南海北部多波束海底地貌多尺度分析及其构造意义指示

发布时间：2020-09-18 08:40

　　南海是西太平洋面积最大的边缘海,中生代以来受特提斯构造域和太平洋构造域的联合影响,经历了复杂的地质作用,演化历史复杂。南海海盆周缘为不同性质的断裂和构造边界所围限,形成不同性质的构造边缘。其中,北部陆缘是南海地区四大构造边界之一,新生代属于离散型大陆边缘,其内部蕴含着大陆张裂到海底扩张的丰富地质信息,是进行边缘海构造演化研究的理想场所。由于,新生代处于欧亚板块、印度-澳大利亚板块和菲律宾海板块三大板块交汇接合、复合影响的特殊构造位置,南海北部形成了构造隆起、断陷盆地、海底峡谷、海山和海山链、海盆和海沟的复杂地质构造和丰富地貌现象以及陆壳、过渡地壳和洋壳的三重地壳结构,陆与洋交互作用,地质内涵丰富,一直以来深受国内外地质学界的广泛关注。前人对南海北部的研究已取得许多优秀的成果,但是由于南海地质问题的复杂性及受到调查手段、研究思路、研究程度等限制,许多地质问题仍存在争议。例如,南海北部陆缘新生代基底构造,主动大陆边缘向被动大陆边缘转变的应力机制,新生代陆缘张裂和海底扩张的多期次、多方向转换方式,以及裂后新构造运动特征及其地貌响应、资源环境效应等一系列问题,都有待进一步深入研究。海底地貌是构造的最直接、最准确的形态标志,可指示大地构造属性和地球动力特征。论文利用近期的高精度全覆盖多波束海底地形资料,开展南海北部构造地貌研究,通过地貌的分区、分级和小波多尺度分解,分析南海北部新生代海底多期次、多方向扩张特征,厘定断裂构造、构造沉降、火山岩浆活动和热事件、挤压作用等不同类型构造运动在海底地貌形成和演变过程中扮演的角色和作用方式,揭示地貌变化背后隐藏的构造信息,阐述南海北部新生代构造应力场转换机制及其控制下的地壳运动特征。论文具体开展了以下几方面的研究,取得了相应的进展：第一,对20世纪90年代以来国家专项在南海北部采集的多波束全覆盖海底地形资料进行了系统的梳理,对该批宝贵历史数据系统校正和整编基础上,采用总传播误差滤波算法对测量噪声进行自动剔除,通过误差限定与距离限定、水深与误差联合估计、密度大原则或邻域原则网格节点最佳估计等一系列技术环节,构建了南海北部高分辨率海底地形模型。与传统方法相比,多波束数据处理效率提高4倍,海底地形细节特征刻画效果明显改善。例如,在东沙陆坡识别出圆锥形海底火山及火山口结构,依据最新国际海底地名命名规则将其命名为鹤立海山；精确地刻画了东沙岛西侧惠东一北卫滩断裂带活动特征、九龙海底峡谷、九龙海山、下陆坡海山链等一系列海底地貌。第二,利用最新构建的高分辨率海底地形模型以及新生代沉积厚度、Moho面深度等资料,求取了南海北部简单剩余地形、结晶地壳厚度,进行新生代地壳拉张因子分析。结果表明,南海北部由陆架向海盆方向基底呈现隆-凹相间结构；地壳厚度阶梯状减薄、Moho面逐渐抬升,地壳减薄与Moho面上涌呈现镜像关系；地壳拉张因子值由陆架边缘的1.5增加至海盆边缘的3.5,呈现由NW向SE逐渐增大的趋势。上述结果支持,在区域整体构造背景下,南海北部陆缘在碰撞拼贴之后的中生代末期,构造应力场发生松弛,陆缘伸展张裂、地壳强烈拉张减薄,陆缘裂解、离散、漂移呈现由NW向SE单向流动趋势的认识。第三,在总传播误差法对多波束地形资料精细处理和海底地形模型构建基础上,采用小波进行海底地貌多尺度分解,逐级实现了5阶逼近与细节分析。大尺度地貌分界线和构造线追踪、走向统计结果显示,南海北部地貌走向集中在三个优势方向上,分别为EW向、NE向和NW向。其中,EW走向地貌占26.7%,主要分布在白云凹陷、西北海盆、西沙海槽及南北两侧地区,表现为EW向线性排列的地貌单元和结构；NE走向地貌占30.3%,主要分布在东沙陆坡,表现为NE走向的中、下陆坡及其上的海底山脉,在东部海盆则主要表现为由海底扩张而形成的NE向海山链；NW走向地貌占43.0%,主要分布在白云陆坡和九龙礁陆坡,主要地貌类型为海底峡谷,一系列断裂构造亦呈NW向展布。应力分析表明,南海北部在中生代末期陆缘伸展张裂、地壳拉张减薄基础上,新生代经历3期构造应力场作用,产生3次不同方向的地壳运动。其中,新生代早期经历一次SN向张性构造应力场的作用,引起SN向的海底扩张,形成西北海盆及附近地区EW走向的地貌单元；晚期海底扩张方向发生偏转,由初次扩张的SN向转变为NW-SE向,形成东沙陆坡及东部海盆NE(NEE)走向的地貌;中中新世南海北部陆缘遭受阶段性的挤压作用,地层中形成褶皱、逆断层、背斜等一系列压性构造,高屏斜坡、马尼拉海沟一侧海底表面形成拱起、挤压堆叠状地貌,构造应力场方向为NW向,其动力来源于菲律宾海板块相对于欧亚板块的NW向挤压运动。总体上,南海北部新生代构造应力场先后历经SN向、NW-SE向、NW向三个方向的递次转换,应力轴方向发生逆时针旋转,应力性质由拉张转换为阶段性挤压。第四,中尺度将南海北部陆坡划分为白云陆坡、东沙陆坡和九龙礁陆坡三段。开展地貌走向、宽度、高度、坡度等定量分析,结合地震剖面进行地质界面识别、断裂和岩浆活动分析。结果表明,受断裂构造、构造沉降、火山岩浆活动和热事件等不同类型构造运动影响,白云陆坡、东沙陆坡、九龙礁陆坡在地貌走向、类型、海底地势方面存在显著差异。白云陆坡走向近EW,东沙陆坡和九龙礁陆坡走向NE;白云陆坡和九龙礁陆坡海底峡谷系统发育,东沙陆坡海底峡谷不发育,但东沙中、下陆坡发育大规模海山和海山链；东沙地区地势高,白云凹陷和九龙海底峡谷地区构造沉降显著。受不同类型新构造活动的主导,南海北部三段陆坡形成各异的海底地貌,地壳运动的差异性决定了白云陆坡、东沙陆坡和九龙礁陆坡三段地貌形态和类型的差异性。其中,惠东-北卫滩断裂带(F6)、汕头-台西南断裂带(F10)和阳江-一统暗沙断裂带(F11)等NW向断裂构造在陆缘张裂之后的T2期间强烈活动,造就典型的断层构造地貌,包括断层崖、断阶、海底峡谷等：同时,断裂活动造成两侧块体差异升降,其中F6和F10断裂带夹持的东沙地区构造抬升,形成隆起,F6和F11断裂带限制的白云凹陷进一步断陷沉降,F10断裂带所控的九龙地区沉降明显,陆坡形成大型海底峡谷。构造沉降作用在白云地区形成构造台地、阶地和断陷盆地在内的地貌组合。白云凹陷南北两侧深大断裂自张裂初期(Tg)至裂陷期末(T6)多次强烈活动,造成白云凹陷多幕式沉降。白云凹陷东西两侧的F6和F11断裂带在晚新生代T2期间的强烈活动则引起白云凹陷进一步构造沉降。白云凹陷四周为断裂带所围限,成为断陷盆地的中心。南海北部陆坡分布众多海山和海山链,部分海山和顶部火山口形态完整,时代较新。其中,东沙陆坡发育鹤立海山和NE(NEE)向线性排列的海山链,惠东-北卫滩断裂带(F6)上发育南、北卫滩和团岛山,汕头-台西南断裂带(F1O)上发育九龙海山,阳江-一统暗沙断裂带(F11)上发育一统暗沙隆起(火山),地震剖面和地热分析表明上述火山岩浆构造形成于晚中新世(T2),南海北部陆缘裂后火山岩浆活动和热事件发育。从空间位置看,南海北部新生代晚期火山岩浆活动与NW向断裂构造具有相互伴生的现象。同时,NW向断裂构造的强烈活动造成两侧块体差异升降,另外在NW向断裂带上海底侵蚀、切割,形成峡谷系统。NW向断裂构造成为晚新生代控制南海北部隆起与凹陷分布和地貌演变的重要因素。第五,通过小尺度海底地貌指纹识别和精细地层剖面判读,在南海北部白云陆坡发现一系列异常地貌和地层结构。其中,在浅地层剖面PO上发现丘状体、浅部断层以及由连续强反射层、声空白补丁、局部增强反射和声空白带组成的浅部含气带；单道地震剖面P2上发现海底麻坑、气体渗漏柱、褶皱、模拟海底反射(BSR,Bottom Simulating Reflector)等结构。BSR位于我国首次在此地区钻取的天然气水合物样品之下,判断其为水合物稳定带底界。大范围海底麻坑、气体渗漏柱、丘状体表明白云陆坡存在海底流体渗漏作用。长距离BSR、褶皱、浅部含气带证实沉积层中蕴藏着天然气水合物。依据ODP1148站地层厚度、沉积速率、测年资料进行地层年代划分,识别出渐新世、中新世等界面。BSR、褶皱、浅部含气带位于晚中新世至上新世地层,时间为12-2.6Ma,上述地层成为天然气水合物成藏的有利层位。中生代末期南海北部陆缘性质转变,岩石圈伸展张裂,晚始新世至早渐新世白云地区进入裂陷期,开始断陷沉降,南海事件、白云事件形成发达的断裂体系,白云凹陷南北两侧深大断裂多次强烈活动,引起多幕沉降,白云凹陷成为断陷盆地中心,沉积厚度大,特别是中新世至上新世沉积速率高,钻井资料显示沉积速率达400-1400m/Ma,构造沉降和快速沉积成为天然气水合物形成的有利条件。中中新世菲律宾海板块相对于欧亚板块的NW向运动,又促使南海北部陆缘遭受阶段性挤压,形成褶皱、逆断层、背斜等一系列压性构造,同时NW向断裂构造强烈活动,例如白云凹陷两侧的F6、F11断裂带,断裂和挤压褶皱构造成为良好的流体疏导体系和储集结构,南海北部白云陆坡具备了天然气水合物形成和储藏的有利条件。断裂活动、热事件等局部构造运动引起水合物分解、排泄,在海底表面形成特有的地貌和地层结构,成为水合物识别的重要标志。
【学位单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P737.2;P618.13

【参考文献】