南海北部陆缘地热状态及其成因探讨

李守军

（1.中国地质大学（武汉）资源学院，湖北 武汉 430074；2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州310012；3.国家海洋局 海底科学重点实验室，浙江 杭州 310012）

0 引言

南海北部陆缘地处欧亚板块、印度－澳洲板块和菲律宾海板块交汇拼合部位，中生代末区域构造应力场由挤压转为伸展［1］；新生代早期又经历了陆缘张裂、海底扩张、基底沉降形成盆地的复杂演化过程［2］；裂后晚期构造－热事件频发，岩浆活动、断裂体系发育［3］；新近纪晚期菲律宾海板块相对欧亚板块的北西向运动，在南海东部形成马尼拉海沟俯冲、台湾挤压造山的新构造体系［4－5］。

南海北部陆缘构造位置特殊、演化历史复杂、地质现象异常丰富，海底热流和深部地温场经受了岩石圈拉张减薄、底侵热事件、断裂作用、火山活动和板块之间相互俯冲挤压等众多因素的影响。前人针对南海北部大地热流、地温梯度、岩石圈和地壳热流变结构曾开展过观测和研究工作［6－11］，但目前尚缺少对南海北部地热平衡状态判断及具体构造活动、热事件与地热状态成因的关联性研究。本文在系统收集、整理南海北部地热资料基础上，通过稳态热传导方程计算南海北部陆缘随深度变化的热流和温度分布，求取热居里面埋深，通过地磁资料反演磁居里面埋深，进行热、磁居里面埋深对比，进而分析南海北部陆缘大地热流分布特征，进行地热平衡状态判断；并通过地壳结构、拉张因子、莫霍面埋深、断裂体系分布、火山活动的综合分析，探讨南海北部陆缘地热状态的成因。

1 数据和方法

1.1 数据来源

本文研究区域为南海北部大陆边缘，地理坐标范围为105°E～123°E，15°N～25°N，为避免数据网格化时在边缘处产生变形，实际参与计算的数据范围向四周扩大了1°，文中图件只显示研究区海域数据的计算结果，陆上区域以岸线填充遮蔽。地热资料主要来源于全球地热资料库（http：／／epic.awi.de／31378／），数据类型包括地温梯度、热导率和大地热流值，又通过文献检索获得最新地热资料77组，包括米立军等［6］2009年公布的南海北部地热资料34组，徐行等［7］2006年公布的地热资料7组，张健等［8］2000年公布的地热资料20组以及刘昭蜀等［12］2002年公布的地热资料16组，全部地热资料采集时间跨度为1970年至2009年。针对地热资料采集时间跨度大，仪器型号不同的情况，为了保证计算结果一致和可靠，对个别干扰数据进行了剔除，最终形成有效地热资料462组，采用克里格算法进行网格化。南海北部海底大地热流分布见图1。

图1 南海北部海底热流分布Fig.1 Distribution of heat flow values in the northern margin of the South China Sea

本研究采用的地磁数据主要来源于国家海洋局第二海洋研究所20世纪90年代以来在南海北部进行的船载海洋磁力测量。同时为了数据的完整性，在资料稀疏区域加入了CCOP磁力数据（Geological Survey of Japan and CCOP，1996）。采用2009年第十一代国际地磁参考系数进行正常场改正，计算研究区的ΔT地磁异常，南海北部地磁异常分布特征见图2。

南海北部断裂体系十分发育，前人通过海底地形、重力和地磁异常反演、地震剖面、海底地震探测和层析成像、应力场和大地动力学分析等多种手段对南海北部断裂带进行了识别和研究。目前普遍认为南海北部中、新生代存在NE（NEE）和NW（NWW）两组主要断裂，其中NE（NEE）向断裂为南海北部地区的最主要断裂，发育时间较早，以张性断裂为主，控制着大规模张裂盆地的形成；NW（NWW）向断裂相对NE（NEE）向断裂来说形成时间较晚，多数切割NE（NEE）向断裂，在南海北部形成南北分带、东西分块的构造格局［13－18］。本文对前人有关南海北部断裂体系的研究成果进行了综合，将南海北部主要断裂绘于海底地磁异常平面图中（图2）。

1.2 深部温度和热流计算方法

图2 南海北部地磁异常与断裂带分布Fig.2 Characteristic of geomagnetism and distribution of faults in the northern margin of the South China Sea

根据大地热流值、热导率和生热率可以计算随深度变化的温度和热流分布。深部温度和热流值作为一组重要的地球物理参量可定量地反映南海北部陆缘深部地热特征及热结构。本文采用稳态热传导方程模拟南海北部大陆边缘的地温场和热结构，以575℃等温线所在的深度作为热居里面的埋深。模型厚度取100km；上边界取地表常年平均温度13℃，事实上地表温度随水深变化可以达到3℃左右，但是这种小幅度的上边界温度变化对地温场的影响很小；下边界取热流边界。“热”岩石圈底界为“干”玄武岩固相线的绝对温度T＝1 050＋3z（℃），其中z为计算深度。因为地幔生热率小于0.1μW／m3，可以忽略不计，因此下边界热流通过地表热流减去地壳热贡献获得［10－11，19］。实际计算时，生热率在沉积层取2.0μW／m3，上地壳取2.5μW／m3，下地壳取0.4μW／m3；热导率在沉积层取2.0W／m·K，上地壳取3.1W／m·K，下地壳取2.5W／m·K，地幔热导率为3.4W／m·K。根据生热率分别估算各层的热流贡献，莫霍面热流通过海底热流减去各层热流贡献得到。下边界热流的初始值取上述莫霍面热流估算值，通过调整下边界热流，使得模型中莫霍面热流与估算值接近。

1.3 磁居里面深度反演

磁居里面即传统地质意义上的居里面，指岩石中铁磁矿物因温度升高达到居里点而由铁磁性变为顺磁性时的温度界面，又称居里等温面。该界面可由磁力测量资料根据一定的模型反演计算得到。吴招才等［16］2010年采用离散型棱柱体模型功率谱法来反演居里面深度。反演流程为：（1）根据全区ΔT地磁异常结果确定160km×160km的方形窗口及40km×40km的滑动窗口，滑动窗口纵横向可以重叠，计算窗口内数据的对数功率谱；（2）根据对数功率谱计算直立棱柱体的顶面深度Zt、中心深度Z0和底面深度Zb，并把底面深度值放在窗口中心作为该处的居里面深度；（3）按照滑动距离移动窗口至下一个位置，重复（1）和（2）的步骤，直至得到全区居里面反演结果［16］。南海北部磁居里面深度分布见图3。

从理论上来讲，无论是磁居里面还是热居里面，它们所反映的都是地下的同一个温度界面。就某地而言，若其地下发生了深部热事件，居里面埋深发生变化，经过足够长的地质时期，热以某种方式传递到地表，并通过地表热流测量被识别出来，则整个过程可以由稳态温度场模型进行模拟，此时磁居里面深度和热居里面深度一致，称为热平衡状态。但是，深部热流传导到地表需要一定的时间，倘若某个深部热事件发生较晚，虽然深部温度场结构已经发生了改变，但热流尚未传递到地表，地表热流探测无法反映该热事件，此时磁居里面深度将浅于热居里面，此种情况即地热处于不平衡状态。

图3 南海北部磁居里面深度分布Fig.3 Depth distribution of Magnetic Curie Point Isotherm in the northern margin of the South China Sea

2 计算结果分析

2.1 南海北部大地热流分布和磁居里面深度

南海北部462组地热资料统计结果显示，大地热流值范围为41～135mW／m2，平均大地热流值达到84mW／m2。由图1可见南海北部从陆架向海盆方向，大地热流表现为递增趋势。依据McKenzie经典岩石圈瞬时拉张模型，以南海北部平均地壳拉张因子值为3.0计算，对大地热流值随时间变化进行预测，南海北部大地热流值小于63mW／m2。但是，实测地热资料中67%的热流值大于63mW／m2，平均地温梯度52℃／km也远大于正常海底面地温梯度30℃／km，地热资料统计结果表明南海北部陆缘具有普遍偏高的大地热流值和地温梯度，地热状态不能用经典模型予以预测。

南海北部陆缘磁居里面深度反演结果（图3）表明，磁居里面埋深表现为陆架和海盆区下拗，中、下陆坡明显上隆的整体趋势，其中陆架和海盆区磁居里面埋深25～30km，中、下陆坡埋深15～23km，磁居里面上隆分布在陆坡北缘断裂（F1）和中央海盆北缘断裂（F4）之间。

2.2 居里面深度对比与热平衡状态分析

南海北部珠江口盆地OBS93剖面地壳厚度从陆架区的22km减薄至海盆区的8km，下地壳底部存在厚度为3～5km的高速层，随着地壳厚度由陆架向海盆方向减薄，海底热流值由陆架区的60 mW／m2增加至海盆区的140mW／m2，洋陆边界带（Continent Ocean Boundary，COB）两侧出现高热流值。在F2和F4断裂之间热居里面深度大于磁居里面深度，两者深度差为3～15km，处于地热不平衡状态，F2断裂以北的上陆坡和陆架区以及F4断裂以南的海盆区热、磁居里面埋深基本一致（图4）。磁居里面反演结果显示F2和F4断裂之间磁性层底界面抬升，磁性层减薄，平面位置对应于前人研究所指的中、下陆坡磁静区［20］，其中F2和F3断裂之间磁居里面与抬升的莫霍面相交，磁性体集中在上地壳和下地壳顶部，F3断裂以南磁居里面深度逐渐加大，至F4断裂以南的海盆区整个地壳和上地幔被地球磁场所磁化［16］。地温场计算结果显示陆架和上陆坡区莫霍面温度为400～500℃，而下陆坡和海盆区莫霍面温度为200～300℃，海盆区脆性层底界深度达到30km。

从综合剖面图4可见，F2和F4断裂之间是下地壳高速层主要存在区域，同时对应着大地热流由上陆坡向海盆方向增加和热、磁居里面深度不一致的区域。地壳拉张因子剖面显示F2和F4断裂之间是地壳强烈拉张减薄的区域。F2断裂带以北OBS2～4号站对应于磁异常平面图上的高磁异常带（图2），前人研究认为南海北部高磁异常带是中生代俯冲带对应的火山弧［21－22］。依据地质年代计算，F2断裂带以北有足够时间达到地热平衡，可以解释热、磁居里面深度相同。F4断裂带以南是海底扩张形成的洋壳区，莫霍面浅，地壳薄，深部热传导至地表时间短，已达到热平衡状态，热、磁居里面深度一致。

图4 南海北部OBS93剖面地壳和地热结构综合剖面图Fig.4 Integrated profile of crust and thermal structure along the seismic line of OBS93in the northern margin of the South China Sea

南海北部陆坡ESP－E剖面勘测结果显示北端莫霍面埋深约30km，地壳厚度为28km，测线南端海盆区莫霍面抬升至深度10km，地壳厚度减薄至5 km，属于洋壳性质。综合剖面图5中，由测线北端至南端，表现为地壳厚度逐渐减薄，莫霍面逐步抬升和大地热流逐步增高的趋势。从上陆坡ESP7站所在的东沙岛开始向海盆方向，地壳底部存在宽度约300km的下地壳高速层，厚度为3～17km。地温场模拟和磁居里面反演结果表明，ESP－E剖面中8号站位与4号站位之间，磁居里面埋深浅于热居里面埋深，处于热不平衡状态，且两者之间的深度差异与下地壳高速层厚度呈正比关系。F2断裂所在的ESP8号站位以北至F1断裂所在的ESP9号站位之间，热、磁居里面埋深一致，位置对应于高磁异常带（图2），其性质与OBS93剖面的2～4号站位相同。F4断裂以南为洋盆区域，热、磁居里面深度一致。南海北部裂后晚期构造活动频繁，火山岩浆活动发育，海底地形图和重、磁异常研究表明东沙岛东南的下陆坡存在线性排列的海底火山［23］，位置对应于ESP－E剖面4号站至2号站之间，即F3和F4断裂之间。研究表明该区域在裂后10Ma左右存在大规模海底火山活动［3］，岩浆喷发形成良好疏导通道，深部热流体输送至地表，热流值增高，由热流值模拟的温度场升高，造成F3和F4断裂之间热、磁居里面交叉，地热状态受到裂后岩浆底侵事件和火山活动的共同影响。

图5 南海北部ESP－E剖面地壳和地热结构综合剖面图Fig.5 Integrated profile of crust and thermal structure along the seismic line of ESP－E in the northern margin of the South China Sea

3 讨论

3.1 地壳拉张减薄和莫霍面抬升对地热状态的控制

南海北部珠江口盆地中、下陆坡区域热居里面埋深大于磁居里面埋深，依据居里面的定义，表明存在深部热事件，引起地热不平衡，热不平衡程度由海盆向陆坡方向变强。地震剖面探测结果表明，南海北部由陆架向海盆方向地壳厚度逐渐变薄，莫霍面抬升与地壳减薄呈镜像关系。对于同一深部热事件而言，莫霍面埋深越浅，地壳厚度越薄，地热更容易传导到地表，通过地热测量而得知，通过地温模拟的居里面深度和地磁反演的居里面深度越一致，就越接近地热平衡状态。OBS93和ESP－E两个剖面中海盆区莫霍面埋深小于10km，地壳厚度小于8km，拉张因子大于3.0，对应大地热流高值区。

3.2 深部热事件和岩浆活动对地热状态的影响

根据McKenzie岩石圈拉张模型，被动大陆边缘地壳在经历瞬时拉张之后，大地热流表现为拉张因子和时间的函数，地表热流随时间的推移逐步降低，并逐渐达到热平衡状态。本文中的地温模拟和居里面反演结果显示，南海北部具有普遍偏高的大地热流和地温梯度，OBS93和ESP－E综合剖面表明珠江口盆地中、下陆坡区域的热居里面埋深大于磁居里面埋深，处于地热不平衡状态。前人研究表明南海北部中、下陆坡下地壳高速层由裂后岩浆底侵事件形成［23－24］，本文研究所发现居里面埋深差异较大的区域与下地壳高速层所在的位置恰好对应，且下地壳高速层厚度与居里面深度差异成正比例关系，据此推断裂后深部热事件是南海北部中、下陆坡下地壳高速层和地热不平衡状态的成因。同时，根据上文中ESP－E剖面F3和F4断裂之间热、磁居里面交叉的情况判断，裂后晚期火山岩浆活动对地热状态亦有重要影响。

4 结论

大地热流和地温梯度数据分析结果表明，南海北部陆缘具有普遍偏高的大地热流和地温梯度，大地热流值总体表现为由陆架向洋盆方向递增的趋势。地壳结构、拉张因子、莫霍面埋深、断裂带及火山活动综合分析表明南海北部陆缘地热状态主要受控于由陆向洋方向的地壳强烈拉张减薄和莫霍面抬升的构造格局。

海底热流资料经稳态温度场计算，获取热居里面深度，与地磁反演的居里面深度进行对比，发现南海北部中、下陆坡F2和F4断裂之间磁居里面深度浅于热居里面深度，处于地热不平衡状态，其位置与下地壳高速层相对应。通过OBS93和ESP－E综合剖面分析结果表明，F2断裂与F4断裂之间的中、下陆坡区域在裂后发生岩浆底侵事件，地热不平衡状态由该事件引起，F2和F4断裂为底侵事件发生的南、北边界；裂后晚期局部火山岩浆活动对地热状态亦有所影响。

致谢感谢国家海洋局海底科学重点实验室吴招才博士提供海底地磁异常和磁居里面深度反演结果。衷心感谢2位审稿专家提供的宝贵意见和建议！

（References）：

［1］HUANG Ci－liu，ZHONG Jian－qiang.Tectonic events in the cenozoic era in the northeast area of South China Sea and its neighboring regions［J］.Journal of Tropical Oceanography，1994，13（1）：55－62.

黄慈流，钟建强.南海东北部及其邻区新生代构造事件［J］.热带海洋，1994，13（1）：55－62.

［2］LI Jia－biao.Evolution of China’s marginal seas and its effect of natural resources［M］.Beijing：Ocean Press，2008：220－246.

李家彪.中国边缘海形成演化与资源效应［M］.北京：海洋出版社，2008：220－246.

［3］LI Si－tian，LIN Chang－song，ZHANG Qi－ming，et al.Dynamic process of continental basin episodic tectonic subsidence and tectonic events since 10Ma in the northern margin of South China Sea［J］.Chinese Science Bulletin，1998，43（8）：797－810.

李思田，林畅松，张启明，等.南海北部大陆边缘盆地幕式裂陷的动力过程及10Ma以来的构造事件［J］.科学通报，1998，43（8）：797－810.

［4］SIBUET J C，HSU S K.Geodynamics of the Taiwan arc－arc collision［J］.Tectonophysics，1997，274（1－3）：221－251.

［5］SIBUET J C，HSU S K，Le PICHON X，et al.East Asia plate tectonics since 15Ma：constraints from the Taiwan region［J］.Tectonophysics，2002，344（1－2）：103－134.

［6］MI Li－jun，YUAN Yu－song，ZHANG Gong－cheng，et al.Characteristics and genesis of geothermal field in deep－water area of the northern South China Sea［J］.ACTA Petrol EI Sinica，2009，30（1）：29－32.

米立军，袁玉松，张功成，等.南海北部深水区地热特征及其成因［J］.石油学报.2009，30（1）：27－32.

［7］XU Xing，SHI Xiao－bin，LUO Xian－hu，et al.Heat flow measurements in the Xisha trough of the South China Sea［J］.Marine Geology and Quaternary Geology，2006，26（4）：51－58.

徐行，施小斌，罗贤虎，等.南海西沙海槽地区的海底热流测量［J］.海洋地质与第四纪地质，2006，26（4）：51－58.

［8］ZHANG Jian，WANG Ji－yang.The deep thermal characteristic of continental margin of the northern South China Sea［J］.Chinese Science Bulletin，2000，45（10）：1 095－1 100.

张健，汪集旸.南海北部大陆边缘深部地热特征［J］.科学通报，2000，45（10）：1 095－1 100.

［9］ZHANG Jian，SONG Hai－bin.The thermal structure of main sedimentary basins in the northern margin of the South China Sea［J］.Journal of Geomechanics，2001，7（3）：238－244.

张健，宋海斌.南海北部大陆架盆地热结构［J］.地质力学学报.2001，7（3）：238－244.

［10］SHI Xiao－bin，ZHOU Di，ZHANG Yi－xiang.Lithospheric thermo－rheological structure of the northern margin of South China Sea［J］.Chinese Science Bulletin，2000，45（15）：1 160－1 165.

施小斌，周蒂，张毅祥.南海北部陆缘岩石圈热流变结构［J］.科学通报，2000，45（15）：1 160－1 165.

［11］SHI Xiao－bin，QIU Xue－lin，XIA Kan－yuan，et al.Heat flow characteristics and its tectonic significance of South China Sea［J］.Journal of Tropical Oceanography，2003，22（2）：63－73.

施小斌，丘学林，夏戡原，等.南海热流特征及其构造意义［J］.热带海洋学报，2003，22（2）：63－73.

［12］LIU Zhao shu，ZHAO Huan－ting，FAN Shi－qing，et al.Geology of the South China Sea［M］.Beijing：Science Press，2002：284－287.

刘昭蜀，赵焕庭，范时清，等.南海地质［M］.北京：科学出版社，2002：284－287.

［13］ZHANG Xun－hua.Tectonic geology in China Sea［M］.Beijing：Ocean Press，2008：204－218.

张训华.中国海域构造地质学［M］.北京：海洋出版社，2008：204－218.

［14］YAO Bo－chu，WAN Ling.The three dimensional structure of lithosphere and its evolution in the South China Sea［M］.Beijing：Geology Press，2006：28－31.

姚伯初，万玲.中国南海海域岩石圈三维结构及演化［M］.北京：地质出版社，2006：28－31.

［15］LUAN Xi－wu，LIU Hong，PENG Xue－chao.The geophysical interpretation of a Dongsha ancient uplift on the northern margin of South China Sea［J］.Chinese Journal of Geophysics，2011，54（12）：3 217－3 232.

栾锡武，刘鸿，彭学超.南海北部东沙古隆起的综合地球物理解释［J］.地球物理学报，2011，54（12）：3 217－3 232.

［16］WU Zhao－cai，GAO Jin－yao，ZHAO Li－hong，et al.Characteristic of magnetic anomalies and curie point depth at northern continental margin of the South China Sea［J］.Earth Science－Journal of China University of Geosciences，2010，35（6）：1 060－1 068.

吴招才，高金耀，赵俐红，等.南海北部陆缘的磁异常特征及居里面深度［J］.地球科学—中国地质大学学报，2010，35（6）：1 060－1 068.

［17］SUN Jin－long，XU Hui－long，CAO Jing－he.Crustal movement and its dynamic mechanism of the Taiwan－Luzon convergent zone［J］.Chinese Journal of Geophysics，2011，54（12）：3 016－3 025.

孙金龙，徐辉龙，曹敬贺.台湾－吕宋汇聚带的地壳运动特征及其动力学机制［J］.地球物理学报，2011，54（12）：3 016－3 025.

［18］CHEN Han－zong，WU Xiang－jie，ZHOU Di，et al.Meso－Cenozioc faults in Zhujiang river mouth basin and their geodynamic background［J］.Journal of Tropical Oceanography，2005，24（2）：52－61.

陈汉宗，吴湘杰，周蒂，等.珠江口盆地中新生代主要断裂特征和动力学背景分析［J］.热带海洋学报，2005，24（2）：52－61.

［19］ZHAO Jun－feng，SHI Xiao－bin，QIU Xue－lin，et al.Characteristics of curie isotherm and its petroleum geological significance in northeast of South China Sea［J］.Journal of Tropical Oceanography，2010，29（1）：126－131.

赵俊峰，施小斌，丘学林，等.南海东北部居里面特征及其石油地质意义［J］.热带海洋学报，2010，29（1）：126－131.

［20］ZHAO Jun－feng，ZHANG Yi－xiang.Deep structure and genetic model of magnetic quiet zone［J］.Shanghai Geology，2008，107（3）：4－7.

赵俊峰，张毅祥.南海东北部磁静区深部构造及成因模式［J］.上海地质，2008，107（3）：4－7.

［21］ZHOU Di，WANG Wan－yin，PANG Xiong，et al.Mesozoic sub－ducting accretion zone in northeast South China Sea from geophysics data［J］.Science in China（Series D）：Earth Sciences（in Chinese），2006，36（3）：209－218.

周蒂，王万银，庞雄，等.地球物理资料所揭示的南海东北部中生代俯冲增生带［J］.中国科学（D辑）：地球科学，2006，36（3）：209－218.

［22］HU Deng－ke，ZHOU Di，WU Xiang－jie，et al.Origin of high magnetic anomaly belt in northeastern South China Sea as indicated by geophysical inversion［J］.Journal of Tropical Oceanography，2008，27（1）：32－37.

胡登科，周蒂，吴湘杰，等.南海东北部高磁异常带成因的地球物理反演研究［J］.热带海洋学报，2008，27（1）：32－37.

［23］LIU An，WU Guo－zhong，WU Shi－min.A discussion on the origin of high velocity layer in the lower crust of northeast South China Sea［J］.Geological Review，2008，54（5）：609－616.

刘安，武国忠，吴世敏.南海东北部下地壳高速层的成因探讨［J］.地质评论，2008，54（5）：609－616.

［24］YAO Bo－chu.Crust structure and its tectonic significance in the northern margin of South China Sea［J］.Marine Geology and Quaternary Geology，1998，18（2）：1－16.

姚伯初.南海北部陆缘的地壳结构及构造意义［J］.海洋地质与第四纪地质，1998，18（2）：1－16.