南海北部陆缘带构造扩张的深部地球动力学特征

张 健 汪集?

摘要 利用地热学和重力学方法, 计算和分析了南海北部陆缘带岩石圈热结构及流变特征. 研究表明, 南海北部陆缘带岩石圈存在分层变形的物理条件, 上地壳温度比下地壳温度低150～300℃, 而粘滞系数比下地壳高2～3个数量级, 说明上地壳脆性程度较高, 下地壳塑性程度较高. 陆缘带岩石圈之下地幔总体由西北向东南方向流动, 带动北部大陆边缘向洋扩张、离散和断裂解体. 在向洋离散过程中, 由于上地壳温度低、粘滞性大, 下地壳温度高、粘滞性小, 形成低粘滞通道, 在新生代构造扩张活动中, 岩石圈内出现分层变形, 扩张的陆缘发生差异性块断运动、形成陆缘地堑系.
关键词 南海北部 陆缘带 热及流变结构 地壳分层变形

　　南海北部大陆边缘地处环太平洋构造带, 具有环太平洋构造带的共同特点^[1]: 洋壳与陆壳交接地带存在广泛的岩浆活动、强烈的构造变形、频繁的地震活动以及明显的重、磁、热异常. 环太平洋构造带是全球规模的活动构造带, 不但深部壳幔存在各种形式的物质交换, 而且不同区段的构造格架、属性和地球动力环境也各不相同. 研究表明^[2], 南海北部陆缘带发育一系列NE走向的阶梯状正断层, 为拉张型或离散型边缘构造, 从晚白垩世到新生代, 在构造扩张背景下, 整个岩石圈拉伸、减薄和裂陷, 大陆边缘至中央海盆, 地壳厚度逐渐减薄, 直到出现洋壳. 在华夏型活动大陆边缘背景上, 由陆缘扩张、基底断裂解体、台阶状断块断落形成的拉张型基底地堑带表现出强烈的构造活动性, 并以构造扩张中岩石圈分层变形为重要特点.
　　针对大陆岩石圈张裂和分离过程中表现出的变形特征, 板块构造学家们提出过不同的构造模式. McKenzie^[3]在研究被动大陆边缘的形成与演化时, 提出纯剪切模式, 并利用一维热传导方程, 讨论被动大陆边缘的温度史、热流史和沉降史. White等人^[4]认为大陆岩石圈下的地幔部分熔融以及岩浆上涌可以导致岩石圈破裂并发生分离, 使海底扩张. Wernicke^[5,6]在研究美国西部盆地和山脉省的地质构造时, 根据地表许多低角度断层提出了简单剪切模式. 姚伯初^[7]在研究新生代南海北部大陆边缘的构造演化和南海海盆的海底扩张时, 根据陆缘带的上地壳存在许多张性正断层, 下地壳无断层, 岩石圈上地幔存在断层, 提出了岩石圈分层剪切模式.
　　本文利用实测大地热流值和地球重力场模型, 通过地热学方法和重力学方法计算了南海北部陆缘带不同界面的温度和流变结构, 结合构造特征讨论了南海北部陆缘带扩张和分离时岩石圈动力学特征, 为进一步分析和研究此区深部热状态和热动力学演化机制提供依据.

1 南海北部陆缘带的构造扩张特征

　　南海是西太平洋最重要的边缘海盆之一, 自新生代以来, 其构造演化呈阶段性和多旋回特征. 目前大多数学者认为^[1], 晚白垩世以来的亚洲大陆东部的解体和陆缘带的构造扩张形成了亚洲东部和太平洋之间构造格局的主要背景. 这种构造格局的基本特征是在前陆带广泛出现规模不等的断陷盆地, 在陆缘带形成一系列海沟、岛弧和边缘海. 南海北部大陆边缘在华夏型活动大陆边缘的背景上, 由陆缘扩张、基底断裂解体、台阶状断块断落形成拉张型基底地堑带, 并具有较强烈的构造活动性(图1)

图1 南海北部陆缘带构造略图(引自文献[2], 略有修改)
1. 盆地边界断裂, 2. 构造分区界限, 3. 盆内断裂, 4. 火山岩, 5. 地震异常体(泥拱), 6. 钻井

　　自70年代以来, 国内外合作在南海进行了大规模的地质、地球物理综合调查, 所获资料显示^[2]: 南海地壳结构多变, 洋壳、陆壳和过渡壳并存. 中央海盆为洋壳结构, 莫霍界面深度为10～12 km, 岩石圈厚度35～40 km^[1]. 北部陆架是大陆地壳的延伸, 地壳具分层结构, 莫霍等深线呈北东向展布, 深度从内陆架的30 km向东南变浅, 至陆坡为22 km, 到陆坡坡脚处约14 km, 岩石圈厚度60～96 km^[1].
　　北部陆缘带地壳结构分布如图2所示. 研究表明^[2], 南海北部大陆边缘的北倾断裂带两侧地壳结构不同, 北侧为减薄型陆壳, 南侧为地壳薄弱带. 南海扩张时, 沿此薄弱带拉开形成南、北陆缘, 并产生地幔底侵作用, 导致新生代南海北部陆缘强烈活动. 此地带处在洋壳和陆壳接触带间, 地幔总体向洋一侧流动, 导致陆缘拉张断裂解体, 同时, 由于大陆和海洋岩石圈之下的地幔对流机制的差异及其激发的上地幔次级独立对流系统, 出现上地幔局部对流上涌和汇聚, 能量和物质交换处于不稳定状态, 在热及重力势能的作用下, 发生差异性块断运动, 在南海北部大陆边缘形成陆缘地堑系.

图2 南海北部陆缘带地壳结构分布图
(a) 沉积基底深度, (b) 上、下地壳分界面深度, (c) 莫霍面深度, (d) 岩石圈底界深度, 深度单位: km

　　南海北部陆缘岩石圈拉张分离导致地壳向洋一侧的减薄, 使人们更加关注北部陆缘带岩石圈拉伸过程中的变形机制及其深部地球动力学特征, 从地热学、流变学、重力学角度, 综合考虑岩石圈板块运动与地幔对流之间的相互关系, 逐步加深对南海北部大陆边缘盆地形成和演化规律的认识.

2 深部地球动力学特征

2.1 深部地热特征
　　大地热流是反映岩石圈热状态的重要参数. 目前南海共有热流数据584^[8]个, 其中南海北部陆缘拥有39.4 % 的热流数据, 平均热流值为74.9 mW/m². 统计表明, 南海北部陆缘热流值沿NW-SE方向, 由陆架、陆坡至中央海盆逐渐递增, 其变化基本上与莫霍面由北向南抬升、地壳减薄相对应. 在北部湾盆地及陆架中部, 热流值一般为60 mW/m²左右, 陆架与陆坡转折处达80 mW/m²左右, 大陆坡下部增加到100 mW/m². 北缘几个重要沉积盆地中, 莺歌海盆地热流最高为84.1 mW/m², 莺-琼盆地平均热流值78.7 mW/m²; 珠江口盆地西部热流为82.0 mW/m², 东部热流为67.0 mW/m², 平均地表热流值为71.9 mW/m²; 北部湾盆地热流偏低, 为61.2 mW/m².
　　由地表热流观测值求解稳态条件下的热传递方程可以得出深部温度的一级近似分布. 计算结果如图3所示.
　　北部陆缘带沉积基底面的温度(图3(a))一般在140～190℃之间, 且由西北向东南的中央海盆方向, 温度逐渐上升. 上、下地壳分界面(图3(b))温度变化与基底温度变化类似, 且增温幅度不大,表明上地壳温度相对不高. 莫霍面温度(图3(c))在750～900℃之间, 反映上、下地壳之间存在温度台阶, 上地壳为低温层, 下地壳为高温层. 岩石圈底界面温度(图3(d))在1 200～1 240℃之间, 稍低于热岩石圈底界的标志温度――橄榄岩熔点温度, 表明岩石圈上地幔温度相对不高. 相对而言, 南海北部陆缘带深部温度结构特征是上(上地壳)下(岩石圈上地幔)温度相对低, 中间(下地壳)温度相对高的“三明治”温度分层结构.

　图3 南海北部陆缘带深部温度分布图
(a) 沉积基底温度, (b) 上、下地壳分界面温度, (c) 莫霍面温度, (d) 岩石圈底界温度, 温度单位: ℃

2.2 岩石圈流变特征
　　不同的岩矿组成, 在不同的温、压条件下, 其流变学性质不同. 选择代表性岩矿的流变参数, 在单一应变率下, 通常可以给出岩石圈流变性的一级近似分布. 南海北部陆缘带是大陆岩石圈, 其粗略的岩石圈物质结构模式可表示为: 基底之上以富石英岩(Quartz-rich rock)为代表, 上地壳以中性岩(Intermediate rock)为代表, 下地壳以基性岩(Basic rock)为代表, 岩石圈上地幔以超基性岩(Ultrabasic rock)为代表.
　　本文以有效粘滞系数表述岩石圈的流变结构, 计算中流变参数的选取如表1^[9], 应变速率统一取10^-15.s^-1.

图4 以lg-表示的南海北部陆缘带深部的有效粘滞系数的分布图
(a) 沉积层的lg-, (b) 上地壳的lg-, (c) 下地壳的lg-, (d) 岩石圈上地幔的lg-

　　南海北部陆缘岩石圈流变特征表明, 岩石圈浅部包括表层和上地壳是脆性的. 通常充满断裂的地壳浅部是高度破裂的, 岩石的主要屈服过程是沿已有断裂或断层面的滑动. 岩石圈深部包括下地壳和岩石圈上地幔是塑性的, 尤其下地壳, 相对于上层地壳, 它可以被认为是以延性流动为主.

3 构造扩张中的岩石圈分层拉张机制

　　位于欧亚大陆、太平洋和印度洋三大板块交接处的南海, 属大洋型地壳构造域与大陆型地壳构造域之间的过渡型地壳构造域. 中新生代以来, 受印度板块与欧亚板块碰撞、太平洋板块运动方向由NNW向NW方向的改变以及深部地幔对流的控制, 在南海形成了北缘拉张、南缘挤压、东西两侧剪切的构造格局.
　　南海北部陆缘带发育的NE走向的阶梯状北倾正断层带所形成拉张型和离散型边缘构造, 反映了北部陆缘带的构造扩张背景. 从晚白垩世到新生代, 深部地幔由陆向洋对流, 导致北部陆缘带沿北倾断裂带下的地壳薄弱带向洋一侧离散, 陆缘拉张断裂解体, 整个岩石圈在拉伸背景下减薄和裂陷.
　　被广泛引用的中美合作地震剖面^[7]表明, 在北部陆缘带陆壳-洋壳分界处, 上地壳中存在倾斜断裂, 而下地壳中不存在. 下地壳中存在许多近水平的不连续反射波, 说明下地壳在拉张应力场作用下是以流变形式变形的, 表明在岩石圈发生张裂和分离时, 上、下地壳发生形变的物理机制不同.
　　我们计算的深部温度、流变和地幔对流结构表明, 南海北部陆缘带在深部地幔由陆向洋的对流作用下, 在带动陆缘向洋扩张离散的过程中, 岩石圈上地壳与下地壳地球动力学特征迥异. 上地壳表现出低温的脆性, 下地壳表现为高温的塑性. 这导致岩石圈在构造扩张中, 脆性的充满断裂的上地壳高度破裂, 沿已有断裂或断层面滑动而被拉开, 塑性的下地壳以延性流动为主, 在岩石圈拉张应力场中以塑性变形为主. 在构造扩张的拉张应力场作用下, 岩石圈内上、下地壳分层变形, 上地壳以简单剪切方式变形, 而下地壳则以延性流动形式变形.

4 讨论

　　我们推测, 南海北部陆缘带在张裂和分离时, 由于地幔对流产生的向洋一侧的拖曳力, 导致岩石圈板块底部向上和向洋的张应力. 上地壳以简单剪切方式发生变形, 下地壳在拉张应力场作用下以延性流动形式变形, 向上的拱张力使脆性的岩石圈上地壳首先发生断裂, 随后断块沿断面随塑性流动的下地壳和地幔对流向洋一侧的拖曳力滑动, 陆缘带向洋扩张、离散和断裂解体. 在向洋离散过程中, 由于大陆和海洋岩石圈之下的地幔对流机制的差异, 在岩石圈发生张裂和分离时, 岩石圈底部地幔对流体流场发生变化, 通过塑性的下地壳作用于向洋滑动离散的上地壳, 发生差异性块断运动、形成陆缘地堑系. 在陆缘的洋-陆边界处, 陆缘的下地壳和洋壳的边界形成近垂直的断层接触. 这种洋-陆边界的近垂直的断层, 可能是洋、陆岩石圈之下地幔对流机制差异导致的局部对流, 促使处于分层变形的岩石圈中的塑性下地壳在岩石圈分离时以瓶颈方式被拉断所形成.
　　热和流变性质表明, 南海北部陆缘带岩石圈内上地壳粘滞性大, 而下地壳粘滞性很小, 存在较大的数量级差. 上地壳呈脆性, 下地壳表现为塑性. 在张性应力场作用下, 上地壳发生脆性变形, 下地壳发生塑性变形. 因此, 南海北部陆缘带在构造扩张和向洋离散的过程中, 岩石圈是分层变形的.
　　岩石圈的分层变形特征, 在地震活动中得以证实. 华南沿海及邻近海域曾发生过多次破坏性地震, 尤其是南海东部边缘近SN向的台湾-北吕宋弧和马尼拉海沟是世界著名的地震活动带. 天然地震的发生是岩石受力后破裂和位移的结果. 1999年9月21日以来, 陆缘岛弧台湾频繁而强烈的地震多以浅震为主, 地震发生在上地壳中, 而下地壳中很少发生地震. 这反映上地壳是刚性地壳层, 受到应力场作用后可积累应变能量, 最后破裂或滑动而发生地震. 而下地壳不能或很少积累应变能量, 说明它具备流变性.

致谢 许厚泽院士及陆洋博士提供了中国大陆和海域重力场模型, 在成文过程中与石耀霖教授进行过多次讨论, 在此一并致谢.

国家自然科学基金"九五"重点项目(批准号:49732005),国家重点基础研究发展规划(G2000047604)和中国科学院"九五"重大项目(K2951-A1-401)联合资助
张 健(中国科学技术大学研究生院, 北京 100039)
张 健(中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029)
汪集?(中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029)

参 考 文 献

1，杨森楠. 中、新生代太平洋陆缘带的构造格局和构造转换. 地学前缘, 1997, 4(3, 4): 247～255
2，龚再升, 李思田. 南海北部大陆边缘盆地分析与油气聚集. 北京: 科学出版社, 1997. 9～126
3，McKenzie D P. Some remarks on the development of sedimentary basins. Earth Planet Sci Lett, 1978, 40: 25～32
4，White R S, Spence G D, Mckenzie D P. Magmatism at rifted continental margins. Nature, 1987, 19: 19～29
5，Wernicke B. Low-angle normal faults in the basin and Range Province. Nature, 1981, 291: 645～648
6，Wernicke B. Uniform-sense normal simple shear of the continental lithosphere. Canadian Journal of Earth Science, 1985, 22: 108～126
7，姚伯初. 南海西南海盆的岩石圈张裂模式探讨. 海洋地质与第四纪地质, 1999, 19(2): 37～48
8，张 健, 汪集?. 南海北部大陆边缘深部地热特征. 科学通报, 2000, 45(10), 1 095～1 100
9，Ranalli G. Regional variations in lithosphere rheology from heat flow observations. In: Cermak V, Rybach L eds. Terrestrial Heat Flow and the Lithosphere Structure. Berlin: Springer-Verlag, 1991. 1～22
10，Zhang J, Shi Y L. Parameterized thermal model of a mixed mantle convection. Acta Seismologica Sinica, 1999, 12(6): 699～709