华南地区中生代陆地构造演化的构造背景

华南地区中生代陆地构造演化的构造背景

0区域地质背景及新生代岩浆性质转换的意义华南大陆位于太平洋大陆边缘的南端，是太平洋板块、亚洲板块和印度洋板块的交汇处。独特的大地构造位置和复杂的构造地貌形态,使这一地区的地壳(岩石圈)演化问题备受国内外学术界的关注。对此,目前已有诸多模型或假说,例如弧后扩张、地幔柱作用、挤出逃逸,等等。已有的各种模型虽然均有其合理之处,但仍然存在诸多问题,有待进一步探讨,例如:(1)东、西太平洋大陆边缘的差别是后者具有弧盆体系,但这种差异主要起源于新生代,此前太平洋东、西两侧同属安第斯型大陆边缘。问题:弧盆体系为什么只出现于西太平洋而不在东太平洋?为什么发育于新生代而不在中生代?(2)中国东南部在中生代有强烈中酸性岩浆活动,形成了著名的华南花岗岩带和闽浙沿海中酸性火山岩带。但伴随着新生代弧盆体系的形成,中酸性岩浆活动在华南销声匿迹,取而代之的是强烈的玄武质岩浆活动。问题:中、新生代岩浆性质转换与弧盆体系的发育有没有联系以及有何联系?(3)华南中生代的地壳运动以侧向压缩为主,形成了一系列走向北东的褶皱构造与压扭性断裂。虽然中生代晚期也有部分断裂转变为控盆正断层,但晚中生代的盆地地层也常见褶皱变形和逆冲断裂。然而,南海盆地切割新生界的断层几乎全属于高角度正断层。问题:中、新生代构造形式或类型的转换,与前述中、新生代岩浆性质转换是偶合还是必然?(4)南海海盆的地壳厚度远低于正常陆壳,但布格重力异常却远高于后者,且两者大体呈镜状对应。问题:陆壳减薄发生于海盆形成之前还是形成之后?是高重力引起了该区的薄地壳还是薄地壳引起高重力?等等。对上述现象及其所蕴含的科学问题的思考,得到两点基本认识:(1)包括本区在内的西太平洋弧盆体系虽然出现在新生代,但它应是中生代地壳(岩石圈)演化过程的延续,故对其研究需要考虑该区中生代的地壳(岩石圈)演化背景;(2)本区中、新生代岩浆性质转换与构造地貌转型在时间上的耦合,暗示地表构造地貌形态演化与地壳或岩石圈内部的物质演化可能存在某种内在联系。基于上述两点认识,本文拟从华南陆缘的地壳结构入手,在花岗岩原地重熔理论的基础上,对上述问题展开讨论,并试图建立中生代末期以来,该区地壳(岩石圈)内部物质演化与地壳表面构造地貌演化的关系模型。1海槽与莫霍面起落架区包括华南大陆边缘在内的整个西太平洋大陆边缘地壳性质,属于张文佑和张抗定义的“过渡型陆壳”,其特点是虽然岩石组成上基本属陆壳(不排除深海盆地区存在少量洋壳的可能性),但其厚度与正常大陆地壳相比相差甚远。例如日本海,据文献的报道,三条双船折射剖面获得的该区地壳厚度只有12～13.5km;而在本区南海北部陆架的地壳厚度多在30km以内,南海盆地内部分地区更减薄至不足20km,而中国东部大陆地壳的平均厚度则为37km。有关大陆边缘地壳减薄原因,不少学者将其归咎于地幔上涌及由此引起的地壳横向伸展。显而易见,如果地壳减薄起因于地幔上涌,被地幔流加热的首先应该是下陆壳,由此引起下地壳物质的流变,从而导致地幔上涌区的下地壳减薄。图1是根据OBH96-4的10台海底地震仪的震相分析和走时模拟得到的横跨南海西沙海槽的地壳结构剖面,为上述认识提供了重要支持。从中可见:(1)西沙海槽存在莫霍面隆起,且隆起区上方的下陆壳厚度明显减薄;(2)隆起的莫霍面形态连续且圆滑,显示下陆壳下部的岩石是连续的,故其减薄应与岩石塑性变形,导致物质从隆起区顶部向两侧流动有关(图1)。然而,大量地球物理资料证实,南海地壳的减薄主要不是发生在下陆壳而是上陆壳。图2是南海北部OBS-93综合地球物理解释剖面。从中可见,剖面中新生代沉积层之下的地壳厚度,从陆架的18km减薄至海盆区的6km。其中,上地壳在剖面北端约为12km,向南逐渐减薄至3km,减薄率75%;下地壳层(速度值6.4～7.0km/s)厚度在剖面北端约为6km,向南也逐渐减薄至3km,减薄率50%。值得一提的是,下陆壳底部或上地幔顶部存在波速为7.1～7.5km/s的速度层,从地质角度看,该层最可能的解释是其内岩石处于部分熔融状态,或反映过去的熔融层尚未完全固化,故莫霍面的位置应为该层的上界面而不是下界面。剖面中8.2km/s波速界面形态特征可以印证这一认识。上陆壳大幅度变薄现象显然不是地壳流变模型能够解释的,因为按照正常的地温梯度,厚度只有十几至几公里的上陆壳应为刚性地壳,且作为华南大陆的组成部分,南海地区的基底断裂体系早在中生代就已形成,故上陆壳实质是由大大小小的断块组合而成(图3)。因此,即使地幔上隆可导致下陆壳发生流变或伸展,也只能使上陆壳发生断块调整而不可能造成断块本身厚度的减薄(图3)。前面讨论了图1反映的西沙海槽莫霍面隆起区上方的下陆壳流变现象。但从该图中我们还可以看到:(1)西沙海槽地壳减薄不但发生在下陆壳,上陆壳减薄的幅度更大,海槽两侧的上陆壳厚度(不包括新生代沉积层)约为15km,而海槽内部最薄处仅为2～3km;(2)西沙海槽的发育受高角度正断层控制,且断层切割了整个上陆壳并向下延伸至下陆壳上部,但没有切割到莫霍面;(3)上陆壳的上、下界面形态相似,表明海槽是断块整体沉陷所引起,同时表明下陆壳流变与上地壳的减薄无关,相反,上陆壳刚性断块下沉应是迫使下陆壳的物质向两侧流动的原因之一。图4是南海北部岩石圈结构模型改编而成。从中可见,从华南大陆到南海深海盆,陆壳的厚度逐渐减少,其中下陆壳的厚度在16～8km,而上陆壳厚度则从24km左右减薄到6.5～3km(不包括沉积基底之上的沉积层)。因为南海地区原为华南大陆的组成部分,故两者在中生代末应具有大体相同的地壳厚度。若此假设成立,图4上方的虚线即代表剥蚀之前该区大陆地壳的上界面。由此可见壳上剥蚀确实是本区上陆壳减薄的主要原因,而且剥蚀的幅度自陆向海不断增大,至陆坡以南的深海盆地区,上陆壳可能已基本被剥蚀殆尽(图4)。综上所述,华南大陆边缘地壳属于减薄型地壳,而减薄的部分主要是上陆壳而不是下地壳。上陆壳减薄主要原因是壳上剥蚀而不是地幔上隆或岩石圈伸展。2晚白垩世—中生代末期华南陆缘山脉的重建中生代的中国东部属安第斯型大陆边缘,中国的地势东高西低。但是,就算中生代某一时期存在如现代安第斯或喜马拉雅一样宏伟的陆缘山脉,也无法造成图4所示的南海海盆上地壳如此巨大的剥蚀量。因此,华南大陆边缘中生代的陆缘山脉应有多个世代。这一认识与该区中生代花岗岩活动的多期性和构造运动的多幕性是一致的。中生代最后一次构造运动(燕山第五幕)造成的晚白垩世末的大陆边缘山脉,在此称为古华夏山脉,其位置大体位于台湾海峡—南海海盆一线(图5)。学者认为,该山脉东西宽度近500km,山峰高度一般在海拔3500～4000m。该山脉的形成挡住了东来的暖湿气流,使中南地区广大平原和丘陵地区变成干旱炎热的半沙漠和盐湖地区。除了古气候、古生物及沉积古地理方面的证据外,盆地的分布同样提示古华夏山脉的存在。图5是华南东部晚白垩世—古近纪盆地分布图。从中可见,闽浙和粤东沿海地区基本没有这一时期的盆地(无盆带),说明该区当时地势高,长期处于剥蚀状态。该带向西自广州—江西上饶一线,虽然盆地数量众多,但盆地规模不大,故称为“小盆带”。盆地规模小的原因可能有二:一是盆地沉积受当时地形限制,即属于山间盆地;二是沉积时盆地面积很大,其后被剥蚀变小。不管哪种原因,均要求该区当时有较高的地势,暗示本区是古华夏山脉的分布区;该带再向西,相应时期的盆地多且规模大。如果上述小盆带属于山间盆地带,本区则应属于山前盆地带。由此可见,本区晚白垩世—古近纪的地势总体是东高西低,闽浙沿海及其以东地区应为山脉所在区(图6)。图6B的粗实线为断裂,其内存在壳内(花岗质)岩浆层和壳下(玄武质)岩浆层,显示古华夏山脉被夷平,出现广泛准平原化,壳内(花岗质)岩浆层已基本固结,东部的断裂可以向下延伸,但其中大部分断裂(粗实线)此时尚未能切穿整个大陆地壳。晚白垩世古华夏山脉存在的另一证据来自花岗岩出露。华南地区晚白垩花岗岩在陆地上的分布,基本局限于图5东部的“隆起剥蚀区”及广东沿海地区。南海北部陆架至少有10口钻井钻遇晚白垩世花岗岩,其年龄一般为90～70Ma。花岗岩为深成岩,形成深度一般为地面之下4～5km,其出露意味着上方的地壳被剥蚀了4～5km(图5)。这一数字与该区的地壳和正常大陆地壳的厚度差大体相当。根据沉积古地理和古气候资料,古华夏山脉至始新世中后期(约40Ma)可能已大部分被剥蚀;至渐新世末,区内的地貌演化已进入准平原阶段(图6b),证据是包括南海北部陆架盆地在内的该区晚新生代盆地沉积层之下,普遍发育有厚度不等的红壤风化壳。图7是珠江口盆地的地震剖面选段,剖面中三角形符号标注的是新生代沉积基底面Tg,钻探证实是风化壳发育的地震响应。从图6a尚可见到,陆缘地区莫霍面的上拱形态应是中生代岩石圈侧向压缩所造成,古华夏山脉的夷平导致上陆壳减薄,使得其埋深变浅(图6b),布格重力也因此而逐渐升高。换言之,是薄地壳导致高重力而不是高重力导致薄地壳;所谓“地幔上隆”亦即莫霍面埋深变浅,是本区陆壳减薄的结果而不是原因。3中新世之晚白垩世内生热价值构造运动陆缘地壳减薄导致区域重力升高,后者反之又使区域地壳处于不稳定状态,从而诱发断块的差异升降运动,形成断陷盆地或断块山。然而,断块调整除了重力因素外,尚需要具备另外两个条件:一是断块边界断裂的切割深度,二是断块下方存在可为下沉断块提供空间的流变层。如图6a所示,当上陆壳内部存在岩浆层的时候,无论平面规模多大的断裂,向下只能切割到壳内岩浆层顶部,因为熔体的性质不允许不连续面向下延伸。晚白垩世末的构造运动(燕山五幕)之后,华南中生代的壳内岩浆层逐渐固结,证据是本区没有新生代花岗岩,以及在晚白垩世尚有较强活动的闽浙沿海中酸性火山活动,进入古近纪后基本销声匿迹。伴随着壳内岩浆层自上而下的固结作用,盖层中规模较大的断裂逐渐向下延伸。进入中新世,本区发生了大规模的玄武岩浆的喷溢活动(图8),表明向下延伸的大部分断层,此时已切割到上地幔顶部的壳下岩浆层(图6b)。断裂的向下延伸导致陆缘地区原本连续的地壳被分割成大大小小的断块,在因地壳减薄产生的高重力作用下,陆缘区的断块开始向下沉降,此为南海海盆区的断层均为正断层(图9)的原因。陆缘地壳大规模的断块沉陷产生两种构造地貌效应,一是使古近纪晚期的准平原面下降至海面之下,陆缘地区的地貌完成了从“陆”到“海”的转换;二是下沉的重断块迫使壳下熔融(岩浆)层内的物质向两侧“轻断块”下方运移,并将其顶托向上,导致大陆边缘岛弧的形成和华南大陆东部准平原的破坏,其模型如图10所示。从图10尚可见到,陆缘地区的莫霍面不是在隆升,而是在下降。南海海区不同部位新近系之下的基岩面与现代地面的距离,即为该处莫霍面下压的深度。换言之,“地壳断块”的下沉意味着“莫霍面夷平”。这种“莫霍面夷平”与我们熟知“山根消灭”实质是同一原理。4晚新生代构造期从中生代的安第斯型大陆边缘发展到今天的弧盆体系,华南大陆边缘的地貌演化经历了三个不同的演化阶段,即中生代末期的古华夏山脉阶段,中生代早期的准平原阶段和中新世以来的海盆阶段。晚白垩世的陆壳熔融和构造运动导致了古华夏山脉的形成。该山脉在古近纪中期已基本被夷平,至渐新世已进入准平原阶段。古华夏山脉导致陆缘地壳减薄、莫霍面埋深变浅和区域性的重力升高。另一方面,本区地壳温度的整体下降,使形成于中生代壳内的岩浆层逐渐固结,盖层断裂则随着重熔界面(壳内岩浆层上界面)的下