关键词：被动大陆边缘;;南海北部陆缘;;大陆岩石圈破裂;;地壳强烈减薄;;强烈伸展裂谷体系;;拆离断层
摘 要：南海是西太平洋地区最大的边缘海,其形成演化经历了晚白垩世末-早始新世开始的多幕裂陷作用,最终在~33 Ma(大洋钻探349航次U1435钻孔)发生大陆岩石圈的完全破裂和随后的海底扩张。南海E次海盆在24-26 Ma(C7-C6,大洋钻探Leg 184航次U1148钻孔)发生扩张脊向南的跃迁。在~16 Ma(C5c)时,南海E次海盆和SW次海盆的海底扩张作用同时停止。通过对大西洋两岸(中挪威-扬马延岛-东格林兰岛、纽芬兰-伊比利亚、巴西安哥拉)、阿尔卑斯山古特提斯、红海-亚丁湾、印度西部和东部、澳大利亚西部和墨西哥湾等被动大陆边缘的研究,地质学家建立了被动大陆边缘地壳减薄、破裂与盆地发育的两种端元模式,即贫岩浆型和富岩浆型。南海由于不发育富岩浆型被动大陆边缘岩石圈破裂相关的大规模玄武岩流(SDRs),一直被认为是贫岩浆型被动大陆边缘,其演化过程与破裂机制可以对比大西洋两岸纽芬兰-伊比利亚共轭被动大陆边缘。南海北部被动大陆边缘被认为是伊比利亚型被动大陆边缘,即陆壳通过一组向海倾的大型拆离断层及其作用下剥露的岩石圈地幔(蛇纹石化橄榄岩)与洋壳相分隔。2016-2017年国际大洋钻探367和368航次在南海北部陆缘洋陆边界附近实施了7个钻孔(U1499/U1500/U1501/1502/U1503/U1504/U1505),重点解决陆壳与洋壳过渡带内沉积基底的物质属性问题,尤其是调查是否发育类似纽芬兰-伊比利亚共轭被动陆缘的蛇纹石化地幔橄榄岩。初步钻探结果表明,以上七个钻孔没有钻遇蛇纹石化橄榄岩,但是U1504和U1501分别钻遇基底的变质岩和沉积岩。南海的形成演化过程与发育模式可能与伊比利亚-纽芬兰共轭被动大陆边缘存在明显差异。基于独特的大地构造背景,构建不同于世界其它被动大陆边缘(尤其是研究相对成熟的大西洋两岸和阿尔卑斯山特提斯被动大陆边缘)、有着南海地区特色的大陆岩石圈伸展-减薄-破裂过程与机制以及不同结构类型与构造演化过程的裂谷盆地发育具有重要意义。南海地区,尤是南海北部被动大陆边缘的岩石圈结构已经被广泛研究,研究方法包括三维剪切波速度模型、重力二维和三维密度反演、OBH/ESP/OBS/OOS测线以及长电缆深二维地震反射剖面,构建了板块或盆地级别的三维岩石圈结构和盆地内部级别的二维岩石圈结构。高精度的盆地内部隆起-坳陷(或凸起-凹陷)级别的岩石圈结构没有得到解决。南海北部大陆边缘陆架区地壳轻微-中等薄化背景下的控凹断裂发育特征、演化过程以及裂陷结构已经有了比较好的研究。但是在靠近洋壳的陆坡区,南海北部陆缘发育了一系列的地壳强烈减薄的裂谷体系(凹陷)。基于二维地震资料的研究,这些凹陷的控凹断层发育、裂陷结构及地壳强烈薄化机制仍未很好解决且存在很大的争议。因此,本次研究涉及三个主要研究内容,分别为南海北部被动大陆边缘新生代地壳薄化状态与空间差异、地壳强烈减薄区裂谷体系发育特征、地壳强烈减薄与大陆岩石圈最终破裂机制。本次研究共收集长电缆深二维地震反射剖面344条(长度>20000 km),基本覆盖南海北部大陆边缘中段。由于长电缆深二维地震反射剖面记录深度大于10 s(TWT),可以有效识别莫霍面的地震相,表现为连续的强振幅反射界面。因此通过长电缆深二维地震反射剖面可以进行高精度的三维地壳结构研究,解析莫霍面埋深及地壳厚度等信息。研究结果表明,南海北部被动大陆边缘新生代地壳薄化作用存在明显的空间差异,表现为侧向上(由西向东)地壳轻微-中等-强烈减薄带发育宽度的差异与正向上(由陆向洋)多个地壳强烈减薄中心(遗弃的强烈伸展的裂谷体系与大陆岩石圈破裂相关的裂谷体系)的发育。南海北部被动大陆边缘新生代地壳薄化作用的空间差异与伸展作用开始之前地壳垂向结构的空间差异有关,发育特征与机制和中-北大西洋伊比利亚-纽芬兰、爱尔兰被动大陆边缘存在明显差异。中-北大西洋海底扩张经历了由南向北扩展的过程,V型盆地是伸展作用由南向北迁移过程中发育的分叉裂谷带。南海北部被动大陆边缘遗弃的强烈伸展的裂谷体系的发育与洋盆海底扩张的侧向扩展无关。在白云凹陷和荔湾凹陷本次研究共收集到的三维地震工区面积为约21000 km~2。在三维地震工区内,地震波有效记录深度为8或9 s(双程旅行时间)。在白云凹陷和荔湾凹陷,有19口钻井钻遇裂陷层,可以有效约束关键地震反射界面(Tg、T80、T70、T60和T30等)的解释。中海石油(中国)有限公司2015年在长昌凹陷集中采集了90条长电缆深二维地震反射测线覆盖范围为~3700 km~2,总长度为~5300 km,最大记录深度为12 s(TWT)。利用三维和二维地震反射资料对白云凹陷。荔湾凹陷和长昌凹陷新生代控凹断层和关键构造界面进行解释,构建伸展断裂体系和裂陷结构。研究结果表明,南海北部被动大陆边缘中段遗弃的强烈伸展的裂谷体系白云凹陷发育向陆倾的作用于壳内的多级拆离体系,包含向陆倾的低角度主拆离断面及其上覆的向陆倾的铲式分支伸展断层和向洋倾斜的断块,控制白云凹陷不对称裂陷结构的形成。南海北部被动大陆边缘中段遗弃的强烈伸展的裂谷体系荔湾凹陷发育单一的、大型的、向洋倾的、低角度甚至近于平卧的、有着非常大的水平位移(~60-70 km)并且作用于壳内的拆离断层,拆离断层之上没有发育次级分支断层。荔湾凹陷拆离断面受到岩浆底辟作用(~33 Ma和24 Ma)的强烈改造,在凹陷内部形成一系列穹隆状的构造高。南海北部被动大陆边缘中段遗弃的强烈伸展的裂谷体系长昌凹陷发育单一的、向陆倾的、高角度铲式的、现今依然活动并且作用于壳-幔边界的拆离断层,拆离断层之上没有发育次级分支断层。南海北部被动大陆边缘新生代中段的伸展作用经历了早期的纯剪切伸展模式到后期的简单剪切模式的转变,并且简单剪切伸展变形发育时间有着由东向西逐渐变晚的特征。综合南海北部被动大陆边缘中段遗弃的强烈伸展裂谷体系(白云凹陷、荔湾凹陷和长昌凹陷)地壳结构和裂陷结构的研究,分析地壳强烈减薄的机制。结合国际大洋钻探349、367和368航次的钻探结果,揭示南海北部被动大陆边缘中段在~33Ma时大陆岩石圈最终破裂的机制。对比分析南海北部被动大陆边缘中段与典型的贫岩浆和富岩浆型被动大陆边缘远端边缘的构造特征。研究结果表明,南海北部被动大陆边缘中段新生代的地壳强烈减薄的机制包括由陆向洋相继的断层活动(白云凹陷)、基于深度的伸展与岩石圈地幔的强烈上拱作用(荔湾凹陷)和地壳伸展脆性化(长昌凹陷)。南海北部被动大陆边缘大陆岩石圈破裂的机制为作用于强烈减薄的正常地壳之上的构造-岩浆事件(~33 Ma),与典型的贫岩浆被动大陆边缘(作用于剥露的蛇纹石化橄榄岩之上的构造-岩浆作用)和富岩浆型型被动大陆边缘(作用于强烈减薄并且发生大规模岩浆侵入或底侵的地壳之上的构造-岩浆事件)存在明显的差异。南海北部被动大陆边缘中段与典型的贫岩浆和富岩浆型被动大陆边缘相比,有着不同的拆离断裂体系(拆离断层组合、角度、水平位移和拆离深度)、差异的地壳减薄(由陆到洋,由西向东)、远端边缘垂向和侧向结构、洋陆边界属性、岩浆活动、大陆岩石圈破裂机制和远端边缘基底地形。本文针对这些差异性的分析,构建了不同于世界其它被动大陆边缘(尤其是研究相对成熟的大西洋两岸和阿尔卑斯山特提斯被动大陆边缘)、有着南海地区特色的大陆岩石圈伸展-减薄-破裂过程与机制以及不同结构类型与构造演化过程的裂谷盆地发育。
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