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Journal of Tropical Oceanography >

2026 , Vol. 45 >Issue 3: 10 - 24

DOI: https://doi.org/10.11978/2025073

Study on the geological structural characteristics of the U-shaped boundary in the South China Sea

  • ZHANG Yunfan , 1 ,
  • TANG Danling , 2 ,
  • SUN Zhen , 1 ,
  • QIU Ning 3
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  • 1 Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301
  • 2 Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458
  • 3 State Key Laboratory of Tropical Oceanography, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301
SUN Zhen. email: ; TANG Danling. email:

Editor: LIN Qiang

Received date: 2025-06-04

  Revised date: 2025-10-10

  Online published: 2025-10-15

Supported by

Guangdong Special Support Talent Team Program(2019BT02H594)

PI Project of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou)(GML2021GD0810)

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Abstract

The U-shaped boundary in the South China Sea (SCS) represents China's jurisdictional boundary in the region. It is a critical area for safeguarding national maritime rights and interests and advancing the strategy of building a maritime power. Understanding the geological structure characteristics underlying the U-shaped boundary in the SCS is of great scientific significance. This study focuses on these characteristics, using global bathymetric, gravity, and magnetic data to obtain the depth of the U-shaped boundary (belt). By considering the different nature of the boundary surrounding the SCS, this paper analyzes the structural characteristics of each section of the U-shaped boundary, and discusses their relationship with the rupture and evolution of the SCS. The research reveals that the water depth along the U-shaped boundary presents a pattern of “shallow in the west, flat in the south, and deep in the east”, ranging from 0 to 5400 meters. The gravity anomaly is predominantly negative (-100 to 0 mGal), with localized positive anomalies associated with seamounts. The positive and negative anomaly characteristics of each section correlate well with the topography. Magnetic anomalies along the U-shaped boundary are generally positive, ranging from -50 to 100 nT, reflecting magnetic variations and the spatial occurrence of subsurface rocks. The study also analyzes the alignment of the U-shaped boundary’s strike with submarine geomorphic and tectonic units, as well as the sectional characteristics. In the western section, the strike is consistent with the Red River Fault system and the western margin of the SCS. Sections U1 and U2 exhibit compressive folds and negative flower-like structures under a strike-slip extensional setting. The southern U-shaped boundary overlaps with the slope break of the southern shelf and the Nansha Trough, showing a large-scale rupture unconformity at the Early-Middle Miocene interface. The strike of the U5 section is consistent with the Manila Trench, where the SCS plate subducts beneath the Philippine Sea plate. Overall, the U-shaped boundary is located within the gradient zones of abnormally intense gravitational changes at the western, southeastern and eastern margins of the SCS. It represents significant topographic undulations and serves as both a structural boundary and a natural dividing line. This study provides a richer data foundation and geological references for the U-shaped boundary, providing support for maritime delimitation and disaster prevention and mitigation in the South China Sea.

Key words： South China Sea U-shaped boundary; marine geological structure; gravity and magnetic anomaly; 5-zones division method

Cite this article

ZHANG Yunfan , TANG Danling , SUN Zhen , QIU Ning . Study on the geological structural characteristics of the U-shaped boundary in the South China Sea[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2026 , 45(3) : 10 -24 . DOI: 10.11978/2025073

南海是西太平洋最大的边缘海, 发育众多新生代沉积盆地, 具有重要的战略地位和丰富的油气与水合物资源。南海U形海疆线是我国南海的国界线(唐丹玲 等, 2018)。早在1912年出版的中国南海地图就将中国南海标识为连续疆界线, 1948年出版的《南洋群岛地形图》和《南洋群岛新地图》给出了连续的南海U形海疆线(王颖 等, 2014; 骆遥 等, 2019), 并使用国界的符号和颜色来绘制, 确认了南海U形海疆线的国界线性质。1951年出版的《中华人民共和国地图》中, U形线使用的是连续国界线符号, 国界线范围清晰明确(唐丹玲 等, 2018)。唐丹玲 等(2018)重新研究1951年版地图与历年地图中海疆线的表示方式时, 确认了“连续U形线”和“断续U形线”均是国际认可的海上国界线表示方式, 建议用“南海U形海疆线”表征中国南海海疆国界线。南海U形海疆线是我国主张南海权益的重要依据, 对维护南海的领土主权和海洋权益具有重大意义(Tang et al, 2023)。
南海U形海疆线(简称U形线)的科学研究近几年逐渐受到重视, 唐盟 等(2016)分析了1947年中国南海断续线精准划定的地形依据。刘宇鹏 等(2019)从遥感技术出发, 结合全球海底地形数据和各种海洋要素遥感数据, 根据海底地形的平缓、波峰、波谷和递增四大特征, 将南海 U形线分为西北、西、南、东和东北5个区间, 并研究季风对U形线海洋环境要素的周期变化的显著影响。李敬敏 等(2022)对收集的地图栅格图件提取U形海疆线与南海诸岛的信息, 利用地理信息系统形成数据集, 为南海海疆国界线划定与南海问题研究提供数据支持。唐丹玲 等(2021)利用遥感数据首次得到U形线的水深示意图, 并通过文献检索信息数量, 分类研究南海U形线论文的数量变化趋势, 认为南海的自然科学热点问题集中在季风、台风和天然气水合物几方面。Tang等(2023)总结了U形线5个区间的海洋动力因素和生态环境特征, 提出了南海 U形线断面走廊模型。
地质特征作为划界依据包括地貌、地层与沉积特征、深部地壳结构和性质、大型断裂等, 其中地貌是最直观的也是主要依据, 例如马尼拉海沟‌深度超过5400m, 是地貌的自然边界, 形成天然的地理分界。南沙海槽长度达680km, 构成地理阻隔, 其珊瑚礁生态系统对划界具有生态意义。巴士海峡水深超过2000m, 是亚欧贸易航道的枢纽, 这些深海地貌通过《联合国海洋法公约》中的“自然延伸原则”被用于划定大陆架边界。自20世纪60年代海洋油气勘探以来, 南海新生代大型沉积盆地被证实具有极大的油气资源潜力(朱伟林 等, 2012)。鉴于南海的重要战略位置和油气资源, 厘清U形海疆线的地质特征尤为重要。南海U形海疆线的地质和地球物理特征是怎样的?平面和剖面的构造有什么特征?每个区间段有什么构造差异?本文将从地质角度分析南海U形线, 包括地形特征和重磁特征, 并分析U形线与地质单元分布的一致性、横断面特征、与南海海盆演化的相关性。U形线地质构造研究不仅是自然边界的“解码器”, 也是化解地缘矛盾、推动国际合作的重要工具。

1 数据和方法

1.1 研究区域

南海自然海域面积约3.5×106km2, 平均水深1200m; 南北纵向跨越2000km, 东西横向跨越1000km, 东邻太平洋, 西接印度洋, 是一个NE走向的半封闭边缘海(图1)。南海的大地构造位置特殊, 位于欧亚板块、印度洋板块与太平洋板块相互作用的构造结合带, 又处于太平洋构造域与特提斯构造域的连接部位, 因此南海具有独特的演化历史且与周边板块的构造活动密切相关(Zhou et al, 1995; 李家彪 等, 2011; Ding et al, 2018; Sun et al, 2019)。新生代以来, 南海经历了大陆岩石圈拉张破裂、海底扩张、俯冲、碰撞等复杂的构造演化过程, 不仅塑造了南海的地质结构和地貌特征, 也影响了南海的环境和资源分布。我国在南海北部的油气勘探始于20世纪70年代, 在珠江口盆地、北部湾盆地、莺歌海和琼东南盆地发现了一系列大中型油气田, 2006年在珠江口盆地白云凹陷获得深水区天然气勘探、油气地质理论和勘探技术上的重大突破。南海西部和南部的万安盆地, 曾母盆地和文莱—沙巴盆地累计发现油气田上百个, 显示出南海大陆边缘良好的油气勘探前景(张功成 等, 2012)。
图1 南海U形线与南海区域构造地质图

该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)1613号的标准地图制作。图中彩色带为U形海疆线, 浅黄色为南海周缘盆地。序号为U形线5区间分法: 1为西北段、2为西区段、3为南区段、4为东区段、5为东北段。红色虚线为九段线根据南海地形分布图(罗伟东, 2023)绘制

Fig. 1 U-shaped boundary in the South China Sea and regional tectonic-geological map of the South China Sea. The color belt represents the U-shaped boundary, while the light yellow areas denote the peripheral basins of the South China Sea. The numbers indicate five sectional intervals of the U-shaped boundary: 1 for the U-NW section, 2 for the U-W section, 3 for the U-S section, 4 for the U-E section, and 5 for the U-NE section. The red dashed line depicts the nine-dash line, drawn based on the topographic map of the South China Sea (Luo, 2023)

南海U形海疆线范围为3°—25°N, 105°—125°E, 线形总长度大于4000km(唐丹玲 等, 2018; 刘宇鹏 等, 2019), 其位置和走向与海底地形走向相符合。南海U形线跨越南海的四个边界众多的沉积盆地(图1), 包括南海北部的北部湾盆地, 莺歌海盆地, 南海西部的中建南盆地, 南海南部的万安盆地、曾母盆地、南沙海槽盆地、文莱沙巴盆地, 礼乐盆地、巴拉望盆地, 以及南海东部的马尼拉海沟东侧。由于所处的构造位置不相同, 我们采用前人的西北、西、南、东和东北5个区间分法(刘宇鹏 等, 2019; Tang et al, 2023), 根据海底地形的起伏特征, 将U形线分成5段分别进行分析(图1): 1段(西北区)位于南海东北部, 穿过莺歌海盆地与中建南盆地; 2段(西区)位于南海西部, 从中建南盆地进入万安盆地; 3段(南区)位于南沙地块南部, 主要穿过曾母盆地; 4段(东区)位于南海东南端, 紧邻南沙海槽、文莱—沙巴盆地和南、北巴拉望盆地; 5段(东北区)始于马尼拉海沟向北进入台湾岛南部。以上划分方案符合南海3种不同类型的边缘: 南海西北部和西部为走滑剪切型陆缘, 南海南部为汇聚边缘, 南海东部为俯冲边缘。

1.2 数据来源

南海U形海疆线的经纬度坐标。本研究采用的U形线坐标沿用前人的数据集, 基于1948年和1951年南海U形海疆线地图, 刘宇鹏利用ArcGis软件经过投影转换和几何校正, 本文将以上坐标再经过国家标准地图服务系统中的三沙市地图以及《南海及邻域海底地形地貌》(罗伟东 等, 2023)进行校正, 得到最终的U形线经纬度坐标, 并输入到MATLAB中, 用于绘制南海U形线的各个地质特征图。
海底地形数据。本研究采用NGA、JAMSTEC、Scripps等研究所于2023年联合发布的全球测深(多波束与单波束)数据, 精度为15″, 利用ArcGis软件提取U形线的经纬度, 形成U形线的水深数据。本文亦参考广州海洋地质调查局于2024年出版的《南海及邻域海洋地质》系列丛书, 该专著发布了高精度的水深和重磁数据, 本文采用点状加密, 得到南海U形线范围的数据。以U形线为中心, 向两侧各延伸50km, 采样间隔1km, 形成一条U形带, 得到U形线(带)新的水深数据。
重力与磁力数据。目前国际广泛使用的海洋重力模型是美国Scripps研究所于2014年发布的卫星测高重力数据(Sandwell et al, 2014), 精度为15″, 磁力数据来源于2017年美国国家海洋和大气管理局发表的全球磁力异常数据EMAG2[Earth Magnetic Anomaly Grid (2-arc-minute resolution)], 该数据最早于2009年发布, 精度为2′(Maus et al, 2009)。同水深数据一样, 重磁数据也经过点状加密, 使用GMT软件根据经纬度截取数据, 然后使用MATLAB软件制图。利用GMT软件根据U形线的经纬度截取的重力磁力数据为一条曲线, 为了显示更加清晰, 同水深数据一样处理方式, 我们以U形线为基准向两侧各拓展50km, 采样间隔1km, 可清晰反映U形线(带)上的数据变化特征。

2 南海U形海疆线的地质特征

2.1 南海U形线断面地形特征

南海U形线的地貌起伏较大, 从浅滩到深水盆地再到海沟, 水深在0~5400m(图2), 总体呈现“西浅南平东深”的特征。U形线西北段从北部湾盆地延伸至莺歌海盆地(图3a), 跨越临高隆起、英西斜坡带和中央坳陷带3个一级构造单元。受到红河水系注入影响带来大量的沉积物, 展布于陆架之上, 深度由0增加至2000m。U形线西段穿过中建南盆地所有的一级构造单元(图3b): 北部坳陷、中部隆起、中部坳陷、南部隆起、南部坳陷, 受到南海西部陆坡沉积的影响、自西北向东南地形倾斜变深, 水深约为760~1550m。U形线西北段和西区段联合起来形成一个狭长型的凹陷, 在连接处水深最深, 但总体位于南海的陆坡之上, 水深在0~2500m。U形线西区段南部和南区段北部均位于万安盆地(图3c), U形线跨越了万安盆地的北部坳陷、中部坳陷和南部低隆起, 水深在500m以内。U形线南区段和东区段位于南沙地块, 形成的构造地貌单元众多、类型特征复杂, 其上发育星罗棋布的珊瑚礁、滩、暗沙和纵横交错的槽谷及海山。其中U形线南区段主体位于曾母盆地, 盆地普遍发育大规模暗沙, 水深从北向南由1800m减少至100m以下, 盆地大部分区域位于400m水深线之下, 总体地势平坦。U形线东区段位于文莱沙巴与南沙海槽盆地, 南沙海槽盆地是南海南部典型的挤压型大陆边缘盆地, 具有挤压型前陆盆地的特征, 因此在南沙岛礁区与婆罗洲陆地之间, 发育了NE向的深海槽, 水深2000~3300m, U形线下方水深达到了2500m。U形线东北段由南海东部海盆, 沿马尼拉海沟西侧, 向北延伸至台湾岛南部。马尼拉海沟是南海板块消亡地带,俯冲带水深最深达到了5400m, 地貌由于海山与深海洼地交错, 水深变化大, U形线区域总体在2000m以下, 最深超过5000m, 构成了U形线水深起伏最大的一段。本研究与刘宇鹏 等(2019)所计算水深数据变化趋势一致, 采样点更加密集, 且沿U形线向两侧拓展范围更宽, 数据更加翔实。
图2 南海U形线水深立体图

Fig. 2 Three-dimensional depth map of the U-shaped boundary in the South China Sea

图3 南海U形线与莺歌海盆地、中建南盆地、万安盆地构造单元图

图中红色点划线为U形线, 蓝色区域为坳陷, 黄色区域为隆起。根据许璐(2018)、王伟平 等(2022)和肖鸿议 等(2021)修改

Fig. 3 Map of the U-shaped boundary in the South China Sea and the structural geological units of the Yinggehai Basin, Zhongjiannan Basin, and Wan’an Basin. The red dash-dotted lines are the U-shaped boundary, the blue areas represent depressions, and the yellow areas represent uplifts. Modified from Xu (2018), Wang et al (2022), and Xiao et al (2021)

2.2 南海U形线断面五区间的重力异常特征

自由空间重力异常值反映了海底地形起伏变化, 海山、海丘和岛礁等地形高位对应的空间重力异常值高, 海沟、海槽和海盆等地形低位所对应的空间重力异常值低。南海U形线(带)整体呈负重力异常(图4), 大部分地区介于-100~0mGal之间。U形线西北段和西区段由北向南重力异常逐渐变大, 由-35mGal上升至-6mGal, 负异常最大值出现在莺歌海深水盆地中央坳陷(图4a、b); U形线南区段负异常最小, 平均约为-10mGal, U形线南区段整体位于南沙地块南部曾母盆地内, 反映了平坦的地势, 与地形呈正相关(图4c)。U形线东区段重力异常的特殊性在于由NW向SE迅速减小(图4d), 反映了U形线东段正处于南沙海槽的负异常与婆罗洲的重力正异常的交界处; 受岛礁影响存在许多点状正异常。U形线东北段是U形线中负异常绝对值最大的一段, 平均为-90mGal, 越靠近马尼拉海沟负异常越大, 在U形线东北段北部靠近台湾岛的位置有零星海山分布, 呈现点状重力正异常(图4e)。
图4 南海U形海疆线分段重力异常平面图与立体图

a.西北段重力异常平面图; b. 西区段重力异常平面图; c. 南区段重力异常平面图; d. 东区段重力异常平面图; e. 东北段重力异常平面图; f. U形线重力异常立体图

Fig. 4 Gravity anomaly of five sections in the U-shaped boundary. (a) Gravity anomaly of the U-NW section; (b) gravity anomaly of the U-W section; (c) gravity anomaly of the U-S section; (d) gravity anomaly of the U-E section; (e) gravity anomaly of the U-NE section; (f) 3D view of the U-shaped boundary gravity anomaly

2.3 南海U形线断面五区间的磁力异常特征

磁力异常是地表以下各类岩石(居里面以上)的磁性变化和空间赋存状况的综合反映, 如不同岩石的磁性差异或断层、褶皱等地质构造引发磁场异常。不同规模、幅度和形态特征的磁异常共同构成了南海海域复杂的磁异常特征。南海U形线整体呈正磁力异常(图5), U形线西北段和西区段跨越南海西北部和西部的陆坡区, 磁异常带宽缓, 呈EW向条带状。正负磁异常交错, 叠加串珠状、线状、不规则状、椭圆状磁异常(图5a、b), 负磁场强度为-100~-50nT·km-1。莺歌海盆地中央坳陷, 异常梯度变化更为剧烈, 可达50nT·km-1以上。U形线最大磁力负异常出现在西区段南端与南区段北端的万安盆地中部坳陷, 最大达到-250nT·km-1(图5b), 这可能与万安盆地的沉积层厚度大于10km且具有深层含油气流体有关。U形线南区段与东区段整体位于南沙团块状正磁异常区之上, 正磁异常宽缓(图5c、d)。U形线南区段磁异常正异常明显, 大部分在0~100nT·km-1之间。南海西部与南部总体磁异常平静, 磁异常波动较小。东北段处于马尼拉海沟—吕宋海槽变化磁异常区的交界处, 正负异常交错变换明显, 数值在-100~150nT·km-1之间波动(图5e)。
图5 南海U形海疆线分段线磁力异常平面图与立体图

a.西北段磁力异常平面图; b. 西区段磁力异常平面图; c. 南区段磁力异常平面图; d. 东区段磁力异常平面图; e. 东北段磁力异常平面图; f. U形线磁力异常立体图

Fig. 5 Magnetic anomaly of five sections in the U-shaped boundary. (a) Magnetic anomaly of the U-NW section; (b) magnetic anomaly of the U-W section; (c) magnetic anomaly of the U-S section; (d) magnetic anomaly of the U-E section; (e) magnetic anomaly of the U-NE section; (f) 3D view of the U-shaped boundary magnetic anomaly

3 讨论

3.1 南海U形海疆线与地质构造走向的一致性

3.1.1 U形线与红河—莺歌海断裂走向

南海U形线西北段起始于华南地块西南部, 向西南侧进入莺歌海盆地, 并从莺歌海盆地中央穿过, 位于海南岛和印支地块之间, 向南沿着中间隆起转为近南北向进入南海西侧, 东南侧为NE走向的琼东南盆地(图6)。U形线与莺歌海盆地、中建南盆地及盆地内的断裂系统展布方向完全一致。莺歌海盆地是一个整体NW走向的长菱形盆地, 北西向长近400km, 东西宽约200km, 是一个由NW和近SN走向的边界断裂围陷而成窄而深的盆地, 最大沉积厚度可达17km(龚再升 等, 1997)。盆地中央发育有多个大型泥流体底辟(图6蓝色阴影区) (Lei et al, 2015), 这些泥流体底辟对沟通深部的烃源层和浅部的油气藏储集层具有重要意义(任建业 等, 2011), 在盆地的中央坳陷底辟带发现了大型天然气田。莺歌海盆地和中建南盆地共同受控于红河—莺歌海断裂系统。伸展走滑是该区域的主要构造特点, U形线西北段与红河—莺歌海走滑断裂系统均为NW走向, 区域地形与断裂分布具有明显相关性。该区域新生代以来构造活动活跃, 主要影响来源于印度—欧亚板块碰撞造成的印支地块挤出逃逸以及俯冲拖曳的区域构造应力场影响。
图6 南海U形线西北段构造特征平面图

红色点划线为U形线, 黑色线段为断裂, 蓝色点为底辟构造, 根据Lei等(2015)识别

Fig. 6 Planar structural characteristics of the U-NW section of the U-shaped boundary in the South China Sea. The red dotted line represents the U-shaped boundary, the black lines denote faults, and the blue dots indicate diapiric structures, as identified by Lei et al (2015)

3.1.2 U形线与南海西缘走滑断裂走向

U形线西区段所在的南海西部陆缘主体断裂为大型走滑断裂带—南海西缘断裂。区域内断层极为发育, 以走滑型正断层为主, 具有同沉积断层性质。断裂平面展布可分为NE—NNE向、NW向和SN向3种主要方向(图7a), 该断裂带位于越南东部海岸陆架与陆坡转折处, 断裂带南北延伸长度约为1000km, 北端始于17°30'N 附近的海南岛南部, 向北与NW向的红河—莺歌海断裂带相接, 往南延伸止于NW走向的卢帕尔断裂(林长松 等, 2009)。3种方向的断裂中NE—NNE向和SN向断裂位移量大, 控制了主要的沉积单元(Fyhn et al, 2009), 这与U形线西区段的走向一致。西缘断裂带与U形线西区段在中建南盆地都呈近SN向, 到中建南盆地南部西缘断裂带主要方向为NW向(图7a), 到万安盆地西缘断裂带与U形线西区段同为NE—NNE向。区域自由空间重力场异常特征与断裂发育位置具有明显关系, 断层面提供良好的深部岩浆就位通道, 因此自由空气重力异常区域的空间形态分布受控于南海西缘断裂发育(图7b), 异常区域对应断层数量较多区域。
图7 南海U形线西区段构造特征与南海西缘断裂的断裂走向

a.断裂平面分布图; b. 自由空气重力异常图。根据Fyhn等(2009)修改, 数字2为U形线西区段

Fig. 7 Direction and structural characteristics of the U-W section and Western Margin Fault, South China Sea. (a) Distribution of the fault; (b) gravity anomaly of the fault. Adapted from Fyhn et al (2009), with numeral 2 indicating the U-W section of the U-shaped boundary

3.1.3 U形线与南海南部陆架坡折走向

U形线南区段和东区段贯穿了整个南海南部陆缘, 由于构造现象丰富, 油气资源潜力巨大而成为研究的焦点。U形线南区段主要位于廷贾断裂以西的万安盆地南部和曾母盆地(图8)。U形线东区段位于廷贾断裂以东南沙地块的南沙海槽盆地、文莱—沙巴盆地和南、北巴拉望盆地。南沙地块与南海北部陆缘共轭, 因此其构造过程研究对认识整个南海的构造演化过程具有重要意义。南沙海域是3种应力边界交汇之处, 主要表现为南沙地块内部伸展、南缘婆罗洲向南沙地块挤压碰撞、地块西侧印支半岛沿万安断裂和廷贾断裂的剪切走滑, 因此南沙海域具有十分丰富的构造现象, 是研究张、剪、压三大构造过程的天然实验室(孙珍 等2011)。
图8 南海U形线南区段、东区段与南海南部陆架坡折

灰色阴影为水深100~200m区域, 编号3为U形线南区段, 编号4为U形线东区段

Fig. 8 Shapes of the U-S and U-E sections of the U-shaped boundary and shelf breaks in the southern South China Sea. The grey shade is the area with water depths from 100 to 200 meters. Numerals 3 and 4 are the U-S section and the U-E section of the U-shaped boundary, respectively

通过标识水深100m、200m的水深线(罗伟东 等2023), 构成陆架坡折带, 与U形线进行对比。南海南部陆架坡折的水深范围通常为100~200m, 但具体位置因区域地形而异。巽他陆架西北缘坡折带水深约150~200m, 是南海西南部陆架向陆坡过渡的典型区域。纳土纳群岛周边受构造活动影响, 坡折带更浅为100~150m。曾母盆地北缘坡折带水深约120~180m, 是南海陆架向深海盆过渡的重要区域。这一段平均水深很浅在本文得到的重力异常中也有体现, 负异常数值很小, 在-10~0mGal之间。U形线南区段呈现的圆弧形与曾母盆地巽他地块的陆架坡折走向一致。U形线东区段所在的南沙海槽附近陆架坡折变陡, 水深急剧变大, 陆架坡折呈NE向线状展布, 与U形线东区段走向一致, 且位置非常接近。

3.1.4 U形线与马尼拉海沟走向

U形线东北段最显著的地质特征是马尼拉俯冲带, 该俯冲带是南海板块与菲律宾海板块的汇聚边界, 俯冲开始于晚渐新世晚期—早中新世(Yumul et al, 2003)。从南到北马尼拉俯冲带由俯冲转变为碰撞, U形线东北段下方是其伴随的增生楔, 宽度向北逐渐变宽(Ku et al, 2009; Li et al, 2020)。U形线东北段南侧基本与马尼拉海沟走向一致, 北侧向西北方向穿过北吕宋海槽和吕宋岛弧, 横贯花东海盆, 最后终止于冲绳海槽南侧(图9)。U形线东北段以西主要是台湾岛和南海海盆, 以东主要是西菲律宾海盆和吕宋岛, 是欧亚板块与菲律宾海板块的汇聚边缘。U形线东北段横穿吕宋岛弧和花东海盆, 前者是菲律宾海板块上近南北向展布的年轻火山弧(最小年龄< 6.5Ma)(Polve et al, 2007), 后者可能是西太平洋上比较不常见的中生代残留海盆。本文得到的重力异常在U形线东北段南向北负值增加, 体现了马尼拉俯冲带俯冲角度由南往北逐渐变陡(Li et al, 2013)。
图9 U形线东北段和马尼拉海沟平面构造单元

Fig. 9 Tectonic-geological map of Manila Trench and the U-NE section of the U-shaped boundary

3.2 南海U形海疆线典型断面结构

U形线西北段以莺歌海盆地为代表, 该盆地地层可识别出多个界面。根据断层断穿层位(图10a), 多数拉张断裂活动到32Ma前后, 之后活动性明显减弱。但整体上, 断裂对沉积中心控制较弱, 这与莺歌海盆地主要经历了拉分作用一致(郭令智 等, 2001)。之后盆地经历了轻微的挤压反转, 导致32Ma之前的地层发生了轻微褶皱反转, 这一特征在莺歌海盆地西北部比较明显, 向东南明显变弱(Sun et al, 2003; Lei et al, 2015), 且沉降中心向东南方向迁移, 推测本期反转与红河断裂停止顺时针旋转改为向南东挤压有关。23.3Ma以后, 盆地内褶皱变形特征消失, 盆地进入了快速沉降和沉积阶段。晚中新世后, 莺歌海盆地东北部和北部湾盆地北部发生了新一期构造反转, 使盆地西北边缘的NE走向断裂发生反转逆冲, 推测与红河断裂发生右旋走滑有关(钟志洪 等, 2007), 构造反转作用使断裂连通了渐新世和早中新世的沉积层序, 为生烃运移提供了垂向通道。
图10 横跨U形线的地震剖面

测线位置见图1, 红五角星代表U形线大致位置。L1为U形线西北段莺歌海盆地地震剖面解释图(Sun et al, 2003; Lei et al, 2015); L2为U形线西区段南海西缘断裂地震剖面构造图(Vu et al, 2017); L3为U形线东区段南沙地块地震剖面解释图(姚永坚, 2023); L4为U形线东北段马尼拉俯冲带地震剖面构造图(Chang et al, 2012)

Fig. 10 Seismic profiles perpendicular to the U-shaped boundary. The position of the survey line is shown in Fig. 1. The red star represents the U-shaped boundary location. L1 is the seismic profile of the Yinggehai Basin of the U1 section (adapted from Sun et al, 2003; Lei et al, 2015). L2 is the seismic profile of the negative flower-shaped structure of the Western Margin Fault, with the white frame indicating the negative flower-shaped structures (adapted from Vu et al, 2017); L3 is the seismic profile of the Nansha Block (adapted from Yao et al, 2023); L4 is the seismic profile of Manila Trench in the U5 section (adapted from Chang et al, 2012)

横穿U形线西区段的地震剖面中, 可见断裂样式表现为下窄上宽的 “负花状构造”(图10b), 该构造样式反应断裂形成于张扭性应力场中(Vu et al, 2017)。根据“负花状构造”所影响的层位, 可见南海西缘断裂发生强烈活动的时间主要位于上新世之前。在始新世—渐新世之间, 受控于印支地块挤出逃逸作用, 南海西缘断裂带以左行走滑为特征, 渐新世—中中新世之间, 受控于南海的扩张作用, 南海西缘断裂带以右行走滑为特征。中中新世—晚中新世时期, 受控于沙巴造山运动, 西缘断裂带再次转换为左行走滑特征(高红芳 等, 2011)。
U形线南区段、东区段所在的南沙地块, 是与南海北部盆地共轭的陆缘伸展裂陷盆地(Sun et al, 2006), 孙珍 等(2006)根据构造发育特点和物理模拟实验提出, 南沙地块于晚白垩世裂离华南大陆, 并在30—16Ma期间经历两期海底扩张, 到达现今的构造位置; 古南海俯冲于婆罗洲地块之下, 导致南沙地块与婆罗洲在16Ma发生陆—陆碰撞, 从而过渡成挤压俯冲性质的主动大陆边缘(Briais et al, 1993; Hutchison, 1996)。U东区段所在的南沙海槽和文莱沙巴盆地之下(图10c), 16Ma界面作为逆冲推覆作用的滑脱面, 上覆地层卷入逆冲推覆体系, 下伏裂陷期的地层未发生明显变形。根据逆冲推覆体背部的沉积填充可看出, 逆冲体系迄今仍在发育。16Ma界面附近见到广泛的地层掀斜和削蚀, 地层也经受一定程度的褶皱弯曲, 大部分断裂活动截止到16Ma附近, 上覆地层稳定的披覆在该界面之上, 因此, 16Ma界面表现出较好的碰撞不整合特征(姚永坚 等, 2023)。
U形线东北段附近区域形成了独特的不同极性的双俯冲系统, 位于U形线东北段西侧南海海盆沿着马尼拉海沟向东俯冲于西菲律宾海板块之下(图10d), 而位于U形线东北段东侧的西菲律宾海岛以约53~86mm·a-1的速率向北西方向运动(Yu et al, 1999), 沿着琉球海沟俯冲于欧亚大陆之下, 并引起位于菲律宾板块上的吕宋岛弧与台湾岛碰撞拼合(Shyu et al, 2005)。综合地球物理和地质学研究表明, 在该俯冲带可能有约400~500km宽的南海海盆消减到西菲律宾海盆之下(赵明辉 等, 2021), 且研究推测俯冲板片可能已抵达深部450km(Wu et al, 2016)。

3.3 研究南海U形海疆线的地质意义和分界意义

海疆线不仅是一条自然地理分界, 更与海底地形和构造格局紧密关联。海底地形的起伏变化, 在自由空间重力异常中具有清晰的响应特征: 通常海山、岛礁等正向地形因物质密度较高而呈现显著的正重力异常; 而海沟、海盆、海槽等负向地形则因物质亏损或沉积充填表现为负重力异常。此外, 重力异常梯度的空间变化往往揭示了地壳结构的差异性与构造活动的边界, 如洋陆边界、大型断裂带等构造单元, 常表现为梯度陡变的条带状异常带。将南海区域的自由空间重力异常图与U形海疆线叠加对比分析, 可见该线在南海西部陆缘、东南部陆缘及东部边界, 均与重力异常梯度变化剧烈的梯度带高度吻合(图11)。这一空间对应关系表明, U形线所经之处, 海底地形存在明显的陡变与起伏, 反映了其下方地壳结构的不连续性和构造活动的分界属性。因此, 该线不仅是人为划定的权益界线, 更是一条依托于地球物理场特征、具有明确地质构造依据的天然分界。
图11 南海区域自由空间重力异常特征

白色线为U形线; 该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)1613号的标准地图制作

Fig. 11 Gravity anomaly of South China Sea. The white line is the U-shaped boundary

南海独特的演化模式造就了四周性质各异的边界和U形的地理格局, 我们只有在充分了解南海的演化的基础上, 才能针对性地解决U形海疆线的各类地质问题。从岩石圈动力学的角度来看, 南海新生代大陆边缘从拉张、破裂到海底扩张的过程, 是一个岩石圈张裂从被动向主动转化的过程, 也是壳幔的耦合作用过程, 在这个过程中深部的地幔和岩石圈内的岩浆活动将起重要的作用。由于南海受到太平洋、澳大利亚板块、印度洋板块的共同作用, 南海的形成演化机过程存在较大争议, 根据近年来地球物理探测与国际大洋钻探成果, 南海的演化历史逐渐清晰。李春峰 等(2014)根据磁条带定年, 认为南海洋盆开始扩张的时间约为32Ma, 并且存在穿时现象, 即东侧洋盆出现时间比西侧早。南海的停止扩张的时间约为16Ma, 并于10-18Ma向菲律宾板块之下俯冲。孙珍 等(2022)推测如果持续按照5~8cm·a-1的俯冲速度, 南海的洋壳主体再过20Ma会俯冲殆尽, 东沙西沙南沙都会和菲律宾发生碰撞, 地势逐渐增高, 南海将进入碰撞造山阶段。
U形线在南海的演化过程中代表了不同的地质过程和沉积响应。U形线西北段代表了印支地块走滑作用; 印支地块在晚渐新世至中中新世期间发生左旋走滑运动, 并在晚中新世转变为右旋走滑运动, U形线西北段所在的莺歌海和中建南盆地在南海打开和印支地块走滑的双重作用下形成。U形线西区段涉及西缘断裂的发育史。西区段所在的万安盆地演化受控于新生代南海海底扩张和西缘断裂带共同作用, 在南海海盆两次不同方向的扩张作用下形成了北早(渐新世)南晚(早中新世)的伸展顺序。南区段和东区段则对应于南海南部共轭陆缘张裂演化及伴随古南海向南俯冲的变形与沉积响应。在此构造背景下, U形线南区段曾母盆地首先经历了初始裂陷, 在南海扩张结束后, 南部陆缘自西向东发生挤压碰撞, 曾母盆地发生挤压挠曲和逆冲推覆的改造。U形线东区段下方的南沙海槽受南海南部碰撞的影响具有前陆盆地性质。南沙地块减薄的陆壳向婆罗洲之下俯冲, 沉积物逆冲堆积厚度大于10km, 产生叠瓦状逆冲推覆沉积负载, 形成了前陆盆地。东北段在南海扩张结束后, 菲律宾海板块转向西北仰冲, 南海东部洋壳沿马尼拉海沟向东俯冲, 代表了南海的消亡(Taylor et al, 1983)。因此U形线每一段所对应的地质问题有所差异。开展沿U形线的整体地质特征和典型断面结构研究有助于我们系统回答南海形成演化的动力学机制及边界响应问题。研究南海海疆线与南海演化的关系旨在全面深入地了解南海地区的地质历史、构造特征和发展趋势, 为保护我国的海洋权益和资源开发提供科学依据; 为我国的领土主权完整及划界问题, 提供科学的理论基础和数据支持。

4 结论

本文以南海U形海疆线为研究对象, 首次从地质构造角度研究南海U形海疆线, 研究其水深、重力、磁力与每一段的构造特征, 每一段的地球物理和地质特征如下。
1) 南海U形海疆线(带)水深呈现“西浅南平东深”的特征, 在0~5400m之间。重力异常整体呈负异常, 数值在-100~0mGal之间, 每段的正负异常特征与地形呈正相关。磁力异常整体呈正异常, 为-50~100nT, 反映了海底以下岩石的磁性变化和空间赋存状态。U形线在南海西部陆缘、东南部陆缘、东部边界都处于重力异常剧烈变化的梯度带上, 代表了地形地貌的强烈起伏, 是构造的边界和天然的分界线。
2) 南海U形海疆线走向与海底地貌构造单元走向一致且每一段有独特的断面特征, 西北段与红河—莺歌海断裂系统主控断裂走向一致, 西段与南海西缘主控断裂走向一致, 西北段和西段在走滑伸展的背景下断面结构具有挤压褶皱和负花状构造。南区段与南海南部宽缓的陆架坡折重合, 东区段与南沙海槽基本重合, 断面结构在早—中中新世界面表现出大规模的破裂不整合特征, 表现出广泛的地层掀斜和削蚀。U东北段平面上与马尼拉海沟走向一致, 断面上表现为南海板块俯冲于菲律宾海板块之下, U形线东北段位于俯冲产生的增生楔。研究U形线的地质构造问题就是研究南海演化的缩影, 为划界提供重要的科学依据。

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ZHOU DI, RU KE, CHEN HANZONG, 1995. Kinematics of Cenozoic extension on the South China Sea continental margin and its implications for the tectonic evolution of the region[J]. Tectonophysics, 251(1-4): 161-177.

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