(论文)南海东部海盆晚期扩张的构造地貌研究.pdf

中国抖孽( d 辑) 第3 2 卷第3 期 s c i e n c e i nc h i n a fs e r i e s d 2 0 0 2 年3 月 南海东部海盆晚期扩张的构造地貌研究8 李家彪“金翔龙高金耀 旧家海佯局海底科学重点实验室，第二海洋研究所杭州3 1 0 0 1 2 j p 3 角 摘要东部海盐存在三组走向不同的北东向线性构造带，它们分布干黄岩海山链南、 ；b 两侧约3 5 0k m 宽的中央区内、是张性基底断裂在海底的反映这三组构造带分别对 应海盐三个扩张靶：磁条带异常6 c , - 一6 a ( 2 4 2 lm a ) ，6 a 一5 e ( 2 1 一1 9m a ) 和5 e 一5 d ( 5 c ) ( 1 9 1 6 m a ) 东部海盆扩张方式具有不稳足性、苛段性及车对祢性的特点各扩张期内 线性构造走向呈连续变t 而各扩张期之间线性构造走向础均有3 0 5 0 跃_ 变，反映扩 张方向存在斯交和廷变妁演化特点；与扩张同期的北西向转换断层空间分布上呈由 东向西逐步加密的特征，各段晦北东白发性构造走向，更亿较大，反映扩张轱纵向延件 的舟段性；在2 1m a ( 磁异常6 a ) 前后，存在一次重要的海底扩张增速事件，从旦期的 3 0 5 4k m m a 增加到晚期的4 2 8 8k m m a 对应基底断裂、沉积作用和火山活动等扩张 特征的跃变：扩张不对碑率普遍东部大于西部，扩张速率南侧明显大干北侧，导致海盆 扩张具有东宽西窄的特点及较强的不对称性 关键词构造地貌磁条带异常扩张方式南海海盆 构造地貌分析是研究年轻海底构造特征的一个重要手段，已在大洋中脊、俯冲带、热液活 动和区域应力场等构造研究中发挥了重要作用”“2 0 世纪9 0 年代以来高分辨率的多波束海 底地形地貌探测技术的广泛应用推动了该方法在海底扩张研究中的发展c a r b o t l e 等”1 对东太 平洋海隆轴脊区的分析，提出了洋中脊叠加扩张中，g ( o v e r l a p p i n gs p r e a d i n gc e n t e r ，o s c ) 的形 成机制g r i n d l a y 等”1 通过研究提出了南大西洋中脊的分段性和中脊扩张的成因模式 l o n r e n c o 等”3 把构造地貌分析引人大西洋的美洲板块、欧湘板块和非洲板块间的亚速尔 ( a z o r e s ) z 叉点的地球动力学研究通过多波束地形地貌与地磁异常及地震剖面等深部信息的 研究对比，探讨洋中脊海底扩张方式已取得大量成果，但在边缘海中的研究尚较薄弱 边缘海的海底扩张方式一直为地学界所关注，南海海盆作为西太平洋边缘海的一个重要 组成部分，被认为是边缘海扩张机制研究的理想场所南海海盆周缘被四个不同类型的边界 所围限：北边是北部陆架张裂大陆边缘，西边是南北向越南陆坡大型平移断裂带，南边是已停 止活动的南沙海槽碰撞构造带，东边是正在活动的马尼拉海淘俯冲带( 图1 ) 作为南海三个次 海盆中最大的一个次海盆3 2m a 以来东部海盆经历了早、晚两期海底扩张，关于晚期( 2 4 1 6 m a ) 的扩张方向存在重大争议t a y l o r 等”认为晚期扩张为南北向，b r i a i s 等、t a p p o n n i e r 等i i 和吴金龙等”的研究则表明为北西南东向，而扩张方式的研究也因手段和方法的局限进展较 2 0 0 i - 0 7 - 2 i 收稿 + 刮寡重太基础研究计划( 批准号g 2 0 0 0 0 4 7 6 0 4 ) 聊1 同家自然科学基金f 批准号：4 8 8 0 2 3 i ) 资助 4 + e m a i l ：3 b t i z g bc o r ne l l 万方数据 中国科学( d 辑第3 2 卷 缓东部海盆形成机制存在重大分歧的主要原因是海盆构造的复杂性以及凋查测线的间距不 能满足测线间构造良好对比的需要，为此本文利用南海东部海盆获得的多波束全覆盖数据进 行构造地貌分析，并与磁条带异常和反射地震剖面对比，进而探讨东部海盆晚期扩张特征，完 善和补充对边缘海扩张方式的认识 图1南海海盆区域构造位置图 固中粗宴线为北部湾一越南陆坡平移断裂带( 箭头表示平移方向) ，开锯齿线为南涉海槽碰撞构造带宴锯齿线为马尼拉海沟 俯冲带及台湾碰撞构造带粗虚线为南海海盏扩张中脊矩形框为本文构造地貌研究区细实线s 】7 和p 为反射地震剖面位 置细实线a a 和b - b 为扩张速章计算剖面位置，水深数字单位为k m 1 数据获取与处理 为研究南海东部海盆的扩张机制，1 9 9 9 年国家海洋局第二海洋研究所利用“大洋一号”船 在南海1 1 7 。e 1 1 9 5 。e ，1 3 5 。n 1 7 5 。n 区域范围内进行了全覆盖多波束调查( 位置见图1 ) ， 万方数据 第3 期李家彪等南海东部海盆晚期扩张的构造地貌研究 首次在该区获得了高分辨率的地形地貌资料诃查采用s e a b e a m 2 】1 2 深水多波束测深系统， 工作频率为1 2k h z ，定位采用1 2 通道s e a s t a r3 0 0 0 1 广域差分全球定位系统并进行了1 8 个 站位的实时声速剖面测量在调查过程中，对多波束数据进行了船姿改正、换能器吃水改正、 声速剖面改正等现场实时处理【1 各项改正后的数据精度评估表明，定位中误差为3 9 4m ， 9 5 置信区间在2 倍中误差内，定点重复和交叉测线水深误差小于水深值的0 3 ，满足i h o 标准为了突出海底构造地貌特征，数据经编辑后被处理为海底地貌阴影图( 图2 ) 结果表明， 本区海底存在大量北东向以及北西向断隆、断陷、断崖、断壁等线性构造地貌，北东向线性构 造分布于黄岩海山链南北两侧，是海盆扩张的代表根据海底地貌的线性构造分析，识别出 1 8 9 组线性断裂( 图3 ) 同年国家海洋局第二海洋研究所在同一海区进行了磁力测线的补充调查，凋查采用 g 一8 8 0 铯光泵磁力仪，将1 9 8 3 1 9 8 4 年完成的南海中部1 1 5 0e 一1 1 7 5 。e 范围内间隔为2 07 的南 北向磁剖面测量一直延伸至1 1 9 5 。e ，从而使该区的磁条带异常空问对比的多解性得到了有 效抑制对上述两个航次的调查资料使用1 9 9 5 年修订的国际地磁参考场1 g r f 球谐系数进行 统一改正，以1 9 9 9 年新测数据为基准进行新、老资料归一化凋差和拼接处理，调差后的测线 交点均方根差不超过1 5 5n t 经磁测剖面与l a b r e c q u e 等1 13 磁极倒转时标的对比和分段拟合 本区东部海盆实测磁异常与理论磁异常具有良好的相关性，磁异常6 以典型的三峰态异常为 特征十分醒目，成为磁条带异常对比的重要标志本区磁条带异常的对比( 图4 ) 结果表明，研 究区存在7 a 一5 d ( 5 c ) 的磁条带异常，磁异常7 a 7 分布在本区北部并呈近东西向展布，磁异常 6 c - 5 d ( 5 c ) 分布于黄岩海山链南北两侧，呈北东向n e 6 0 。一8 5 。延伸如果考虑到北西向转换断 层( 而不是南北向转换断层) 的存在及普遍右行平移，相邻测线间磁条带异常在空间上仍具有 良好的相关性和连续性 2 构造地貌特征及其对比 处理后的地貌图和线性构造解释图明显反映出本区总体由北东向构造地貌组成，并呈密 集构造带主要分布于1 7 。n 至1 4 。n 之问18 9 组线性断裂走向统计表明( 图5 ) ，北东向构造优 势走向为n e 6 7 。，并可分为三组构造走向和形成时代不同的北东向线性构造带，且对称分布 于黄岩海山链南北两侧( 图2 3 ) f 1 和f 2 断裂之间的中央北东向线性构造带位于古扩张中一t k , n 侧约1 2 5k m 宽的区域内，地貌上表现为大型断层崖分隔的对称二级台地，断崖十分平直总 体构造走向为n e 5 5 0 - - 6 5 。f l 和f 3 断裂之间及f 2 断裂以南的第二北东向线性构造带位于中 央构造带两侧，总体构造走向为n e 7 5 。一7 8 。，分为南北两个部分，其构造形迹表现出从北东 至西南由密集清晰逐渐变成稀少模糊的特点可识别的第三北东向线性构造带位于第二构造 带5 t 佃u ( f 3 以北) ，总体构造走向为n e 6 4 。，表现为伴有海底火山喷溢活动形成的线性断崖和 断壁，连续性较差进一步分析表明，北东向张裂构造带在海盆扩张上具有如下特点：( 1 ) 从 三组构造带的交切关系来看，它们应具有从中脊海山链向南北两侧构造扩张年龄变老的特点； ( 2 ) 三组构造带( 代表不同扩张期) 之间构造走向均有3 。5 。的跃变，而各带内部( 代表同扩张 期内) 构造走向则呈连续变化，反映扩张方向存在突变和渐变的演化特点；( 3 ) 各带内部沿走向 线性构造展布方向受北西向构造的影响变化较大，反映扩张轴纵向延伸的不稳定性并具有 明显的分段性 万方数据 中国科学f d 辑第3 2 卷 图2东部海盆多波束海底地貌阴影图 阴影罔删想由东1 ：h | l = j 嚣置低角度光源照射而坡、多渡束调在删线主体为南北向西南角部讣溉线走向为东西向 万方数据 第3 期李家彪等南海东部海盐晚期扩张的构造地貌研究 2 4 3 叼海j j 断皇或断旷性质五明断裂情p 带f 断款编号 图3东部海盆多波束线性构造解释图 本区另一重要构造带为北西向断裂带，它不仅控制了绝大多数海山的形成，而且空间上 呈带状密集分布( 图2 ，3 ) 优势走向为n e l3 7 。，大翟断裂可识别出6 条( f 5 f 9 ) 从交切关系 来看，它们与北东向断裂是同期构造，并具有如下特点：( 1 ) 各构造带除本身具有密集分布、间 距为5 0k m 或1 0 0k m 的特点外，带间仍有大量亚带分布，尤其以西部沉降区( f 6 以西) 晟为明 万方数据 2 4 4中 国科学f d 辑) 第3 2 卷 圈4 东部海盆磁条带异常分布图 7 a - f d 为磁条带异常( 虚线为推断) ，f 5 1 ：9 为北西向断裂带编号 显，呈2 0 2 5i o n 的等间距分布，将北东向构造切割成若干段；( 2 ) 各构造带具有右行走滑断裂 特征，f 6 和f 7 断裂的断距约为4 6 。54k i n ；( 3 ) 纵向上，各构造带走向从南侧的n e l 5 7 。至中 脊区的n e l 5 0 。到北侧的n e l 4 2 。，呈向北东弧凸的特点( 图3 ) 线性构造地貌与反射地震剖面的对比表明、表层构造与基底断块构造有良好的一一对应 关系，是扩张型基底断裂在地表的反映，排除了表层构造地貌由海盆扩张后新构造运动形成 的可能图6 ( a ) 为中美合作项目的北西向p 地震测线的解释剖面7 ”，它位于中央海山链北侧 并切过海盆北部的中央、第二、第三线性构造带，反映出从中脊附近向北沉积逐渐增厚的趋势， 基底断裂均与地形上的断崖、断壁相对应图6 ( b ) 为中德合作4 9 航次的北西向s 1 7 地震测线 的解释剖面，位于中央海山链及其南部，基底断裂基本分布在1 4 。n 以北的区域，并且断裂密 万方数据 兰! 塑圭窒整竺：塑塑查塑堡垒堕塑芏堡塑塑兰苎翌旦塞 ! ! ! 一 度总体向中央海山链增大部分基底断裂穿 切上覆沉积层形成海底线性构造地貌此外， 近中脊区还表现出较强的断块问火山穿刺活 动的特点 莲 磁条带异常与多波束线性构造对比表明垂 它们的总体走向具有相同的变化趋势，磁条 譬 带异常一般与线性构造各带的走向相同或大星 约相差5 0中央线性构造带对应磁条带异常 蕃 5 d 5 e 近中脊根据扩张速率外推有5 c 异常 存在的可能；第二线性构造带对应磁条带异 常5 e , - 6 a ；第三线性构造带对应磁条带异常 6 a - 6 c 磁条带异常空间延伸同样受北西向断 裂的平错被进一步分为若干区段，从磁条带图5 切错情况来看，本区北西向断裂也一般具有 右行平移的性质 。；2 0 b 杀甲耐躺哪啊靳舟研产一一 图6 东部海盆反射地震剖面解释图 ( a ) p 反射地震剖面m 3 1 ；( b ) s 17 反射地震剖面基底上沉积层用灰色表示，f i 3 为北东向断裂带编号 剖面位置见罔1 3 海盆扩张的增速事件 为了研究海盆的扩张方式和运动学特征，在研究区内正交磁条带异常走向选择了东( a ： 1 1 7 。4 0 e ，1 6 。5 5 n ；1 1 8 。2 8 e ，1 3 。3 5 n ) 、西( b ：1 1 7 。1 07 e ，1 6 。5 0 n ：1 1 7 。4 0 e ，1 3 。3 0 n ) 两条 北西向剖面，利用磁条带异常对比结果对各期的海底扩张速率进行了计算( 表1 ) 结果表明，东 部海盆的扩张速率在2 9 4 3 - 4 8 2 5k i t i m a 之间变化，与世界大洋中脊相比总体属慢速扩张海底 扩张速率时间变化上存在速率显著不同的两个时段，即在磁异常5 d - - 6 a ( 1 7 7 8 2 0 9 9m a ) 期 问，扩张速率在3 9 2 6 , - 4 - 8 2 5k m m a 之间变化，平均扩张速率为4 2 5 1k m m a ；而在磁异常 6 a - 6 c ( 2 0 9 9 2 4 1 6 m a ) 期间，扩张速率在2 9 4 3 3 3 _ 8 1k n d m a 之间变化，平均扩张速率为3 1 0 5 k m m a 因此，在磁异常6 a ( 2 0 9 9m a ) 前后，东部海盆存在一次重要的海底扩张增速事件，增 速幅度达1 1 4 6k m m a 磁条带异常6 a 恰好对应第二和第三线性构造带之间的界限( f 3 ) ，反射 地震剖面( 图6 ) 上表现为两个不同基底构造单元的分界”4 ”“，第三线性构造带对应基底埋 深太、沉积物厚、火山活动少、断块构造特点显著：第二和中央线性构造带对应基底埋深浅、 万方数据 2 4 6中国科学( d 辑， 第3 2 巷 a j 扩张不对称宰为刮面南，北两侧半扩张速率差与全扩张速，阜之比负值代表南恻扩张速率小于j ! 帆 在扩张速率的空间变化上，南海东部海盆自东向西扩张速率虽在上述5 个时段中存在一 些不规则变化，但若以磁异常6 a 为界将扩张期分为两个阶段则两阶段内部的空间变化极小， 扩张速率均匀、稳定在磁异常5 d - , - 6 a ( 1 77 8 2 0 9 9m a ) 期间，其扩张速率从a 至b 剖面分别 为4 25 5 和4 24 8k n d m a ；在磁异常6 a , - 6 c ( 2 0 9 9 2 4 1 6m a ) 期间其扩张速率从a 至b 剖面分 别为3 1 6 2 和3 0 4 8k m m a 扩张速率的不对称性分析表明，本区扩张速率南侧普遍大于北侧，扩张不对称率东部明 显大于西部，说明沿扩张脊向东扩张速率南大北小的特点逐渐加剧扩张速率这一规律的反 侧是磁异常6 b 6 c 时段，由于本区南侧的磁异常6 c 已与磁异常8 叠加，特征极不明显，因此可 能存在识别误差，最终的结论须根据其他地质地球物理资料加以综合分析确定 4 讨论和结论 t a y l o r 等”根据当时南海的磁测数据首次在东部海盆确定了11 5 d 的近东西向磁条带异 常，并同时鉴别出一些错断磁条带异常的南北向平移断层，从此东部海盆南北向扩张的成困 机制一直成为主流观点多波束高分辨率地形地貌中大量北东向以及北西向线性构造带的发 现，至少在晚期扩张的方向上对这一结论提出了质疑新的构造地貌分析和地磁条带异常对 比进一步证实了东部海盆晚期经历了北西一南东向扩张，而且内部可分为三个扩张亚期 东部海盆晚期扩张属慢速扩张，扩张特征和速率与南大西洋2 6 。s 慢扩张中脊( 扩张速率 为3 5k m m a ) 可以对比”】受构造扩张机制控制，而分期次不稳定扩张则是边缘海小洋盆扩张 的独有特点反映在边缘海小洋盆连续扩张过程中还受到诸如洋盆周边陆块或板块相对运动、 边界应力状况变化等阶段性构造因素的影响这种慢速扩张在大洋上一般表现为中脊被负地 形的裂谷所占据，而东部海盆中脊则表现为正地形的黄岩海山链根据黄岩海山链的年代研 究1 ，海山均形成于扩张停止后的中中新世以后，因此东部海盆中脊在晚期扩张过程中应是 一个与西南海盆类似的裂谷，后期受火山喷发改造 东部海盆约2 1m a ( 6 a ) 前后的扩张增速事件是海盆扩张的一个重要构造事件，代表海盆扩 张机制或区域动力学条件发生了重大的变化t a p p o n n i e r 等【l 根据对红河平移断裂带活动方 式的地质分析和哀牢山剪切带中17 个同构造富铀矿物的u p b 年龄在2 2 3 4m a 之间分布的测 试结果认为红河断裂带的左行大规模平移应发生在2 1m a 以前、其活动导致了南海海盆的拉 分张裂张连生等l ”测试了红河剪切断裂带中哀牢山、点苍山和雪龙山变质岩体内不同岩脉 中分离出来的2 3 个富铀矿物的u p b 年龄，它们均分布在2 2 。3 5m a 之间，其中8 2 的年龄分 万方数据 第3 期辛家彪等：南海东部海盆晚期扩张的构造地貌研究 布在2 2 。2 75m a 之间且大部分年龄分布于该年龄区间的丽端，与南海海盆扩张期次蹦及约 在2 7m a i 。9 1 和2 1m a 时海盆扩张曾发生跃变的构造事件相吻台而季建清等”对滇西南腾冲 地块东缘的高黎贡和西缘的那邦右行走滑断裂带的活动期次的分析，获得了1 9 4m a 和 l1 。1 4m a 两个走滑活动峰期，它们分别对应两个不同的构造期，并认为高黎贡和那邦右行走 滑断裂带作为印支地块的西边界，早期活动与红河断裂带左行大规模平移运动相配套，是印 亚碰撞印支地块挤出构造的产物，而晚期活动则与安达曼海扩张和缅甸实皆断裂活动相关 因此，东部海盆的扩张增速事件反映了2 1m a ( 6 a ) 前后区域构造应力场和动力学条件的重大改变， 在时间关系上与印度板块向亚洲板块的一期挤人事件的结束和红河断裂强烈左行平移活动的 停止有关另一方面b r i a i s 等”根据对西南海盆磁条带异常及与东部海盆的构造对比，认为 除东侧存在少量磁异常6 b 外西南海盆主要形成于磁异常6 n 5 c ( 1 6 - 2 lm a ) 而p a u l o t 等“对 西南海盆及东部海盆中脊区的研究也同样认为其构造主要形成于磁异常6 a 以来因此，2 lm a ( 6 a ) 前后东部海盆的扩张增速事件也标志了南海海盆另一相对高速扩张期( 1 6 2 1m a ) 的到来， 以及西南海盆和东部海盆中脊区的扩张形成 致谢成x 过程由曾与高抒、hr k u d r a g s 进行了有益的讨论在此表示感谢 参考文献 p u r d ygms e m p e r ej - cs c h o u i e n he ta ib a t h y m e t r yo ft h em i da t l a l l t cr i d g e2 4 - 3 i 。nam a ps e r i e s m a r i n e g e o p h y s i c a lr e s e a r c h e s 1 9 9 0 22 4 7 0 5 2 2 h u m p h r i ssek l e i n r o c kmcd e t a i l e dm o r p h o l o g yo ft h et a ga c t i v eh y d r o t h e r m a lm o u n d ：i n s i g h t si n t oi t sf o r m a l i o na n d g r o v ：t hg e o p h y sr e sl e l l9 9 6 2 33 4 4 3 - 3 4 4 6 3k l e i m o c kmch u m p h r i sses t r u c t u r a lc o n t r o lo ns e a b o o rh y d r o t h e r m a ia e t i v ir va lt h et a ga c t i v em o u n dn a t h r e ，1 9 9 6 3 8 2 ：1 4 9 1 5 3 4c a r b o t t es m a c d o n a l dke a s tp a c i f i cr i s e8 。一1 0 。3 0 n ：e v o l m i o no fr i d g e , e g m e n l sa n dd i s c o n t i n u i t i e sf r o ms e a m a r ci i a n dt h r e e - d i m e n s i o n a lm a g n e t i cs t u d i e sjgr 9 9 2 9 7 ：6 9 5 9 , - 6 9 8 2 5 g r i n d l a y n r f o xpj v o g tp rm o r p h o l o g ya n d t e c t o n i c so f t h e m i d a t l a n t i cr i d g e ( 2 5 趣7 。3 0 s 1 f r o ms e a b e a ma n d m a g n e t i cd a t a jgr 1 9 9 2 ，9 76 9 8 3 7 0 1 0 6 l o u r e n c o n m i r a n d afm ，l u i sjfe ta lm o r p h o t e c t o n i ca n a l y s i so ft h ea z o r e sv o l c a n i cp l a t e a uf r o ma b a t h 3 , m e t r i c c o m p i l a t i o no f t h ea r e am a r x n e g e o p h y s i c a lr e s e a r c h e s ，1 9 9 8 ，2 0 ：1 4 1 一】5 6 7 t a y l o rb ，h a y e sde t h er e c t o n i ce v o l u t i o no ft h es o u t hc h i n ab a s i ni n ：h a y e sde ，e dt h et e c t o n i ca n dg e o l o g i c e v o l u t i o no fs o u t h e a s l a s i a ns e a sa n d i s l a n d sg e o p h y s m o n o g ，a g u iq 8 08 9 j0 4 8 t a y l o rb ，h a y e sd eo r i g i na n dh i s t o r yo ft h es o u t hc h i n as e ab a s i ni n ：h a y e 、de e dt h et e c t o n i ca n dg e o l o g i c e v o l u t i o no fs o u t h e a s t a s i a ns e a sa n d i s l a n d sg e o p h y s m o n o g a g u1 9 8 32 3 5 6 9b r i a i sa t a p p o n n i e rpp a m o lgc o n s t r a i n t so fs e ab e a md a t ao nc r u s t a lf a b r i c sa n ds e a f l o o rs p r e a d i n gi nt h es o u t hc h i n a s e ae a r t ha n dp l a n e t a r ys c i e n c el e t t e r s 19 8 9 ，9 53 0 7 3 2 0 0 t a p p o n n i e rpp e t t z e rg l ed a i naye la 】p r o p a g a t i n ge x t r u s i o nt e c t o n i c si na s i a ：n e i n s i g h t sf r o ms i m p l ee x p e r i m e n t s 1 x , i t hp l a s t i c i n eg e o l o g yi9 8 2 i o f l2 ) 6 i i - 6 1 6 共金龙韩讨桥，李匾修，等南海中都青扩张脊的构造特征压南海海盆的两次扩张海洋学报1 9 9 21 4 ( 1j ：8 2 9 5 2 李家彪，等多泣束勘铡匣理技术和力法二e 京海洋出版社，1 9 9 9 3 l a b r e c q u ejl k e n tdv c a n d es cr e v i s e dm a g n e d ep o l a r i t yt i m es c a l ef o rl a t ec r e t a c e o u sa n dc e n o z o i ct i m eg e o l o g y 9 7 7 5 ：3 3 0 3 3 5 4 刘光鼎，主编中困海区段邻域地质地球物理特征北京：科学出版社i9 9 2 万方数据 2 4 8 中 国科 学i d 辑， 第3 1 卷 5批伯泅，f 丸宇南海海盐的地壳锆构中匾科学b 辑1 9 8 3 ，( ! ) ：1 7 7 18 6 hl ij ia b i a ot h er i n i n ga n dc o l l i s i o no ft h es o u t hc h i n as e at e r r a i