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热带海洋学报 >

2017 , Vol. 36 >Issue 3: 73 - 79

DOI: https://doi.org/10.11978/2016080

西沙海域上新世以来火山特征及其形成机制*

  • 冯英辞 , 1, 2 ,
  • 詹文欢 , 1, 2 ,
  • 孙杰 1 ,
  • 姚衍桃 1 ,
  • 郭磊 1, 2 ,
  • 陈梅 1, 2
展开
  • 1. 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室(南海海洋研究所), 广东 广州 510301
  • 2. 中国科学院大学, 北京 100049;
通讯作者：詹文欢(1963—), 男, 博士, 研究员, 主要从事海洋新构造与地质灾害研究。E-mail:

作者简介：冯英辞(1988—), 男, 在读博士研究生, 从事海洋新构造与地质灾害研究。E-mail:

收稿日期: 2016-08-30

  要求修回日期: 2016-10-31

  网络出版日期: 2017-06-01

基金资助

国家重点基础研究发展计划项目(2013CB956104)

国家自然科学基金项目(41376063)

收起

The formation mechanism and characteristics of volcanoes in the Xisha waters since Pliocene

  • FENG Yingci , 1, 2 ,
  • ZHAN Wenhuan , 1, 2 ,
  • SUN Jie 1 ,
  • YAO Yantao 1 ,
  • GUO Lei 1, 2 ,
  • CHEN Mei 1, 2
Expand
  • 1. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Corresponding author: ZHAN Wenhuan. E-mail:

Received date: 2016-08-30

  Request revised date: 2016-10-31

  Online published: 2017-06-01

Supported by

National Program on Key Basic Research Project of China (2013CB956104)

National Natural Science Foundation of China (41376063)

Copyright

热带海洋学报编辑部
Fold

摘要

2013年采集的单道地震剖面揭示了西沙海域的火山结构, 有助于理解该区域火山的形成机制和活动性特征。地震剖面显示: 西沙南部存在大约10个火山构造, 具有不连续强振幅反射特征的熔岩流侵入火山周围上新世和更新世地层。此外, 在西沙西部边缘和中部分别发现有单个火山构造, 岩浆侵入火山体周围的第四纪地层。根据岩浆侵入体和周围地层的接触关系, 推测区内火山活动集中在上新世和第四纪两个时期。上涌的深源地幔岩浆弱化了地幔岩石圈并继续沿着先存断裂向上涌至古海底, 可能是该区域火山形成机制。

关键词： 西沙海域; 火山; 上新世; 形成机制; 单道地震

本文引用格式

冯英辞 , 詹文欢 , 孙杰 , 姚衍桃 , 郭磊 , 陈梅 . 西沙海域上新世以来火山特征及其形成机制*[J]. 热带海洋学报, 2017 , 36(3) : 73 -79 . DOI: 10.11978/2016080

Abstract

Due to data sparsity, volcanic activity in the Xisha waters is poorly understood. Single channel seismic profiles are used to study the volcanoes’ structures and their formation mechanisms in this paper. Seismic profiles document 10 submarine volcanoes in the south XW. Inside the volcanoes, discontinuous but strong reflections are observed and interpreted as lava flows. In addition, seismic data show two isolated volcanoes intruding Quaternary strata in the western edge and middle XW, respectively. Stratigraphic contact relationship between the lava flows and surrounding sedimentary strata reveals that Pliocene and Quaternary are two main magmatic activity stages in the XW. We propose the formation mechanism of volcanoes in the XW be that upwelling mantle magma weakens mantle lithosphere, migrates along pre-existing fault, and then erupts to the palaeo-seabed.

Key words： Xisha waters; submarine volcano; Pliocene; formation mechanism; single channel seismic profile

研究西沙海域的火山活动对了解南海北部陆缘拉张和南海海底扩张机制具有重要意义, 因为火山活动记录了构造活动特征和深部动力学过程的重要信息。前人利用南海西北部陆坡地震资料, 对该区岩浆岩的活动期次、分布规律和相关海底地质灾害进行了研究(张峤 等, 2014; 张丙坤 等, 2014)。20世纪90年代以来, 在西沙海域开展了广泛的深部地球物理探测, 对西沙地块深部结构有了较详细的认识(阮爱国 等, 2006; 丘学林 等, 2006; 黄海波 等, 2011; 郭晓然 等, 2016), 并通过钻井资料以及环礁调查对研究区的构造活动和浅部构造应力进行了研究(陈以健 等, 1982; 吕炳全 等, 1986; 张明书, 1991; 龚再升 等, 1997; 张重远 等, 2015)。
以前的研究多集中于地块深部构造和岛礁及附近浅水, 对于研究区的海底浅部构造缺乏专门的研究。中国科学院南海海洋研究所“实验2号”调查船于2013年采集的西沙海域高分辨率电火花单道地震剖面, 剖面穿透500ms, 较好地反映了西沙海底浅部的构造特征, 初步结果显示该区域存在一批集中分布的海底丘状构造。本文拟通过对地震剖面的分析并结合周边区域构造活动特征, 探讨这些丘状构造活动及其成因机制, 并对西沙海域构造活动性进行分析, 为该区构造演化和西沙海域开展工程建设提供科学依据。

1 区域地质背景

西沙海域位于南海西北部陆缘, 具有减薄的陆壳性质, 地壳厚度平均为23km, 莫霍面埋深23~ 27km (郭晓然 等, 2016), 与西沙海槽、琼东南盆地、中建南盆地、中沙海槽和西北次海盆为邻(图1)。该区域在欧亚板块、印度—澳大利亚板块共同作用下, 经南海海底扩张, 表现出复杂的构造特征。南海西北次海盆在30Ma开始扩张, 停止于28.7Ma (Briais et al, 1993; Cande et al, 1995)。西沙北海槽与西北次海盆为同一时期的拉张(Sun et al, 2009), 由于西南次海盆的扩张阻碍了中—西沙地块的向南运动(施小斌 等, 2002)。西沙地块形成主要受周边断裂构造的控制, 受南海海盆的多期扩张的影响, 形成“下断上坳”的构造演化特征。周缘发育多条深大断裂, 如北侧发育的西沙海槽断裂带和滨海断裂带、西侧发育的哀牢山—红河断裂以及南侧发育的中沙海槽断裂带(徐辉龙 等, 2010; 曹敬贺 等, 2014), 沿着这些断裂带发育一系列具有拉张剪切性质的正断层(林长松 等, 2009), 西沙地块与西北次海盆之间过渡带也发育有一系列正断层, 说明该区有明显拉张特征(丁巍伟 等, 2009)。西沙海域海底地形复杂, 岛屿与沟谷相间分布, 水深最大可达900~1100m, 与深海平原相对高差为2500~3000m (刘方兰 等, 2006; 杨志力 等, 2013)。
Fig. 1 Tectonic map of Xisha waters

图1 西沙海域地形和构造简图^1970年以来海域天然地震据《中国地震台网地震目录》; 研究区5.5Ma以来岩浆岩分布(张峤 等, 2014); 研究区断裂分布(高战朝, 1986; 杨胜雄 等, 2015); 黑色实线和虚线为研究区单道地震测线位置; X1、X2、A、B、C为地震测线名; M4.9等为天然地震震级

西永1井钻井资料显示西沙海域中新世以来在前寒武花岗岩基底上发育巨厚的生物礁地层, 达1251m (龚再升 等, 1997)。钻井资料表明, 西沙群岛中新世以来全区发生沉降, 逐渐被海水淹没, 使该区域具有适宜的温度、盐度和水深, 广泛发育生物礁碳酸盐岩地层。西沙地块上沉积厚度变化较大, 在0.8~3km左右(郭晓然 等, 2016)。

2 海底火山的地球物理特征

2.1 地震层序界面

西永1井钻井资料(龚再升 等, 1997)显示, 西沙群岛中新世开始发生海侵, 并于上新世发生快速沉降, 进入环礁发育阶段。为了研究上新世以来的火山活动, 参考前人对该区域层序界面划分(Ma et al, 2011; 张峤 等, 2014), 本研究主要识别出R1 (2.6Ma)和R2 (5.5Ma) 2个地震层序界面(图2)。其中, R1地震反射主要为中、强振幅; R2地震反射主要为中、弱反射的特征。
Fig. 2 Volcanoes in single-channel seismic profiles across the Xisha waters (see Line A in Fig. 1)

图2 西沙海域南部火山集中分布区域地震剖面(位置见图1中A段测线)^R1为2.6Ma地层反射界面; R2为5.5Ma地层反射界面

2.2 火山的识别依据

火山与泥火山具有诸多类似的反射特征, 在地震剖面上都具有表面强反射和内部杂乱、空白反射的特征, 因此常出现错误的识别。本研究主要根据地震剖面结合西沙海域的沉积和构造演化史来判断丘状构造的属性。已有的研究指出, 海底扩张后, 西沙海域所在的南海西北部广泛分布个体面积较小、数量众多的且表现出明显继承性活动的火山构造(张峤 等, 2014), 该区域为南海北部新生代火山活动的集中分布区域(张丙坤 等, 2014)。沉积岩的研究表明, 西沙海域自中新世以来发生海侵, 沉积从滨海相沉积逐渐转变为上新世的浅海相和半深海相沉积(马玉波 等, 2010), 沉积层厚度在0.8~3km左右(郭晓然 等, 2016)。由于西沙海域相对周边盆地地势较高, 远离陆源沉积, 沉积时间较短, 不具备发育巨厚欠压实泥岩沉积的条件。单道地震剖面上显示丘状构造发育规模较大, 而又缺乏沉积物源, 所以我们认为丘状构造为火山。
西沙海域海岛和海山为空间重力异常值和正磁力异常值双高的高密度高磁性的双高海山, 以基性喷出岩(玄武岩)为主(陈洁 等, 2012)。沿X1和X2地震测线的重磁异常显示, 西沙地块丘状构造分布区域重磁异常值偏高, 进一步验证了这些丘状构造为火山的推测(图3)。
Fig. 3 Single-channel seismic profiles across the study area (see Lines X1 and X2 in Fig. 1)

图3 X1和X2测线地震剖面和沿测线自由空气重力和磁力异常值(位置见图1)^a. 沿X1测线自由空气重力和磁力异常值; b. X1测线地震剖面; c. 沿X2测线自由空气重力和磁力异常值; d. X2测线地震剖面。重力异常来源于加州大学圣迭戈分校; 磁力异常数据来源于全球数字化磁异常图(WDMAM)

2.3 刺穿海底火山构造

北北西走向的单道地震剖面显示: 1) 在西沙南部海域(水深约1100m)存在大约10个高出海底的丘状构造(图2), 这些丘状构造大小差异显著, 对海底地形具有明显的改造作用。由于地震剖面主要反映500ms以上的地层特征, 所以多为喷出型火山。2) 这些丘状构造的表面表现出强振幅、内部为杂乱或空白反射特征。原有地层受到明显的破坏, 出现地层不连续、下拉和向上牵引等反射特征。3) 火山丘状构造周围具有不连续强振幅反射特征, 我们将其解释为熔岩流。
图3地震剖面东南侧显示, 南部火山群中对海底地形影响最大的个体火山宽5km, 高100m。火山构造上方可以较清晰地看到3个反射界面, 与周边沉积地层具有较好的对应关系, 因此我们认为其是早期形成的火山, 并随后被沉积覆盖。该火山北侧周围还伴有众多规模较小的火山, 这些小火山刺穿第四纪地层, 呈杂乱反射特征。地震剖面西北侧火山构造具有空白反射特征, 但未见明显的沉积地层反射特征。
除了西沙海域南部发现的火山群以外, 单道地震剖面还显示该区中部和西部边缘存在单个的火山构造。中部火山构造发育于生物礁地层和普通沉积地层之间的断裂, 出露海底约200m, 宽1.5km, 倾角约7°, 喷发物质向上运移, 并侵入第四纪地层, 使沉积地层发生明显的变形(图4a)。图4b显示了西沙海域西部边缘的海底火山, 出露海底450m, 宽约2km, 倾角约10°, 周围地层被明显抬升, 断裂重新活化。这两个第四纪火山虽然没有类似于南部集中分布, 但是均出露海底较高, 显示出较强的喷发能量。
Fig. 4 Single volcano in single-channel seismic profiles (see Line B and C in Fig. 1)

图4 单道地震剖面显示的单个火山(位置见图1中B和C段测线)^a. 地震剖面显示的研究区中部第四纪火山和早期火山, 早期火山作为基底周围发育生物礁, 位置见图3b; b. 西部边缘第四纪火山构造, 位置见图3b

3 讨论

3.1 火山的形成时间和分布规律

目前研究认为, 南海为岩浆匮乏型被动大陆边缘, 在海底扩张后玄武岩质火山活动明显加强(Yan et al, 2006)。南海西北部海底扩张后岩浆活动主要分为16.5~5.5Ma和晚于5.5Ma两期, 在10Ma时岩浆活动非常活跃(张峤 等, 2014)。根据火山构造周围是否有珊瑚礁发育, 可以判断火山的相对活动时间, 据此认为西沙海域表现为明显的多期次活动特征(冯英辞 等, 2015)。Ma等(2011)根据多道地震资料认为西沙海域在23Ma和10.5Ma发生过两次规模不等的火山活动。通过沉积分析, 西沙海槽及其邻近海域在5.5Ma后仍发育有火山构造。
在缺乏钻井的情况下, 我们根据地震剖面显示的火山与周围沉积地层的接触关系和改造情况, 判断火山活动的时间。图2揭示了该区域火山多期次活动的特征, 首先通过熔岩流, 我们可以识别出上新世和第四纪两个主要的活动期次。图2地震剖面西北侧显示出能量较低的浅埋型岩浆底辟, 岩浆底辟未刺穿海底地层从而形成上拱形状。上覆地层与R1和R2界面之间出现超覆现象, 所以判断该火山形成于上新世。
图4地震剖面反映的火山构造, 岩浆侵入甚至刺穿第四纪地层, 对原有海底地形具有明显的改造作用。刘昭蜀(2001)对西沙群岛唯一的火山岛屿高尖石岛的样品进行K-Ar法测年, 显示年龄为2.05Ma, 为第四纪海底火山喷发物。虽然无法确定火山活动的准确时间, 但根据地震剖面所反映火山构造特征认为这些火山构造为第四纪火山。
火山沿着断裂分布, 指示着地壳脆弱带。西沙海域周缘发育NE—NEE、NW向深大断裂(图1)。冯英辞等(2015)根据单道地震剖面认为, 这些深大断裂具有继承性活动特征, 在海底形成一系列第四纪活动的低角度正断层, 断裂活动有时伴随有火山活动。西沙海域北部边缘受NE—NEE向断裂控制, 岩浆岩呈NE向排列(张丙坤 等, 2014)。本研究表明, 西沙海域西部和东部边缘从地震剖面也可以发现火山活动, 周围地层被明显抬升形成构造高地(图4)。而且, 西沙海域南部在地震剖面上显示发育约10个上新世以来的火山集中分布, 位于南部边缘NE向断裂附近(图1)。除了广泛发育火山的周缘断裂, 西沙海域内部也存在第四纪活动火山。火山发育于普通沉积地层与礁相碳酸盐地层中间, 两种地层揭示了古地形的巨大反差, 说明该位置存在深大断裂。因此, 西沙海域火山活动多受先存断裂的控制, 具有明显的继承性特征。

3.2 火山的成因机制

西永1井钻井资料(龚再升 等, 1997)和深部地壳速度结构(阮爱国 等, 2006; 丘学林 等, 2006; 黄海波 等, 2011; 郭晓然 等, 2016)均指示西沙地块属于减薄陆壳, 地壳厚度23~27km。黄海波等(2011)利用天然地震资料发现下地壳存在地幔深部热活动引起的流变构造。多道地震和重力模型研究南海西北部陆缘地壳结构, 认为该区域在拉张前存在软流圈岩浆物质底侵使地幔岩石圈加热弱化, 最终导致地壳剧烈拉张减薄(Gao et al, 2016; Lei et al, 2016)。该区域地壳拉张过程中下地壳比上地壳拉张程度大, 可能是由于下地壳或地幔流动导致(Lei et al, 2016)。Ding等(2012)研究南海西北部陆缘地壳结构时也发现中沙地块深水区域下地壳消失, 推测可能是由于该区域下地壳在南海扩张时发生向海的流动。
已有的研究表明, 南海西北部自晚白垩纪以来经历了多期次的张裂活动, 广泛发育NE—NEE向断裂, 同时南海西缘发育有走滑型红河断裂带。西沙海域在此构造背景下, 周缘发育有NE—NEE、NW向断裂, 内部发育有NE、EW向断裂(冯英辞 等,2015)。周缘断裂调节周围不同的构造应力的作用, 发育有一系列正断层, 断层具有活动新的特征, 说明该区现今仍属于拉张构造环境。这与位于石岛的西科1A井水压破裂地应力测量(张重远 等, 2015)和GPS测量反演应力(李延兴 等, 2010)的结果一致。另外, 西沙海域东南部与洋盆交界处发生Ms4.9级地震, 震源深度31km, 体现了该区域断裂的活动性(图1)。同属于宣德环礁的永兴岛和石岛, 全新世以来石岛相对抬升几十米, 推测是两岛礁之间存在活动断裂的作用(陈以健 等, 1982; 吕炳全 等, 1986)。本研究的地震剖面也显示, 西沙海域内部存在切割海底的断裂。因此我们认为该海域先存断裂以及后期断裂活动为岩浆上涌提供了良好的通道。研究区域存在深源地幔岩浆底侵, 且可能存在下地壳或地幔横向流动, 从而弱化了地幔岩石圈, 岩浆沿着断裂向上活动, 容易喷发形成火山。

4 结论

通过对地震剖面的分析并结合周边区域构造活动特征, 对西沙海域的火山分析、构造特征和形成机制进行了研究。主要结论如下:
1) 地震剖面显示西沙南部存在大约10个火山构造。具有不连续强振幅反射特征的熔岩流侵入火山周围上新世和更新世地层。此外, 在西沙西部边缘和中部分别发现有单个火山构造, 火山活动侵入周围第四纪地层。
2) 根据岩浆侵入体和周围地层的接触关系, 推测上新世以来区内火山活动集中在上新世和第四纪两个时期。
3) 上涌的深源地幔岩浆弱化了地幔岩石圈并继续沿着先存断裂向上涌至古海底, 可能是该区域火山形成的机制。

The authors have declared that no competing interests exist.

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原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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