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热带海洋学报 >

2024 , Vol. 43 >Issue 2: 173 - 183

DOI: https://doi.org/10.11978/YG2023003

海洋地球物理学

南海北部被动陆缘洋陆转换带张裂-破裂研究新进展

  • 赵明辉 , 1, 2 ,
  • 袁野 3 ,
  • 张佳政 , 1 ,
  • 张翠梅 1 ,
  • 高金尉 4 ,
  • 王强 5 ,
  • 孙珍 1 ,
  • 程锦辉 1, 2
展开
  • 1.中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室, 中国科学院南海海洋研究所, 广东 广州 511458
  • 2.中国科学院大学, 北京 100049
  • 3.广州海洋地质调查局, 自然资源部海底矿产资源重点实验室, 广东 广州 511458
  • 4.中国科学院深海科学与工程研究所, 海南 三亚 572000
  • 5.福建省厦门地质工程勘察院, 福建 厦门 361008
张佳政。email:

赵明辉(1967—), 女, 辽宁省锦州市人, 博士生导师, 研究员, 研究方向为海洋地球物理。email:

Copy editor: 殷波

收稿日期: 2023-08-14

  修回日期: 2023-09-11

  网络出版日期: 2023-09-22

基金资助

国家自然科学基金项目(91958212)

国家自然科学基金项目(41730532)

国家自然科学基金项目(U20A20100)

广东省基金团队项目(2017A030312002)

收起

New developments on the rift-breakup of the continent-ocean transition zone in the northern margin of the South China Sea

  • ZHAO Minghui , 1, 2 ,
  • YUAN Ye 3 ,
  • ZHANG Jiazheng , 1 ,
  • ZHANG Cuimei 1 ,
  • GAO Jinwei 4 ,
  • WANG Qiang 5 ,
  • SUN Zhen 1 ,
  • CHENG Jinhui 1, 2
Expand
  • 1. Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 511458, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 3. Guangzhou Marin Geological Survey, Key Laboratory of Seabed Mineral Resources, Ministry of Natural Resources, Guangzhou 511458, China
  • 4. Institute of Deep-sea Science and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Sanya 572000, China
  • 5. Xiamen Institute of Geological Engineering, Xiamen 361008, China
ZHANG Jiazheng. email:

Copy editor: YIN Bo

Received date: 2023-08-14

  Revised date: 2023-09-11

  Online published: 2023-09-22

Supported by

National Natural Science Foundation of China(91958212)

National Natural Science Foundation of China(41730532)

National Natural Science Foundation of China(U20A20100)

Guangdong Natural Science Foundation Research team project(2017A030312002)

Fold

摘要

文章基于深地震探测数据与大洋钻探资料, 研究了南海北部被动陆缘洋陆转换带张裂-破裂机制科学问题。2018—2023年在国家基金委共享航次的协助下, 实施了三维深地震探测实验, 共投放海底地震仪52台次, 海底电磁仪2台次, 放炮数量达8750炮, 累积获得了294Gb的第一手数据, 并取得了一系列的创新性成果: 1) 首次获得南海北部陆缘洋陆转换带深达上地幔的三维速度结构, 精准确定了研究区洋陆转换带三维空间展布范围宽度为10~20km; 2) 揭示南海北部陆缘异常活跃的岩浆作用, 提出了不同时间段的构造与岩浆相互作用方式, 岩浆活动随着伸展作用不断向洋迁移并逐渐占据主导地位; 3) 建立了边缘海独特的张裂-破裂地质演化模型, 最后一期强烈的岩浆活动导致岩石圈破裂, 形成由玄武岩为主的“鳄鱼嘴”构造, 同时张裂-破裂过程沿其陆缘走向又存在显著的构造-岩浆差异性。

关键词： 洋陆转换带; 二维/三维深部结构; 海底地震仪; 张裂-破裂机制; 南海北部陆缘

本文引用格式

赵明辉 , 袁野 , 张佳政 , 张翠梅 , 高金尉 , 王强 , 孙珍 , 程锦辉 . 南海北部被动陆缘洋陆转换带张裂-破裂研究新进展[J]. 热带海洋学报, 2024 , 43(2) : 173 -183 . DOI: 10.11978/YG2023003

Abstract

Based upon the deep seismic data and IODP drilling results, this study focuses on the mechanism of rifting and breakup processes of the northern South China Sea. During the implementation of the project (2018—2023), a 3D deep seismic survey was carried out during the Chinese National Natural Science Foundation Open Research Cruise (No. NORC2018-08). A total of 52 ocean bottom seismometers (OBSs) and 2 ocean bottom electro-magnetometers (OBEM) were deployed and a total of 8750 shots were fired. 49 OBSs and 1 OBEM have been recovered, and a large amount of data (294 GB) have been acquired. At the same time, a series of innovative results are obtained: 1) the 3D velocity structure of the COT in the northern margin of the SCS has been obtained for the first time, and the COT domain with width of 10 ~ 20 km is determined in 3D view; 2) the active magmatism was revealed in the northern margin of the SCS, and the styles of interaction between tectonism and magmatism were proposed in different geological stages; meanwhile, the magmatism propagated seaward and progressively increased during extension; 3) the geological model of rifting and breakup is established as the type of marginal seas, whose breakup occurred in a crocodile style dominated by basalt due to the strong magmatism during end-rifting, accompanied with significant along-strike variations in the tectonism and magmatism. This project builds up the opening mode of the SCS from the perspective of 3D deep seismic data, and promotes the Chinese basic research of the marginal sea, which has far-reaching scientific and strategic significances.

Key words： continent-ocean transition; two-dimensional/three-dimensional deep structure; ocean bottom seismometer; rift-breakup mechanism; northern South China Sea margin

南海作为西太平洋最大的边缘海之一, 是我国进行深海基础科学研究的首选(汪品先, 2009)。南海北部被动陆缘洋陆转换带(continent-ocean transition zone, COT)位于减薄陆壳与正常洋壳之间, 是大陆岩石圈向大洋岩石圈转变、海底初始扩张以及洋壳增生的关键构造单元; 其深部地壳结构蕴含了大陆岩石圈由张裂、破裂到海底扩张过程起始的重要构造演化信息, 是经典威尔逊旋回的重要组成部分(Geoffroy et al, 2015); 同时, 在构造上相对稳定的北部陆缘, 聚集了丰富的石油、天然气水合物等矿产资源, 具有重大的经济与战略意义。
前人根据岩浆作用和陆缘结构, 将张裂陆缘分为富岩浆型和贫岩浆型两种大陆边缘类型(Whitmarsh et al, 2001; Geoffroy et al, 2015), 后来增加了中间型(Larsen et al, 2018; Ding et al, 2020), 代表张裂过程的岩浆活动和构造作用介于上述两个端元之间。一般认为, 富岩浆型陆缘是指在由陆转洋的过程中, 岩浆活动占主导地位, 而构造伸展作用有限, 发育向海倾斜反射层和下地壳高速层(Geoffroy et al, 2015); 贫岩浆型陆缘是指岩石圈的构造伸展作用占主导, 岩浆活动相对较少, 其特征主要表现为较宽阔的洋陆转换带、拆离断层发育和存在蛇纹石化地幔(Whitmarsh et al, 2001); 而中间型陆缘是指由岩浆活动和构造伸展共同作用形成, 同时兼具上述两种端元类型的部分特征(Clift et al, 2001; Gao et al, 2015; 袁野 等, 2021), 例如, 同张裂岩浆活动有限但下地壳高速层发育的安哥拉陆缘(Contrucci et al, 2004)。
南海是如何张裂-破裂演变成洋盆的?属于哪一种端元类型?为了揭开南海大陆岩石圈破裂奥秘, 探讨南海扩张演化生命史, 在汪品先等众多科学家的推动下, 南海洋陆转换带成为国际大洋钻探项目(International Ocean Discovery Program, IODP)的重点攻关区域, IODP 367/368/368X航次成功钻探了7口井; 然而, 钻探结果却出乎意料, 这里既没有钻遇出露的蛇蚊石化上地幔, 也没有钻遇大量溢流玄武岩, 说明边缘海与大西洋的成因机制不同(汪品先, 2012, 2020)。南海洋陆转换带具有其独特性, 无论是在宽度、构造变形样式及深部圈层结构方面, 均与上述端元类型不同。由于IODP大洋钻探只钻遇基底以下100多米, 而深地震探测在地质结构的深度与广度上具有绝对优势, 深地震探测与IODP钻孔的“金钉子”相结合, 是全面解读南海洋陆转换带张裂-破裂机制的最佳途径(赵明辉 等, 2018)。
为了精细揭示COT的张裂-破裂机制, 2018年在南海北部陆缘COT区域第一次开展了三维海底地震仪(ocean bottom seismometer, OBS)深地震探测实验, 旨在揭示南海由伸展、张裂、破裂到海底扩张的三维变化特征。本文利用国家基金委共享航次获取的第一手数据, 探索了南海是如何张裂-破裂并演变成洋盆的这一重大基础科学前沿问题。

1 重要科学实验与关键数据

国家基金委2018年度设置了南海北部地球物理共享航次(编号NORC2018-08)。该航次使用中国科学院南海海洋研究所的“实验2”号科考船, 于2018年5—7月, 在南海北部陆缘洋陆过渡带IODP 367/368/368X钻探区(114°30′—117°30′E, 17°—20°N)开展了三维OBS深地震探测实验(王强 等, 2018; 杨富东 等, 2020)(图1)。海上作业历时50d, 总航程约2008海里。此次实验使用的便携式OBS是由中国科学院地质与地球物理研究所研制(郝天珧 等, 2011), 设置采样率为100Hz或250Hz, 共投放主动源OBS仪器52台, 最终成功回收49台, 回收率达到94.23%; 投放海底电磁场仪(ocean bottom electro-magnetometers, OBEM)站位2个, 回收1个(图1)。枪阵震源由中国科学院南海海洋研究所的4支大容量Bolt枪组成, 总容量为6000in3 (98.32L), 其信号主频为4~8Hz, 具有衰减慢、传播距离远等特征(赵明辉 等, 2008)。此次实验共设计11条放炮测线, 累积放炮8750炮, 放炮间隔为90s, 放炮时船速约为5kn, 炮间距约200m; 并同步采集了11条深地震测线及其过渡测线的多道反射地震剖面, 累积测线长度1610km (杨富东 等, 2020; 苏晓康 等, 2021)。
图1 南海北部陆缘IODP 367/368/368X钻探区的三维OBS深地震探测实施成果图

右上角插图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1665号标准地图制作。红色和灰色圆圈为分别为成功回收和丢失的OBS台站, 其上数字为编号; 蓝色方框为OBEM台站; 黑色点线为炮点轨迹, 黑色实线为测线; H1~H5和L1~L6为测线编号; 黄色五角星为IODP367/368/368X钻探井位和编号。橙色方框是图3的范围, 黑色虚线是图4中L1573测线的位置

Fig. 1 Significant scientific experiments and key data acquired during this project. Circles represent OBS recording signals caused by active airgun-shooting; blue square indicates the OBEM station; and the black lines correspond to the airgun-shooing lines. The stars are drilling sites of IODP. The orange square indicates the area of Fig. 3. The black dashed line denotes the location of seismic reflection line L1573 in Fig. 4

海上数据采集期间, 遭遇了热带低压-热带强风暴台风“艾云尼”、“马力斯”和“格美”以及持续西南季风等干扰, 工区海况变化多端, 浪高大于2m, 避风时长达到20d, 此次海上实验总计获得了294Gb的第一手海量数据, 均已提交到国家自然科学基金青岛海洋科学资料共享服务中心。此次探测航次为全球大陆边缘洋陆转换带研究提供了一个全新的三维地震成像数据集, 对于认识其张裂-破裂机制具有重要意义。

2 南海北部陆缘三维深部速度结构及洋陆转换带范围

利用49台OBS和11条地震剖面构成的网格数据, 拾取OBS垂直分量记录的初至波走时信息, 采用初至波走时层析成像方法(Zelt et al, 1998), 首次获得了研究区的三维纵波速度结构(图2)(Zhang et al, 2023)。在平行于南海北部陆缘构造走向的纵向速度结构切片上, 可见由陆壳向洋壳过渡时发生的剧烈变化特征, 主要表现为Moho面(对应于7.5km·s-1速度等值线)快速抬升, 地壳厚度减薄; 在垂直于南海北部陆缘构造走向的纵向速度结构切片上, 速度结构特征仍然显示出三维空间上的显著变化, 主要表现为靠陆一侧的速度结构特征存在显著的横向变化, 6.4km·s-1和7.5km·s-1速度等值线呈现从东向西明显抬升的特征, 而靠洋一侧的速度结构则横向变化不明显(图2)。在不同深度的水平切片上, 进一步展示了三维空间的地壳/上地幔速度结构变化, 详见Zhang等(2023)中的图6, 6.4km·s-1和7.5km·s-1速度等值线在不同深度切片上的变化, 反映了上/下地壳分界面和Moho面的埋深由陆壳向洋壳逐渐抬升, 并伴随着上地壳和全地壳厚度的相应减薄(图3)。结合研究区的IODP钻井、多道地震、重力和磁力资料, 在平面视角上, 我们精准地将研究区划分为陆壳域、COT域和洋壳域, 其中COT域宽度为~10~ 20km, 约束了该区发生的快速陆洋转换范围(图3)(Zhang et al, 2023)。三维速度结构在陆壳域的横向变化暗示, 南海北部陆缘发育一条陆缘张裂转换断裂带(transfer fault zone, TFZ), 其对应前人在南海北部陆缘推断的一条中生代岩石圈断裂带(Zhang et al, 2023)。我们认为在新生代的南海北部陆缘伸展期间, TFZ引起的继承性非均质地幔不仅可能调节着两侧不同的构造减薄和岩浆活动, 而且局部熔融量的差异还会进一步影响岩石圈热结构和地壳/上地幔流变学的差异, 从而导致东部陆缘的张裂-破裂受到构造活动和岩浆作用的平衡控制, 而西部陆缘则主要受控于伸展构造作用。因此, TFZ分隔的东部与西部COT具有不同的张裂构造减薄样式和岩浆富集程度, 这也进一步说明研究区复杂的由陆向洋的演变过程(图2和图3)。
图2 三维纵波速度结构模型的垂向和深度切片[据Zhang等(2023)修改]

a. 展示了海底、速度切片位置和海底以下15km的速度切片; b. 展示了3条平行陆缘走向的速度切片; c. 展示了平行伸展方向的速度切片。H1′~H3′表示平行陆缘走向速度切片, L1~L6表示垂直陆缘走向速度切片。三维纵波速度结构模型显示研究区北东、南西侧的地壳结构及其下地壳高速体分布存在显著差异

Fig. 2 Vertical and depth slices in 3D Vp model.

(a) The upper right image shows the seafloor, the location of the vertical slices, and the depth slice at 15 km below the seafloor; (b) The upper left image shows three vertical slices parallel to the strike of continental margin; (c) The lower image shows the vertical slices parallel to margin extension directions. The pink areas in the slices indicate the distribution of the high velocity layer in lower crust. The 3D Vp model shows that there are significant differences in the crustal structure and the distribution of the high velocity layer in lower crust in the northeast and southwest segments of study area

图3 南海北部陆缘洋陆转换带空间展布及不同地层的厚度图[据Zhang等(2023)修改]

a. 全地壳厚度; b. 上地壳厚度; c. 下地壳厚度; d. 高速层厚度。红色五角星表示IODP井位; 粗黑色虚线表示COT的靠陆边界; 粗黑色曲线表示COT的靠洋边界; a~d的细黑色曲线分别表示5km、3km、1km和2km的厚度等值线; 灰色曲线表示其他厚度等值线; 橙色点实线、实线和虚线分别表示磁异常条带C11、C10和C9。a~d中白色不规则部分表示没有数据约束的区域

Fig. 3 Scope of Continent-Ocean Transition domain in the northeastern continental margin of the South China Sea and the thickness maps for different layers, including (a) whole crust, (b) upper crust, (c) lower crust, and (d) high-velocity layer

3 南海北部陆缘伸展构造与岩浆活动的相互作用

对L1573多道反射剖面(图1)开展深入研究与解释, 发现在南海北部陆缘存在大量同裂陷期的岩浆活动(张翠梅 等, 2022), 它们主要表现为大型岩盖侵入体, 分布在不连续带显著发育的区带1基底中(图4), 局部出现岩席和火山锥。这些不连续带将基底分成许多具有不同反射属性的块体, 对应于非均质地震基底内的成分变化和/或先前存在的薄弱带和/或剪切带(Zhang et al, 2021); 这些分布在强烈伸展减薄基底中的岩盖, 不仅造成了基底的加厚, 也使得上覆同裂陷期沉积层序发生显著抬升(Zhang et al, 2021)。依据侵入体抬升与同岩浆期沉积物的交互作用, 可以确定岩盖的活动时间, 发现其活动开始于裂陷早期, 一直持续到海底扩张之后(约23.8Ma)。从陆缘远端带到洋陆转换带, 岩浆就位的时间由早到晚, 表明岩浆活动是随着伸展作用而不断向洋迁移, 活动时间与活动位置发生变化, 年代是随着变新的。
图4 L1573地震反射剖面中岩浆活动信息[据Zhang等(2021)修改]

a. 自由重力异常显示在圆隆部位出现重力高的特征。b. 地震剖面解释, 依据基底反射的分辨率, 将研究区划分出约束程度很好、中等、较差和钻孔约束的4个区域; 岩盖均分布在不连续带显著发育的区带1基底中, 且造成基底顶面和同裂陷期沉积层序的抬升, D1~D9代表岩盖在沉积层中形成的圆隆; C1代表火山锥; T60~T80表示盆地内沉积填充序列的不整合面; Tb表示基底顶部界面; Tnb表示新基底顶部界面; 细黑色短虚线表示Moho面; 蓝色虚线表示海底; 绿色粗虚线表示不连续带; 图b下面长虚线的不同颜色和形状分别表示T60\T70\T80\Tb界面; 箭头表示不连续带; C11和C10表示磁异常条带; 红色实线和虚线箭头表示不同的IODP井位。c. 原始地震剖面, 剖面位置见图1

Fig. 4 The magmatism in multi-channel seismic reflection profile L1573.

(a) Lateral variation of free air gravity anomalies shows high values in the area of dome-shaped high; (b) Line drawing and interpretation of seismic profile L1573. In terms of the data quality associated with the seismic basement the section was subdivided into four domains: well constrained, badly and moderately well constrained, and drill hole constrained. The laccolith distributed in the basement of zone 1, where the discontinuity zone is significantly developed, and caused the uplift of the top basement and syn-rift sedimentation, D1 to D9 represent dome-shaped highs formed by laccolith in sedimentary layer. C1 represents cone-shaped high; (c) For original seismic profile, see location in Fig. 1

通过估算基底中岩盖的体积, 并与陆缘演化阶段划分相结合, 查明了岩浆量随陆缘伸展过程的变化。结果表明, 岩浆量在裂陷早期较少, 在38~23.8Ma显著增多(图5)(Zhang et al, 2021)。大量岩盖和岩墙的形成, 其深部一定对应形成了更大比例的侵入体, 作为当时熔融体的来源而最终残留在地壳深部。因此, 我们提出陆缘远端带-洋陆转换带的下地壳高速体可能是同裂陷期/破裂期发育的岩浆底侵体(Zhang et al, 2021)。南海陆缘同裂陷期岩浆活动的系统解剖, 回答了“岩浆何时、何地、以何种形式参与活动以及岩浆量的多少”等关键问题, 推测南海北部同裂陷期岩浆的活动规律与中生代古太平洋板块的俯冲作用相关, 俯冲板块带入的大量水导致上覆板片极易解压熔融, 在伸展破裂阶段发生显著的岩浆活动。上述信息为建立南海张裂-破裂地质模型提供了重要地质依据。
图5 岩浆量在陆缘伸展过程中的变化[据Zhang等(2021)修改]

计算L1573地震剖面中岩浆量随伸展过程的变化, 红色数值代表在某一阶段最大增生的岩浆量, 蓝色数值代表最小增生量, 红色和蓝色虚线分别代表区带1和2的最大和最小增生量随时间的变化, 绿色虚线代表洋壳增生量随时间的变化, 以30km·ma-1的半扩张速率(Li et al, 2014)和5.8km的洋壳平均厚度为基础, 区带1~3范围详见图4b

Fig. 5 The variation of magmatic amount during the rifting in SCS margin. The variation of magmatic amount versus extensional process in L1573. The red and blue circles show the estimates of maximum and minimum amount of magmatic additions. The green dashed line and related value represent the rate of production of the oceanic crust, referring to the half spreading rate of 30 km·ma-1 (Li et al, 2014) and an average thickness of 5.8 km

4 建立边缘海型张裂-破裂地质模型

三维深地震探测中, 针对横穿洋陆转换带的两条广角反射/折射主测线(L2和L5)(图1), 利用正/反演速度结构模拟方法RayInvr (Zelt et al, 1992)和Tomo2d (Korenaga et al, 2000), 获得了沿测线下方的深部速度结构(Wang et al, 2023; Yuan et al, 2023)(图6), 与IODP钻探结果结合(Larsen et al, 2018; Ding et al, 2020), 共同约束了陆-洋之间短暂而迅速的转换过程。例如, 沿L2测线速度结构显示(图6a, 6b), 地壳厚度由远端域的大约12km, 在COT快速减薄至约7km, 然后在洋壳区域稳定为约5km; 减薄陆壳和COT的下地壳底部存在一个厚约3km、速度为7.0~7.5km·s-1的下地壳高速层(high velocity lower crust, HVL); COT的宽度为20km, 以下地壳高速层、基底隆起和海倾正断层为主要特征(Yuan et al, 2023)。沿L5测线速度结构显示(图6c, 6d), 地壳厚度由陆向洋从约17km减薄到约8km, 在外缘隆起处(outer marginal high, OMH)存在局部地壳加厚现象; 在COT区, Moho面明显抬升, 地壳速度梯度与厚度变化剧烈; HVL与反射基底中局部的上拉反射所代表的裂陷晚期岩浆作用密切相关, 推测HVL可能是由同裂陷/破裂期岩浆底侵所形成, 其为基底和沉积层中岩盖和岩席等提供了熔融体的物质来源(Wang et al, 2023)。基于南海较高的地幔温度、塑性下地壳的颈缩及快速的岩浆供应, 这3种因素的相互作用形成了独特的边缘海型洋陆转换带深部结构特征与岩浆活动方式。
图6 沿L2和L5测线的速度结构剖面及洋陆转换带划分[据Yuan等(2023)、Wang等(2023)修改]

a. 沿L2多道反射结构剖面; b. 沿L2测线反演深部速度结构; c. 沿L5测线多道反射结构剖面; d. 沿L5测线反演深部速度结构。RidgeA、RidgeB和RidgeC对应于3个基底隆起。L2和L5测线位置见图1。图中的黄色圆和数字表示OBS位置及其编号; 白色圆和数字表示丢失的OBS位置及其编号。C11r和C10r表示磁异常条带。a和c中红色实线表示断层; 蓝色、绿色、紫色和黑色虚线分别表示T30\T60\T70\ Tb界面。OMH表示外缘隆起

Fig. 6 The velocity profiles and COT along L2 and L5. (a) Multi-channel seismic profile along L2; (b) Inverted velocity model along L2; (c) Multi-channel seismic profile along L5; (d) Inverted velocity model along L5. Ridges A, B and C correspond to three basement highs, see locations of L2 and L5 in Fig. 1

综合多学科、多数据联合的技术手段, 建立高精度和高分辨率的南海北部陆缘COT结构及张裂-破裂结构剖面, 注重岩石圈的结构分层, 锁定下地壳高速体的成因和范围, 为探索破裂机制提供重要依据(图6), 阐明了南海张裂-破裂地质演化过程(图7)。裂谷作用早期的拉伸变形在脆性上地壳和韧性下地壳之间, 以小规模的正断层为主(图7a); 随着地壳减薄至15km, 流变性、岩浆作用、断裂之间的相互作用发生了变化; 随着岩石圈持续减薄, 岩浆就位的时间由早到晚, 岩浆活动也随着伸展作用不断向洋迁移并发生变化, 大陆岩石圈地幔温度升高, 导致地幔物质在浮力驱动下减压熔融, 有的岩浆在减薄陆壳底部形成岩浆底侵,形成同张裂期的HVL, 有的岩浆沿先存断层系统侵入, 造成地壳增厚与基底隆起(图7b, 7c); 虽然同张裂期的岩浆活动发育, 但仍以伸展构造活动为主, 塑性下地壳剧烈颈缩减薄; 最后一期强烈的岩浆活动导致岩石圈破裂, 全地壳断裂分开, 充足的岩浆喷涌而出, 形成由玄武岩为主的“鳄鱼嘴”构造(图7c), 随后开始稳定的海底扩张(图7d)。构造和岩浆作用的时空变化造就了南海陆缘张裂-破裂的三维展布特征与样式(图2和图8), 解译了南海独特COT地质属性, 揭示了最后一期为岩浆主导的破裂, 建立了南海北部陆缘是在贫/富岩浆型之间快速切换的一种中间型大陆边缘, 发展了被动陆缘张-破裂第三类端元类型; 从而提出了以南海为代表的边缘海型陆缘的张裂-破裂地质演化模式。
图7 南海北部陆缘张裂-破裂地质演化模式[据Yuan等(2023)修改]

a. 张裂期: 岩浆底侵至下地壳从而形成下地壳高速层; b. 张裂晚期: 岩浆侵入到地壳内部从而形成数个基底隆起; c. 破裂期: 岩浆上涌迫使地壳抬升并最终破裂; d. 海底扩张期: 构造作用减弱, 海底扩张逐渐稳定。A, B, C表示基底隆起; ?表示该界面或者结构形态存在不确定性

Fig. 7 A rift-breakup geological evolution model of the northern margin of the SCS.

(a) Rifting: magma underplating to form HVL; (b) Late rifting: magma intrusion to form several basement highs; (c) Breakup: abundant magma came up, uplifted the hyper-thinned continental crust and finally broke up; (d) Seafloor spreading: tectonism decreased and seafloor spreading gradually stabilized

图8 南海陆缘张裂-破裂的三维地质模型[据Zhang等(2023)修改]

研究区东、西两侧陆缘呈现不同的构造减薄和岩浆样式。L2和L5测线位置见图1。C9~C11表示磁异常条带

Fig. 8 Schematic diagram showing the 3D geological model of the along-strike variations in tectonism and magmatism during rift-to-drift process in the study area of SCS. See Fig. 1 for locations of L2 and L5

5 进展与结论

本文围绕南海北部陆缘IODP 367/368/368X钻探区开展的岩石圈三维深地震探测实验与研究, 获得了大量宝贵的地球物理资料, 取得的主要进展与结论如下:
1) 地震探测OBS台站回收率达到94%, 数据质量良好; 采集到全新的三维地震成像数据集, 对于认识边缘海型被动陆缘张裂-破裂机制具有重要意义。
2) 开展了二维和三维速度结构成像研究, 获得了不同深度、不同构造方向的高精度速度结构分布, 划分了陆壳域、COT域和洋壳域, 其中COT域宽度为10~20km, 揭示陆壳向洋壳发生了快速转变。准确阐明了不同张裂陆缘段的岩浆活动与构造方式存在显著差异, 创新性地提出了南海大陆岩石圈破裂和南海洋盆打开的三维地质模型(图8)。实现从“点(钻孔)”到“面(二维)”、到“体(三维)”的拓展, 建立一个有实验依据的钻孔约束的、二维与三维多视角展布的边缘海张裂陆缘的典型研究范例。
3) 阐明了南海陆缘伸展构造变形与岩浆活动相互作用的张裂-破裂特征及其时空变化样式。裂谷作用早期的拉伸变形在脆性上地壳和韧性下地壳之间, 以小规模的正断层为主; 随着地壳减薄, 流变性、岩浆作用、断裂之间的相互作用发生了变化, 岩浆就位的时间由早到晚, 岩浆活动也随着伸展作用不断向洋迁移并发生变化; 最后一期强烈的岩浆活动导致岩石圈破裂, 随后开始稳定的海底扩张。
4) 提出了“边缘海型”洋陆转换带的概念。其独特性主要表现在: 洋陆转换带范围窄, 大量岩浆底侵, 构造与岩浆相互作用强烈, 破裂快速; 区别于经典的贫/富岩浆型陆缘, 回答了南海北部陆缘为何兼具贫/富岩浆型双重特征的原因(构造伸展减薄, 大量岩浆底侵, 最后阶段的岩浆主导破裂), 建立了南海北部陆缘是在贫/富岩浆型陆缘之间快速切换的一种边缘海型陆缘破裂新机制。

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