南海北部陸相深反射地震剖面結果及其地質意義

南海北部陸相深反射地震剖面結果及其地質意義

晚層儒學與呂宋島邊緣的碰撞過程是西太平洋構造區(qū)最受關注的構造事件（圖1）。斜向碰撞導致了臺灣島的形成和高度的上升，也成為世界上最活躍、最年輕的造山帶之一。臺灣島造山帶的造山運動大約始于幾個世紀前（1.3%），具有高上升速度（>1cm/a）。目前，西菲律賓海板塊西北運動速度約為7.8cm/a。受斜向碰撞的影響，初始接觸帶12cm/a的速度由南傳播[6.8]。它是今天臺灣南部和臺灣西部與馬尼拉相互連接的區(qū)域的波浪結構。假定區(qū)域構造背景保持一致,那么沿著碰撞帶南移,我們應該可以根據(jù)時-空等效原理逐步追溯弧-陸碰撞帶的早期的演化過程.由于弧-陸碰撞是一相對年輕的地質事件,在斜向碰撞的總體構架方面并沒有突然的變化,因此對臺灣島南部海域跨越呂宋島弧的東-西向地質斷面的研究分析可以幫助揭示早期呂宋島弧與歐亞大陸邊緣的碰撞過程[11~14]以及臺灣島造山帶的早期造山過程.同時通過密切的海陸地質對比,我們可以對今天臺灣島南部海域內地質構造單元的未來演化做出估計.最近在這一區(qū)域內的地球物理研究包括反射地震和重磁調查、海底地震儀實驗、海底測深以及地震震源分析等.中國科學院南海海洋研究所于1987年實施了一次從中國大陸架,穿越呂宋島弧,到西菲律賓海的地球物理測量,獲得了一條24道反射地震剖面.Xia等應用了這次調查的部分地球物理資料進行了南海南部和北部大陸邊緣構造的對比分析,王平等根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析了恒春海脊的構造特征,另外Huang等應用這次調查的數(shù)據(jù)對目前臺灣島南部的聚斂構造和臺灣島東部的碰撞構造進行了對比.Chi根據(jù)地震和重力數(shù)據(jù)分析了恒春海脊南端的構造楔.Hsu等通過結合最新獲得的數(shù)據(jù)更新了臺灣島周圍的自由重力異常和地磁異常圖.在恒春半島和馬尼拉海溝西部的海底地震儀實驗顯示了南東向逐漸減薄的地殼厚度,從11km厚的減薄的陸殼到5~6km厚的洋殼.張健等最近通過三維重力平行計算與反演,對臺灣島中央山脈的密度結構進行了分析.區(qū)域內許多地震震源位置分析和地震層析成像研究[23~27]對分析南海板塊向菲律賓海板塊下的俯沖過程、歐亞大陸邊緣在臺灣島造山帶下的俯沖過程,以及在臺灣島東南的俯沖-碰撞轉換過程等都有很大的幫助.在呂宋島弧以東,Deschamps等分析認為花東海盆可能形成于早白堊世,而加瓜海脊可能在是斷裂帶的基礎上形成的.中國科學院南海海洋研究所在1987年的地球物理調查與廣州海洋地質調查局在2001年的地球物理調查的位置很接近.2001年的調查總長度約644km(本文稱為973GMGS測線),它穿越了中國大陸架和大陸坡、南海東北部、馬尼拉海溝、恒春海脊、呂宋島弧、花東海盆以及加瓜海脊等重要構造單元(圖1,2).反射地震數(shù)據(jù)由240道的浮纜以2ms的采樣頻率獲得,記錄時間為10.024s,道間距和炮間距分別為12.5和50m,每炮的氣槍總容量為3000inch3.另外還同時進行了水深和重磁測量.由于973GMGS測線處在目前弧陸碰撞接觸點以南大約250km處,973GMGS測線上的地質解釋可以與臺灣島弧陸碰撞前3Ma的構造相類比.這組高質量的數(shù)據(jù)為研究這一區(qū)域的構造地球物理特征提供了良好的機遇和條件.盡管前人在研究區(qū)域已經(jīng)做了很多研究工作,但是這些工作要么只是集中于某一個構造單元,要么缺乏高精度的反射地震數(shù)據(jù)來進行分析,在對于臺灣島南部這樣一個地質上非常重要的區(qū)域尚缺乏系統(tǒng)的分析.本項研究以多種最新的地質地球物理數(shù)據(jù)為基礎,對該區(qū)域所有重要構造單元之間的相互構造關系進行細致的地質和地球物理綜合分析,較全面探討該區(qū)域的構造演化和深部結構特征.1初始地磁正反演圖2為偏移成像后的BCDE段地震剖面及其地質解釋.可以看出,海水深度從南海到菲律賓海呈梯狀增加:在南海東北部約3000m,到北呂宋海槽約3600m,到花東海盆明顯增加到約4760m,而到加瓜海脊的東部則達到約5550m.在重磁正反演中,我們用地震解釋的層位數(shù)據(jù)來確定重磁正反演的初始模型,重力數(shù)據(jù)采用了精度為2分的衛(wèi)星測高自由重力異常數(shù)據(jù)網(wǎng)格,地磁數(shù)據(jù)來自日本地質調查局編繪的東亞地磁異常圖.地質模型中包括了4個構造層,分別是水層、沉積層、地殼層和上地幔層,其中水深和沉積層的厚度可從地震剖面上估計得到.我們采用了Talwani的經(jīng)典迭代正反演算法.圖3(c)中的所顯示的地殼模型為反演得到的結果,它給出了觀測和計算重力異常值之間較好的吻合(圖3(a)).最終的地質模型包含10個橫向長度為100km的幾何體,分別是海水層、沉積物、馬尼拉增生楔、南海地殼和上地幔、呂宋島弧,以及西菲律賓海(包括花東海盆和加瓜海脊).在約16km深處,南海地殼又被進一步分為非俯沖段和密度稍高的俯沖段,以模擬密度隨深度的增加.在初始的地磁正反演中,我們假定磁化率在每一個地質單元中是均勻分布的,同時假定沉積層、地幔層以及南海地殼俯沖段的磁化率為0.受極化、剩余磁性及磁源體不均一等因素的影響,地磁反演具有較高的不確定性,因此,圖3(b)中顯示了觀測和計算結果之間的較大差異.為了縮小這一差異,我們通過引入具簡單幾何形態(tài)的離散磁源體將均一磁化模型拓展到非均一模型,如圖3(e)所示.這樣模擬的結果明顯減小了觀測和計算結果之間的差異(圖3(d))同時表明呂宋島弧本身可能具有較大的磁性不均一性.在磁模擬中所采用的地球磁場參數(shù)為:磁傾角=-30°(向上為正),磁偏角=-2.4°,磁場源總強度=43910nT.地震測線BC段和DE段測線方位為90°CD段測線方位稍微發(fā)生變化,為56°.所有這些參數(shù)及其變化都在正反演中考慮到.為了對重力正反演的結果和深部地殼密度的分布獲得區(qū)域上的認識,一般假定淺層地殼物質的平均密度為2.67g/cm3,并在自由重力異常(圖4(a))和地形、海底測深數(shù)據(jù)的基礎上計算得到了簡單布格重力異常(圖4(b)).假定淺層地殼物質的平均密度為2.67g/cm3是計算簡單布格重力異常中普遍采取的假設,當然也可以根據(jù)研究的深度和地區(qū)的差異采取稍微不同的值,由于我們研究的范圍是地殼結構,所以采用2.67g/cm3的平均密度是可行的.自由重力異常(圖4(a))很明顯受地表地形起伏的影響,并且由于造成局部高值自由重力異常的馬尼拉增生楔的存在,在呂宋島弧西側存在兩條近于平行的重力低帶;而在簡單布格重力異常圖上,呂宋島弧西側只存在一條布格重力低帶,并且在位置上可以與馬尼拉海溝和增生楔的位置有很好的對應,這條布格重力低帶不僅揭示了馬尼拉海溝的具體位置,而且也反映了增生楔的低密度特征.另外,布格重力異常還顯示了呂宋島弧兩側明顯的異常對比:菲律賓海海盆與花東海盆具有非常接近的布格重力異常值,而它們都明顯高于南海北部的布格重力異常,表明呂宋島弧東側的洋殼和上地幔具有較高的密度分布.緊鄰呂宋海槽(為一弧前盆地)的東側和呂宋島弧西側,從布格重力圖上可以觀測到一條高布格重力異常帶(圖4(b)).這條帶在自由重力異常上并不存在,而在布格重力圖上從臺灣島南部到東北巴拉望(Palawan)的北部都有明顯和連續(xù)的展布.由于此帶與馬尼拉俯沖帶在空間上的緊密關系,有理由推測它的存在與俯沖過程有關,南海板塊的東向俯沖可能致使高密度的地幔物質楔入高布格重力異常帶下面的地殼內.呂宋島弧上的活火山和第四紀火山(譬如,北呂宋島弧上的Batan,Babuyan,Camiguin和Mt.Cagua等火山,見圖1)都位于高布格重力異常帶的東側,依據(jù)地球化學證據(jù)和地震震源分析,Yang等在臺灣島和呂宋島之間發(fā)現(xiàn)了雙火山弧,并將其歸因于南海殘留洋中脊的俯沖(同時見Bautista等)雖然我們不同意他們對雙火山弧成因的解釋,但是可以發(fā)現(xiàn)高布格重力異常帶處在稍微偏西于較老的西呂宋島弧帶的位置,且與之近于平行.上述數(shù)據(jù)分析結果為更好地理解區(qū)域地球動力學特征提供了基礎.下面我們分別研究區(qū)內的主要構造單元及其相互作用關系.2概念的地球物理特征的解釋2.1地震反射特征南海板塊沿馬尼拉海溝的東向俯沖形成了一個經(jīng)典的海溝(馬尼拉海溝)-增生楔(高屏斜坡和恒春海脊)-弧前盆地(呂宋海槽)-火山弧(呂宋島弧)體系(圖1和2).靠近馬尼拉海溝的南海新生代沉積物可分為反射特征明顯不同的三層(圖5).底層為振幅較弱的中新世沉積層,受基底形態(tài)影響明顯,橫向厚度變化大,并且向海溝方向削減;中層為上新世沉積層,其厚度橫向變化小,地震反射具有較好的橫向連續(xù)性,在海溝處則明顯受構造影響;上層為第四紀沉積物,具有波狀地震反射,沉積厚度在海溝處有所增大.上述地層的年代根據(jù)973GMGS地震剖面(見圖1區(qū)域圖)與臺西南盆地地層進行對比所得到的.臺西南盆地內已經(jīng)有多口鉆井幫助確定地層的年代.臺灣島以南的馬尼拉增生楔主要由兩部分組成:東側較老的恒春海脊和西側較新的高屏斜坡(圖1和2).高屏斜坡由來自臺灣島造山帶的晚新近紀到第四紀沉積物組成,而恒春海脊則主要由來自歐亞大陸的中新世濁流沉積物組成.恒春海脊(又被稱為上斜坡區(qū))的地震反射雜亂,但是顯示了發(fā)育很好的似海底反射層BSR(圖2).又被稱為下斜坡區(qū)的高屏斜坡具有與恒春海脊不同的地震反射特征,并可被進一步劃分為東、西2個次級單元(圖5).東部次級單元內發(fā)育一系列東傾的逆沖斷層,緊閉褶皺和泥底辟;相反在西部次級單元內,仍可鑒別出具褶皺變形但是橫向連續(xù)的地震反射,同時還發(fā)育一組西傾的斷層.馬尼拉增生楔的這一分帶特征,即由西向東變形程度增加且具有多個次級單元,一方面表明了增生楔由東向西逐步增長的過程,另一方面也說明南海板塊的俯沖和增生楔的增長具有多階段性.恒春海脊應該是臺灣島形成之前,即呂宋島弧尚未與歐亞大陸碰撞之前的中新世增生楔,在呂宋島弧與歐亞大陸碰撞后,南海俯沖在本文研究區(qū)內曾一度減弱,構成了恒春海脊和高屏斜坡之間在地形和地震反射特征上的不連續(xù)性.伴隨著臺灣島的隆升,南海俯沖又開始活躍,形成高屏斜坡.而在高屏斜坡內兩個次級單元的存在可能進一步說明自上新世以來,南海的俯沖又經(jīng)歷過兩個次級俯沖活躍階段.在高屏斜坡增生楔之下,可以在地震剖面上清楚地鑒別出具強反射振幅的南海地殼頂面.2.2海槽西部傾斜地層重磁正反演結果進一步支持恒春海脊為一增生楔(圖3).在973GMGS測線上,恒春海脊盡管與呂宋島弧有相近的地形高度,但是卻有很低的自由重力異常.另外,恒春海脊上的磁異常表現(xiàn)為平靜和平緩特征,而呂宋島弧的磁異常卻具有強烈的橫向變化且具有幾個磁力高值,這些現(xiàn)象清楚地反映了恒春海脊是由低密度和低磁化率的增生楔沉積堆積物構成.重力正反演結果顯示,恒春海脊作為一個獨立的楔狀體,具有大約2.60g/cm3的平均密度,這一密度值高于沉積層的密度2.40g/cm3,但是明顯低于呂宋島弧的密度(約2.87g/cm3).北呂宋海槽處在恒春海脊與呂宋島弧之間,海槽東部的沉積物水平展布,并且以不整合超覆在呂宋島弧之上,而海槽西部在恒春海脊之上的沉積物產(chǎn)生傾斜變形(圖6),恒春海脊與呂宋島弧之間可能以一條西傾的逆沖斷層為界(圖6),以此斷層為界地震反射不連續(xù)或存在反射強度的變化.Hirtzel曾經(jīng)對海槽內的沉積物劃分出9個地震層.在與973GMGS測線相鄰的測線上,Chi分析了海槽內傾斜地層的縮短情況,并估計出總縮短量在4km左右.Reed等和Chi進一步認為恒春海脊東緣由一個頂部逆沖斷層和一個底部逆沖斷層所圍限,構成一個構造楔.由于北呂宋海槽為一獨立構造單元,其內沉積地層受周緣高地形影響與周緣地層特別是南海沉積層不相連接,而且北呂宋海槽內目前沒有鉆井,所以其內地層的準確時代尚不能得到準確判斷.但是很顯然,北呂宋海槽內沉積層的時代應該不早于中新世恒春海脊形成的時代.我們從973GMGS測線上鑒別出了6個反射層,除了最底部的反射層外,其余層都向東部分散,表明構造楔入作用在底部層沉積之后才開始.我們估計的傾斜地層的傾角從頂部層的6°增加到底部層的13°,顯示了海槽內地層受傾斜變形影響而隨時間的遞進縮短過程.地層傾斜只在恒春海脊東緣形成,表明主要由沉積物組成的恒春海脊沿著邊界底部逆沖斷層向呂宋島弧之上仰沖.從圖6所示的幾何關系,我們估計出海槽內地層由傾斜而導致的最小縮短量:底層約在310m,而頂層約65m.這些縮短量與區(qū)域縮短量相比在數(shù)值上顯得非常小,一種可能的解釋是逆沖作用是在恒春海脊形成很久以后才開始的,所以總體縮短量不大,海槽東部的未變形的水平層的存在也證實這一推理.總之,恒春海脊與呂宋島弧之間在弧-陸碰撞前的聚斂速率可能不大,在弧-陸碰撞前由于呂宋海槽內地層傾斜而導致的區(qū)域縮短只占總縮短量的非常微小的一部分,而區(qū)域內主要的地殼縮短應該由其他機制(譬如板塊的俯沖削減等機制)來解釋.向北在初始碰撞帶,研究發(fā)現(xiàn)恒春海脊與呂宋島弧之間的進一步逆沖作用形成了花東海脊和南臺東縱谷(圖1),它們與恒春海脊近于平行但在973GMGS測線附近并不存在.繼續(xù)向北在更早的碰撞區(qū)域,恒春海脊的持續(xù)隆升和逆沖作用形成了中央山脈與海岸山脈之間的利吉磨拉石組合.2.3島弧內盆地分布從地磁正反演結果看,呂宋島弧具有最高的磁化率,約在0.38×10-3cgs單位,同時它也顯示了很明顯的磁化率橫向不均一性(圖3(e)).不均一的磁化率可能反映了呂宋島弧具有多階段的演化,研究結果發(fā)現(xiàn)呂宋島弧具有兩個近于平行但時代不同的2個弧.在呂宋主島弧東翼的2個峰分別對應著兩個強度不同的正磁異常,磁反演結果顯示這2個峰具有不同的磁化率.在島峰之間還發(fā)育東、西兩個弧內盆地(圖2和7(a)),盆地內的沉積層中發(fā)育斷裂和褶皺,顯示出明顯的活動變形.在東弧內盆地發(fā)育一組東傾的活動斷裂,基底底辟作用導致上覆地層內形成褶皺(圖7(a)).相反,呂宋主島弧的西翼在構造上顯得相對平靜,這也進一步說明東部呂宋島弧可能比西部呂宋島弧更年輕和活躍.通過對973GMGS剖面以北的海上和陸上4個弧內盆地的詳細研究,Huang等分析了弧內盆地成因的不同機制,認為斜向弧-陸碰撞會產(chǎn)生逆沖和走滑斷層,斷層的進一步演化會在呂宋島弧內形成拉分盆地和島弧塌陷.如果從區(qū)域構造圖圖1上看973GMGS剖面上的兩個弧內盆地,會發(fā)現(xiàn)西弧內盆地實際上是巴士海峽的北端,東弧內盆地處在巴士海峽以東,在平面上它們都呈長條狀分布,顯示出與斷裂相關的特點,可能是與斜向俯沖或差異俯沖有關的斷層作用的結果.2.4海東北部與花東海盆的關系花東海盆與其東側的西菲律賓海盆和其西側的南海海盆之間都存在差異.從973GMGS剖面上看,花東海盆的水深自西向東增加,而沉積基底(洋殼頂面)深度卻由東向西增加(圖7(b)).早期有研究認為花東海盆的年齡可能為早白堊世,而Sibuet等則提出了更復雜的模式,將花東海盆分為北部和南部兩部分,并根據(jù)磁異常條帶推測北花東海盆與馬尼拉增生楔下面的洋殼屬于同一洋殼,而南花東海盆與南海東北部殘余古南海屬于同一洋殼.973GMGS剖面剛好穿過Sibuet等所提出所有塊體,所以可以幫助檢驗他們的模型的合理性.然而,我們的研究發(fā)現(xiàn)南海東北部與花東海盆在許多方面存在巨大差異,很難確認他們之間任何成因上的聯(lián)系.首先,南海的水深和沉積基底深度明顯比花東海盆的要小,兩者之間水深相差約1800m;其二,重磁正反演結果顯示花東海盆具有明顯高于南海海盆的地殼和上地幔密度,前者在2.90,3.47g/cm3而后者僅2.88和3.25g/cm3(圖3),這一密度差異也在布格重力異常圖上有明顯反映(圖4(b));其三,從重力模擬結果來看,花東海盆的地殼厚度似乎比南海北部地殼的厚度要小.所有這些證據(jù)都不支持南海北部地殼與花東海盆洋殼之間任何成因上的聯(lián)系.重力正反演的另一個發(fā)現(xiàn)是需要引入花東海盆和呂宋島弧之間較大的地殼上地幔密度差異來合理地模擬所觀測到的重力異常值(圖3),這可能表明相對較老的具高地殼上地幔密度的花東海盆與相對年輕的較熱的呂宋火山弧的直接接觸拼貼關系.早期海底地震儀研究和重力模擬結果顯示花東海盆的地殼厚度偏大,約在10km,而我們的模擬結果發(fā)現(xiàn)花東海盆具正常洋殼厚度,但是具很大的橫向變化.加瓜海脊西側具有幾公里厚的上地幔隆升,可能與其上的花東海盆沉積基底(洋殼頂面)隆升和劇烈起伏有關(圖7(b)).從973GMGS剖面上看(圖7(b)),在花東海盆基底隆升之間的沉積物具有輕微褶皺變形并且變形程度自頂部到底部略有增加,表明這些基底隆升構造已經(jīng)形成很久并經(jīng)歷了長期的微弱但持續(xù)的擠壓作用.從水深地形和重力圖上看(圖1和4(a)),基底隆升構造表現(xiàn)為與加瓜海脊近于平行且具有較高自由重力異常的海脊,而在地磁圖上,這些基底海脊沒有對應明顯的磁異常特征.雖然在973GMGS剖面上加瓜海脊顯示了正磁異常,這一特征在平面圖上看并不普遍,換言之,花東海盆基底隆升和加瓜海脊都不具有強磁化特征,它們可能是在同一時期受相同構造過程作用而形成,我們下面進一步討論關于加瓜海脊的形成.2.5早期西菲律賓海板塊的地震反射波從973GMGS剖面上看,加瓜海脊兩側都受海槽圍限,海槽內沉積物不整合超覆于加瓜海脊之上,沒有顯示出明顯的構造變形(圖7(b),(c)),說明加瓜海脊自形成以來一直保持相對穩(wěn)定.海脊兩側的海底深度約有800m的深度差.Deschamps等認為加瓜海脊是沿著一早期斷裂帶形成,而后在中始新世受區(qū)域走滑擠壓影響而隆升.在自由重力異常圖上(圖4(a)),加瓜海脊兩側顯示了不對稱重力分布,東側具有一寬的負重力異常帶,而西側只有一弱的重力低帶.與Deschamps等的模型相類似,我們將這一重力不對稱性解釋為早期西菲律賓海板塊短暫西向擠壓和俯沖的結果,但是這一俯沖過程沿加瓜海脊一帶可能很快就停止了,尚沒有形成明顯的洋殼下插.加瓜海脊東側海槽基底的西向加深,以及海槽基底內的強反射和雜反射(圖7(c))可能說明了早期西菲律賓海板塊俯沖的存在,Deschamps等也在相鄰剖面的相同位置尚鑒別出類似的地震反射特征.另外,加瓜海脊西側的地幔隆升也可能與早期俯沖有關,俯沖作用致使花東海盆的巖石圈撓曲及地幔上隆(圖7(d)).3呂宋島弧的巖漿過程馬尼拉海溝沉積物顯示了自西向東的遞進變形,馬尼拉增生楔至少由反射特征不同的兩部分構成:高屏斜坡和恒春海脊.由于高屏斜坡沉積物的變形程度明顯低于恒春海脊的強烈變形,恒春海脊可能為早期馬尼拉俯沖的產(chǎn)物,是在臺灣島島形成之前,即呂宋島弧尚未與歐亞大陸碰撞之前的中新世增生楔,或者為馬尼拉海溝轉換到臺灣島西側前(在大約5Ma前)的古增生楔.在呂宋島弧與歐亞大陸碰撞后,南海俯沖在本文研究區(qū)內曾一度減弱,構成了恒春海脊和高屏斜坡之間在地形和地震反射特征上的不連續(xù)性.伴隨著臺灣島的隆升,南海俯沖又開始活躍,形成高屏斜坡.而在高屏斜坡內兩個次級單元的存在可能進一步說明自上新世以來,南海的俯沖又經(jīng)歷過兩個次級俯沖活躍階段.伴隨著恒春海脊與呂宋島弧之間的西傾斷層的逆沖作用,北呂宋海槽內存在活躍的前碰撞地殼縮短過程.逆沖作用使北呂宋海槽內西側的沉積層逐漸傾斜,導致地層傾角大約由頂層的6°增加到底層的13°,但是北呂宋海槽內由地層傾斜而造成的縮短量相對很小(<1000m),只占區(qū)域總縮短量的很小的一部分.呂宋島弧的東翼比島弧的其他部分顯得更為活躍,在東翼的弧內盆地內存在活