南海北部中生代俯沖增生帶的厘定

南海北部中生代俯沖增生帶的厘定

中國水域中的油氣資源約占全國油氣資源總量的四分之一。南海是中國海上油氣勘探的中心地區(qū)。在一系列大型沉積盆地中發(fā)現(xiàn)了許多含油氣的結構。氣田的所有權全年超過1000萬噸。然而，海洋油氣的開采速度遠遠快于土地，儲量也在很大程度上增加了。天然氣勘探的新領域是非常緊迫的?，F(xiàn)在，這條新領域之一是前代油氣，這需要進一步的了解前一代的基本結構。迄今在南海北部有近100個鉆孔遇到前新生代基底,對前新生代基底的組成和結構進行過許多地質和地球物理反演研究,揭示了南海北部前新生代基底的一些基本特征[1～6].90年代以來,在南海北部陸續(xù)實測了9條廣角地震剖面[7～11].最近,王萬銀等1)和王家林等2)將海域的衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)經(jīng)布格變換得出布格重力異常圖,再由布格重力異常4個方向的水平導數(shù)合成布格重力異常水平總梯度峰值帶圖;又在日本地質調查局在1994年編制的東亞磁異常圖的基礎上進行化極處理,作出中國東部海陸化極磁力異常平面圖.本文根據(jù)上述的布格重力異?？偺荻确逯祹D和化極磁力異常圖結合已有地質地球物理資料,推測了南海東北部前新生代地質構造,鑒別出呈北東向貫穿南海東北部的中生代俯沖增生帶.這個發(fā)現(xiàn)正好填補了環(huán)東南亞晚中生代俯沖增生帶在南海東北部的一段空白.1區(qū)域內(nèi)火山弧本文研究的南海東北部包括15°～24°N,110°～122°E的范圍(圖1),是華南地塊的一部分,目前主要由一系列新生代沉積盆地(瓊東南盆地、珠江口盆地、臺西南盆地)及其以南的南海深海盆組成.南海深海盆張開于晚漸新世至早中新世[13～15],在中生代并不存在,因此本文研究的前新生代基底僅存在于陸架和陸坡.研究區(qū)位于歐亞板塊的東南部.歐亞板塊以東為古太平洋,以南為特提斯洋.根據(jù)Nakanishi等對西北太平洋磁條帶的對比,中侏羅世時伊佐奈歧(Izanagi)、太平洋和法拉隆(Farallon)三個大洋板塊在西太平洋沙斯基(Shatsky)海隆的熱點處開始形成.之后,伊佐奈歧板塊在北,太平洋板塊在南,其間的NE走向擴張脊由于洋底擴張的綜合效應而不斷向北遷移并發(fā)生順時針旋轉,同時伊佐奈歧板塊朝北西斜向俯沖于歐亞板塊東緣(即東亞陸緣)之下,目前已俯沖殆盡.因此,從大地構造背景的角度看,在東亞陸緣應該存在NE-SW走向的中生代俯沖增生帶.東亞陸緣在中生代期間最顯著特征是火山巖帶的發(fā)育,以中國東南沿海的中生代火山巖為代表,向北延至日本,向西南可到越南東南部以至加里曼丹島西南部,綿延4000km以上.這條巨大的火山巖帶被認為是與東亞陸緣中生代俯沖增生帶相伴的火山弧;但其巖石組成以花崗巖和流紋巖為主(各近50%),含少量玄武巖,而且寬度可達600km以上,這些特點與以安山質火山巖為主的安第斯型火山弧截然不同.為解釋中國東南沿海的中生代火山巖帶的特征,一些學者提出了火山弧的其他成因,如地幔熱源、板內(nèi)剪切升溫與俯沖的復合等.最近,周新民等根據(jù)火山巖的時空演化和地球化學特征提出了一個新的模式,以起初非常平緩、以后逐漸變陡的俯沖增生帶來解釋火山巖帶的巨大寬度,以玄武質底侵體在熱作用下的分熔來解釋酸性巖占絕大多數(shù)的特征.東亞陸緣中生代俯沖增生帶的具體位置也是一個令人關注的問題.根據(jù)巖石學和年代學的資料,西南日本的美濃帶、三波川帶及北秩父帶和琉球群島的Yuwan組、Tomuru組等特點相似,都由強烈破碎的石炭-二疊紀、三疊紀的洋盆-海山巖塊和晚侏羅-早白堊世變質泥質基質的混雜巖組成,與晚中生代時古太平洋向歐亞大陸的俯沖和增生有關.臺灣中央山脈的太魯閣高溫低壓和玉里低溫高壓變質帶被認為是與俯沖有關的雙變質帶,因而西南日本的俯沖增生帶可經(jīng)過琉球群島延到臺灣.類似的俯沖增生雜巖也發(fā)現(xiàn)于北巴拉望地塊卡拉棉群島,再向南還可與巴拉望、沙巴的Audio帶、加里曼丹島東南的Meratus帶、以及蘇門答臘島的Woyla帶的晚侏羅-早白堊世俯沖增生雜巖對比,一起組成巨大的“歐亞東南緣晚中生代俯沖增生帶”,俯沖增生時間主要為晚侏羅世到白堊紀[28～31].如果上述對比成立的話,這條晚中生代俯沖增生帶處于臺灣與北巴拉望之間的那一段應該穿過南海北部.對南海北部存在中生代俯沖增生帶已有不少討論.李唐根等提出,西起海南島北部,經(jīng)廣東內(nèi)陸架,接閩浙近岸50m水深線斷裂帶,到日本北緣,有一條印支至早燕山期古俯沖增生帶.南海海洋研究所、姚伯初等根據(jù)東沙隆起之下地殼的增厚和高磁異常,以及下陸坡斷裂帶的存在,認為該俯沖增生帶沿下陸坡呈NEE至SWW向延伸,并通到西沙海槽夏戡原和黃慈流推測晚古生代到晚三疊世時存在一個近東西向的“東沙?！?與西面的“金沙江-藤條河-黑水河?！奔皷|面的臺灣“天祥?！毕嗤?為古特提斯海的一個分支.而在東沙一統(tǒng)暗沙以南,沿水深2000～3000m的下陸坡存在一條呈NE-NEE走向的“東沙南縫合帶”,為古特提斯的縫合帶.周祖翼提出浙-閩海外50m水深線為板塊縫合帶,早白堊世的俯沖形成以莆田基性-超基性巖帶,侵位與晚侏羅世火山巖中.上述討論多數(shù)涉及印支-早燕山期與古特提斯有關的古俯沖增生帶,少數(shù)涉及“早白堊世的俯沖”.在南海北部,迄今在珠江口盆地有60余個鉆孔、在鶯歌海盆地東部斜坡帶有14個孔鉆遇前新生代基底,其中大部分為晚白堊紀花崗巖(116～66Ma),只有2個孔見晚侏羅世花崗巖(130和153Ma).珠三坳陷及以西有8個孔見淺變質巖,主要是石英巖,推測時代為古生代.此外,在臺西南盆地有20余個鉆孔見到未變質的早白堊世海相和海陸交互相沉積巖,以及侏羅紀(?)半深海相暗色頁巖.結合地球物理解釋及與陸上的對比,認為南海北部陸架和陸坡的前新生代基底在西段屬加里東褶皺帶,主要由古生代海相沉積巖組成,受加里東運動影響發(fā)生褶皺和變質;在中-東段屬燕山褶皺帶,主要由白堊紀(尤其晚白堊世)花崗巖組成,但在臺西南盆地發(fā)育侏羅紀(?)至早白堊世海相沉積,根據(jù)地震剖面的解釋推測可能還有更老的中生代海相地層,并且向西可延到東沙隆起和潮汕凹陷[1～7].2重磁數(shù)據(jù)的重新配置與已知結構的比較2.1布格重力異?？偺荻鹊臉O大值王萬銀等將海域的衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)1)經(jīng)布格變換得出布格重力異常圖,其海底地殼密度取2.67×103kg/m3,海水密度取1.03×103kg/m3;之后又將海域的布格重力異常圖與陸上的布格重力異常圖相拼接,編成中國東部海陸布格重力異常圖.與自由空間異常圖相比,布格重力異常受地形的影響大大減少,因而能更好地反映地殼結構特征.布格重力異?？偺荻仁遣几裰亓Ξ惓Ｌ荻饶Ａ?若用?g(x,y)表示布格重力異常,則總梯度Dg(x,y)的表達式為為了減少誤差的影響,實際計算時用兩組兩個互相垂直的水平方向導數(shù)合并產(chǎn)生.即分別計算0°,45°,90°和135°四個方向的方向導數(shù),然后按下式進行計算2).其中:dg0(x,y),dg45(x,y),dg90(x,y)和dg135(x,y)分別表示0°,45°,90°和135°四個方向的方向導數(shù).利用布格重力異?？偺荻鹊臉O大值可以確定線性構造(斷裂或巖性接觸面)的位置.但存在兩個明顯的弱點:一是極大值位置寬緩,不利于準確的確定線性構造位置;其二是除極大值之外其他的干擾區(qū)域太大.為了削弱非極值處的影響和提高極大值處的分辨率,在總梯度的基礎上定義了一個量Sg(x,y),即水平總梯度Dg(x,y)的垂直梯度中大于零的部分,計算公式如下2):由Sg(x,y)的等值線繪成布格重力異?？偺荻确逯祹D.該圖的解釋主要利用其極大值位置,故在曲線繪制時可以不標明等值線的數(shù)值.根據(jù)以上方法編制了中國東部海陸布格重力異常水平總梯度峰值帶圖2),以下簡稱“布格重力異常總梯度峰值帶圖”;它揭示了重力場變化梯度最大的地帶,即地殼巖石密度變化最大的地帶的位置、展布和強度(即梯度大小),有重要的構造指示意義.將布格重力異常總梯度峰值帶圖與已知地質構造相對比,發(fā)現(xiàn)該圖清晰地揭示了4類構造特征:(1)俯沖增生帶或火山弧,表現(xiàn)為強度最大、連續(xù)性最好的總梯度峰值帶,如馬尼拉海溝俯沖增生帶、琉球海溝俯沖增生帶、呂宋北火山弧等.(2)地塊拼接線或地塊內(nèi)部的深斷裂,表現(xiàn)為香腸狀成串分布的總梯度峰值帶.如揚子地臺北界的襄樊-廣濟深斷裂、華南地槽系的北界萍鄉(xiāng)-江山-紹興深斷裂、以及地塊內(nèi)部的NE向郯城-廬江、長樂-南澳、吳川-四會、宿松-靈山等斷裂、EW向的貴東-泉州等斷裂.但麗水-海豐-蓮花山斷裂帶雖然有強度-15×10-5～-30×10-5m/s2的串珠狀布格重力異常,卻未見明顯的總梯度異常.(3)大的古老花崗巖基,沿其周緣出現(xiàn)環(huán)狀的總梯度峰值帶,如海南島五指山的海西期花崗巖基.(4)NW向走滑斷裂,主要表現(xiàn)為NE向梯度峰值帶的中斷或錯動.多見于海上,而陸上的NW向走滑斷裂與梯度峰值帶的中斷或錯動對應不好,如沿湛江北-西寧北-巴馬、惠州-清遠-桂林、陽江-桂平-來賓等地帶出現(xiàn)梯度峰值帶的中斷或錯動,前者還延到海上,但與陸上已知的NW向斷裂(如右江斷裂)在位置上不吻合.2.2磁異常的地質構造環(huán)境由于中國海域磁異常緯度變化較大,對正確認識磁性體的位置造成了很大的困難.南海北部位于北半球中低緯度區(qū),受斜磁化的影響,磁異常的高值相對于磁性體的位置明顯偏南.王萬銀、王家林等在日本地質調查局在1994年編制的東亞磁異常圖的基礎上,采用變磁化的自適應濾波化極技術,從南到北分別讀取了多個點的磁化傾角,然后進行化極處理,作出中國東部陸?；瘶O磁力異常平面圖1),以下簡稱“化極磁異常圖”.雖然由于各地的磁化方向選值和剩余磁化的影響,實際上的化極場不可能達到真正的磁化磁場,故不能簡單的認為化極磁異常最大值位置與磁性體的位置完全對應,但是經(jīng)過化極后顯著減小了磁異常最大值相對于磁性體位置的偏移,因而大大方便了磁異常的解釋.將化極磁異常圖與華南大陸的地質構造相對比,可看出以下特征:(1)一、二級構造單元的分界線常表現(xiàn)為磁場分區(qū)的界線,如郯廬斷裂、揚子地臺北、南邊界的襄樊-廣濟斷裂和萍鄉(xiāng)-江山-紹興斷裂、華南地槽系內(nèi)的宿松-靈山斷裂、贛江-吳川-四會斷裂、麗水-海豐斷裂等.(2)古老變質巖區(qū),其磁場特征因大地構造背景而有所不同,如華北地臺的太古界變質巖區(qū)表現(xiàn)為強磁場;華南地槽系的上元古界-震旦系分布區(qū)(贛中、武夷山、閩北-浙南)為中強磁場;而揚子地臺的江南臺背斜雖然其中元古界基底中發(fā)育蛇綠巖套,卻表現(xiàn)為弱磁場.但它們有一個共同特征,即在平面形態(tài)上呈不規(guī)則面狀.(3)中生代火山巖帶,在麗水-海豐斷裂以東存在一條閩浙東部高磁異常帶,北起浙江義烏,南到福建東山.這一帶地表巖性主要為大片晚侏羅世火山巖航磁表明這一帶磁異常不僅背景值高(100nT以上),而且在沿海出現(xiàn)一系列特高值,如浙江臨海、福建長樂、莆田、泉州、廣東南澳等地.高磁背景值與具高剩磁強度的晚侏羅世中酸性火山巖的分布相吻合,由具高剩磁強度的晚侏羅世中酸性火山巖引起.而磁異常特高值的來源則是沿長樂-南澳斷裂帶在莆田、泉州、南澳等地呈串珠狀分布的燕山期基性-超基性巖,以及金門、漳州的沿海的新近紀-第四紀玄武巖.從以上的對比和分析可看出,新作出的布格重力異常總梯度峰值帶圖和化極磁力異常圖很好地反映了重要的地質構造特征,表明所采用的處理技術是成功的,處理結果是可信的,這增強了我們利用這些新資料來研究南海北部前新生代基底結構的信心.同時,陸上已知構造的重磁異常特征也為我們解釋海上的未知構造提供了依據(jù).3梯度峰值帶與中生代沖淤圖2和3分別為按上節(jié)所述的方法作出的南海北部(110°～122°E,15°～24°N)布格重力異?？偺荻确逯祹D和化極磁力異常圖,圖上還表示了本文識別的前新生代斷裂構造.從圖2可見,在南海北部,強度最大、延伸最長的布格重力異常水平總梯度峰值帶(以下簡稱峰值帶)有3條:馬尼拉海溝峰值帶(BB′B″)、呂宋火山弧峰值帶(CC′)、臺西南-中沙東峰值帶(AA′A″).前兩條的成因已經(jīng)很清楚了,而臺西南-中沙東總梯度峰值帶正是本文研究的重點.該帶北起從臺灣島西緣,向SW經(jīng)過臺西南盆地的北部凹陷延至中沙群島東側,走向NE45°左右,被NW向斷層左行錯斷成雁列狀.該梯度峰值帶斜穿陸架、陸坡到深海盆,北端水深小于200m,南段水深大于3000m.由于該梯度帶與等深線大角度斜交,跨越不同的布格重力異常背景,因而不容易被識別;現(xiàn)在由于采取了總梯度峰值帶的處理技術才得以凸現(xiàn)出來.實際上,如果仔細觀察過去發(fā)表的和本次新作出的布格重力異常圖,還是可以發(fā)現(xiàn)該梯度帶存在的跡象的.本文認為臺西南-中沙東總梯度峰值帶是中生代俯沖增生帶的證據(jù)之一,理由如下:第一,該帶在布格重力總梯度的強度和規(guī)模上僅次于馬尼拉海溝峰值帶和呂宋火山弧峰值帶,在強度上不及中沙群島、西沙群島周緣的環(huán)形峰值帶,而高于南海北部任何其他峰值帶;它又以沒有磁異常而與呂宋火山弧總梯度峰值帶不同,因此有可能是俯沖增生帶的表現(xiàn),類似于馬尼拉海溝,但由于上覆新生代沉積而降低了其布格梯度.第二,該帶不僅與海底地形斜交,也與主要呈NEE走向的新生代構造斜交,應為前新生代構造的表現(xiàn).第三,其NE走向與華南陸上的中生代斷裂帶一致,其被NW向斷層左行錯斷的特征也符合在中白堊紀變革運動之前的華南壓性應力場特征,與新生代的NW向右行錯動明顯不同,因此最可能是中生代構造.此外,該帶之北西約50～200km的距離出現(xiàn)指示火山弧的高磁異常帶,若干廣角地震剖面上也出現(xiàn)俯沖板片存在的跡象,都為存在俯沖增生帶提供了佐證;詳見下面兩節(jié)的討論.4西加里東-北緣深斷裂.NE向延伸的南海東北部高磁異常帶是南海北部磁場的最顯著特征,在化極磁異常圖上顯示有兩條(圖3-A),均向NE60o左右延伸,寬約30～80km,磁場強度60～200nT.北面的一條自廣東大亞灣外向NE延至福建金門島外,與陸上的閩浙東部高磁異常帶1)相連,向北向陸強度增高.南面的一條自白云凹陷以北向NE延至臺灣西部,包括東沙隆起、澎湖隆起、北港隆起及新竹凹陷南部.兩條高值帶之間以狹窄的低磁異常帶相隔,后者與珠盆北緣布格重力梯度峰值帶大致重合.兩帶之南北出現(xiàn)負磁異常.南海東北部高磁異帶已發(fā)現(xiàn)多年,曾被推測為由基性-超基性巖引起,并作為東沙隆起南坡存在一條燕山期俯沖增生帶的依據(jù).可是,馬尼拉海溝這條新生代俯沖增生帶并沒有出現(xiàn)高磁異常(圖3-D);這是因為只有發(fā)生了洋殼物質的增生的俯沖增生帶才有可能出現(xiàn)高磁異常.在南海北部鄰區(qū),前第四紀基性-超基性巖(如雷州半島、海南島北部)也能形成磁異常,但規(guī)模不大,強度不高(圖3-B),與南海東北部高磁異帶無法對比.南海東北部高磁異帶是否是元古界、太古界變質基底雜巖的反映?正如本文前面所指出,華南地槽系的上元古界-震旦系分布區(qū)(贛中、武夷山、閩北-浙南)以及西沙群島的前寒武紀變質巖分布區(qū)的磁異常(圖3-C)都呈不規(guī)則面狀分布,且多數(shù)為中強磁場,明顯不同于南海東北部高磁異常帶.與南海東北部高磁異常帶規(guī)模相當?shù)拇女惓Ｖ辉趨嗡螎u弧(圖3-E)和閩浙東部2))見到,前者是與新生代俯沖增生相伴的火山巖帶的反映,后者(即南海東北部高磁異常的北帶在陸上的延伸)是與中生代俯沖增生相伴的火山巖帶的反映,主要由具有高剩磁強度的晚侏羅世中酸性火山巖引起.根據(jù)類比,我們推測南海東北部高磁異常帶與閩浙東部火山巖帶具有相同成因,即代表與中生代俯沖增生帶相伴的火山弧.該火山弧亦被NW向斷裂左行錯動(圖3),向SW可追溯到西北次海盆以北.5莫霍界面和海底地震在南海東北部有三條實測廣角地震剖面(位置見圖1)穿過所推測的中生代俯沖帶,都看到了一些可作為俯沖增生帶存在的佐證.OBS1993剖面由南海海洋研究所與日本東京大學等合作于1993年實測,使用了炸藥震源和海底地震儀記錄,其11至13站的莫霍面之下約8～10km深還發(fā)現(xiàn)另一個反射層(閻貧等之圖6).DSR2002剖面是中國海洋石油總公司于2002年完成的長電纜多道地震剖面,也在下陸坡部位莫霍面之下約4km深處發(fā)現(xiàn)另一組強反射(圖4),平面位置與OBS1993剖面所揭示的上地幔反射層相近,可以認為是俯沖洋殼的莫霍面.OBS2001剖面由南海海洋研究所與臺灣海洋大學于2001年聯(lián)合實測,在第10站之下發(fā)現(xiàn)莫霍面向北下掉數(shù)公里(圖5);非常“巧合”的是,該站正好位于臺西南-中沙東總梯度峰值帶上(圖2),這個莫霍面北傾臺階可解釋為俯沖洋殼轉折部的反映.6尾論:巖帶與西北次海盆的關系本文根據(jù)重、磁資料的新處理成果在南海東北部識別出東亞陸緣中生代俯沖增生帶的一段,從119°E22°20′N延至115°30′E,18°10′N,大致呈NE45°走向展布,被NW向斷層左行錯動.俯沖增生帶顯示為強的布格重力異常水平總梯度峰值帶;廣角地震剖面上相應部位出現(xiàn)莫霍面向北陡傾下掉,以及莫霍面以下數(shù)公里深處可能指示俯沖板片下界面的反射其北約50～200km出現(xiàn)與之大致平行的高磁異常帶指示與俯沖有關的火山弧.由于這條俯沖增生帶與海底地形和新生代構造都斜交,而且被NW向斷層左行錯斷的情形符合中生代區(qū)域應力場特征,故認為俯沖增生的時間在中生代.從區(qū)域大地構造來看,西南日本-琉球群島-臺灣存在一條長1500km以上的晚侏羅世-早白堊世俯沖增生