南海東部次海盆南側(cè)基底結(jié)構(gòu)與沉積特征及其控制因素

趙 斌, 王利杰*, 張寶金, 耿明會, 秦緒文, 張如偉, 楊 振, 陳 璽, 呂文超, 張旭東

南海東部次海盆南側(cè)基底結(jié)構(gòu)與沉積特征及其控制因素

趙 斌1, 2, 王利杰1, 2*, 張寶金1, 2, 耿明會1, 2, 秦緒文2, 3, 張如偉1, 2, 楊 振1, 2, 陳 璽1, 2, 呂文超3, 張旭東1, 2

(1. 中國地質(zhì)調(diào)查局 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 廣東 廣州 510760; 2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(廣州), 廣東 廣州 511458; 3. 中國地質(zhì)調(diào)查局, 北京 100037)

南海東部次海盆經(jīng)歷了完整的海底擴張過程, 對其進(jìn)行從北至南、從東到西系統(tǒng)的研究有助于進(jìn)一步認(rèn)識南海的演化過程。通過南海東部次海盆3條多道地震剖面的解析, 對其基底形態(tài)、沉積充填和巖漿活動特征進(jìn)行研究, 首次揭露了南海東部次海盆南側(cè)東西向的沉積?構(gòu)造特征。結(jié)果表明, 南海東部次海盆南側(cè)基底主要分為兩種類型: 一種為崎嶇不平、深海丘陵和海山發(fā)育, 且基底隆起表現(xiàn)為“東高西低”; 另一種基底相對平坦, 局部有巖漿侵入。兩種基底形態(tài)受海底擴張速率、板片俯沖撓曲和擴張后巖漿活動等因素綜合控制。東部次海盆南部的沉積充填類型主要有3種, 受構(gòu)造、沉積作用和物源供給共同控制, 總體上呈現(xiàn)出鄰近擴張脊一側(cè)沉積薄、靠南部陸緣一側(cè)沉積厚; 東部邊緣因構(gòu)造撓曲等因素, 基底構(gòu)造隆起更強, 形成較薄沉積, 厚度最小處約160 m?；诔练e?構(gòu)造?巖漿特征, 構(gòu)建東部次海盆南部海底擴張末期以來(16 Ma至今)的沉積?構(gòu)造演化模型, 對南海形成演化研究具有重要意義。

基底形態(tài); 海盆沉積; 巖漿供應(yīng); 沉積?構(gòu)造演化; 南海; 東部次海盆

0 引 言

南海是西太平洋地區(qū)最大的邊緣海盆地, 蘊含邊緣海地質(zhì)研究的重大科學(xué)問題(林間等, 2019), 是大陸邊緣構(gòu)造動力學(xué)研究的天然實驗室。晚白堊世以來, 受周緣板塊重組等構(gòu)造事件影響, 南海經(jīng)歷陸緣伸展減薄、破裂、海底擴張、俯沖消亡和熱沉降等過程, 形成現(xiàn)今的構(gòu)造和地貌格局。其中, 洋殼發(fā)育區(qū)由西北次海盆、西南次海盆和東部次海盆組成。為研究南海的擴張歷史和張破裂機制, IODP先后在南海實施“4+1”個航次的鉆探研究(汪品先, 2019), 確定南海擴張時序(Li et al., 2014), 發(fā)現(xiàn)南海破裂過程轉(zhuǎn)換迅速(Larsen et al., 2018), 由陸到洋轉(zhuǎn)換過程中巖漿作用逐漸增強(Sun et al., 2019b; Ding et al., 2020)等。

海底地貌、鉆探和多道地震資料顯示, 南海深海盆區(qū)覆蓋一定厚度沉積層, 掩蓋海底擴張時期的海底構(gòu)造。另外, 擴張后的洋盆區(qū)發(fā)育大規(guī)模海山、埋藏海山以及侵入巖體, 使得海底構(gòu)造更復(fù)雜(趙明輝等, 2018)。目前對于海底擴張過程、擴張后構(gòu)造?巖漿活動及沉積方面的研究主要基于地球物理資料或在鉆井約束下開展。Cameselle et al. (2017)等利用地震資料展示南海西北次海盆的基底形態(tài)和洋盆沉積特征, 并基于洋殼上覆的沉積序列, 推測西北次海盆的擴張過程及擴張脊跳躍特征。Dinget al. (2016)和丁航航等(2019)綜合多道地震與大洋鉆探等資料, 對南海西南次海盆洋盆基底形態(tài)進(jìn)行分類, 并探討其控制因素, 認(rèn)為南海西南次海盆北東段與中段基底形態(tài)的差異主要是巖漿作用強弱不同導(dǎo)致。Franke et al. (2011, 2014)基于多道地震等資料, 對南海東南部陸緣沉積與構(gòu)造等進(jìn)行研究, 分析南海東南部陸緣洋陸轉(zhuǎn)換帶特征, 并認(rèn)為海底擴張停止后, 西北巴拉望盆地在陸架區(qū)沉積陸坡?半深海相砂巖和灰?guī)r, 在陸坡區(qū)則沉積開闊海相泥巖, 但研究沒有深入到南部洋盆區(qū)。Li et al. (2015a, 2015b)基于跨東部次海盆的地震測線和IODP成果, 獲得東部次海盆擴張過程中南北部物源差異、沉積速率變化及南海自古新世以來演化過程的新認(rèn)識, 但缺乏東西向地震數(shù)據(jù)的控制。Ding et al. (2018)通過位于東部次海盆北部的兩條多道地震測線, 結(jié)合IODP鉆井資料, 對東部次海盆北部的基底形態(tài)、擴張脊跳躍和巖漿供應(yīng)特征進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn)殘留擴張脊兩側(cè)互為共軛的下地殼反射, 并認(rèn)為其與擴張脊的向南跳躍有關(guān), 但缺乏東部次海盆南側(cè)的證據(jù)。Sun et al. (2019a)結(jié)合大洋鉆探和地震資料, 對東部次海盆中央擴張脊北側(cè)的洋盆沉積進(jìn)行研究, 識別出南海擴張結(jié)束以來的主要沉積地層界面, 包括上新世?更新世沉積分界面、中新世?上新世沉積分界面以及中中新世?晚中新世沉積分界面等, 但同樣, 缺乏與中央擴張脊以南的洋盆沉積對比研究。南海東部次海盆經(jīng)歷完整的海底擴張過程, 對其進(jìn)行從北至南、從東到西系統(tǒng)完整的研究有助于進(jìn)一步認(rèn)識南海的演化過程。目前南海西北次海盆、西南次海盆和東部次海盆北部資料豐富, 研究較多, 而東部次海盆南部地質(zhì)與地球物理資料相對缺乏, 而且以往研究均集中于東部次海盆南北向的測線, 對于東西向的沉積、基底形態(tài)和巖漿供應(yīng)特征變化研究較少, 這阻礙對東部次海盆海底擴張的對稱性、南北巖漿供應(yīng)以及洋脊跳躍特征的系統(tǒng)認(rèn)識, 掣肘南海海盆形成演化研究。

本研究通過跨中央擴張脊、橫穿東部次海盆南部并經(jīng)過IODP 349航次鉆井U1431的多道地震剖面資料, 系統(tǒng)分析東部次海盆南部的基底形態(tài)、沉積和巖漿供應(yīng)特征, 以揭示南海東部海盆擴張過程中的構(gòu)造和巖漿作用方式、擴張后構(gòu)造活動和沉積響應(yīng), 有助于理解南海構(gòu)造演化過程。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

南海東部次海盆東臨馬尼拉海溝, 北靠華南陸塊, 往南為禮樂地塊, 西南側(cè)為西南次海盆, 東部次海盆和西南次海盆之間為多期多走向轉(zhuǎn)換斷層性質(zhì)的中南?禮樂斷裂帶(Zhongnan Faults)(圖1)。東部次海盆歷經(jīng)南海完整的海底擴張過程, 主要包括四個關(guān)鍵節(jié)點: ①晚始新世?早漸新世轉(zhuǎn)換時期(約34～32 Ma), 陸緣張裂, 巖石圈強烈減薄, 軟流圈物質(zhì)快速上涌, 造成巖石圈的最終破裂, 伴隨洋中脊玄武巖類巖漿的活動, 形成最初的南海洋殼, 同時形成狹窄的由陸殼向洋殼的過渡帶(Larsen et al., 2018); ②晚漸新世(～27 Ma), 擴張脊向南發(fā)生約20 km的第一次躍遷(Ding et al., 2018; 林間等, 2019);③漸新世末期(～23.6 Ma), 擴張脊向南第二次躍遷, 同時西南次海盆開始擴張(Li et al., 2014; Ding et al., 2018; Sun et al., 2019a; Qin et al., 2019); ④中中新世(～16 Ma), 東部次海盆擴張停止, 即南海海盆擴張結(jié)束(Li et al., 2014; Koppers, 2014)。IODP349航次鉆探資料也證實東部次海盆基底之上主要發(fā)育中中新世(15.5 Ma)以來的沉積。其中, 中中新統(tǒng)以砂巖和粉砂巖為主; 上中新統(tǒng)發(fā)育砂巖、粉砂巖和角礫巖; 上新統(tǒng)以黏土巖為主, 局部發(fā)育灰?guī)r沉積; 而更新統(tǒng)中, 黏土巖、灰?guī)r、粉砂巖和砂巖均有發(fā)育(Li et al., 2015a)。南海南北陸緣的地震資料研究表明, 巖漿活動始終貫穿南海形成演化過程, 且海底擴張末期或海底擴張停止以后仍然有強烈的火山活動(高金尉等, 2015; Sun et al., 2019a; Zhao et al., 2019), 從殘留擴張脊及兩側(cè)海山的火山巖年代學(xué)研究來看, 海底擴張停止后的火山活動較為活躍, 且具有多期活動現(xiàn)象。拖網(wǎng)巖石同位素地球化學(xué)特征揭示, 南海洋盆海山形成時代主要為11～3.5 Ma, 且活動具有多期次特征(楊蜀穎等, 2011; Sun et al., 2019a)。U1431在上中新統(tǒng)沉積層中鉆遇3套火山角礫巖, 年齡為8～6 Ma, 推測為附近火山活動的記錄(Koppers, 2014; 圖2)。

橙色實線為3000 m水深線, 近似為南海洋陸邊界線(Dong et al., 2018), 黑色加粗實線為本文地震測線, 黑色虛線為已有地震測線, 黃色虛線為殘留擴張脊, 黃色實線為東部次海盆磁異常條帶, 紅色圓點為大洋鉆探井位。磁異常條帶參考自Li et al. (2014); 地震測線L2據(jù)Gao et al. (2015), N3和N4據(jù)Ding et al. (2018), BGR08-109據(jù)Franke et al. (2011), 973SCSIO1和SO49-017據(jù)Li et al. (2015a)。

2 數(shù)據(jù)與方法

本文使用的多道地震資料包括: 穿越南海東部次海盆中央擴張脊的HYM890、HYM1010多道地震剖面, 和位于擴張脊南部的HYML320聯(lián)絡(luò)測線(圖1)。該數(shù)據(jù)為2014年由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“探寶號”船采集。采集參數(shù)為: 接收道數(shù)480道, 炮間距為37.5 m, 道間距為12.5 m, 滿覆蓋次數(shù)80次, 記錄長度12 s, 氣槍容量為5000立方英寸。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過去噪、振幅恢復(fù)、反褶積和子波處理、速度分析和多次波組合壓制等處理后, 獲得最終的疊前時間偏移剖面。

IODP349航次在東部次海盆中央擴張脊以北約25 km的U1431站位鉆遇擴張后的地層和與最后一期擴張有關(guān)的基底玄武巖(Koppers, 2014; Li et al., 2014, 2015a, 2015b), HYM890地震測線經(jīng)過該鉆井(圖1)。東部次海盆磁異常條帶的位置及年齡解釋方案參考Li et al. (2014)的成果。Li et al. (2015a)對經(jīng)過U1431井的973SCSIO地震測線進(jìn)行井震聯(lián)合解析, 識別出上新世?更新世沉積邊界(Tpp)、中新世?上新世沉積邊界(Tmp)、中中新世?晚中新世沉積邊界(Tmm)和沉積基底(Tg)4個主要的地震地層界面, 本文對于東部次海盆南部(殘留擴張脊以南)的海盆沉積解釋將基于此成果。

3 結(jié) 果

在過U1431站位的HYM890測線上, 根據(jù)精細(xì)井震標(biāo)定, 識別出主要的沉積邊界Tpp、Tmp和Tmm(圖3)。Tpp界面之上更新統(tǒng)?全新統(tǒng)表現(xiàn)為強反射, 橫向軸水平連續(xù); 而Tmp～Tpp之間地層呈現(xiàn)出弱?空白反射特征(圖3), 與下伏(Tmp～Tmm)和上覆(Tpp之上)地層在能量上形成鮮明對比。沿HYM890測線方向, 殘留擴張脊兩側(cè)基底崎嶇, 海山和深海丘陵發(fā)育, 南側(cè)直至洋陸邊界(COB)基底才較平坦, 與東部次海盆北部基底特點相似(Li et al., 2015a; 圖1中973SCSIO和SO49-017測線), 發(fā)育高角度斷層。

近東西向的HYML320測線與HYM890測線相交(圖1、3、4), 從地震剖面來看, Tpp、Tmp和Tmm等反射界面在東西方向上得到很好的延續(xù), 各沉積邊界橫向均可追蹤; 沉積厚度與南北向一致, 直至東部邊緣, 厚度才開始變薄; 整個剖面斷裂發(fā)育(圖4b),基底之下強反射界面明顯。

HYM1010與HYML320測線在海盆東部邊緣相交(圖1), 整體上沿HYM1010測線方向基底崎嶇; 沉積層較薄(雙程走時僅為0.5 s左右), 與HYML320測線東部一致, 直至馬尼拉海溝沉積厚度才開始增大(圖5); 在馬尼拉海溝附近, 基底之下強反射界面明顯。

3.1 海盆區(qū)基底形態(tài)特征

基于東部次海盆南部三條多道地震剖面的解析結(jié)果, 研究區(qū)海盆基底可分為兩種主要類型(basement type, BT): ①BT1: 海盆基底崎嶇不平, 巖漿侵入體非常發(fā)育, 海山發(fā)育(圖6); ②BT2: 海盆基底相對平坦, 局部有巖漿侵入體發(fā)育(圖7a)。從剖面上可以看出, BT1主要分布在殘留擴張脊兩側(cè), 南側(cè)以磁異常條帶C5En為中心軸, 向兩端延伸約70 km, 往東至東部次海盆邊緣; BT2海盆基底平坦, 并有向海盆南部邊緣隆起的趨勢, 其上覆蓋近乎水平的沉積, 基底與海底基本平行(圖3、7a), 兩種基底形態(tài)特征和分布區(qū)域見圖3、4、5和表1。

Tpp. 上新世?更新世沉積邊界; Tmp. 中新世?上新世沉積邊界; Tmm. 中中新世?晚中新世沉積邊界; Tg. 沉積基底。

3.2 海盆區(qū)沉積充填特征

根據(jù)沉積厚度、可識別的主要地層界面等特征, 海盆區(qū)沉積充填類型可分為三種(sedimentary type, ST): ST1、ST2和ST3, 具體的特征和分布情況見圖3、4、5和表1。從表1可以看出, 基底形態(tài)與沉積充填類型并沒有一一對應(yīng)的關(guān)系, 例如BT1之上發(fā)育ST1和ST3兩種類型的沉積(圖3b、4b、5b), 而BT2之上發(fā)育ST2和ST3沉積(圖3b、4b)。從地層變形特點可以看出, 殘留擴張脊兩側(cè)的ST1沉積遭受嚴(yán)重的后期破壞, Tmm沉積界面并不連續(xù), 沉積厚度變化較大。整體上, 研究區(qū)沉積厚度呈現(xiàn)西部厚, 往東部減薄的特點, 直至馬尼拉海溝沉積厚度才變大(圖7b)。

4 討 論

4.1 東部次海盆南部基底形態(tài)控制因素

研究表明, 西南次海盆擴張中心廣泛發(fā)育深斷裂, 與正常海底擴張產(chǎn)生的洋殼明顯不同, 其洋殼異常薄, 主要表現(xiàn)為構(gòu)造主導(dǎo)型海底擴張的特點(于俊輝等, 2017; Yu et al., 2018)。在海盆擴張過程中當(dāng)巖漿供應(yīng)充足時, 形成較為平坦的海盆基底, 與東部次海盆中的BT2一致(圖3a); 而當(dāng)巖漿供應(yīng)量不足時, 則形成由正斷層控制的掀斜塊體(丁航航等, 2019)。因此, 南海海盆基底形態(tài)受擴張中心巖漿供應(yīng)變化和構(gòu)造拉張控制。與西南次海盆不同, 東部次海盆擴張過程較為復(fù)雜, 特別是在西南次海盆擴張之前, 東部次海盆經(jīng)歷兩次擴張脊向南躍遷, 在第二次洋中脊躍遷之前擴張速率非常不穩(wěn)定(中速→慢速→中速; 圖8), 之后才與西南次海盆一致為慢速擴張(全擴張速率50～35 mm/a)。但是, IODP 349鉆獲得的洋殼玄武巖研究顯示, 東部次海盆與西南次海盆在擴張末期巖漿特征雖均顯示印度洋型地幔域特征, 但又有區(qū)別。東部次海盆主要為橄欖玄武巖(U1431, 位于C5Cr和C5b之間; 圖3b), 西南次海盆主要為斜斑玄武巖(U1434, 位于C5Cr和C5b之間)(Zhang et al., 2018); 而且東部次海盆巖漿熔融程度相對較高, 具有相對快速擴張洋中脊的特點, 西南次海盆巖漿熔融程度相對較低, 具有慢速擴張洋中脊的特點(Yang et al., 2019)。IODP U1431和U1433井獲得的地質(zhì)記錄顯示, 東部次海盆在經(jīng)歷早中新世(約20～16 Ma)南東向擴張后, 經(jīng)歷短暫的近南北向擴張(約16～15 Ma), 直到海盆擴張停止。擴張方向的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致南北向轉(zhuǎn)換斷層的產(chǎn)生(Sun et al., 2019a; Zhao et al., 2019), 形成中南斷裂帶、殘留擴張脊及其兩側(cè)的大量海山。

東部次海盆南緣洋陸邊界(COB)和洋陸轉(zhuǎn)換帶(COT)的解釋參考自Franke et al. (2011)。

圖4 HYML320測線地震剖面(a)與地質(zhì)解釋圖(b)(圖例同圖3)

圖5 HYM1010測線地震剖面(a)與地質(zhì)解釋圖(b)(圖例參考圖3)

圖6 研究區(qū)BT1典型特征

圖7 研究區(qū)BT2典型特征(a)和馬尼拉海溝沉積特征(b)

表1 研究區(qū)基底和沉積類型及分布

從平面上看, 東部次海盆擴張脊兩側(cè)自西向東海山數(shù)量和規(guī)模逐漸增大(圖1)。從地震剖面上看, 海盆基底自西向東隆起逐漸加劇(圖4)。從HYM890和HYML320測線來看, 在NW-SE方向上, BT1所在的區(qū)域, 基底之下內(nèi)部反射非常明顯, 并且展現(xiàn)出以擴張脊為中心南北對稱的特點, 但進(jìn)入BT2區(qū)域, 內(nèi)部反射明顯減少(圖3b、4b); 在HYML320測線上, BT1向東延續(xù)至馬尼拉海溝, 同樣, 基底之下內(nèi)部反射非常發(fā)育(圖9)。整個BT1范圍內(nèi), 除海山發(fā)育之外, 深海丘陵同樣非常常見, 整體呈現(xiàn)出基底向上明顯隆起的特點(圖3、4、6)。綜上可以推測, BT1應(yīng)受海底擴張停止后強烈的火山活動控制, 呈現(xiàn)基底隆起、深海丘陵和海山發(fā)育的特點, 基底之下內(nèi)部反射發(fā)育是頻繁、強烈?guī)r漿活動的直接證據(jù); 而BT2區(qū)域受擴張后巖漿活動影響較小, 呈現(xiàn)出基底相對平坦的特點。此外, 研究區(qū)內(nèi)基底隆起呈現(xiàn)自西向東升高的特點(圖3、5、6), 推測海盆東緣火山活動更強烈、巖漿供應(yīng)更充足。

東部次海盆海底擴張速率: 34～29 Ma, 全擴張速率約80 mm/a; 29～25 Ma,全擴張速率約25 mm/a; 25～23.6 Ma, 平均全擴張速率約70 mm/a; 23.6～15 Ma, 全擴張速率為50～35 mm/a(Li et al., 2014)。

研究區(qū)位于南海東部海盆殘留擴張脊及南部穩(wěn)定洋殼區(qū)域。研究表明, 洋殼頂部及沉積基底形態(tài)通常與海底擴張速率有關(guān)。當(dāng)海底擴張速率為快速?超快速時, 區(qū)域易形成地殼厚度穩(wěn)定(一般厚5～8 km)、同擴張斷層少、平坦的沉積基底, 并且基底與沉積層有明顯的強反射波阻抗界面。多道地震資料揭示南海西南次海盆東北段、東部次海盆北部區(qū)域的洋殼性質(zhì)、地形平坦的沉積基底結(jié)構(gòu)(Ding et al., 2018; 丁航航等, 2019; Yu et al., 2021), 對應(yīng)為快速的海底擴張。BT2區(qū)域具有相似反射特征、海盆基底結(jié)構(gòu)平坦、發(fā)育斷層少量的特征, 其對應(yīng)的磁異常條帶主要為C6A到南部的洋陸轉(zhuǎn)換帶邊界(COB), 時代為33～20 Ma, 表現(xiàn)為中速?慢速?中速?慢速的擴張?zhí)攸c(圖8), 這與圖3中27～25 Ma(慢速擴張期)期間存在一段基底相對崎嶇、斷層相對兩側(cè)發(fā)育的現(xiàn)象吻合。另外, BT2區(qū)域往東部馬尼拉海溝分布的范圍更靠近殘留擴張脊, 因此BT2的區(qū)域年齡應(yīng)晚于20 Ma (C6A)。我們推測這一現(xiàn)象可能與擴張速率也有關(guān)。從磁異常條帶看C5En到殘留擴張脊, C6A～C5En之間的垂直擴張方向的距離由西往東逐漸增大, 表明東部擴張速率快于西部, 從而使得東部形成的平坦基底范圍更廣。另外, BT2基底在東部靠近馬尼拉海溝區(qū)域呈現(xiàn)基底撓曲隆升, 沉積層內(nèi)斷層發(fā)育的現(xiàn)象, 應(yīng)是南海海盆受到東部菲律賓板塊仰沖作用, 東側(cè)洋殼受到上覆板塊荷載作用而使得南海東部海盆靠近海溝一側(cè)的板片發(fā)生撓曲變形(高紅芳等, 2020), 從而形成基底相對抬升的現(xiàn)象。

ST1、ST1、ST3和BT1、BT2、BT3見表1和圖3～7。

當(dāng)海底擴張速率為慢速或超慢速時, 供給洋殼形成的巖漿呈現(xiàn)不均的現(xiàn)象, 從而形成厚度不均、斷塊發(fā)育、沉積基底掀斜, 甚至發(fā)育拆離斷層、發(fā)生蛇紋石化、形成大洋核雜巖等現(xiàn)象。這表明海底擴張過程中, 復(fù)雜的巖漿和構(gòu)造作用控制基底結(jié)構(gòu)不平坦、斷層發(fā)育的特征。多道地震和OBS資料也顯示, 西南次海盆中段發(fā)育的構(gòu)造作用控制基底結(jié)構(gòu)復(fù)雜的洋殼基底(Yu et al., 2018; 丁航航等, 2019), 這種基底結(jié)構(gòu)與研究區(qū)BT1區(qū)域類似。然而, 對比西南次海盆中段和東北段, 我們發(fā)現(xiàn)BT1區(qū)域海底擴張速率相對西南次海盆大(C6A?殘留擴張脊磁異常條帶相對寬)。另外, 西南次海盆東北段存在平坦和崎嶇兩類基底結(jié)構(gòu), 分別對應(yīng)相對快和慢的擴張速率, 可能與擴張過程周期巖漿供給有關(guān)。通過分析我們發(fā)現(xiàn), 相對西南次海盆BT1區(qū)域出露海山數(shù)量多、規(guī)模大, 而且穩(wěn)定的沉積層與洋殼之間基底的呈現(xiàn)強、中等的連續(xù)反射, 可能是海底擴張后強烈?guī)r漿活動與沉積層互層造成。另外, IODP鉆井資料顯示海底擴張結(jié)束后, 中中新世洋盆區(qū)沉積速率較低(Ding et al., 2016), 南海的海山拖網(wǎng)資料也顯示中中新世洋盆區(qū)火山活動強烈, 具有多期次的現(xiàn)象。因此, 慢速海底擴張對應(yīng)的掀斜斷塊形成的崎嶇基底, 擴張結(jié)束形成的海山直接堆積在早期洋殼之上, 以及沉積層、洋殼和火山碎屑巖復(fù)合而成的基底使得海底擴張時形成的沉積基底結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

綜上分析, 我們推測南海東部海盆基底結(jié)構(gòu)形態(tài)受海底擴張速率、板片俯沖撓曲和擴張后巖漿活動等因素綜合控制。

4.2 東部次海盆南部沉積特征及其控制因素

在U1431所在的殘留擴張脊北部海盆(HYML320測線; 圖1), 上新統(tǒng)(Tmp～Tpp)具弱、連續(xù)性好、平行反射的特征, 其上覆蓋的更新統(tǒng)為水平層狀強反射, 而之下的中新統(tǒng)反射軸為亞平行, 能量強弱不一(圖2b)。中新世?上新世界面(Tmp)上下反射特征的劇烈變化與同時期(～5 Ma)南海海盆周圍劇烈的構(gòu)造?沉積事件有關(guān), 如呂宋島弧與歐亞板塊持續(xù)碰撞導(dǎo)致的臺灣造山事件(Huang et al., 2001)、北部大陸邊緣加速沉降(Clift and Lin, 2001)和南海海盆西緣沿紅河斷裂帶左行剪切向大規(guī)模右行走滑運動轉(zhuǎn)換等(Clift and Sun, 2006; Zhu et al., 2009)。

在殘留擴張脊的南側(cè)(沿HYM890測線方向), 受海底擴張停止后至早上新世(15～5.3 Ma)火山活動的持續(xù)影響, 基底呈現(xiàn)出崎嶇的形態(tài), 深海丘陵和小海山發(fā)育。南側(cè)Tmp之下地層連續(xù)性比擴張脊北部差, 厚度也小, 但局部依然可以識別出Tmm界面(圖3)。上新世, 火山活動逐漸停止, 發(fā)育較完整的上新統(tǒng)?更新統(tǒng)(圖10)。上新統(tǒng)及以后地層在東西方向也得到很好的延續(xù), 如沿HYML320測線, 往東、西方向都發(fā)育有完整的上新統(tǒng)(圖10), 且一直延續(xù)到海盆東部邊緣, 之后基底整體隆起, 沉積厚度驟降(圖6b), 該基底隆起區(qū)域?qū)|部次海盆中心與馬尼拉海溝隔斷。進(jìn)入馬尼拉海溝之后, 沉積厚度明顯增加, 表現(xiàn)為巨厚的更新統(tǒng)沉積(Tpp邊界之上; 圖7b)。從東部邊緣基底隆起區(qū)(圖9; ST3區(qū)域)兩側(cè)的沉積特征可以看出, ST3區(qū)域應(yīng)是受擴張停止后最末期強烈火山活動(～5 Ma)的影響, 導(dǎo)致該區(qū)域基底進(jìn)一步隆起, 造成兩側(cè)物源無法供給, 沉積較兩側(cè)薄。馬尼拉海溝因地勢低洼, 接受東部豐富的陸源沉積(呂宋島弧), 形成較厚的上新統(tǒng)?更新統(tǒng)。

IODP井震對比研究顯示, 在西南次海盆和東部次海盆南部, 中新世?上新世均發(fā)育有大量的碳酸鹽巖沉積, 并在早更新世地層中識別出強地震反射界面——Tpp反射界面(Li et al., 2015a)。該界面之上為黏土質(zhì)沉積, 之下為高速的碳酸鹽巖層, 因此形成強反射軸。本文ST2沉積及洋陸過渡帶區(qū)域, Tpp反射界面清晰可見(圖3、7a); 但是在BT1區(qū)域, 該界面并不明顯。東部次海盆以南的南沙地塊和禮樂地塊廣泛發(fā)育碳酸鹽巖(Franke et al., 2011; 王利杰等, 2019),為東部次海盆提供豐富的碳酸鹽巖物源, 并以濁流沉積等作用輸送到海盆中心(Li et al., 2015a)。但是, 南海海底擴張停止后, 擴張脊兩側(cè)因受強烈火山活動的持續(xù)影響(楊蜀穎等, 2011; 高金尉等, 2015; Sun et al., 2019a), 形成高聳的海山, 阻礙南部陸緣物質(zhì)的供給, 導(dǎo)致BT1區(qū)域沉積厚度明顯比BT2區(qū)域和洋陸轉(zhuǎn)換帶薄。當(dāng)然, BT1區(qū)域基底并非整體隆起, 但目前因缺乏更多的地震剖面控制而不能進(jìn)行更細(xì)致的劃分。標(biāo)志性的上新世地層在殘留擴張脊兩側(cè)的特征稍有不同, 北邊反射更弱而南邊稍強, 推測與東部次海盆南北部的物源供給差異有關(guān), 擴張脊北部主要由北部陸緣供給, 而擴張脊南部主要由南海南部陸緣供給。此外, 馬尼拉海溝上新統(tǒng)沉積地層反射特征與海盆區(qū)不同, 推測也是物源差異所致。

圖10 HYM890與HYML320地震剖面交點處三維圖

綜上所述, 研究區(qū)沉積充填受構(gòu)造、沉積作用和物源供給共同控制, 臨近擴張脊一側(cè)因受南海擴張停止后持續(xù)強火山活動影響, 基底隆起, 一定程度上阻礙南部地塊的物源輸入, 導(dǎo)致東部次海盆南部靠陸緣一側(cè)沉積厚, 而臨近擴張脊一側(cè)沉積薄, 且Tpp沉積界面之下地層受后期改造嚴(yán)重; 而研究區(qū)東部邊緣因基底構(gòu)造隆起更強, 形成極薄的沉積。此外, 擴張脊兩側(cè)同時代地層在地震反射特征上的差異主要是物源差異所致。

馬尼拉海溝是呂宋島弧與東部次海盆在南海海底擴張停止后持續(xù)俯沖碰撞的最前緣。從地震剖面上看(圖11), 馬尼拉海溝沉積厚度在1 s(TWT)左右, Tmp沉積邊界之上地層反射軸橫向連續(xù)性好, 上新統(tǒng)(Tmp～Tpp)整體呈現(xiàn)較弱反射特征, 但比東部次海盆擴張脊北部(圖3a)稍強; 海溝底部沉積遭受巖漿侵蝕, 地層表現(xiàn)為雜亂、模糊反射, Tmp邊界之下地層受后期擠壓破裂明顯。整個海溝基底遭受東西方向的擠壓, 基底褶皺變形, 并有明顯的錯斷(圖11b)。此外, 整個海溝沉積充填區(qū)表現(xiàn)為東側(cè)稍向上隆起的特點。

Sun et al. (2019a)對IODP U1431井的沉積巖和玄武巖巖心進(jìn)行宏觀構(gòu)造研究, 沉積巖中共軛斷裂、滑擦面方向變化表明, 在東部次海盆擴張末期(約16～15 Ma), 受東部菲律賓海板塊北西向擠壓的持續(xù)影響; 在海底擴張結(jié)束后, 東部次海盆受到北西西方向的擠壓, 且該方向與擴張停止后殘留擴張脊兩側(cè)海山群的長軸方向基本一致。直至現(xiàn)今, 由于馬尼拉海溝的俯沖作用和呂宋島弧與巴拉望東北部的持續(xù)碰撞, 向東往馬尼拉海溝俯沖的洋殼發(fā)生撓曲變形, 造成基底隆起(Hall, 2002; Liu et al., 2014; Li et al., 2015a)。因此可以推測, 早上新世之前, 海溝基底與沉積充填受海底擴張停止后至早上新世(15～5.3 Ma)火山活動與東部菲律賓海板塊北西向擠壓的共同影響; 而早上新世, 由于整個東部次海盆巖漿活動基本停止, 海溝沉積則主要受東部菲律賓海板塊擠壓影響, 因此表現(xiàn)為Tmp之上地層基本沒有被巖漿侵入破壞的痕跡(圖11), 海溝沉積充填區(qū)東側(cè)隆起則主要是受東部擠壓所致; 更新世之后(Tpp–海底), 海溝沉積趨于穩(wěn)定, 東側(cè)的呂宋島弧為海溝沉積的主要物源區(qū)(圖11)。

4.3 東部次海盆南部海底擴張停止后沉積?構(gòu)造演化

東部次海盆在經(jīng)歷早中新世的南東向擴張后, 在末期擴張方向轉(zhuǎn)向近南北向, 直到海盆擴張停止(圖12a; Sun et al., 2019a; Zhao et al., 2019), 同時, 東部次海盆巖漿活動開始加強; 中中新世, 南海東部的呂宋島弧和菲律賓海板塊逐漸向西運動并與東部次海盆發(fā)生俯沖碰撞(Li et al., 2015a)。

從現(xiàn)今的東部次海盆海底地形可以看出, 東部次海盆北部和中央殘留擴張脊上分布更多的大型海山, 而擴張脊南部雖然基底隆起更高(圖3、4、5), 但鮮有大型海山, 這與南海海底擴張停止后巖漿作用的非對稱分布有關(guān)(Zhao et al., 2019)。以往研究認(rèn)為, 在南海海盆擴張初期“海南地幔柱”起到助推作用, 即地幔柱模式(Flower, 1998; Lebedev and Nolet, 2003; Zhao, 2007; Zhang et al., 2018)。而最新的研究顯示, 南海擴張末期發(fā)現(xiàn)的“地幔柱”信號在南海初始拉張時并未出現(xiàn)(Yu and Liu, 2020), 因此無法證實“海南地幔柱”為南海初始拉張的動力來源, 而其應(yīng)是南海形成之后的產(chǎn)物。因此, “海南地幔柱”很有可能是東部次海盆擴張停止后非對稱巖漿作用的主要成因(圖12b)。而且, 擴張脊的向南躍遷可能造成兩條殘留擴張脊之間的地幔非均質(zhì)性加強, 地幔熔融產(chǎn)生的巖漿沿巖石圈薄弱帶遷移, 造成擴張后的海山在東部次海盆北部聚集噴發(fā), 也可能是導(dǎo)致北部大型海山發(fā)育的原因之一(Zhao et al., 2019)。值得注意的是, 從本研究地震剖面揭示的基底形態(tài)可以看出, 東部次海盆東部邊緣基底隆起較西側(cè)強烈, 這可能是東部邊緣巖漿活動持續(xù)的時間更長和/或受菲律賓海板塊持續(xù)俯沖導(dǎo)致的構(gòu)造撓曲作用所致。

圖11 馬尼拉海溝地震剖面(a)與地質(zhì)解釋(b)(測線位置見圖7b)

上新世之后, 東部次海盆的巖漿活動停止, 火山活動也逐漸停止(圖12c), 東部次海盆與呂宋島弧沿馬尼拉海溝拼貼, 受菲律賓海板塊北西西向的持續(xù)擠壓應(yīng)力作用, 臺灣造山帶開始形成; 呂宋島弧西南部與東北巴拉望繼續(xù)碰撞, 造成東部次海盆南部隆升(Hall, 2002; Liu et al., 2014; Li et al., 2015a), 形成系列高角度的正斷層(圖3)。在此期間(16～5.3 Ma),東部次海盆南北部始終有穩(wěn)定的物源供給, 擴張脊北側(cè)以華南陸緣提供的陸源碎屑為主(Li et al., 2015a), 而東部次海盆南部則有來自南海南部的陸源碎屑和南沙地塊、禮樂地塊等的豐富碳酸鹽巖碎屑(Franke et al., 2011; 王利杰等, 2019); 馬尼拉海溝則接受呂宋島弧豐富的陸源沉積, 形成較厚的上新統(tǒng)?更新統(tǒng)。

5 結(jié) 論

本文通過跨越南海中央殘留擴張脊和橫穿東部次海盆南部的多道地震剖面, 結(jié)合IODP 鉆井和國內(nèi)外相關(guān)研究, 探究東部次海盆南部的基底形態(tài)、沉積充填和巖漿供應(yīng)特征, 主要獲得以下認(rèn)識:

(1)基于東部次海盆南部三條多道地震剖面的解析結(jié)果, 將研究區(qū)海盆的基底分為兩種主要類型, 接近中央殘留擴張脊一側(cè)因受海底擴張停止后強烈火山活動控制, 基底崎嶇、深海丘陵和海山發(fā)育; 而南部區(qū)域受擴張后巖漿活動影響較小, 呈現(xiàn)出基底相對平坦的特點。此外, 研究區(qū)內(nèi)基底隆起呈現(xiàn)自西向東升高的特點, 推測南海東部海盆基底結(jié)構(gòu)形態(tài)受海底擴張速率、板片俯沖撓曲和擴張后巖漿活動等因素綜合控制。

圖12 南海中央擴張脊兩側(cè)及東部次海盆南部海底擴張與構(gòu)造?沉積演化過程

(2) 根據(jù)沉積厚度、可識別的主要地層界面等特征, 將研究區(qū)沉積充填類型分為三種。研究區(qū)沉積充填受構(gòu)造、沉積作用和物源供給共同控制, 臨近擴張脊一側(cè)因受南海擴張停止后持續(xù)強火山活動影響, 造成基底隆起, 一定程度上阻礙南部地塊的物源輸入, 導(dǎo)致東部次海盆南部靠陸緣一側(cè)沉積厚; 而臨近擴張脊一側(cè)沉積薄, 且上新世?更新世沉積界面之下地層受后期改造嚴(yán)重; 東部邊緣因基底構(gòu)造隆起更強, 形成極薄的沉積。

(3)早上新世之前, 馬尼拉海溝基底與沉積充填受海底擴張停止后至早上新世(15～5.3 Ma)火山活動, 與東部菲律賓海板塊北西向擠壓的共同影響; 早上新世, 東部次海盆巖漿活動基本停止, 海溝沉積則主要受東部菲律賓海板塊擠壓影響, 海溝沉積充填區(qū)東側(cè)隆起主要受東部擠壓所致; 更新世, 海溝沉積趨于穩(wěn)定, 東側(cè)的呂宋島弧為海溝沉積的主要物源區(qū)。

致謝:感謝廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局深部地球物理研究團(tuán)隊成員的有益討論。感謝中國海洋大學(xué)李三忠教授和中國科學(xué)院南海海洋研究所孫珍研究員對本文提出的寶貴修改意見！

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Basement and Sedimentary Characteristics and Controlling Factors of the Southern East Sub-basin, South China Sea

ZHAO Bin1, 2, WANG Lijie1, 2*, ZHANG Baojin1, 2, GENG Minghui1, 2, QIN Xuwen2, 3, ZHANG Ruwei1, 2, YANG Zhen1, 2, CHEN Xi1, 2, Lü Wenchao3, ZHANG Xudong1, 2

(1.Guangzhou Marine Geological Survey, China Geological Survey, Guangzhou 510760, Guangdong, China; 2.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, Guangdong, China; 3. China Geological Survey, Beijing 100037, China)

The east sub-basin (ESB) of the South China Sea (SCS) experienced a complete seafloor spreading process. A systematical study of the ESB is extremely important for a thorough understanding of the evolution of the SCS. This paper studies the basement morphology, sedimentary and magmatic activities of the ESB through interpretation of three multi-channel seismic profiles, and reveals the east-west direction tectonic and sedimentary characteristics of the southern ESB for the first time. The results indicate that the southern ESB has two styles of basement, i.e., the rugged deep-sea hills and seamounts characterized by a westward declining basement uplift, and the relatively flat basement with localized distribution of magmatic intrusions. It is inferred that these two styles of basement are jointly controlled by the seafloor spreading rate, magmatism, and tectonism. Three sedimentary filling types are identified, which are controlled by the tectonic, sedimentation, and provenance. Overall, the deposit is thinner near the fossil spreading ridge and thicker near the southern continental margin. As a result of structural deflection, the basement uplift at the eastern margin was much intensive, and accumulated sediments with thickness of over 160 meters. A tectonic-sedimentary evolution model of the southern ESB was simulated based on the sedimentary-tectonic-magmatic characteristics. The model covers a geological period ranging from 16 Ma to the present, which would be of great significance to the study of the SCS evolution.

basement structural; basin sedimentary; magma supply; tectono-sedimentary evolution; South China Sea; east sub-basin

2021-01-03;

2021-06-08;

2022-07-21

南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(廣州)人才團(tuán)隊引進(jìn)重大專項(GML2019ZD0207)、中國地質(zhì)調(diào)查局項目(DD20201118)和同濟大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點實驗室開放基金項目(MGK202007、MGK1920)聯(lián)合資助。

趙斌(1987–), 男, 碩士, 高級工程師, 主要從事地質(zhì)與地球物理研究。E-mail: zbin_a@mail.cgs.gov.cn

王利杰(1982–), 男, 博士, 高級工程師, 主要從事海洋地質(zhì)與地球物理研究。E-mail: ljwang@scsio.ac.cn

P542; P539

A

1001-1552(2022)05-0884-014

10.16539/j.ddgzyckx.2022.03.018