琼东南盆地地壳伸展因子计算及其伸展模式探讨.pdf

卷 ( V o l u m e ) 3 6 ， 期 ( N u mb e r ) 2 ， 总 ( S U M) 1 3 3 页 ( P a g e s ) 2 0 4 2 0 8 ，2 0 1 2 ， 5 ( M a y ， 2 0 1 2 ) 大 地 构 造 与 成 矿 学 Ge o t e c t o n ic a e t Me t a l l o g e n ia 琼东南盆地地壳伸展 因子计算及其伸展模式探讨 贺超 ， 龙根元。 ， 吴世敏 ( 1 中 国科 学 院 边缘 海 地质 重 点 实验 室 ， 中国科 学 院 南海 海 洋研 究 所 ， 广 东 广 州 5 1 0 3 0 1 ； 2 中 国科 学 院 研 究生 院 ， 北京 1 0 0 0 4 9 ； 3 海 南省 海 洋地质 调 查研 究院 ， 海 南 海 口 5 7 0 2 0 6； 4 中 山大 学 地 球科 学 系， 广 东 广 州 5 1 0 2 7 5 摘要 ： 对伸展 因子 J B的计算分析 ， 可认 识岩石圈的伸展变形特 点。基于琼东 南盆地具有 “ 多米 诺” 伸展断 层构造 的 5条反射地震 剖面资料 ， 利用“ 多米诺 ” 伸展断层模式计算 了上地 壳伸展 因子 ， 其值分 布在 1 1 71 5 8之 间 ； 与 对应位 置的全地 壳和岩石圈的伸展因子 比较 ， 结果显示上地壳 、 全地壳和岩石圈伸展 因子三者之 间存在差别 ， 但 不 是 简单 的随深度增大 ， 具体表 现为盆地 中北 部的岩石圈伸展 变形特点 为岩石 圈伸展 因子大 于全地壳 大于上 地壳 ， 盆地西南部则表现为全地壳最大 ， 岩石 圈最小。通过计算 ， 结合研究 区相关研究成 果 ， 本文认 为琼东南 盆地岩石 圈 发生了随深度变化的伸展变形 ； 不同构造位置的岩石圈伸展变形存在明显差异。 关键词 ： “ 多米诺” 伸展断层 ； 伸展因子 ； 与深度相关 的岩石 圈伸展 ； 琼东南盆地 中图分类号 ：P 5 4 2 ； T E l 2 1 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 1 5 5 2 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 2 0 4 - 0 0 5 0 引 言 对 岩石 圈伸 展 变形 的认识 发展 到 今天 ， 主要 停 留在 两个 端元 模 型 ， 即 纯 剪 模 型 ( Mc K e n z ie ，1 9 7 8 ) 和单 剪 模型 ( We r n ic k e ， 1 9 8 5 ) 。纯 剪模 式 假 设 盆地 地壳和岩石圈的伸展量是相同的， 伸展因子 是 唯 一 的 ； 而单剪 模式 则 认 为 盆地 岩石 圈 的伸 展 是 非均 一 的 ， 即存在上地壳 、 全地壳、 岩石圈伸展因子。在 对伸展模式 的判断中， 伸展 因子 起到一定检验作 用 。伸展因子 ， 即伸展前后的地壳厚度之 比， 是定 量描述岩石圈变薄程度的参数 ( Mc K e n z i e ，1 9 7 8 ) 。 值越大， 表 明地壳减薄程度越显著。因其涉及 到 盆 地 的沉 降充填 、 沉 积物埋 藏 及热演 化史 等 ， 是研究 盆地构造演化史最重要的基本参数之一 。 目前 ， 计算伸展 因子 的方法主要有 ： ( 1 ) 沉降 史分 析。利用钻井 、 地震剖面资料 ， 进行 古水深校 正 、 压 实 校正 、 古海 平 面校正 和沉 积物 重力 均衡 校正 后 ， 求得构造沉降量 ， 通过构造沉 降量反演伸展 因 子 。该方法是 目前最常用的方 法 ； ( 2 ) 从地壳减 薄 的角度 ， 直接通过地壳厚度计算伸展 因子 ， 即初始 地壳厚度与减薄后地壳厚度之 比。该方法普遍运用 于对整个研究区的大面积计算。在实际操作 中， 初 始地壳厚度为估算 ， 拉伸后地壳厚度为重磁数据或 者深 部 地震 资料 反 演 得 出的 Mo h o面 深度 减 去新 生 代沉 积层 厚度 ； ( 3 ) “ 多米 诺 ” 伸 展 断 层 模 式 ( d o mi n o s t y l e f a u l t b l o c k m o d e 1 ) ， 即旋 转平 面式 断 层模 式 。 利用三角形边角关系计算求得伸展因子 。 这些方法各有优缺点 ， 如第一种方法涉及古水 深估算、 古海平面变化以及去压实等 ， 并且要求正 、 反演结合 ， 计算复杂 ， 影响因素较多， 存在一定不确 定性 ； 第二种方法在软流圈发生熔融产生底侵作用 的地 区或者初 始 地壳 厚 度 难 以估 算 的地 区 ， 容 易 产 生误差 ； 第三种方法要求地震剖面质量高， 地层分层 明确 ， 断层分布与样式相对简单 、 清晰。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 6 2 9 ；改 回日期 ： 2 0 1 11 2 2 9 项 目资助 ：国家重点基础研究发展计划项 目( 2 0 0 7 C B 4 1 1 7 0 6 5 ) 资助 。 第一作者简介 ：贺超 ( 1 9 8 6一) ， 女 ， 硕士研究生 ， 从事大陆边缘构造研究。E ma i l ： 2 8 2 3 7 0 2 9 6 1 6 3 c o rn 第 2期 贺超等 ：琼东南盆地地壳伸展 因子计 算及 其伸展模式探讨 2 O 5 南 海北 部新 生代 沉 积盆 地历 经数 十年 的石 油勘 探 ， 对 盆地 的地 层分 层较 为详 细 ， 同 时琼东 南盆 地 的 伸展构造表现出相对简单的“ 多米诺 ” 伸展断层 ( 龙 根元 等， 2 0 1 0 ) ， 因此 ， 本文利用 “ 多米诺” 伸展断层 模式对琼东南盆地的伸展 因子进行计算 ， 然后结合 其 它方 法计 算 的伸 展 因 子 进行 对 比 ， 最 后 探 讨 盆 地 的伸 展 模型 。 1 区域地质背景 琼东南盆地位于南海北部大陆边缘西南部， 其北 侧为海南隆起区， 东侧为神弧隆起区， 东南与西沙隆起 区相邻， 西侧以 1 号断裂与莺歌海盆地相接( 图 1 ) 。 琼 东南 盆 地 的基底 由前 古 近 系 的火 成 岩 、 变 质 岩及沉积岩组成 ， 包括花岗岩 、 混合岩 、 角砾岩、 凝灰 岩、 集块岩、 安 山玢岩 、 英安流纹岩、 白云岩等( 魏魁 生等 ， 2 0 0 1 ) 。盆 内主要 充填 古近 纪 新 近纪 地 层 ， 从 下至 上分 别 为始 新 统 ( 一 T 8 ) 、 渐 新 统 崖 城 组 ( T 8 - T 7 ) 、 渐新 统 陵水 组 ( T 7 T 6 ) 、 中新统 三 亚组 ( T 6 - T 5 ) 、 中新 统 梅 山 组 ( T 5 - T 4) 、 中 新 统 黄 流 组 ( T 4 一 T 3 ) 、 上新统莺歌海组 ( T 3 T 2 ) 以及第四系( T 2 ) 。 琼 东 南 盆 地 断 裂 主要 发 育 于 古 近 系 裂 陷构 造 层 ， 表 现 为 N E、 近 E W 、 N W- N WW 向 3组 断 裂 。 自 西 向东 ， 整 个 盆 地 的 断 裂 空 间 展 布 呈 现 出 由 近 E W 向为 主往 以 N E向 为主转 变这 一规 律 。 断 层 及 编 号囡一 级 构 造 界 线 二 级 构 造 界 线臣 三 三 盆 地 边 界 团多 米 诺 半 地 堑E 三 三 测 线圆隆 起 带匠 凹 陷圆钻 井 号 图 1 琼东南盆 地构 造区 划分、 主要 断裂 分布 以及 地震 测线图( 据龙根元 等 ， 2 0 1 0， 已修改 ) Fi g 1 Ske t c h ma p s howi ng t e c t o ni c un i t s，m a i n f a ul t s a n d p r o f i l e s i n t h e Qi o n g d o n g n a n b a s i n 琼 东 南盆 地 经 历 裂 陷和 裂 后 两 大 阶段 ， 以破 裂 不整合面 T 6为界划分为上 、 下构造层 ， 上构造层为 统一坳陷， 断裂不发育 ； 下构造层 断裂构造非 常发 育 ， 相 互 分割 盆地 ， 形成 了多个 凹陷 。盆地 分 为三个 坳 陷带 ( 图 1 ) ： 北 部坳 陷带 、 中央坳 陷带 和南 部 坳 陷 带。北部坳 陷带发 育了崖北 、 崖南 、 松西和松东 凹 陷 ， 构 造样 式 为半 地 堑 ； 南 部 坳 陷 带 发 育 了北 礁 凹 陷、 玉琢礁 凹陷等 ， 构造样式主要为半地堑 ； 中央坳 陷带发育了乐东、 陵水、 松南和宝岛凹陷， 地堑为其 主要的构造样 式 ( 龙根 元等 ， 2 0 1 0 ) 。其 中， 半地堑 为琼东南盆地裂陷期最基本的构造样式 ， 其 中又 以 “ 多米诺 ” 式 半 地 堑作 为 琼 东 南 盆地 半 地 堑 构 造 样 式 中常见 的一 种 ， 在 坳 陷 、 低 隆起 带均 有发 育 。该类 型半地堑 由2条或 2条 以上 、 同向倾斜 的正断层组 成 ， 整 体形 态呈 锯齿 状 、 内部地 层 结构相 似 且断层 与 地层倾 向相反( 李奋其 ， 2 0 0 3 ； 龙根元等 ， 2 0 1 0 ) 。随 着盆地拉张作用 的进行 ， 断层 、 断盘都发生旋转 ， 导 致 断层 倾角 逐 渐减 小 而地 层倾 角 逐 渐 加 大 ， 从 而 实 现 了岩 石 圈的伸 展 ( S c h l i s e h e ， 1 9 9 1 ) 。 2 数据来源及处理 ，1 2 5 0 t - I- 1 O 1 7 5 f + 0 5 ( t 1 8 S ) Z=? 2 0 1 0 t +6 3 0 8 t + 4 5 0 1 ( 1 8 s 3 0 s ) 3 伸展 因子计算方法与结果 3 1 “ 多米诺 ” 式 断盘模 式 的提 出 “ 多米 诺 ” 伸展 断层 是 在 拉 张应 力 作 用下 ， 断层 和断 盘均 发生 旋转 所 形 成 的正 断层 ， 又 称 为旋 转 平 面式 正断层 ， 在不 同尺 度 、 几何 学 形态 中均 识别 出这 种 类 型 的断层 ( A x e n ， 1 9 8 8 ) 。该 类构 造最 早在 研究 北美西部盆岭构造时在拆 离构造带上发现。尔后 ， 该 区域发育的断层等伸展构造特征也运用到其它伸 展 系 统 中， 特 别 是 被 动 大 陆 边 缘 ( We r n i c k e a n d B u r c h fi e l ， 1 9 8 2 ) 。 We r n i c k e a n d B u r c h fi e l ( 1 9 8 2 ) 在 A i r y均衡模式 第 2期 贺超等 ： 琼 东南盆 地地壳伸展因子计算及 其伸 展模 式探讨 2 0 7 为简 单 剪切模 型 ， 晚始 新世 一 渐 新 世 早 中新 世则 是 通过 纯剪 切模 式 完成 的 。 伸 展模 型 的差 异将 导 致 伸 展 因 子 的不 同 ， 因此 可以通过检查伸展因子 的空间分布特点 ， 检验伸展 模型 。为此 ， 我们进一步对本文 5条剖面“ 多米诺 ” 伸展 断层 位 置 ， 利 用 刘 兵 对 琼 东 南 盆 地 的基 底 及 Mo h o面 的反 演 数 据 ， 采 用 初 始 地 壳 厚 度 ( 假 设 为 3 2 k m) 与现 今地 壳厚 度 之 比的 方法 ， 得 到对 应 位 置 的全地壳伸展 因子， 取平均值 ； 另外在对应 的“ 多米 诺 ” 伸 展 断层 与 基 底 ( T g ) 交 点 ， 采 用 虚 拟 钻 井 的 方 式 ， 利用构造沉降史分析 方法反演 出岩石圈伸展因 子 ， 求 其平 均值 ， 其 中 ， 古 水 深 数 据 借 助 林 畅 松 和 张 艳梅 ( 1 9 9 7 ) 计算莺 一琼盆地沉降曲线的方法； 全球 海平面参考 H a q e t a 1 ( 1 9 8 7 ) 三级全球海平面变化 数据 ； 通过钻井 Y C 2 1 1 3 ( 平面位置见图 1 ) 泥岩 、 砂 岩 百 分 比含量 统计数 据 ， 利 用 F l e x D e c o m p软件 ( 英 国 B a d l e y G e o s c i e n c e L t d软件产 品) 白带计算工具 ， 求得各层对应 的沉积物颗粒 密度 P ， 孔隙度 F及 压 实 系数 c 。与 5条剖 面 “ 多米诺 ” 伸 展断 层位 置 的 上 地壳 伸展 因 子 的平 均值 比较 ， 其 结 果 如 图 5 。从 结果 来看 ， 上地 壳 、 全 地 壳 、 岩石 圈伸 展 因 子 发 生 了 随深度的变化 ， 而不是均一伸展的纯剪变形 。张中 杰等( 2 0 1 0 ) 对琼东南 盆地 深反射地震剖面 的上地 壳 、 全地壳伸展 因子 的计算结 果也显示 这一特点。 目前 过南 海北 部大 陆 边 缘 盆 地 的 大剖 面 中 ， 并 没 有 识 别 出连续 、 大 型 的低角 度拆 离 断裂 ， 表 明简单 剪切 模 型 在琼东 南 盆地 也 难 以适 用 ， 琼 东南 盆地 岩 石 圈 的伸展 变形 则 与深度 相关 。通过 以上讨 论 ，我们 得 到 以下 认识 ： ( 1 )利 用 “ 多 米 诺 ” 式 断盘 模 式 计 算 琼 东 南 盆 地 上地 壳伸 展 因子 ， 介于 1 1 71 5 8之 间 。 ( 2 )琼 东 南盆地 的上地壳 、 地 壳 、 岩石 圈 的伸展 因子有一定的差别 ， 但不是简单 的随深度增大。 ( 3 )琼 东南 盆地 不 同构造 位 置 的岩石 圈伸展 变 形存 在明显 的差异 ， 盆地 中北部 ( 测线 1和测线 4 ) 的岩石 圈伸 展变 形特 点 为岩石 圈伸 展 因子 大于全 地 壳 大 于上地 壳 ( 图 5 a 、 d ) ， 盆地 西 南 部 ( 测 线 2 、 测 线 3和测 线 5 ) 岩石 圈 伸展 变 形 则 表现 为 全 地 壳最 大 ， 岩石 圈最小 ( 图 5 b 、 c 、 e ) ， 可 能 与所处 的西 部剪 切 带 和南 海北 部 的伸 展边缘 交叉 位 置有 关 。 2 1 8 1 6 1 4 1 2 1 上 地 壳 全 地 壳 岩 石 圈 土地 壳 全 地 壳 岩 石 圈 上地壳 全地壳 岩石圈 f a 1 测 线 1 f b ) 测 线2 f c ) 测 线3 f d ) 测 线4 f e 1 测 线5 图 5 琼东南盆地“ 多米诺” 式半地 堑处上地壳、 地 壳、 岩石圈伸展 因子 平均值分 布图 Fi g 5 S k e t c h ma p s h o wi n g l i t h o s p h e r i c s t r e t c h i n g f a c t o r s i n d o mi n o h a l f - g r a b e n s o f t h e Qi o n g d o n g n a n b a s i n 刘兵 2 0 1 0 ，琼东南盆地前新生代沉积基底 的重磁反演中国科 学院南海海洋研究所 硕士论文 8 6 4 2 l 1 l 1 2 0 8 皇 二 第3 6 卷 致谢 ：本 文得 到 两位 匿名 审稿 专 家的 帮 助 和 指 导 ， 提 出了很 多中肯的建议 ， 在此深表感谢 ! 参考文献( R e f e r e n c e s ) ： 李奋其2 0 0 3 中国西北部南北 向伸展 构造存在的新 证据 一 酒泉早 白垩世 半地 堑断 陷成 因初探沉积 与特 提斯 地 质 ， 2 3 ( 2 ) ： 3 5 4 2 李思 田 ， 林畅松 ， 张启 明 ， 杨士恭 ， 吴培康1 9 9 8 南海北部大 陆边缘 盆地幕 式裂 陷 的动力过程 及 1 0 M a以来 的构 造 事件 科学通报 ， 4 3 ( 8 ) ： 7 9 78 1 0 林 畅松 ， 张艳梅1 9 9 7 盆 地沉 降史 模 拟分 析 龚 再 升 ， 李思 田南海北 部 大陆 边缘 盆地 分析 与油 气 聚集北 京 ： 科学 出版社 ： 7 5 8 6 龙根元 ， 吴世敏 ， 刘兵 ， 郭翔燕 2 0 1 0 琼东南盆地半地堑特征 及其动力学探讨 大地构造与成矿学 ， 3 4 ( 1 ) ： 4 8 5 4 谢 文彦 ， 张一伟 ， 孙 珍 ， 姜 建群 2 0 0 7 琼 东南盆地 断裂 构造 与成因机制海洋地质 与第 四纪地质 2 7 ( 1 ) ： 7 1 7 8 魏魁 生 ， 崔旱云 ， 叶淑芬 ， 厉大亮 ， 刘铁树 ， 梁建设 ， 杨 国忠， 武 丽 ， 周小鹰 ， 郝运轻2 0 0 1 琼东南盆地 高精度层序地层 学研 究地球科学 ， 2 6 ( 1 ) ： 5 9 6 6 吴世 敏 ， 杨恬 ，周蒂 ，丘 学林 ，夏斌 2 0 0 5 南海 南北共 轭 边缘 伸展 模 型 探讨 高 校地 质 学 报 ，l 1 (1 ) ：1 0 5 1 1 0 张中杰 ， 刘一峰 ， 张素芳 ， 范蔚 茗 ， 陈林2 0 1 0 琼 东南 盆地 地 壳伸展深度依赖性及其动力 学意义地球物理 学报 ， 5 3 ( 1 )： 5 76 6 Ax e n G J 1 9 8 8 T h e g e o me t r y o f p l a n a r d o min o s t y l e n o r ma l f a u l t s a b o v e a d ip p i n g b a s a l d e t a c h m e n t J o u r n a l o f S t r u c t u r a l G e o l o g y ，1 0( 4)： 4 0 5 4 1 1 Cl if t P D a n d Lin H2 001 Pr e f e r e n t ia l ma n t l e l it h o s p h e r e e x t e n s io n un d e r t h e S o ut h Ch in a ma r g inMa r in e a n d Pe t r o l e u m G e o l o g y，1 8( 8 )：9 2 9 9 4 5 Ha q B U，Ha r d e n b o l J a n d Va il P R1 9 8 7 C h r o n o l o g y o f f l u c t u a t in g s e a - l e v e l s s in c e t h e Tr ia s s ic S c ie n c e，2 3 5 ：1 1 5 61 1 6 7 Ha y e s D E，Nis s e n S S ，B u h l P，Die b o l d J ，Y a o B，Z e n g W a n d Ch e n Y1 9 95Thr o u g h g o in g c r u s t a l f a u l t s a l o ng t h e n o r t he r n ma r g in o f t he S o u t h Ch in a S e a a nd t h e ir r o l e in c r u s t a l e x t e n s i o n J o u r n a l of G e o p h y s i c a l R e s e a r c h， 1 0 0 ( B1 1 )：2 2 4 3 52 2 4 4 6 Mc k e n z ie D 1 97 8 So me r e ma r ks o n t h e de v e l o pme n t o f s e d i me n t a r y b a s in s Ear t h a n d Pl a n e t ar y S c ie nc e Le t t e r s，40： 25 3 2 S c hl is c h e R W 1 9 91 Ha l f g r a b e n b a s in f il l in g mo de l s：Ne w c o n s t r a in t s o n c o n t ine n t a l e x t e ns io na l b a s in d e v e l o pme n t Ba s in Re s e a r c h，3：1 2 3 1 41 S c hl t it e r H U，Hinz K a nd Bl o c k M1 9 96Te c t o n o s t r a t ig r a ph ic t e r r an e s a nd d e t a c hme n t f a ul t ing o f t he So ut h Ch ina Se a a n d S ul u S e a Ma r in e Ge o l o gy，1 3 0： 3 951 S u D，W hit e N a nd Mc Ke n z ie D1 98 9 Ex t e ns io n a nd s ub s id e n c e o f t h e P e a r l Riv e r Mo ut h Ba s in，n o r t h e r n S o u t h Ch in a Se aBa s in Re s e ar c h，2：2 0 5 2 22 W e r n ic k e B 1 9 85 Un if o r m s e n s e n o r ma l s imp l e s h ea r o f t h e c o n t in e n t a l l it h o s p h e r e C a n J E a r t h S c i，2 2： 1 0 81 2 5 W e r n ic k e B a n d Bu r c h fi e 1 B C1 98 2Mo d e s o f e x t e n s io n a l t e c t o n i c s J o u r n a l of S t r u c t u r a l G e o l o g y ， 4 ： 1 0 5 1 1 5 E s t ima t io n o f t h e S t r e t c h in g F a c t o r s o f t h e Qio n g d o n g n a n B a s in a n d Do min o - S t y l e Fa u l t M o d e l HE Cha o 一 LO NG Ge ny ua n a n d W U S him in ( 1 C A S K e y L a b o r a t o r y o f Ma r g in a l S e a G e o l o g y a n d S o u t h C h i n a S e a I n s t it u t e of O c e a n o l o g y ， C h in e s e A c a d e m y of S c i e n c e s ， G u a n g z h o u 5 1 0 3 0 1 ，G u a n g d o n g ，C h in a ；2 G r a d u a t e U n iv e r s it y o f C h i n e s e A c a d e m y of S c ie n c e s ，B e i j in g 1 0 0 0 4 9 ，C h i n a ； 3 Ma r in e Geo g l o g i c a l I n s t it e of H a in a n P r o v in c e ， H a ik o u 5 7 0 2 0 6 ， H a in a n ，C h i n a ； 4 D e p a r t m e n t of E a r t h S c i e n c e s ，S u n Y a t S e n U n i v e r s i t y ，G u a n g z h o u 5 1 0 2 7 5，G u a n g d o n g，C h i n a) Abs t r a c t ：Th e c a l c u l a t io n o f s t r e t c h in g f a c t o r s p r o v id e s a f e a s i bl e me t h o d t o u n d e r s t a n d t h e e x t e n