］利用反射地震剖面獲取了臺灣海峽西部上地殼結(jié)構(gòu)和變形特征，認為濱海斷裂帶的右旋走滑活動控制了1600 年南澳7.0級和1918年南澳7.5級兩次強震。

圖4 南海北部陸緣深部孕震構(gòu)造模式圖（改自文獻［29，38］）Fig.4 Deep seismogenic model for the continental margin of the northern South China Sea(modified from Cao et al[29],Xu et al[38])

3 展 望

綜上所述，濱海斷裂帶，作為華南陸區(qū)正常型陸殼和南海北部減薄型陸殼的邊界斷裂，也是珠江口盆地新生代含油氣盆地的控盆斷裂，同時控制了南海北部陸緣的地震發(fā)育，但是，由于斷裂帶深部和淺部結(jié)構(gòu)探測有限，致使對其精確位置、深-淺構(gòu)造耦合關(guān)系、構(gòu)造屬性問題、空間展布規(guī)律知之甚少。因此，加強不同位置的深-淺結(jié)構(gòu)探測研究，結(jié)合周邊區(qū)域已知的地質(zhì)-地球物理和地震數(shù)據(jù)，可能是解決濱海斷裂帶的深-淺構(gòu)造耦合和構(gòu)造屬性問題的關(guān)鍵。

由于缺少濱海斷裂帶相關(guān)的海域活動構(gòu)造研究，導致對其晚第四紀活動規(guī)律和變形強度等認識存在缺失。因此，加強該斷裂帶的淺部精細幾何結(jié)構(gòu)、海底變形綜合探測、結(jié)合鉆井及海底沉積物年代學和小震精定位和震源機制解研究結(jié)果，可能是解決其最新活動性和強震復發(fā)模式的必經(jīng)之路。需要指出的是，與濱海斷裂帶相交的NW向斷裂帶的深-淺結(jié)構(gòu)和最新活動性也需加強，因為只有確認二者之間準確的交切關(guān)系和證明其在12萬年來存在活動，才能作為探討該區(qū)域強震孕震構(gòu)造的基礎(chǔ)。

海域活動斷裂引發(fā)的強震易伴生海嘯災(zāi)害，而濱海斷裂帶珠江口段橫貫整個粵港澳大灣區(qū)，因此，在上述斷裂帶結(jié)構(gòu)探測、活動性研究（暨“海域活動斷裂帶探測”）基礎(chǔ)上，加強南海北部主要活動斷裂帶相關(guān)的地震-海嘯災(zāi)害模擬研究［40］，可為綜合評估粵港澳大灣區(qū)等華南沿海地區(qū)未來強震危險和廣東省防災(zāi)減災(zāi)工作提供基礎(chǔ)資料和理論指導，這也是當前大灣區(qū)建設(shè)和自然災(zāi)害研究的當務(wù)之急。