南海北部大地热流和地温梯度特征分析

南海北部大地热流和地温梯度特征分析

0南海北部陆缘热价值分布南海北部的山区位于欧亚板块、印度-澳大利亚板块和菲律宾海板块的交汇处。中生代末，构造应力场从压缩变为扩张。新生儿早期，经历了复杂的大陆边缘断裂、海床扩张和基底沉降过程，以及随后的复杂演化过程。裂缝形成后，构造热事件频发，岩浆活动和破坏系统发育。最近，菲律宾海板块与欧亚板块相比，在南海东部形成了一条新的构造体系，并与台湾东部的造山运动形成了联系。南海北部陆缘构造位置特殊、演化历史复杂、地质现象异常丰富,海底热流和深部地温场经受了岩石圈拉张减薄、底侵热事件、断裂作用、火山活动和板块之间相互俯冲挤压等众多因素的影响。前人针对南海北部大地热流、地温梯度、岩石圈和地壳热流变结构曾开展过观测和研究工作,但目前尚缺少对南海北部地热平衡状态判断及具体构造活动、热事件与地热状态成因的关联性研究。本文在系统收集、整理南海北部地热资料基础上,通过稳态热传导方程计算南海北部陆缘随深度变化的热流和温度分布,求取热居里面埋深,通过地磁资料反演磁居里面埋深,进行热、磁居里面埋深对比,进而分析南海北部陆缘大地热流分布特征,进行地热平衡状态判断;并通过地壳结构、拉张因子、莫霍面埋深、断裂体系分布、火山活动的综合分析,探讨南海北部陆缘地热状态的成因。1数据和方法1.1南海边缘地磁异常分布特征本文研究区域为南海北部大陆边缘,地理坐标范围为105°E~123°E,15°N~25°N,为避免数据网格化时在边缘处产生变形,实际参与计算的数据范围向四周扩大了1°,文中图件只显示研究区海域数据的计算结果,陆上区域以岸线填充遮蔽。地热资料主要来源于全球地热资料库(http://epic.awi.de/31378/),数据类型包括地温梯度、热导率和大地热流值,又通过文献检索获得最新地热资料77组,包括米立军等2009年公布的南海北部地热资料34组,徐行等2006年公布的地热资料7组,张健等2000年公布的地热资料20组以及刘昭蜀等2002年公布的地热资料16组,全部地热资料采集时间跨度为1970年至2009年。针对地热资料采集时间跨度大,仪器型号不同的情况,为了保证计算结果一致和可靠,对个别干扰数据进行了剔除,最终形成有效地热资料462组,采用克里格算法进行网格化。南海北部海底大地热流分布见图1。本研究采用的地磁数据主要来源于国家海洋局第二海洋研究所20世纪90年代以来在南海北部进行的船载海洋磁力测量。同时为了数据的完整性,在资料稀疏区域加入了CCOP磁力数据(GeologicalSurveyofJapanandCCOP,1996)。采用2009年第十一代国际地磁参考系数进行正常场改正,计算研究区的ΔT地磁异常,南海北部地磁异常分布特征见图2。南海北部断裂体系十分发育,前人通过海底地形、重力和地磁异常反演、地震剖面、海底地震探测和层析成像、应力场和大地动力学分析等多种手段对南海北部断裂带进行了识别和研究。目前普遍认为南海北部中、新生代存在NE(NEE)和NW(NWW)两组主要断裂,其中NE(NEE)向断裂为南海北部地区的最主要断裂,发育时间较早,以张性断裂为主,控制着大规模张裂盆地的形成;NW(NWW)向断裂相对NE(NEE)向断裂来说形成时间较晚,多数切割NE(NEE)向断裂,在南海北部形成南北分带、东西分块的构造格局[13,14,15,16,17,18]。本文对前人有关南海北部断裂体系的研究成果进行了综合,将南海北部主要断裂绘于海底地磁异常平面图中(图2)。1.2海底热流贡献根据大地热流值、热导率和生热率可以计算随深度变化的温度和热流分布。深部温度和热流值作为一组重要的地球物理参量可定量地反映南海北部陆缘深部地热特征及热结构。本文采用稳态热传导方程模拟南海北部大陆边缘的地温场和热结构,以575℃等温线所在的深度作为热居里面的埋深。模型厚度取100km;上边界取地表常年平均温度13℃,事实上地表温度随水深变化可以达到3℃左右,但是这种小幅度的上边界温度变化对地温场的影响很小;下边界取热流边界。“热”岩石圈底界为“干”玄武岩固相线的绝对温度T=1050+3z(℃),其中z为计算深度。因为地幔生热率小于0.1μW/m3,可以忽略不计,因此下边界热流通过地表热流减去地壳热贡献获得。实际计算时,生热率在沉积层取2.0μW/m3,上地壳取2.5μW/m3,下地壳取0.4μW/m3;热导率在沉积层取2.0W/m·K,上地壳取3.1W/m·K,下地壳取2.5W/m·K,地幔热导率为3.4W/m·K。根据生热率分别估算各层的热流贡献,莫霍面热流通过海底热流减去各层热流贡献得到。下边界热流的初始值取上述莫霍面热流估算值,通过调整下边界热流,使得模型中莫霍面热流与估算值接近。1.3滑动窗口分析磁居里面即传统地质意义上的居里面,指岩石中铁磁矿物因温度升高达到居里点而由铁磁性变为顺磁性时的温度界面,又称居里等温面。该界面可由磁力测量资料根据一定的模型反演计算得到。吴招才等2010年采用离散型棱柱体模型功率谱法来反演居里面深度。反演流程为:(1)根据全区ΔT地磁异常结果确定160km×160km的方形窗口及40km×40km的滑动窗口,滑动窗口纵横向可以重叠,计算窗口内数据的对数功率谱;(2)根据对数功率谱计算直立棱柱体的顶面深度Zt、中心深度Z0和底面深度Zb,并把底面深度值放在窗口中心作为该处的居里面深度;(3)按照滑动距离移动窗口至下一个位置,重复(1)和(2)的步骤,直至得到全区居里面反演结果。南海北部磁居里面深度分布见图3。从理论上来讲,无论是磁居里面还是热居里面,它们所反映的都是地下的同一个温度界面。就某地而言,若其地下发生了深部热事件,居里面埋深发生变化,经过足够长的地质时期,热以某种方式传递到地表,并通过地表热流测量被识别出来,则整个过程可以由稳态温度场模型进行模拟,此时磁居里面深度和热居里面深度一致,称为热平衡状态。但是,深部热流传导到地表需要一定的时间,倘若某个深部热事件发生较晚,虽然深部温度场结构已经发生了改变,但热流尚未传递到地表,地表热流探测无法反映该热事件,此时磁居里面深度将浅于热居里面,此种情况即地热处于不平衡状态。2结论分析2.1南海北部土地热流模型南海北部462组地热资料统计结果显示,大地热流值范围为41~135mW/m2,平均大地热流值达到84mW/m2。由图1可见南海北部从陆架向海盆方向,大地热流表现为递增趋势。依据McKenzie经典岩石圈瞬时拉张模型,以南海北部平均地壳拉张因子值为3.0计算,对大地热流值随时间变化进行预测,南海北部大地热流值小于63mW/m2。但是,实测地热资料中67%的热流值大于63mW/m2,平均地温梯度52℃/km也远大于正常海底面地温梯度30℃/km,地热资料统计结果表明南海北部陆缘具有普遍偏高的大地热流值和地温梯度,地热状态不能用经典模型予以预测。南海北部陆缘磁居里面深度反演结果(图3)表明,磁居里面埋深表现为陆架和海盆区下拗,中、下陆坡明显上隆的整体趋势,其中陆架和海盆区磁居里面埋深25~30km,中、下陆坡埋深15~23km,磁居里面上隆分布在陆坡北缘断裂(F1)和中央海盆北缘断裂(F4)之间。2.2热、磁异常作用南海北部珠江口盆地OBS93剖面地壳厚度从陆架区的22km减薄至海盆区的8km,下地壳底部存在厚度为3~5km的高速层,随着地壳厚度由陆架向海盆方向减薄,海底热流值由陆架区的60mW/m2增加至海盆区的140mW/m2,洋陆边界带(ContinentOceanBoundary,COB)两侧出现高热流值。在F2和F4断裂之间热居里面深度大于磁居里面深度,两者深度差为3~15km,处于地热不平衡状态,F2断裂以北的上陆坡和陆架区以及F4断裂以南的海盆区热、磁居里面埋深基本一致(图4)。磁居里面反演结果显示F2和F4断裂之间磁性层底界面抬升,磁性层减薄,平面位置对应于前人研究所指的中、下陆坡磁静区,其中F2和F3断裂之间磁居里面与抬升的莫霍面相交,磁性体集中在上地壳和下地壳顶部,F3断裂以南磁居里面深度逐渐加大,至F4断裂以南的海盆区整个地壳和上地幔被地球磁场所磁化。地温场计算结果显示陆架和上陆坡区莫霍面温度为400~500℃,而下陆坡和海盆区莫霍面温度为200~300℃,海盆区脆性层底界深度达到30km。从综合剖面图4可见,F2和F4断裂之间是下地壳高速层主要存在区域,同时对应着大地热流由上陆坡向海盆方向增加和热、磁居里面深度不一致的区域。地壳拉张因子剖面显示F2和F4断裂之间是地壳强烈拉张减薄的区域。F2断裂带以北OBS2~4号站对应于磁异常平面图上的高磁异常带(图2),前人研究认为南海北部高磁异常带是中生代俯冲带对应的火山弧。依据地质年代计算,F2断裂带以北有足够时间达到地热平衡,可以解释热、磁居里面深度相同。F4断裂带以南是海底扩张形成的洋壳区,莫霍面浅,地壳薄,深部热传导至地表时间短,已达到热平衡状态,热、磁居里面深度一致。南海北部陆坡ESP-E剖面勘测结果显示北端莫霍面埋深约30km,地壳厚度为28km,测线南端海盆区莫霍面抬升至深度10km,地壳厚度减薄至5km,属于洋壳性质。综合剖面图5中,由测线北端至南端,表现为地壳厚度逐渐减薄,莫霍面逐步抬升和大地热流逐步增高的趋势。从上陆坡ESP7站所在的东沙岛开始向海盆方向,地壳底部存在宽度约300km的下地壳高速层,厚度为3~17km。地温场模拟和磁居里面反演结果表明,ESP-E剖面中8号站位与4号站位之间,磁居里面埋深浅于热居里面埋深,处于热不平衡状态,且两者之间的深度差异与下地壳高速层厚度呈正比关系。F2断裂所在的ESP8号站位以北至F1断裂所在的ESP9号站位之间,热、磁居里面埋深一致,位置对应于高磁异常带(图2),其性质与OBS93剖面的2~4号站位相同。F4断裂以南为洋盆区域,热、磁居里面深度一致。南海北部裂后晚期构造活动频繁,火山岩浆活动发育,海底地形图和重、磁异常研究表明东沙岛东南的下陆坡存在线性排列的海底火山,位置对应于ESP-E剖面4号站至2号站之间,即F3和F4断裂之间。研究表明该区域在裂后10Ma左右存在大规模海底火山活动,岩浆喷发形成良好疏导通道,深部热流体输送至地表,热流值增高,由热流值模拟的温度场升高,造成F3和F4断裂之间热、磁居里面交叉,地热状态受到裂后岩浆底侵事件和火山活动的共同影响。3讨论3.1地壳厚度变化南海北部珠江口盆地中、下陆坡区域热居里面埋深大于磁居里面埋深,依据居里面的定义,表明存在深部热事件,引起地热不平衡,热不平衡程度由海盆向陆坡方向变强。地震剖面探测结果表明,南海北部由陆架向海盆方向地壳厚度逐渐变薄,莫霍面抬升与地壳减薄呈镜像关系。对于同一深部热事件而言,莫霍面埋深越浅,地壳厚度越薄,地热更容易传导到地表,通过地热测量而得知,通过地温模拟的居里面深度和地磁反演的居里面深度越一致,就越接近地热平衡状态。OBS93和ESP-E两个剖面中海盆区莫霍面埋深小于10km,地壳厚度小于8km,拉张因子大于3.0,对应大地热流高值区。3.2obs3、abs-e综合剖面的热居与热居对比根据McKenzie岩石圈拉张模型,被动大陆边缘地壳在经历瞬时拉张之后,大地热流表现为拉张因子和时间的函数,地表热流随时间的推移逐步降低,并逐渐达到热平衡状态。本文中的地温模拟和居里面反演结果显示,南海北部具有普遍偏高的大地热流和地温梯度,OBS93和ESP-E综合剖面表明珠江口盆地中、下陆坡区域的热居里面埋深大于磁居里面埋深,处于地热不平衡状态。前人研究表明南海北部中、下陆坡下地壳高速层由裂后岩浆底侵事件形成,本文研究所发现居里面埋深差异较大的区域与下地壳高速层所在的位置恰好对应,且下地壳高速层厚度与居里面深度差异成正比例关系,据此推断裂后深部热事件是南海北部中、下陆坡下地壳高速层和地热不平衡状态的成因。同时,根据上文中ESP-E剖面F3和F4断裂之间热、磁居里面交叉的情况判断,裂后晚期火山岩浆活动对地热状态亦有重要影响。4南海北部中、下陆坡热价活动结果分析大地热流和地温梯度数据分析结果表明,南海北部陆缘具有普遍偏高的大地热流和地温梯度,大地热流值总体表现为由陆架向洋盆方向递增的趋势。地壳结构、拉张因子、莫霍面