南海西南次海盆与超慢速扩张西南印度洋中脊地壳结构对比#cod#x0002A;

  • 于俊辉 , 1, 2 ,
  • 阎贫 , 1 ,
  • 林间 1, 3
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
  • 3. Department of Geology and Geophysics, Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, MA 02543, USA;
阎贫。E-mail: yanpin@scsio.ac.cn

作者简介:于俊辉(1991#cod#x02014;), 男, 河南省正阳县人, 博士研究生, 现从事海洋地球物理与海洋地质研究。E-mail:

收稿日期: 2017-04-13

  要求修回日期: 2017-06-02

  网络出版日期: 2018-01-18

基金资助

国家自然科学基金(91328205、41376062、91628301、U1606401)

国土资源部海洋地质保障工程项目(GZH20110205)

中国科学院项目(QYZDY-SSW-DQC005、Y4SL021001)

Comparison of crustal structure between the Southwest Sub-basin, South China Sea and the ultraslow-spreading Southwest Indian Ridge

  • YU Junhui , 1, 2 ,
  • YAN Pin , 1 ,
  • LIN Jian 1, 3
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  • 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
  • 3. Department of Geology and Geophysics, Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, MA 02543, USA
YAN Pin. E-mail:

Received date: 2017-04-13

  Request revised date: 2017-06-02

  Online published: 2018-01-18

Supported by

National Natural Science Foundation of China (91328205, 41376062, 91628301, U1606401)

Security Project of Marine Geology of Ministry of Land and Resources (GZH20110205)

Chinese Academy of Sciences Project (QYZDY-SSW-DQC005, Y4SL021001)

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热带海洋学报编辑部

摘要

近年来对西南印度洋中脊的研究显示, 超慢速扩张(全扩张率: 12~18mm#cod#x000b7;yr-1)的西南印度洋中脊包含岩浆增生型和非岩浆增生型两种截然不同的地壳结构。岩浆增生型中脊段表现为轴向的海底隆起, 通常具有较低的地幔布格重力异常和较强的磁性, 地壳厚度较大; 非岩浆增生型中脊段通常水深较深, 缺乏转换断层, 发育拆离断层和高角度正断层, 具有较高的地幔布格重力异常和微弱的磁性, 大量蛇纹石化的地幔橄榄岩出露海底, 火成岩地壳较薄甚至不存在。南海西南次海盆具有较慢速扩张率(全扩张率: 50~35mm#cod#x000b7;yr-1), 其接近消亡洋中脊中央部分的地壳厚度也较薄, 也有可能存在蛇纹石化地幔, 具有超慢速扩张脊非岩浆增生段的特点。

本文引用格式

于俊辉 , 阎贫 , 林间 . 南海西南次海盆与超慢速扩张西南印度洋中脊地壳结构对比#cod#x0002A;[J]. 热带海洋学报, 2017 , 36(6) : 51 -61 . DOI: 10.11978/2017044

Abstract

Recent investigations of the ultraslow-spreading (full spreading rate: 12~18mm#cod#x000b7;yr-1) Southwest Indian Ridge revealed two kinds of crustal structure: Magmatic and amagmatic accretionary crust. Magmatic accretionary segments appear as the axial rise, relatively low mantle Bouguer gravity anomaly, strong magnetization and thick crust. Amagmatic accretionary segments feature detachments and abundant high-angle normal faults, lack of transform faults, deep water, relatively high mantle Bouguer gravity anomaly and weak magnetization. There are also significant amount of serpentinized peridotites exposed on the seafloor, and the igneous crust is thin, even absent. The Southwest Sub-basin of the South China Sea (SWSB) has relatively slow-spreading rates (full spreading rate: 50~35mm#cod#x000b7;yr-1). The central part of SWSB also presents thin crust and there might be some serpentinized peridotites in the basin area, which are similar to the characteristics of the amagmatic accretionary crust in the ultraslow-spreading Southwest Indian Ridge.

近期对南海西南次海盆深地壳结构的研究(于俊辉 等, 2017)发现由多道地震反射结构解释的地壳厚度较薄, 仅2.2~4.5km, 与正常海底扩张(全扩张速率#cod#x0003E;55mm#cod#x000b7;yr-1)产生的洋壳平均厚约为6km; (White et al, 1992; Tsuji et al, 2007; Aghaei et al, 2014)明显不同。近年来对西南印度洋中脊(Southwest Indian Ridge, SWIR)的研究(Dick et al, 2003; Seyler et al, 2003; Patriat et al, 2008; Sauter et al, 2013; Roum#cod#x000e9;jon et al, 2015)发现, 作为南极洲板块和非洲板块的边界, SWIR同样存在很多明显区别于正常海底扩张洋中脊的特征, 如其超慢的扩张速率、洋脊倾斜扩张、广泛分布的大型拆离断层、裸露海底的蛇纹石化橄榄岩等。本文首先对SWIR的研究成果进行了总结, 着重介绍SWIR两种不同的地壳结构,
然后与南海西南次海盆的地壳结构进行对比, 以期获得对南海海盆研究的启示, 例如西南次海盆海底扩张速率或后扩张期岩浆增生的模式等科学问题。

1 西南印度洋中脊地质背景

SWIR东起Rodrigues三联点(Rodrigues Triple Junction, RTJ), 与中印度洋中脊和东南印度洋中脊相连, 向西南延伸至Bouvet三联点(Bouvet Triple Junction, BTJ), 与南大西洋中脊相连, 是南极洲板块和非洲板块的分界线(图1)。中脊全长约7700km, 现今全扩张速率为12~18mm#cod#x000b7;yr-1, 平均约14mm#cod#x000b7;yr-1 (Chu et al, 1999; Dick et al, 2003), 属于超慢速扩张脊。
Fig. 1 Along-axis bathymetry and MBA map (a) and bathymetry map (b) of the SWIR. The black lines indicate the ridge axis (panel b).

The bathymetry chart is mapped by GMT software (Wessel et al, 1998) with the data from National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). The along-axis bathymetry and MBA data are from Georgen et al, 2001. BTJ: Bouvet Triple Junction; RTJ: Rodrigues Triple Junction; MAR: Mid-Atlantic Ridge; SWIR: Southwest Indian Ridge; CIR: Central Indian Ridge; SEIR: Southeast Indian Ridge; AAR: America-Antarctica Ridge; AB: Andrew Bain Transform Fault; PE: Prince Edward Transform Fault; D#cod#x02161;: Discovery #cod#x02161; Transform Fault; IN: Indomed Transform Fault; GA: Gallieni Transform Fault; A#cod#x02161;: Atlantis #cod#x02161; Transform Fault; ME: Melville Transform Fault

图1 西南印度洋中脊(SWIR) 沿轴水深、地幔布格重力异常(MBA)(a)和水深地形图(b)

黑色线代表中脊轴; 水深图由GMT软件(Wessel et al, 1998)绘制, 数据来源于美国国家海洋大气管理局(NOAA); 沿轴水深和MBA值来源于Georgen et al, 2001。AB: 安德鲁贝恩转换断层; PE: 爱德华王子转换断层; D#cod#x02161;: 探索#cod#x02161;转换断层; IN: 因道姆转换断层; GA: 加里艾尼转换断层; A#cod#x02161;: 亚特兰蒂斯#cod#x02161;转换断层; ME: 梅尔维尔转换断层。BTJ: 布维三联点; RTJ: 罗德里格斯三联点; MAR: 大西洋洋中脊; SWIR: 西南印度洋中脊; CIR: 中印度洋中脊; SEIR: 东南印度洋中脊; AAR: 美洲#cod#x02014;南极洲洋中脊

SWIR贯穿整个西南印度洋, 被一系列近南北向转换断层所切割(图1)。其中, 长约1000km的AB转换断层将西南印度洋中脊分为东西两段(Patriat et al, 1988)。中脊东段地形起伏较大, 呈现出由西向东逐渐变深的趋势。PE和GA转换断层之间水深较浅, 平均水深约3200m, ME转换断层以东至RTJ是中脊轴部平均水深最大的部分(图1) (Georgen et al, 2001; Sauter et al, 2001; Cannat et al, 2008)。此外, 在中脊两侧存在着多个海底隆起、海台和热点组成的海底高地。在中脊北侧表现为马达加斯加海台及其延伸到扩张中脊的脊状地形。马达加斯加海台可能起源于白垩纪的热点活动(Goslin et al, 1980), 而其延伸到扩张中脊的脊状隆起被认为是马里昂热点透过转换断层的火山活动形成(Zhang et al, 2011)。在中脊南侧, 马里昂热点、德尔卡诺隆起和克洛泽热点相连构成了一个直径接近1000km的海底隆起, 其南部的康拉德隆起以洋中脊为中心与马达加斯加海台共轭伴生(Zhang et al, 2011)。热点剩余岩浆熔融通量显示, 马里昂热点和克洛泽热点现今仍在活动(Curray et al, 1991; M#cod#x000fc;ller et al, 1993; Zhang et al, 2011)。

2 西南印度洋中脊岩浆增生型中脊段地壳结构

根据地壳结构的不同, SWIR可分为岩浆增生型(magmatic accretionary)和非岩浆增生型(amagmatic accretionary)段(Dick et al, 2003)。岩浆增生型段主要分布在洋脊西段的0#cod#x000b0;E#cod#x02014;8#cod#x000b0;E 及16#cod#x000b0;E#cod#x02014;25#cod#x000b0;E区域和洋脊东段的AB和ME转换断层之间的区域。这些洋脊段水深相对较浅(#cod#x0003C;4000m), 并被一系列转换断层和非转换型不连续段(Nontransform Discontinuity, NTD)分割。
AB到D#cod#x02161;转换断层之间的中脊段水深较浅(#cod#x0003C;2500m), 对应低的地幔布格重力异常(mantle Bouguer gravity anomaly, MBA), 平均约-130mGal (Georgen et al, 2001)。MBA是通过建立地壳密度模型, 然后对自由空气重力异常进行中间层校正得到的(Kuo et al, 1988; Lin et al, 1990; Grindlay et al, 1998; Georgen et al, 2001)。MBA包含了岩石圈热冷却的信息, 反映了地壳厚度的变化, 地壳越厚MBA值越小。低的MBA显示此处存在强烈岩浆活动导致的增厚地壳或者较高的地幔温度。推断此区域在73.6~42.7Ma间受到了马里昂热点的影响。由D#cod#x02161;转换断层向东至IN转换断层, 海底变深(~3000m)、MBA变高(~-100mGal), 表明该段地壳厚度变薄, Georgen 等(2001)据此推断马里昂热点的向东传播被D#cod#x02161;转换断层所阻断。
测深、重力、地磁和岩石地球化学证据均表明在IN(46#cod#x000b0;E)和GA(52#cod#x000b0;20'E)转换断层之间存在比相邻洋脊段更厚的地壳(Sauter et al, 2001, 2009), 表现为地形隆起、较低的MBA(#cod#x0003C;-60mGal)和较强的磁性。该区段热液喷口的发现(Tao et al, 2012; Zhang et al, 2013)表明此区域存在较丰富的岩浆源。洋脊两侧存在两个长度超过210km且平行于中脊轴的异常高(#cod#x0003E;2000m)隆起, 为~8至11Ma间的突然增大的岩浆供应产生的地壳隆起的残留物(Sauter et al, 2009)。Sauter 等(2009)推测这次熔融异常可能是由克洛泽热点地幔流向西南印度洋中脊造成的局部高温地幔形成。但是克洛泽热点距离该段中脊约1000km, 并没有任何地形特征支持这一远距离的热点-洋中脊相互作用(Li et al, 2015)。Dalton 等(2014)的结果显示该段洋中脊下方地幔温度仅约1380#cod#x000b0;C, 低于全球大洋中脊的平均值1395#cod#x000b0;C, 也说明此处并没有受到现今地幔柱的显著影响, 但不排除由地幔残留导致地球化学特征异常的可能性。
SWIR沿中脊(49#cod#x000b0;17'E#cod#x02014;50#cod#x000b0;49'E)的二维海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer, OBS)剖面以及中脊第27段(根据Cannat et al, 1999定义, 其中心位于50#cod#x000b0;28'E)的三维OBS切片的地壳速度结构显示中脊第27段为极端岩浆增生的洋壳段(Li et al, 2015; Niu et al, 2015)。中脊第27段中心地壳厚度最大, 达到9.5km厚, 而与之距离30~50km的NTD地壳厚度约为4km(图2; Li et al, 2015), 这与在中脊第28段三维OBS切片的结果(Zhao et al, 2013)相似。尽管该NTD较小, 但岩浆熔融供应依然表现为集中在中脊段中心, 这就需要高度集中的地幔岩浆供应。Baker 等(1996)通过在快速扩张脊的观测以及Reid 等(1981)Bown 等(1994)通过对地幔熔融供应的理论模拟, 认为在慢速、超慢速扩张脊处, 地幔熔融供应量较小, 地壳较薄。但在超慢速扩张脊处(全扩张速率为14mm#cod#x000b7;yr-1, Chu et al, 1999)存在异常厚的地壳, 说明地幔熔融供应与扩张速率之间并不是简单的函数关系, 进一步证实了Michael 等(2003)的观点: 地幔温度及其化学特性沿中脊轴变化较大并起显著作用。Li 等(2015)认为这一极端岩浆活动不太可能源于1000km以南的克洛泽热点起源的热地幔作用, 并推测是由于中脊中心岩石圈较薄而中脊段末端和NTD处岩石圈较厚, 使得在中脊中心下地壳熔融物可以迁移、聚集, 进而导致异常厚的地壳形成。通过对OBS数据的层析成像和全波形反演, Jian 等(2017)实现了中脊下岩浆房的成像, 进一步说明该处异常厚的地壳是由岩浆活动形成。此外, 长排列多道地震探测在对较小的低速异常的成像方面具有较高的分辨率(Aghaei et al, 2014), 可以识别岩浆透镜体、岩席, 因此, 将来也可选择长排列多道地震探测对其进行深入研究。
图2 西南印度洋中脊第27和28段轴向速度结构(改自Li et al, 2015)

黑色细线代表速度等值线, 数字代表速度值(km#cod#x000b7;s-1)

重、磁数据(Sauter et al, 2001)显示, 49#cod#x000b0;15'E至57#cod#x000b0;E之间的洋中脊以GA转换断层(52#cod#x000b0;20'E)为界, 东侧中脊段相对西侧地壳厚度较小, 但同样为典型的岩浆增生型中脊段, 被一系列NTD所切割。中脊段表现为地形隆起、低MBA(图3)和较强的磁性, 说明岩浆供给较为充足、地壳厚度大。海底隆起较低(500~700m)的中脊段对应较弱的MBA(振幅#cod#x0003C; 11mGal), 表明其岩浆供应受近地表过程(比如相邻岩浆活动充足段的熔融迁移)控制; 而海底隆起较高(#cod#x0003E;1000m)的中脊段对应高MBA(振幅#cod#x0003E;30mGal), 其岩浆供应可能较为集中。
SWIR西段的0#cod#x000b0;E#cod#x02014;8#cod#x000b0;E区域水深较浅(图1), Georgen 等(2001)认为该区域受布维热点的影响存在增厚地壳, 表现为~100mGal的MBA相对变化(图1)。16#cod#x000b0;E#cod#x02014;25#cod#x000b0;E区域也是岩浆增生型中脊段, 被一系列小的(#cod#x0003C;10km)NTD所分割。与SWIR东段不同的是该段缺乏转换断层。沿中脊的31个有效拖网采样点中, 只有一个样点采到了辉长岩和橄榄岩, 其他30个样点都是枕状玄武岩, 说明该段分布着较连续的火山岩盖层(Dick et al, 2003)。MBA包含了岩石圈热冷却信息, 反映了地壳厚度的变化, 可能还有地壳和上地幔密度的变化。16#cod#x000b0;E#cod#x02014;25#cod#x000b0;E所有中脊段中心MBA相对中脊段末端均较低, 表明沿中脊轴地壳厚度较大。在20#cod#x000b0;E附近, 中脊轴MBA值发生了显著变化。20#cod#x000b0;E以西, 平均MBA值相对较小, 而20#cod#x000b0;E以东平均MBA值相对偏大, 整体呈现出由西向东逐渐增大的趋势, 这可能是由于由西向东洋中脊地壳减薄, 以及地壳和上地幔密度增大导致(Grindlay et al, 1998)。
Fig. 3 Multibeam bathymetry (a), schematic representation of the axial valley (b) and MBA (c) maps of the SWIR from 54#cod#x000b0;06'E to 57#cod#x000b0;E (modified after Sauter et al, 2001).

(a) The white lines indicate the ridge axis. (b) The grey area marks the inner-valley. Vertical black lines mark the location of the central magnetic anomaly. Thick black lines and diamonds show segments and segment centers, respectively. (c) The white lines indicate the ridge axis

图3 54#cod#x000b0;06'E#cod#x02014;57#cod#x000b0;E西南印度洋中脊多波束水深(a)、轴部谷地简图(b)和MBA(c)(改自Sauter et al, 2001)

(a)中白线代表中脊轴; (b)中灰色区域代表内谷坡, 黑色竖线对应中心磁异常数据的位置, 黑色横线代表中脊轴, 方块对应中脊段中心; (c)中白线代表中脊轴

3 西南印度洋中脊非岩浆增生型中脊段地壳结构

SWIR非岩浆增生型中脊段主要分布在9#cod#x000b0;E#cod#x02014; 16#cod#x000b0;E和ME转换断层以东至RTJ之间的区域。这些区段水深较深(#cod#x0003E;4000m), 缺乏转换断层。
洋脊西段的9#cod#x000b0;E#cod#x02014;16#cod#x000b0;E中脊段与16#cod#x000b0;E#cod#x02014;25#cod#x000b0;E岩浆增生型中脊段在地貌、MBA、磁异常强度和拖网岩石样品等方面存在巨大差异(Dick et al, 2003)。该段表现为以非岩浆增生型中脊段为主、岩浆与非岩浆增生型中脊段相伴生的特征, 两个较小的岩浆型增生中脊段(11#cod#x000b0;20'E和14#cod#x000b0;41'E)将该非岩浆型增生中脊段分割为三小段(图4a)。其中, 11#cod#x000b0;30'E#cod#x02014;14#cod#x000b0;24'E之间的22个拖网点的样品(2574 kg)中, 蛇纹石化橄榄岩重量占46.2%, 枕状玄武岩占14.2%, 玄武岩和辉绿岩占19.9%, 纯橄榄岩占2.6%, 缺乏辉长岩。在14#cod#x000b0;54'E#cod#x02014;15#cod#x000b0;45'E中脊段也同样采到了蛇纹石化橄榄岩样品。与两个小的岩浆增生型中脊段的较浅的水深、低MBA和较高的磁性不同, 非岩浆增生型中脊段水深较大, 高角度正断层普遍发育, 并具有较高的MBA和微弱的磁性(图4b、c), 这进一步说明该中脊段的岩石大都是蛇纹石化的橄榄岩, 火成岩地壳很薄, 甚至不存在。此外, 在两个小的岩浆增生型中脊段的拖网样品中发现了大量的新鲜枕状玄武岩, 并未发现橄榄岩, 表明这两个中脊段在扩张时岩浆供应充足。那么, 在这种区域贫岩浆型海底扩张时出现的局部富岩浆型地壳增生, 其岩浆来源于哪里呢?是来源于局部高温地幔熔融还是地幔地球化学成分异常或三维岩浆聚集(Mont#cod#x000e9;si et al, 2011; Schlindwein et al, 2016)?这是一个值得研究和探讨的问题。
Fig. 4 Multibeam bathymetry (a), MBA (b) and magnetization (c) maps of the SWIR from 9#cod#x000b0;E to 16#cod#x000b0;E (modified after Dick et al, 2003). (a) Small circles indicate dredge locations. Gravity and magnetic data are derived from the shipboard measurements data. (c) The contour interval is 4 A#cod#x000b7;m-1 in magnetization map

图4 9#cod#x000b0;E#cod#x02014;16#cod#x000b0;E 西南印度洋中脊多波束水深(a)、MBA(b)和磁强度(c)(改自Dick et al, 2003)

(a)中小圆代表拖网取样点位置; 重、磁数据均来源于船载实测数据; (c)中磁强度等值线以4A#cod#x000b7;m-1为间隔

ME转换断层以东至RTJ之间的中脊段是SWIR平均水深最深(约4800m)的区域, 地震速度成像剖面(CAM114,116,120)显示地壳厚度较薄, 为2.2~ 5.4km, 平均厚度为4.2km(图5)(Muller et al, 1999; Minshull et al, 2006)。在此区域缺乏转换断层, 大量蛇纹岩化的橄榄岩出露海底(Seyler et al, 2003; Sauter et al, 2013; Roum#cod#x000e9;jon et al, 2015), 具有典型的超慢速扩张中脊的特征。地幔橄榄岩蛇纹石化后会使其速度和密度降低(Roum#cod#x000e9;jon et al, 2015), 由地震速度剖面解释的地壳厚度可能包括一部分蛇纹石化的地幔(图6)(Muller et al, 2000; Dick et al, 2016), 国际大洋发现计划(International Ocean Discovery Program, IODP)在SWIR亚特兰提斯浅滩的钻探已经在对其进行验证(图6)(Dick et al, 2016)。因此ME转换断层以东至RTJ之间的非岩浆增生型中脊段地壳厚度可能比2.2~ 5.4km更小, 甚至部分蛇纹石化地幔直接出露海底的位置地壳厚度为零。Sauter 等(2013)通过侧扫声呐和拖网取样对62#cod#x000b0;05'E #cod#x02014;64#cod#x000b0;40'E中脊段11Ma以来的海底地形和岩石组分进行研究, 发现该段海底地形变化平缓, 中脊轴两侧发育大量的大型拆离断层(图7), 推测遍布海底的蛇纹石化的地幔岩石是通过中脊轴两侧的大型拆离断层被剥露到海底的。
Fig. 5 Seismic velocity models for profile CAM114 (a), CAM116 (b), CAM120 (c) in 66#cod#x000b0;E SWIR (modified after Minshull et al, 2006). The velocity contour interval is 0.4km#cod#x000b7;s-1. The dashed lines just below the 6.4km#cod#x000b7;s-1 contour mark the base of Layer 2. A, B, C, D indicates the spreading segments. VE: Vertical Exaggeration

图5 66#cod#x000b0;E 西南印度洋中脊地震测线CAM114 (a)、116(b)、120(c)的最终速度模型(改自Minshull et al, 2006)

速度等值线间隔为0.4km#cod#x000b7;s-1; 6.4 km#cod#x000b7;s-1等值线下方的虚线代表层2的底面; A、B、C、D代表扩张中脊段; VE代表垂向放大比例

Fig. 6 Two alternative velocity models for north-south seismic Line CAM101 over Atlantis Bank (modified after Muller et al, 2000 and Dick et al, 2016).

Upper panel shows a model of undifferentiated Layer 3; lower panel shows an alternative model of a lower serpentinized mantle Layer 3 and an upper gabbroic Layer 3. These models can both fit the seismic data. Hole 735B is projected from ~1km to the west. Green line: depth of Hole U1473A drilled during IODP Expedition 360, orange and red lines: projected penetration during the remainder of the SloMo project

图6 过亚特兰提斯浅滩南北向地震测线CAM101的两种可选速度模型(改自Muller et al, 2000Dick et al, 2016)

上图显示了无差别的层3; 下图显示层3包括两部分: 上部的辉长岩层3和下部的蛇纹石化地幔层3。两个模型均能与记录数据很好地吻合。钻孔735B是从该测线西侧约1km处投影而来, 钻孔U1473A为SloMo计划的钻探井位, 绿色代表360航次已钻部分, 橘黄色和红色为待钻部分

Fig. 7 Three-dimensional view of the axial valley and interpretative cross-section in 64#cod#x000b0;30'E SWIR (modified after Sauter et al, 2013).

Models showing that small patches of lavas (#cod#x003b1;) might have been erupted directly onto this earlier detachment fault surface; another patch (#cod#x003b2;) is interpreted to have rafted on the new detachment fault surface

图7 64#cod#x000b0;30'E 西南印度洋中脊轴部谷地东向三维视图及横截面解释图(改自Sauter et al, 2013)

#cod#x003b1;表示直接喷发在早期拆离断层表面的小岩浆体; #cod#x003b2;为被搬运至新拆离断层表面的小岩浆体

4 南海西南次海盆地质背景

南海是西太平洋最大的边缘海, 位于欧亚、菲律宾和印-澳三大板块交汇处。南海海盆可分为三大次海盆: 西北、东部和西南次海盆。在新生代中期, 随着华南大陆岩石圈的拉张破裂, 海底扩张于约33~31Ma先在南海东北部开始; 在约27~23.6Ma东部次海盆扩张脊发生了一次南向洋脊跃迁, 西南次海盆扩张开始; 在~15.5Ma南海海盆扩张停止(Taylor et al, 1983; Briais et al, 1993; Barckhausen et al, 2004; Expedition 349 Scientists, 2014; Li et al, 2014)。Li等(2014)结合磁异常条带和IODP349航次钻孔数据, 计算出东部海盆全扩张速率为20~ 80mm#cod#x000b7;yr-1, 属中-慢速海底扩张, 而西南次海盆全扩张速率为50~35mm#cod#x000b7;yr-1, 属慢速海底扩张。
西南次海盆是位于南海西南部的一个开口向东北的#cod#x0201c;V#cod#x0201d;形盆地, 水深在4300m左右(图8)。海盆的西北缘为中-西沙群岛大陆边缘, 东南缘为南沙群岛大陆边缘, 东侧与东部次海盆相接。西南次海盆两侧陆缘地壳厚度约为12~20km, 为减薄的陆壳(吕川川 等, 2011; Qiu et al, 2011; Pichot et al, 2014; L#cod#x000fc; et al, 2016), 发育有大量断陷盆地(如西北陆缘的中建南盆地和琼东南盆地, 东南陆缘的礼乐盆地和郑和盆地), 且只存在非常微弱的同裂谷期和扩张期的岩浆底侵和火山活动, 被认为是非火山型大陆边缘(Yan et al, 2006; Franke et al, 2014)。
Fig. 8 Location of the Southwest Sub-basin and the NH973-1 seismic survey line.

Solid red line indicates the location of profile showed in Fig.9. The bathymetry chart is mapped by GMT software (Wessel et al, 1998) with the data from NOAA

图8 西南次海盆区域位置及NH973-1测线分布图

红色实线表示本文展示的剖面位置, 见图9。水深图由GMT软件(Wessel et al, 1998)绘制, 数据来源于NOAA

西南次海盆是南海形成最晚的海盆, 其地壳结构和动力成因争议较大。Qiu等(2011)、Pichot等(2014)和Yu等(2017)根据OBS(海底地震仪)数据反演得到的速度结构, 以8km#cod#x000b7;s-1为壳幔边界划分的火成岩洋壳厚度为5~6km, 认为西南次海盆是正常海底扩张产生的典型洋壳结构。但通过重力反演得到的Moho深度(~7~9km)和基底深度(~5~6km) (Braitenberg et al, 2006)计算得到的西南次海盆火成岩洋壳厚度约1~4km, 为非正常洋壳。Zhang等(2016)通过OBS数据速度反演, 解释在西南次海盆古扩张中心存在拆离断层, 并由上地幔顶部的低速异常(7.6~7.9km#cod#x000b7;s-1)推测上地幔被部分蛇纹石化。Wang等(2017)通过重力反演发现位于西南次海盆古扩张中心的龙门海山为低密度异常海山, 推测西南海盆扩张期处于强构造拉张、贫岩浆的环境。长排列多道地震探测方法对深地壳地质结构的成像直观且分辨率较高, 在南海东北部(McIntosh et al, 2014)及西北次海盆(Cameselle et al, 2017)深地壳结构成像上已取得很好的效果, 为我们准确认识西南次海盆的深地壳结构提供了可能。

5 西南次海盆与西南印度洋中脊地壳结构对比

对跨越西南次海盆的长电缆(6km)多道地震测线NH973-1(位置见图8)的海盆区西北段数据进行基底以下反射的目标化处理(于俊辉 等, 2017), 使得一些基底之下的深反射信息得以清晰成像(图9), 其中存在莫霍面反射。从结果剖面(图9)可以看出, 海盆区地壳(不包括沉积层) 的双程时间厚度约为0.7~1.4s, 地壳较薄, 仅约2.2~ 4.5km(地壳平均速度按6.5km#cod#x000b7;s-1计算), 说明西南次海盆海底扩张时期岩浆供应量较小。与SWIR地壳结构进行对比可以发现, 这种贫岩浆型的海底扩张与SWIR岩浆增生型中脊段明显不同, 但与非岩浆增生型中脊段(地震速度剖面显示厚度为2.2~5.4km, 图5)(Muller et al, 1999; Minshull et al, 2006)有些类似。除地壳厚度相近外, 它们的扩张轴均属中央裂谷型。西南次海盆的古扩张轴被巨厚的沉积物覆盖, 但在自由空气重力异常图中表现为明显的重力低值带(Braitenberg et al, 2006; 李细兵 等, 2013), 这是中央裂谷的典型特征。在多道地震剖面(图10a)中, 西南次海盆古扩张轴的中央裂谷特征更为明显, 约40km宽、2.2km深(假设沉积层平均速度为2km#cod#x000b7;s-1), 与西南印度洋中脊(图10b)相似。
Fig. 9 The seismic profile (a) and its interpretation (b) of the northwestern segment (see Fig.8 for location) of line NH973-1 in the Southwest Sub-basin, South China Sea

图9 南海西南次海盆NH973-1测线西北段(位置见图8)地震剖面(a)及解释图(b)

此外, 南海西南次海盆的地震剖面中一些岩席和岩浆底侵形成的基底隆起的存在(图9), 表明西南次海盆存在扩张后的岩浆作用。这些岩浆的加入, 在地壳下部可能形成高速层, 使得地壳加厚, 因此可推测西南次海盆扩张期的地壳可能比2.2~4.5km更薄。当地壳较薄、断裂发育, 上地幔岩石可能与海水接触并发生蛇纹石化作用, 所以西南次海盆有可能存在蛇纹石化地幔。因此, 西南次海盆的洋壳可能并不是正常海底扩张产生的典型洋壳, 更接近于贫岩浆型海底扩张产生的洋壳。
Fig. 10 Comparison of morphologic profiles of the Southwest Sub-basin, South China Sea (a), the Southwest Indian Ridge at 15#cod#x000b0;30'E (b)

图10 西南次海盆(a)和15#cod#x000b0;30'E西南印度洋中脊(b)地形对比

图11为地壳厚度与扩张速率之间的统计结果(Dick et al, 2003)。从图中可以看出, 对于扩张速率在35~50mm#cod#x000b7;yr-1之间的慢速扩张脊, 其地壳厚度较大, 均在6km以上; 而地壳厚度在2.2~4.5km范围内的扩张脊均为超慢速扩张。那么在慢速扩张(35~50mm#cod#x000b7;yr-1)的西南次海盆为什么会出现2.2 ~4.5km厚的薄地壳呢?这很可能是因扩张期岩浆供应不足导致, 也存在西南次海盆在扩张停止前曾进入超慢速扩张的可能性。西南次海盆的扩张速率是由磁异常条带的对比计算而来, 而其磁异常条带并不像东部次海盆那么清晰, 在其西南部无明显磁异常条带(Li et al, 2014); 尤其在扩张中脊区存在扩张停止后的晚期海山, 可能对磁异常的识别产生影响。
Fig. 11 Seismic crustal thickness versus full spreading rate (modified after Dick et al, 2003).

The grey shaded area indicates the range of crustal thickness and full spreading rate in the Southwest Sub-basin, South China Sea

图11 地震地壳厚度与全扩张速率关系(改自Dick et al, 2003)

灰色阴影部分代表南海西南次海盆地壳厚度和全扩张速率范围

6 总结

根据地壳结构的不同, SWIR主要分为岩浆增生型和非岩浆增生型两种类型。岩浆增生段主要表现为轴向的海底隆起, 通常具有低的地幔布格重力异常和较强的磁性, 说明在中脊中心集中的熔融物或地幔流生成了较厚的地壳。非岩浆段通常水深较深, 缺乏转换断层, 发育大量拆离断层和高角度正断层, 具有高的地幔布格异常和微弱的磁性, 并且通常只有零星分布的火山岩或者一层较薄的玄武岩披盖层, 大量蛇纹石化的地幔橄榄岩出露海底, 地壳较薄甚至不存在。通过与SWIR的对比, 发现西南次海盆的地壳结构与SWIR非岩浆增生型中脊段有一定的相似性, 并推测西南次海盆区地壳薄是岩浆供应不足的结果, 可能也存在蛇纹石化的地幔, 且存在扩张速率降低到超慢速范围的可能性。
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