南海东部次海盆南侧基底结构与沉积特征及其控制因素

赵 斌, 王利杰*, 张宝金, 耿明会, 秦绪文, 张如伟, 杨 振, 陈 玺, 吕文超, 张旭东

南海东部次海盆南侧基底结构与沉积特征及其控制因素

赵 斌1, 2, 王利杰1, 2*, 张宝金1, 2, 耿明会1, 2, 秦绪文2, 3, 张如伟1, 2, 杨 振1, 2, 陈 玺1, 2, 吕文超3, 张旭东1, 2

(1. 中国地质调查局 广州海洋地质调查局, 广东 广州 510760; 2. 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 511458; 3. 中国地质调查局, 北京 100037)

南海东部次海盆经历了完整的海底扩张过程, 对其进行从北至南、从东到西系统的研究有助于进一步认识南海的演化过程。通过南海东部次海盆3条多道地震剖面的解析, 对其基底形态、沉积充填和岩浆活动特征进行研究, 首次揭露了南海东部次海盆南侧东西向的沉积‒构造特征。结果表明, 南海东部次海盆南侧基底主要分为两种类型: 一种为崎岖不平、深海丘陵和海山发育, 且基底隆起表现为“东高西低”; 另一种基底相对平坦, 局部有岩浆侵入。两种基底形态受海底扩张速率、板片俯冲挠曲和扩张后岩浆活动等因素综合控制。东部次海盆南部的沉积充填类型主要有3种, 受构造、沉积作用和物源供给共同控制, 总体上呈现出邻近扩张脊一侧沉积薄、靠南部陆缘一侧沉积厚; 东部边缘因构造挠曲等因素, 基底构造隆起更强, 形成较薄沉积, 厚度最小处约160 m。基于沉积‒构造‒岩浆特征, 构建东部次海盆南部海底扩张末期以来(16 Ma至今)的沉积‒构造演化模型, 对南海形成演化研究具有重要意义。

基底形态; 海盆沉积; 岩浆供应; 沉积‒构造演化; 南海; 东部次海盆

0 引 言

南海是西太平洋地区最大的边缘海盆地, 蕴含边缘海地质研究的重大科学问题(林间等, 2019), 是大陆边缘构造动力学研究的天然实验室。晚白垩世以来, 受周缘板块重组等构造事件影响, 南海经历陆缘伸展减薄、破裂、海底扩张、俯冲消亡和热沉降等过程, 形成现今的构造和地貌格局。其中, 洋壳发育区由西北次海盆、西南次海盆和东部次海盆组成。为研究南海的扩张历史和张破裂机制, IODP先后在南海实施“4+1”个航次的钻探研究(汪品先, 2019), 确定南海扩张时序(Li et al., 2014), 发现南海破裂过程转换迅速(Larsen et al., 2018), 由陆到洋转换过程中岩浆作用逐渐增强(Sun et al., 2019b; Ding et al., 2020)等。

海底地貌、钻探和多道地震资料显示, 南海深海盆区覆盖一定厚度沉积层, 掩盖海底扩张时期的海底构造。另外, 扩张后的洋盆区发育大规模海山、埋藏海山以及侵入岩体, 使得海底构造更复杂(赵明辉等, 2018)。目前对于海底扩张过程、扩张后构造‒岩浆活动及沉积方面的研究主要基于地球物理资料或在钻井约束下开展。Cameselle et al. (2017)等利用地震资料展示南海西北次海盆的基底形态和洋盆沉积特征, 并基于洋壳上覆的沉积序列, 推测西北次海盆的扩张过程及扩张脊跳跃特征。Dinget al. (2016)和丁航航等(2019)综合多道地震与大洋钻探等资料, 对南海西南次海盆洋盆基底形态进行分类, 并探讨其控制因素, 认为南海西南次海盆北东段与中段基底形态的差异主要是岩浆作用强弱不同导致。Franke et al. (2011, 2014)基于多道地震等资料, 对南海东南部陆缘沉积与构造等进行研究, 分析南海东南部陆缘洋陆转换带特征, 并认为海底扩张停止后, 西北巴拉望盆地在陆架区沉积陆坡‒半深海相砂岩和灰岩, 在陆坡区则沉积开阔海相泥岩, 但研究没有深入到南部洋盆区。Li et al. (2015a, 2015b)基于跨东部次海盆的地震测线和IODP成果, 获得东部次海盆扩张过程中南北部物源差异、沉积速率变化及南海自古新世以来演化过程的新认识, 但缺乏东西向地震数据的控制。Ding et al. (2018)通过位于东部次海盆北部的两条多道地震测线, 结合IODP钻井资料, 对东部次海盆北部的基底形态、扩张脊跳跃和岩浆供应特征进行研究, 发现残留扩张脊两侧互为共轭的下地壳反射, 并认为其与扩张脊的向南跳跃有关, 但缺乏东部次海盆南侧的证据。Sun et al. (2019a)结合大洋钻探和地震资料, 对东部次海盆中央扩张脊北侧的洋盆沉积进行研究, 识别出南海扩张结束以来的主要沉积地层界面, 包括上新世‒更新世沉积分界面、中新世‒上新世沉积分界面以及中中新世‒晚中新世沉积分界面等, 但同样, 缺乏与中央扩张脊以南的洋盆沉积对比研究。南海东部次海盆经历完整的海底扩张过程, 对其进行从北至南、从东到西系统完整的研究有助于进一步认识南海的演化过程。目前南海西北次海盆、西南次海盆和东部次海盆北部资料丰富, 研究较多, 而东部次海盆南部地质与地球物理资料相对缺乏, 而且以往研究均集中于东部次海盆南北向的测线, 对于东西向的沉积、基底形态和岩浆供应特征变化研究较少, 这阻碍对东部次海盆海底扩张的对称性、南北岩浆供应以及洋脊跳跃特征的系统认识, 掣肘南海海盆形成演化研究。

本研究通过跨中央扩张脊、横穿东部次海盆南部并经过IODP 349航次钻井U1431的多道地震剖面资料, 系统分析东部次海盆南部的基底形态、沉积和岩浆供应特征, 以揭示南海东部海盆扩张过程中的构造和岩浆作用方式、扩张后构造活动和沉积响应, 有助于理解南海构造演化过程。

1 区域地质背景

南海东部次海盆东临马尼拉海沟, 北靠华南陆块, 往南为礼乐地块, 西南侧为西南次海盆, 东部次海盆和西南次海盆之间为多期多走向转换断层性质的中南‒礼乐断裂带(Zhongnan Faults)(图1)。东部次海盆历经南海完整的海底扩张过程, 主要包括四个关键节点: ①晚始新世‒早渐新世转换时期(约34～32 Ma), 陆缘张裂, 岩石圈强烈减薄, 软流圈物质快速上涌, 造成岩石圈的最终破裂, 伴随洋中脊玄武岩类岩浆的活动, 形成最初的南海洋壳, 同时形成狭窄的由陆壳向洋壳的过渡带(Larsen et al., 2018); ②晚渐新世(～27 Ma), 扩张脊向南发生约20 km的第一次跃迁(Ding et al., 2018; 林间等, 2019);③渐新世末期(～23.6 Ma), 扩张脊向南第二次跃迁, 同时西南次海盆开始扩张(Li et al., 2014; Ding et al., 2018; Sun et al., 2019a; Qin et al., 2019); ④中中新世(～16 Ma), 东部次海盆扩张停止, 即南海海盆扩张结束(Li et al., 2014; Koppers, 2014)。IODP349航次钻探资料也证实东部次海盆基底之上主要发育中中新世(15.5 Ma)以来的沉积。其中, 中中新统以砂岩和粉砂岩为主; 上中新统发育砂岩、粉砂岩和角砾岩; 上新统以黏土岩为主, 局部发育灰岩沉积; 而更新统中, 黏土岩、灰岩、粉砂岩和砂岩均有发育(Li et al., 2015a)。南海南北陆缘的地震资料研究表明, 岩浆活动始终贯穿南海形成演化过程, 且海底扩张末期或海底扩张停止以后仍然有强烈的火山活动(高金尉等, 2015; Sun et al., 2019a; Zhao et al., 2019), 从残留扩张脊及两侧海山的火山岩年代学研究来看, 海底扩张停止后的火山活动较为活跃, 且具有多期活动现象。拖网岩石同位素地球化学特征揭示, 南海洋盆海山形成时代主要为11～3.5 Ma, 且活动具有多期次特征(杨蜀颖等, 2011; Sun et al., 2019a)。U1431在上中新统沉积层中钻遇3套火山角砾岩, 年龄为8～6 Ma, 推测为附近火山活动的记录(Koppers, 2014; 图2)。

橙色实线为3000 m水深线, 近似为南海洋陆边界线(Dong et al., 2018), 黑色加粗实线为本文地震测线, 黑色虚线为已有地震测线, 黄色虚线为残留扩张脊, 黄色实线为东部次海盆磁异常条带, 红色圆点为大洋钻探井位。磁异常条带参考自Li et al. (2014); 地震测线L2据Gao et al. (2015), N3和N4据Ding et al. (2018), BGR08-109据Franke et al. (2011), 973SCSIO1和SO49-017据Li et al. (2015a)。

2 数据与方法

本文使用的多道地震资料包括: 穿越南海东部次海盆中央扩张脊的HYM890、HYM1010多道地震剖面, 和位于扩张脊南部的HYML320联络测线(图1)。该数据为2014年由广州海洋地质调查局“探宝号”船采集。采集参数为: 接收道数480道, 炮间距为37.5 m, 道间距为12.5 m, 满覆盖次数80次, 记录长度12 s, 气枪容量为5000立方英寸。原始数据经过去噪、振幅恢复、反褶积和子波处理、速度分析和多次波组合压制等处理后, 获得最终的叠前时间偏移剖面。

IODP349航次在东部次海盆中央扩张脊以北约25 km的U1431站位钻遇扩张后的地层和与最后一期扩张有关的基底玄武岩(Koppers, 2014; Li et al., 2014, 2015a, 2015b), HYM890地震测线经过该钻井(图1)。东部次海盆磁异常条带的位置及年龄解释方案参考Li et al. (2014)的成果。Li et al. (2015a)对经过U1431井的973SCSIO地震测线进行井震联合解析, 识别出上新世‒更新世沉积边界(Tpp)、中新世‒上新世沉积边界(Tmp)、中中新世‒晚中新世沉积边界(Tmm)和沉积基底(Tg)4个主要的地震地层界面, 本文对于东部次海盆南部(残留扩张脊以南)的海盆沉积解释将基于此成果。

3 结 果

在过U1431站位的HYM890测线上, 根据精细井震标定, 识别出主要的沉积边界Tpp、Tmp和Tmm(图3)。Tpp界面之上更新统‒全新统表现为强反射, 横向轴水平连续; 而Tmp～Tpp之间地层呈现出弱‒空白反射特征(图3), 与下伏(Tmp～Tmm)和上覆(Tpp之上)地层在能量上形成鲜明对比。沿HYM890测线方向, 残留扩张脊两侧基底崎岖, 海山和深海丘陵发育, 南侧直至洋陆边界(COB)基底才较平坦, 与东部次海盆北部基底特点相似(Li et al., 2015a; 图1中973SCSIO和SO49-017测线), 发育高角度断层。

近东西向的HYML320测线与HYM890测线相交(图1、3、4), 从地震剖面来看, Tpp、Tmp和Tmm等反射界面在东西方向上得到很好的延续, 各沉积边界横向均可追踪; 沉积厚度与南北向一致, 直至东部边缘, 厚度才开始变薄; 整个剖面断裂发育(图4b),基底之下强反射界面明显。

HYM1010与HYML320测线在海盆东部边缘相交(图1), 整体上沿HYM1010测线方向基底崎岖; 沉积层较薄(双程走时仅为0.5 s左右), 与HYML320测线东部一致, 直至马尼拉海沟沉积厚度才开始增大(图5); 在马尼拉海沟附近, 基底之下强反射界面明显。

3.1 海盆区基底形态特征

基于东部次海盆南部三条多道地震剖面的解析结果, 研究区海盆基底可分为两种主要类型(basement type, BT): ①BT1: 海盆基底崎岖不平, 岩浆侵入体非常发育, 海山发育(图6); ②BT2: 海盆基底相对平坦, 局部有岩浆侵入体发育(图7a)。从剖面上可以看出, BT1主要分布在残留扩张脊两侧, 南侧以磁异常条带C5En为中心轴, 向两端延伸约70 km, 往东至东部次海盆边缘; BT2海盆基底平坦, 并有向海盆南部边缘隆起的趋势, 其上覆盖近乎水平的沉积, 基底与海底基本平行(图3、7a), 两种基底形态特征和分布区域见图3、4、5和表1。

Tpp. 上新世‒更新世沉积边界; Tmp. 中新世‒上新世沉积边界; Tmm. 中中新世‒晚中新世沉积边界; Tg. 沉积基底。

3.2 海盆区沉积充填特征

根据沉积厚度、可识别的主要地层界面等特征, 海盆区沉积充填类型可分为三种(sedimentary type, ST): ST1、ST2和ST3, 具体的特征和分布情况见图3、4、5和表1。从表1可以看出, 基底形态与沉积充填类型并没有一一对应的关系, 例如BT1之上发育ST1和ST3两种类型的沉积(图3b、4b、5b), 而BT2之上发育ST2和ST3沉积(图3b、4b)。从地层变形特点可以看出, 残留扩张脊两侧的ST1沉积遭受严重的后期破坏, Tmm沉积界面并不连续, 沉积厚度变化较大。整体上, 研究区沉积厚度呈现西部厚, 往东部减薄的特点, 直至马尼拉海沟沉积厚度才变大(图7b)。

4 讨 论

4.1 东部次海盆南部基底形态控制因素

研究表明, 西南次海盆扩张中心广泛发育深断裂, 与正常海底扩张产生的洋壳明显不同, 其洋壳异常薄, 主要表现为构造主导型海底扩张的特点(于俊辉等, 2017; Yu et al., 2018)。在海盆扩张过程中当岩浆供应充足时, 形成较为平坦的海盆基底, 与东部次海盆中的BT2一致(图3a); 而当岩浆供应量不足时, 则形成由正断层控制的掀斜块体(丁航航等, 2019)。因此, 南海海盆基底形态受扩张中心岩浆供应变化和构造拉张控制。与西南次海盆不同, 东部次海盆扩张过程较为复杂, 特别是在西南次海盆扩张之前, 东部次海盆经历两次扩张脊向南跃迁, 在第二次洋中脊跃迁之前扩张速率非常不稳定(中速→慢速→中速; 图8), 之后才与西南次海盆一致为慢速扩张(全扩张速率50～35 mm/a)。但是, IODP 349钻获得的洋壳玄武岩研究显示, 东部次海盆与西南次海盆在扩张末期岩浆特征虽均显示印度洋型地幔域特征, 但又有区别。东部次海盆主要为橄榄玄武岩(U1431, 位于C5Cr和C5b之间; 图3b), 西南次海盆主要为斜斑玄武岩(U1434, 位于C5Cr和C5b之间)(Zhang et al., 2018); 而且东部次海盆岩浆熔融程度相对较高, 具有相对快速扩张洋中脊的特点, 西南次海盆岩浆熔融程度相对较低, 具有慢速扩张洋中脊的特点(Yang et al., 2019)。IODP U1431和U1433井获得的地质记录显示, 东部次海盆在经历早中新世(约20～16 Ma)南东向扩张后, 经历短暂的近南北向扩张(约16～15 Ma), 直到海盆扩张停止。扩张方向的转变导致南北向转换断层的产生(Sun et al., 2019a; Zhao et al., 2019), 形成中南断裂带、残留扩张脊及其两侧的大量海山。

东部次海盆南缘洋陆边界(COB)和洋陆转换带(COT)的解释参考自Franke et al. (2011)。

图4 HYML320测线地震剖面(a)与地质解释图(b)(图例同图3)

图5 HYM1010测线地震剖面(a)与地质解释图(b)(图例参考图3)

图6 研究区BT1典型特征

图7 研究区BT2典型特征(a)和马尼拉海沟沉积特征(b)

表1 研究区基底和沉积类型及分布

从平面上看, 东部次海盆扩张脊两侧自西向东海山数量和规模逐渐增大(图1)。从地震剖面上看, 海盆基底自西向东隆起逐渐加剧(图4)。从HYM890和HYML320测线来看, 在NW-SE方向上, BT1所在的区域, 基底之下内部反射非常明显, 并且展现出以扩张脊为中心南北对称的特点, 但进入BT2区域, 内部反射明显减少(图3b、4b); 在HYML320测线上, BT1向东延续至马尼拉海沟, 同样, 基底之下内部反射非常发育(图9)。整个BT1范围内, 除海山发育之外, 深海丘陵同样非常常见, 整体呈现出基底向上明显隆起的特点(图3、4、6)。综上可以推测, BT1应受海底扩张停止后强烈的火山活动控制, 呈现基底隆起、深海丘陵和海山发育的特点, 基底之下内部反射发育是频繁、强烈岩浆活动的直接证据; 而BT2区域受扩张后岩浆活动影响较小, 呈现出基底相对平坦的特点。此外, 研究区内基底隆起呈现自西向东升高的特点(图3、5、6), 推测海盆东缘火山活动更强烈、岩浆供应更充足。

东部次海盆海底扩张速率: 34～29 Ma, 全扩张速率约80 mm/a; 29～25 Ma,全扩张速率约25 mm/a; 25～23.6 Ma, 平均全扩张速率约70 mm/a; 23.6～15 Ma, 全扩张速率为50～35 mm/a(Li et al., 2014)。

研究区位于南海东部海盆残留扩张脊及南部稳定洋壳区域。研究表明, 洋壳顶部及沉积基底形态通常与海底扩张速率有关。当海底扩张速率为快速‒超快速时, 区域易形成地壳厚度稳定(一般厚5～8 km)、同扩张断层少、平坦的沉积基底, 并且基底与沉积层有明显的强反射波阻抗界面。多道地震资料揭示南海西南次海盆东北段、东部次海盆北部区域的洋壳性质、地形平坦的沉积基底结构(Ding et al., 2018; 丁航航等, 2019; Yu et al., 2021), 对应为快速的海底扩张。BT2区域具有相似反射特征、海盆基底结构平坦、发育断层少量的特征, 其对应的磁异常条带主要为C6A到南部的洋陆转换带边界(COB), 时代为33～20 Ma, 表现为中速‒慢速‒中速‒慢速的扩张特点(图8), 这与图3中27～25 Ma(慢速扩张期)期间存在一段基底相对崎岖、断层相对两侧发育的现象吻合。另外, BT2区域往东部马尼拉海沟分布的范围更靠近残留扩张脊, 因此BT2的区域年龄应晚于20 Ma (C6A)。我们推测这一现象可能与扩张速率也有关。从磁异常条带看C5En到残留扩张脊, C6A～C5En之间的垂直扩张方向的距离由西往东逐渐增大, 表明东部扩张速率快于西部, 从而使得东部形成的平坦基底范围更广。另外, BT2基底在东部靠近马尼拉海沟区域呈现基底挠曲隆升, 沉积层内断层发育的现象, 应是南海海盆受到东部菲律宾板块仰冲作用, 东侧洋壳受到上覆板块荷载作用而使得南海东部海盆靠近海沟一侧的板片发生挠曲变形(高红芳等, 2020), 从而形成基底相对抬升的现象。

ST1、ST1、ST3和BT1、BT2、BT3见表1和图3～7。

当海底扩张速率为慢速或超慢速时, 供给洋壳形成的岩浆呈现不均的现象, 从而形成厚度不均、断块发育、沉积基底掀斜, 甚至发育拆离断层、发生蛇纹石化、形成大洋核杂岩等现象。这表明海底扩张过程中, 复杂的岩浆和构造作用控制基底结构不平坦、断层发育的特征。多道地震和OBS资料也显示, 西南次海盆中段发育的构造作用控制基底结构复杂的洋壳基底(Yu et al., 2018; 丁航航等, 2019), 这种基底结构与研究区BT1区域类似。然而, 对比西南次海盆中段和东北段, 我们发现BT1区域海底扩张速率相对西南次海盆大(C6A‒残留扩张脊磁异常条带相对宽)。另外, 西南次海盆东北段存在平坦和崎岖两类基底结构, 分别对应相对快和慢的扩张速率, 可能与扩张过程周期岩浆供给有关。通过分析我们发现, 相对西南次海盆BT1区域出露海山数量多、规模大, 而且稳定的沉积层与洋壳之间基底的呈现强、中等的连续反射, 可能是海底扩张后强烈岩浆活动与沉积层互层造成。另外, IODP钻井资料显示海底扩张结束后, 中中新世洋盆区沉积速率较低(Ding et al., 2016), 南海的海山拖网资料也显示中中新世洋盆区火山活动强烈, 具有多期次的现象。因此, 慢速海底扩张对应的掀斜断块形成的崎岖基底, 扩张结束形成的海山直接堆积在早期洋壳之上, 以及沉积层、洋壳和火山碎屑岩复合而成的基底使得海底扩张时形成的沉积基底结构更为复杂。

综上分析, 我们推测南海东部海盆基底结构形态受海底扩张速率、板片俯冲挠曲和扩张后岩浆活动等因素综合控制。

4.2 东部次海盆南部沉积特征及其控制因素

在U1431所在的残留扩张脊北部海盆(HYML320测线; 图1), 上新统(Tmp～Tpp)具弱、连续性好、平行反射的特征, 其上覆盖的更新统为水平层状强反射, 而之下的中新统反射轴为亚平行, 能量强弱不一(图2b)。中新世‒上新世界面(Tmp)上下反射特征的剧烈变化与同时期(～5 Ma)南海海盆周围剧烈的构造‒沉积事件有关, 如吕宋岛弧与欧亚板块持续碰撞导致的台湾造山事件(Huang et al., 2001)、北部大陆边缘加速沉降(Clift and Lin, 2001)和南海海盆西缘沿红河断裂带左行剪切向大规模右行走滑运动转换等(Clift and Sun, 2006; Zhu et al., 2009)。

在残留扩张脊的南侧(沿HYM890测线方向), 受海底扩张停止后至早上新世(15～5.3 Ma)火山活动的持续影响, 基底呈现出崎岖的形态, 深海丘陵和小海山发育。南侧Tmp之下地层连续性比扩张脊北部差, 厚度也小, 但局部依然可以识别出Tmm界面(图3)。上新世, 火山活动逐渐停止, 发育较完整的上新统‒更新统(图10)。上新统及以后地层在东西方向也得到很好的延续, 如沿HYML320测线, 往东、西方向都发育有完整的上新统(图10), 且一直延续到海盆东部边缘, 之后基底整体隆起, 沉积厚度骤降(图6b), 该基底隆起区域将东部次海盆中心与马尼拉海沟隔断。进入马尼拉海沟之后, 沉积厚度明显增加, 表现为巨厚的更新统沉积(Tpp边界之上; 图7b)。从东部边缘基底隆起区(图9; ST3区域)两侧的沉积特征可以看出, ST3区域应是受扩张停止后最末期强烈火山活动(～5 Ma)的影响, 导致该区域基底进一步隆起, 造成两侧物源无法供给, 沉积较两侧薄。马尼拉海沟因地势低洼, 接受东部丰富的陆源沉积(吕宋岛弧), 形成较厚的上新统‒更新统。

IODP井震对比研究显示, 在西南次海盆和东部次海盆南部, 中新世‒上新世均发育有大量的碳酸盐岩沉积, 并在早更新世地层中识别出强地震反射界面——Tpp反射界面(Li et al., 2015a)。该界面之上为黏土质沉积, 之下为高速的碳酸盐岩层, 因此形成强反射轴。本文ST2沉积及洋陆过渡带区域, Tpp反射界面清晰可见(图3、7a); 但是在BT1区域, 该界面并不明显。东部次海盆以南的南沙地块和礼乐地块广泛发育碳酸盐岩(Franke et al., 2011; 王利杰等, 2019),为东部次海盆提供丰富的碳酸盐岩物源, 并以浊流沉积等作用输送到海盆中心(Li et al., 2015a)。但是, 南海海底扩张停止后, 扩张脊两侧因受强烈火山活动的持续影响(杨蜀颖等, 2011; 高金尉等, 2015; Sun et al., 2019a), 形成高耸的海山, 阻碍南部陆缘物质的供给, 导致BT1区域沉积厚度明显比BT2区域和洋陆转换带薄。当然, BT1区域基底并非整体隆起, 但目前因缺乏更多的地震剖面控制而不能进行更细致的划分。标志性的上新世地层在残留扩张脊两侧的特征稍有不同, 北边反射更弱而南边稍强, 推测与东部次海盆南北部的物源供给差异有关, 扩张脊北部主要由北部陆缘供给, 而扩张脊南部主要由南海南部陆缘供给。此外, 马尼拉海沟上新统沉积地层反射特征与海盆区不同, 推测也是物源差异所致。

图10 HYM890与HYML320地震剖面交点处三维图

综上所述, 研究区沉积充填受构造、沉积作用和物源供给共同控制, 临近扩张脊一侧因受南海扩张停止后持续强火山活动影响, 基底隆起, 一定程度上阻碍南部地块的物源输入, 导致东部次海盆南部靠陆缘一侧沉积厚, 而临近扩张脊一侧沉积薄, 且Tpp沉积界面之下地层受后期改造严重; 而研究区东部边缘因基底构造隆起更强, 形成极薄的沉积。此外, 扩张脊两侧同时代地层在地震反射特征上的差异主要是物源差异所致。

马尼拉海沟是吕宋岛弧与东部次海盆在南海海底扩张停止后持续俯冲碰撞的最前缘。从地震剖面上看(图11), 马尼拉海沟沉积厚度在1 s(TWT)左右, Tmp沉积边界之上地层反射轴横向连续性好, 上新统(Tmp～Tpp)整体呈现较弱反射特征, 但比东部次海盆扩张脊北部(图3a)稍强; 海沟底部沉积遭受岩浆侵蚀, 地层表现为杂乱、模糊反射, Tmp边界之下地层受后期挤压破裂明显。整个海沟基底遭受东西方向的挤压, 基底褶皱变形, 并有明显的错断(图11b)。此外, 整个海沟沉积充填区表现为东侧稍向上隆起的特点。

Sun et al. (2019a)对IODP U1431井的沉积岩和玄武岩岩心进行宏观构造研究, 沉积岩中共轭断裂、滑擦面方向变化表明, 在东部次海盆扩张末期(约16～15 Ma), 受东部菲律宾海板块北西向挤压的持续影响; 在海底扩张结束后, 东部次海盆受到北西西方向的挤压, 且该方向与扩张停止后残留扩张脊两侧海山群的长轴方向基本一致。直至现今, 由于马尼拉海沟的俯冲作用和吕宋岛弧与巴拉望东北部的持续碰撞, 向东往马尼拉海沟俯冲的洋壳发生挠曲变形, 造成基底隆起(Hall, 2002; Liu et al., 2014; Li et al., 2015a)。因此可以推测, 早上新世之前, 海沟基底与沉积充填受海底扩张停止后至早上新世(15～5.3 Ma)火山活动与东部菲律宾海板块北西向挤压的共同影响; 而早上新世, 由于整个东部次海盆岩浆活动基本停止, 海沟沉积则主要受东部菲律宾海板块挤压影响, 因此表现为Tmp之上地层基本没有被岩浆侵入破坏的痕迹(图11), 海沟沉积充填区东侧隆起则主要是受东部挤压所致; 更新世之后(Tpp–海底), 海沟沉积趋于稳定, 东侧的吕宋岛弧为海沟沉积的主要物源区(图11)。

4.3 东部次海盆南部海底扩张停止后沉积‒构造演化

东部次海盆在经历早中新世的南东向扩张后, 在末期扩张方向转向近南北向, 直到海盆扩张停止(图12a; Sun et al., 2019a; Zhao et al., 2019), 同时, 东部次海盆岩浆活动开始加强; 中中新世, 南海东部的吕宋岛弧和菲律宾海板块逐渐向西运动并与东部次海盆发生俯冲碰撞(Li et al., 2015a)。

从现今的东部次海盆海底地形可以看出, 东部次海盆北部和中央残留扩张脊上分布更多的大型海山, 而扩张脊南部虽然基底隆起更高(图3、4、5), 但鲜有大型海山, 这与南海海底扩张停止后岩浆作用的非对称分布有关(Zhao et al., 2019)。以往研究认为, 在南海海盆扩张初期“海南地幔柱”起到助推作用, 即地幔柱模式(Flower, 1998; Lebedev and Nolet, 2003; Zhao, 2007; Zhang et al., 2018)。而最新的研究显示, 南海扩张末期发现的“地幔柱”信号在南海初始拉张时并未出现(Yu and Liu, 2020), 因此无法证实“海南地幔柱”为南海初始拉张的动力来源, 而其应是南海形成之后的产物。因此, “海南地幔柱”很有可能是东部次海盆扩张停止后非对称岩浆作用的主要成因(图12b)。而且, 扩张脊的向南跃迁可能造成两条残留扩张脊之间的地幔非均质性加强, 地幔熔融产生的岩浆沿岩石圈薄弱带迁移, 造成扩张后的海山在东部次海盆北部聚集喷发, 也可能是导致北部大型海山发育的原因之一(Zhao et al., 2019)。值得注意的是, 从本研究地震剖面揭示的基底形态可以看出, 东部次海盆东部边缘基底隆起较西侧强烈, 这可能是东部边缘岩浆活动持续的时间更长和/或受菲律宾海板块持续俯冲导致的构造挠曲作用所致。

图11 马尼拉海沟地震剖面(a)与地质解释(b)(测线位置见图7b)

上新世之后, 东部次海盆的岩浆活动停止, 火山活动也逐渐停止(图12c), 东部次海盆与吕宋岛弧沿马尼拉海沟拼贴, 受菲律宾海板块北西西向的持续挤压应力作用, 台湾造山带开始形成; 吕宋岛弧西南部与东北巴拉望继续碰撞, 造成东部次海盆南部隆升(Hall, 2002; Liu et al., 2014; Li et al., 2015a), 形成系列高角度的正断层(图3)。在此期间(16～5.3 Ma),东部次海盆南北部始终有稳定的物源供给, 扩张脊北侧以华南陆缘提供的陆源碎屑为主(Li et al., 2015a), 而东部次海盆南部则有来自南海南部的陆源碎屑和南沙地块、礼乐地块等的丰富碳酸盐岩碎屑(Franke et al., 2011; 王利杰等, 2019); 马尼拉海沟则接受吕宋岛弧丰富的陆源沉积, 形成较厚的上新统‒更新统。

5 结 论

本文通过跨越南海中央残留扩张脊和横穿东部次海盆南部的多道地震剖面, 结合IODP 钻井和国内外相关研究, 探究东部次海盆南部的基底形态、沉积充填和岩浆供应特征, 主要获得以下认识:

(1)基于东部次海盆南部三条多道地震剖面的解析结果, 将研究区海盆的基底分为两种主要类型, 接近中央残留扩张脊一侧因受海底扩张停止后强烈火山活动控制, 基底崎岖、深海丘陵和海山发育; 而南部区域受扩张后岩浆活动影响较小, 呈现出基底相对平坦的特点。此外, 研究区内基底隆起呈现自西向东升高的特点, 推测南海东部海盆基底结构形态受海底扩张速率、板片俯冲挠曲和扩张后岩浆活动等因素综合控制。

图12 南海中央扩张脊两侧及东部次海盆南部海底扩张与构造‒沉积演化过程

(2) 根据沉积厚度、可识别的主要地层界面等特征, 将研究区沉积充填类型分为三种。研究区沉积充填受构造、沉积作用和物源供给共同控制, 临近扩张脊一侧因受南海扩张停止后持续强火山活动影响, 造成基底隆起, 一定程度上阻碍南部地块的物源输入, 导致东部次海盆南部靠陆缘一侧沉积厚; 而临近扩张脊一侧沉积薄, 且上新世‒更新世沉积界面之下地层受后期改造严重; 东部边缘因基底构造隆起更强, 形成极薄的沉积。

(3)早上新世之前, 马尼拉海沟基底与沉积充填受海底扩张停止后至早上新世(15～5.3 Ma)火山活动, 与东部菲律宾海板块北西向挤压的共同影响; 早上新世, 东部次海盆岩浆活动基本停止, 海沟沉积则主要受东部菲律宾海板块挤压影响, 海沟沉积充填区东侧隆起主要受东部挤压所致; 更新世, 海沟沉积趋于稳定, 东侧的吕宋岛弧为海沟沉积的主要物源区。

致谢:感谢广州海洋地质调查局深部地球物理研究团队成员的有益讨论。感谢中国海洋大学李三忠教授和中国科学院南海海洋研究所孙珍研究员对本文提出的宝贵修改意见！

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Basement and Sedimentary Characteristics and Controlling Factors of the Southern East Sub-basin, South China Sea

ZHAO Bin1, 2, WANG Lijie1, 2*, ZHANG Baojin1, 2, GENG Minghui1, 2, QIN Xuwen2, 3, ZHANG Ruwei1, 2, YANG Zhen1, 2, CHEN Xi1, 2, LÜ Wenchao3, ZHANG Xudong1, 2

(1.Guangzhou Marine Geological Survey, China Geological Survey, Guangzhou 510760, Guangdong, China; 2.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, Guangdong, China; 3. China Geological Survey, Beijing 100037, China)

The east sub-basin (ESB) of the South China Sea (SCS) experienced a complete seafloor spreading process. A systematical study of the ESB is extremely important for a thorough understanding of the evolution of the SCS. This paper studies the basement morphology, sedimentary and magmatic activities of the ESB through interpretation of three multi-channel seismic profiles, and reveals the east-west direction tectonic and sedimentary characteristics of the southern ESB for the first time. The results indicate that the southern ESB has two styles of basement, i.e., the rugged deep-sea hills and seamounts characterized by a westward declining basement uplift, and the relatively flat basement with localized distribution of magmatic intrusions. It is inferred that these two styles of basement are jointly controlled by the seafloor spreading rate, magmatism, and tectonism. Three sedimentary filling types are identified, which are controlled by the tectonic, sedimentation, and provenance. Overall, the deposit is thinner near the fossil spreading ridge and thicker near the southern continental margin. As a result of structural deflection, the basement uplift at the eastern margin was much intensive, and accumulated sediments with thickness of over 160 meters. A tectonic-sedimentary evolution model of the southern ESB was simulated based on the sedimentary-tectonic-magmatic characteristics. The model covers a geological period ranging from 16 Ma to the present, which would be of great significance to the study of the SCS evolution.

basement structural; basin sedimentary; magma supply; tectono-sedimentary evolution; South China Sea; east sub-basin

2021-01-03;

2021-06-08;

2022-07-21

南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0207)、中国地质调查局项目(DD20201118)和同济大学海洋地质国家重点实验室开放基金项目(MGK202007、MGK1920)联合资助。

赵斌(1987–), 男, 硕士, 高级工程师, 主要从事地质与地球物理研究。E-mail: zbin_a@mail.cgs.gov.cn

王利杰(1982–), 男, 博士, 高级工程师, 主要从事海洋地质与地球物理研究。E-mail: ljwang@scsio.ac.cn

P542; P539

A

1001-1552(2022)05-0884-014

10.16539/j.ddgzyckx.2022.03.018