东海及琉球沟弧盆系的海底热流测量与热流分布

1、东海及琉球沟弧盆系的海底热流测量与热流分布栾锡武1, 张训华2(1.中国科学院海洋研究所,青岛266071; 2.青岛海洋地质研究所,青岛266071中图分类号 P738,P314 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(200304-0670-09Heat flow measurement and distribution of East China Seaand Ryukyu Trench Arc Back -Arc systemLUAN X-i wu 1, ZHANG Xun -hua2(1.Institute o f Oc eanology ,The Chinese A cad

2、emy of S ciences,Qingdao 266071,China ; 2.Qingdao Institu teof M arine Geology ,Qingdao 266071,China Abstract 15new heat flow data w as added to t he East China Sea Shelf.T he sea floor heat flow data error w as analy zed.Heat flow data set from East China Sea and Ryukyu T r ench A rc Back -A rc sys

3、tem was co mplied and classed.T otally 305re -liable and relatively r eliable heat flow data w as used in this paper.T he distribution of heat flow stations were first tested,and found that they are far from dense enoug h and uniform.T he heat flow model is closely related to the tectonic model,show

4、 ing a NE banding .Both the East China Sea Shelf and R yukyu Island area have a normal heat flow value,O kinawa T roug h has hig h heat flo w anomaly ,and Ryukyu T rench and Philippine Sea ar ea have a low heat flow anomaly,with the lowest heat flo w area in the west slope trench ar ea.Based o n the

5、 heat flow distribution model the paper point out that there are ho t ma -terial upw elling under the O kinawa T rough and there ar e cold P hilippine plate subductio n under the tr ench slope area.T his paper also find a heat flow long wavelength oscillatio n from East to West based on the ex i sti

6、ng data set.Keywords East China Sea and Ry ukyu T r ench Arc Back -A rc,heat flow,measurement,distribution收稿日期 2003-03-30; 修回日期 2003-06-30.0 引 言人们所观察到的几乎所有的地质、地球物理现象都和地球的内热状态密切相关.地球内热是驱动岩石层形变、位移、破裂及板块间相互作用的主要动力源.地球内热状态的研究,无论在地热学研究,还是在地球动力学研究中都具有非常重要的意义.但是,直接可测的地球温度仅限于地表和最大的钻孔深度,更深的温度分布,则只能通过间接方法进行推测

7、.地表热流是唯一和地球的深部温度直接相关的可测物理量,因此通过地表热流的测量我们可以很好地了解地球的内热平衡和内热驱动的构造演化过程.多年来,地表热流测量已作为一种重要的地球物理手段受到世界各国学者的重视13.第18卷 第4期 地 球 物 理 学 进 展 Vol.18 No.42003年12月(670678 PRO GRESS IN GEOPHYSICS December 2003地壳热流量就是测量从地球内部流出到达地表的热量.设地壳热流量为Q,岩石或沉积物的热导率为K,T为地壳温度,在各向同性条件下,地壳热流为Q 5T5H,H为测量的垂直深度.由此可知,只要把一定距离的两个热敏元件插入地壳中

8、,测出其温度梯度和热导率,便可求出该地的地壳热流量数值.1海底地壳热流测量方法首先,从钻井资料可以获得地壳热流数据.温度录井可以给出可信的温度梯度,对钻井所获得的相应的岩心样品进行热导率测量后就可得到该钻井的地壳热流值.实际上,我们通过大洋钻探和陆架区的油气钻井录井已获得了很多高精度的海底热流资料;另外,将热流探针插入海底沉积物中测量沉积物的温度梯度,再测量在探针位置所取的沉积物样品的热导率也可以获得探针位置的海底地壳热流数据.由于世界海底钻井数量有限,目前绝大多数的海底地壳热流数据是通过第二种方法测量获得的.用于测量海底沉积物温度梯度的热流探针可分为三种类型,分别为尤因型(EW、琴弓型(PC

9、和布拉德型(BL.尤因型探针由拉蒙特-道尔蒂地质研究所研制成功,主要由配重、取样管和热敏元件三部分组成.配重可根据实际情况而定,一般重450kg,取样管长4.59m,多个热敏元件附着在取样管的外表.取样管的强度很大,可用于一次投放,多次插底;琴弓型探针重450kg,8个热敏电阻间隔45cm 按装在一根琴玄上,而后附着在4米长的采样器上,这样测量和采样可同时进行;布拉德型探针也称斯克蕊普斯型热流探针,是由美国斯克蕊普斯海洋研究所研制成功.用于下插的主体是一根钢管,有两对热敏电阻分别间距1.0m、1.5m安装在钢管上,测量时分别测量每一对热敏电阻的温度差.2研究区的海底热流调查3海底热流精度和分类

10、6714期栾锡武,等:东海及琉球沟弧盆系的海底热流测量与热流分析表1研究区海底地壳热流调查*Table1The heat f low investigation value of the seaf loor crust in research area 航次时间国别与地区位置测站数热流数探针文献EM SL1968日美菲律宾海397EW9 NS1970日邻琉球群岛3228BL6 SOINOV1972苏冲绳海槽13910 VESEROV1975苏北冲绳海槽66CHIULIEN1978台湾南冲绳海槽238EW11 DELP841984日中南部冲绳海槽417EW,BL12 POP1984法中、南部冲绳

11、海槽181813 SO341984日德北部冲绳海槽3223EW14 KH871987日中部冲绳海槽5615 DELP881988日八重山地堑2629EW PCBL15 SO561988日德北、中、南部冲绳海槽3848EW16 KT88-171988日中部冲绳海槽3217 KX90-11990中日东海陆架和北部冲绳海槽22EW7,8 KX90-21990113KX91-1199113GH89-31989日中部冲绳海槽4340EW17其他3695130510本文等,未公开发表*:整个研究区的热流数据来自上述各航次的热流测量结果.由于陆架地区热流测量的困难,东海陆架区的热流数据则主要来自钻井资料.我

12、们把搜集的热流数据进行分类.如果测量时探针插底成功(不倒不歪,测量水深很大,且有三个以上的热敏电阻插入沉积物中,该站有沉积物样品,这样的热流数值称为可信热流值;如果插底发生偏斜,或只有两个热敏电阻插入沉积物中,或者在该站位没有采到沉积物样品,热导率数值是用周围测站的热导率替代的,这样的热流值我们称为较可信热流值;其它的为参考热流值.本文只用了前两类热流数值,共15个航次305个热流数值和15个从测井获得的地壳热流数据.4海底热流分布特征4.1热流测站分布特征672地球物理学进展18卷图1各航次海底热流测量区域(文献见表1F ig.1Seafloor heat flow investigatio

13、n area each voyage(document in table14.2海底热流数据处理6734期栾锡武,等:东海及琉球沟弧盆系的海底热流测量与热流分析 图2东海地区的热流测站和热流值(热流单位:mW/m2F ig.2Heat flow inv est igation station and heat flow value(unit:mW/m2in T he East China Sea area4.3海底热流的分布特征本研究区域的热流分布明显地和沟弧盆系的构造特征相吻合,呈现北东向条带状分布.自西向东依次可分出五个条带,即东海陆架正常热流区、冲绳海槽高热流异常区、琉球群岛正常值区、琉

14、球海沟低热流异常区和菲律宾海热流低异常值区.东海陆架区为浅海地区,水深很浅,都在200米等深线以内.浅海陆架区进行海底热流测量时,不仅在测量技术上有许多困难,缺乏浅海海底热流测量的经验,而且有许多难以消除的因素影响测量的精度,其中主要有海底水温日变、季节变化的影响,孔隙水对流,热导率变化及和海水温度相当的沉积物的快速沉积等因素的影响.在东海区共有36个测站,曾进行过113次插底,51次成功7(喻普之,李乃胜,1992,但所获热流值可靠性差,在此仅作参考.陆架区的15个热流数据全部来自钻井的温度录井资料,为可靠的热流数据.这15个热流值相差不大都在5087mW/m2之间,平均为66.5mW/m2

15、和全球平均的热流值一致,为一正常的热流值区域.详细分析陆架区的热流分布还可以看出,整个陆架区各构造单元的热流分布特征稍有不同.相比较而言,瓯江凹陷的热流值偏高,长江凹陷的热流值偏低,而西湖凹陷的热流值则界于期间.在各构造单元内,热流展布的趋向大致是和构造走向一致的,为北东方向.显示出热流和构造之间内在的联系.674地球物理学进展18卷 4期 ( 1 栾锡武, 等: 东海及琉球沟弧盆系的海底热流测量与热流分析 冲绳海槽高热流异常 2 675 能和热液循环或与裂谷相伴生的火山作用有关, 热 源可能是岩浆房或是固体侵入或是位于海槽轴部下 方的连续或是断续的热物质. ( 2 冲绳海槽低热流异常 冲绳海

16、槽除测量到很高的热流值外, 同时也测 量到很低的热流值. 图 3 也同时显示了海槽中低热 流值的分布( 热流值低于 45 mW/ m . 从图上可以 清楚看出( 黑点 , 冲绳海槽低热流值分布的区域主 要在中部冲绳海槽、 南部冲绳海槽和南部冲绳海槽 的最南端. 海槽中的低热流值分为两种情况, 一是和 高热流值相伴生的低热流值. 这种低热流值位于中 部和南部冲绳海槽中, 分布于海槽的中轴区, 和这一 区域的高热流成对出现. 成对出现的高热流和低热 流主要分布于热液活动区, 是和低温海水的下渗及 高温流体的喷出有关; 另一种是较大范围的高热流 值. 如位于南部和中部冲绳海槽交接部位的热流测 站,

17、在较大范围内显示出热流值偏高. 2 高热流是冲绳海槽热流分布的一个突出特点. 图 3 显示了海槽中高热流( 大于 200 mW/ m 测站 的位置. 从图上可以看出( 菱形 , 高热流出现的位置 主要在冲绳海槽的中部, 这是高热流位置出现最为 集中的部位. 南部八重山地堑中和北部的鹿儿岛湾 中也有高热流出现. 详细的热流调查表明, 东北和中 部冲绳海槽高热流异常是沿海槽中轴展布的, 仅限 于沿海槽轴 10km 宽的中央 裂谷带 上. DELP 84 和 So34 两个航次中得到的 16 个热流值, 其中 15 个超 过 220mW/ m , 16 个 值 平 均 500mW/ m . 另 外,

18、 海槽中三个已探明巨高热流异常区都位于海槽 中轴中. 如夏岛 84 海凹( 27b35cN, 127 b09cE, 水深 1 700 1 800 m 热流值为: 508 ? 407 mW/ m . 东海凹 ( 27b35cN, 127b12cE, 水深 1 700 1 800 m 热流值 更高: 710 ? 690 mW/ m 2 , 伊士名洼陷 ( 27 b13c 17c N, 127b03 06cE 热流值为 360 ? 220 mW/ m . 这表 2 2 2 2 12, 14 明海槽的热活动是沿海槽的中轴进行的, 热异常可 图3 冲绳海槽及周边的高热流和低热流值( 热流单位: mW /

19、 m 2 Fig . 3 Hig h heat flow value and low heat flow value in Okinawa T rench and its vicinag e ( Heat flow unit : mW/ m2 676 地 球 物 理 学 进 展 18 卷 图 4 取舍后的热流分布( 热流单位: mW / m 2 Fig . 4 Distribution of heat flow after making our choice ( Heat flow unit : mW/ m 2 ( 3 冲绳海槽南段、 中段、 北段热流分布的差异 特征 沿冲绳海槽在南北向上也表

20、现出热流分布的一 些不同特点. 冲绳海槽被看成是近代弧后扩张形成 的而且正处在裂谷阶段, 大致可分为西南、 东北和中 部冲绳海槽三段. 高热流值主要集中在中部冲绳海 槽, 即, 赤尾屿, 宫古岛以北, 冲永良部岛以南. 在这 一区域内 160 个热流值平均 243. 4mW/ m , 而且海 槽中三个巨高热流异常区都位于中部. 冲永良部岛 以北 10 个热流值平均 124. 6mW/ m 2 , 仍是高热流异 常区. 由北部冲绳海槽再向北, 北东向的热流条带转 为北北东向, 在吐噶喇海峡, 宝岛和横当岛之间热流 条带有错断的现象. 赤尾屿, 宫古岛南侧的冲绳海槽 情况则有不同, 除 6 个热流

21、值超过 100mW/ m 以外, 78 个值平均 78m W/ m 2 . 海槽中央地堑中的 热流值 也相当低, 在 30- 200mW/ m 2 之间. 沿八重山 10 km 内测得的 13 个热流值为 36 ? 12mW/ m 2 . 如此低的 热流可能是由于相当迅速的沉积作用造成的. 但据 Letouzey and Kimura 18 2 2 来, 沉积物的效应还不能完全解释南部和中部冲绳 海槽轴部较大的热流差异. 冲绳海槽的最南端为一 热流低值带( 30 mW/ m 2 . 这一条带沿台湾东部的 一侧纵贯南北划出了琉球沟弧盆系的最南边界. 4. 3. 3 2 琉球群岛正常值区 琉球群岛

22、地区只有 6 个热流值, 平均 65. 7m W/ m , 和全球平均热流值相当, 属正常热流值区. 4. 3. 4 琉球海沟热流低值区 海沟区 19 个热流值平均 61 mW/ m 2 . 热流值稍 低. 其中海沟西坡( 即沟弧垭口 热流最低, 8 个热流 值平均 42. 8 mW/ m 2 , 在全区平均值中最低. 4. 3. 5 菲律宾海热流正常值区 2 菲律宾海 52 个热流值平均 50. 1 mW/ m , 比海 沟区的热流值稍低, 也属于低热流值区. 5 讨 论 冲绳海槽初步表现出的热流分布特征是引人注 目的. 如此 高的热流值在全球 也是罕见的. 如前所 述, 由于某些站位测量密

23、度较高, 在热流平均时会影 响整个地区平均的热流水平, 从而影响我们对区域 热流分布的认识. 为消除这种因素的影响, 更加准确 , 地 堑中 只有 更 新世 的 沉 15 积, 厚度为 3 000 4 000 m, 平均沉积速率为 2 mm/ a, 沉积物的覆盖会使地表热流下将 30% . 如此看 4期 栾锡武, 等: 东海及琉球沟弧盆系的海底热流测量与热流分析 677 地了解本研究区, 特别是冲绳海槽地区宏观的热流 分布, 我们对热流测站进行了取舍. 原则是经度和纬 度都在 10 分之内的两个测站可合并为一个测站. 新 的测站位置为这两个测站之间的位置, 热流值取其 平均. 经过取 舍后研

24、究区 取舍 后的热 流值 数目 为 131 个, 总平均值为 85 mW/ m 2 , 最小为 8 mW/ m 2 , 最大为 2 000 mW/ m . 从取舍 的结果可以看出( 图 4 , 取舍后, 热流数目大大减少, 总平均值也大大降 低( 未取舍前, 热流值总平均为 179 mW/ m 2 , 平均 热流也更趋合理. 由此可见, 密集测量站位的高热流 大大影响了整个地区的热流平均值. 但如此同时, 我 们也注意到, 经取舍后海槽的热流值仍然没有改变 其高而变化大的特点. 取舍后, 冲绳海槽的热流数目 由原来的 228 个降为 40 个, 但这 40 个热流值总平 均仍为 147 mW/

25、 m 2 , 为高热流异常. 由此可见, 冲绳 海槽的热流高并不是个局部的现象, 高热流并不局 限在某几个点, 而是整个海槽的一个普遍现象. 对取舍后的热流值, 计算每个热流站位离冲绳 海槽中轴( 冲绳海槽中央地堑的连线 的垂直距离, 中轴以西的取为正值, 中轴以西的取为负值. 图 5 显 示了所有取舍后的热流值及其离冲绳海槽中轴的垂 直距离. 该图从整体上显示了陆架、 海槽、 海沟及菲 律宾海热流分布的差异. 由此可以看出, 热流值经取 舍后, 本文节 5. 3 所表述的沟弧盆系的热流分布特 征也更加明显. 冲绳海槽热流值的高而变化、 海沟垭 口的极低热流及菲律宾海的热流低也清晰可见. 前面

26、提 到, 取舍 后 131 个热流 值总平均 为 85 mW/ m 2 , 这和全球的平均热流水平相比为高热流. 我们知道, 海底地壳热流主要由幔源热流和地壳自 生的热流构成. 地壳中放射性元素的异常分布可能 引起局部地壳热流异常, 但区域性的热流增大一般 考虑是幔源热流异常造成的. 而深部热物质的上拱 是引起这种幔源热流异常的主要原因. 根据本研究 区宏观热流分布特征推测, 深部热物质的上拱主要 发生在冲绳海槽中轴地区, 特别是中部冲绳海槽. 热 流测量发现, 在海沟垭口地区通常出现极低的热流 值 19 . U yeda 认为海沟垭口地区极低的热流值是由 冷的海洋板块在海沟下俯冲吸热造成的.

27、 那么, 根据 U yeda 和本区的热流分布特征, 我们就很容易推测 出琉球海沟垭口之下存在向下 俯冲的低温海 洋板 块. 事实上, 菲律宾板块向琉球岛弧下的俯冲早已被 天然地震的观测结果所证实 20 . 虽然现在还没有足 够的理由把板块的向下俯冲和冲绳海槽热物质的上 拱联系起来 21 , 但我们相信它们之间是有着成因上 2 的联系的. 这样, 研究区热流的分布模式和本区构造 地球动力学过程有序地联系起来, 表明构造过程对 热流分布的有效的控制作用. 本区的热流分布特征基本上反映了琉球沟弧盆 体系的构造关系. 应该再次指出, 本区的热流测站很 不均匀, 有很多的构造单元, 如钓鱼岛隆褶带、

28、东海 陆坡、 琉球岛弧、 琉球海沟等, 热流数很少或者基本 上还是热流空白区, 考虑到热流测量的准确性, 稀少 的热流值很难准确地反映全区各构造单元的热流分 布特征. Williams 等在哥拉帕哥斯扩张洋脊附近进行热 流调查是发现了热流振荡的现象 22 . 这是一种和现 代海底热液活动对应的小波长热流振荡, 波长只有 6 公里. 图 5 上的 虚线代表平均 热流, 由 此可以看 出, 本研究区似乎也存在这种热流振荡现象. 自东向 西波峰分别出现在- 6、 3、 和 3 的位置, 对应的 0 波长约 320 km. 这种长波长的热流振荡显然不可能 是热液活动引起的, 而应该是另外一种热流振荡.

29、 如 果地幔之下的软流层存在振荡的话, 由于软流层的 振荡而引起地表热流的振荡是可能的, 而且这种振 荡的波长就可能有上百公里. 由于热流数据的密度 和精度现在还很难对此做进一步的讨论. 图 5 沟弧盆系热流的分布 ( SHELF: 东海陆架, O K : 冲绳海槽, S L: 海沟西坡, T: 海沟底, PH: 菲律宾海; 虚线为平均的热流值 F ig. 5 Distr ibution of heat flow in T roug h Ar c T rench area - ( SHELF : T he East China Sea S helf , OK : O kinaw a Trenc

30、h , SL : west slop of t he Trough, T : T rough f loor, PH: Philippine Sea , dashed is average value of heat flow 6 结 论 6. 1 海底热流是海底沉积物的温度梯度和沉积物 热导率的乘积. 在进行海底热流测量时, 真实的温度 梯度和热导率都是换算得到的, 而不是直接测量得 到的. 海底热流测量存在较大误差. 陆架区的海底热 流测量仍有很多的问题难以解决. 678 地 球 物 理 学 进 展 18 卷 6. 2 东海陆架、 琉球沟弧盆系及邻近的菲律宾海有 J . 地震研究所汇报, 1

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