畢東杰，張道軍，翟世奎*，劉新宇，修淳，張愛濱，曹佳琪

(1.中國海洋大學(xué) 海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100；3.中海石油(中國)有限公司 湛江分公司研究院，廣東 湛江 524057)

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青藏高原隆升、瓊東南盆地沉降和西沙島礁發(fā)育之間的耦合關(guān)系

畢東杰1，2，張道軍3，翟世奎1，2*，劉新宇3，修淳1，2，張愛濱1，2，曹佳琪1，2

(1.中國海洋大學(xué) 海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100；3.中海石油(中國)有限公司 湛江分公司研究院，廣東 湛江 524057)

本文基于瓊東南盆地15口鉆井和西沙石島島礁“西科一井”的鉆井資料，結(jié)合過井地震剖面，系統(tǒng)分析了瓊東南盆地沉降(沉積充填)和西沙島礁生長速率及其變化特征，探討了青藏高原隆升與瓊東南盆地沉降和西沙島礁發(fā)育之間的耦合關(guān)系，三者在發(fā)育時(shí)間和發(fā)育過程上表現(xiàn)出高度的一致性，且南海古海水中Sr同位素組成變化也表現(xiàn)出對青藏高原隆升速率變化很好的響應(yīng)。相對于深水區(qū)，淺水區(qū)的沉積物堆積速率及其變化能夠更好地反映盆地的沉降速率及其變化。瓊東南盆地的沉降(沉積物堆積)和西沙島礁的發(fā)育過程均可以分為3個(gè)階段，分別對應(yīng)于青藏高原的3個(gè)隆升期，時(shí)間自老到新分別為：23～16 Ma BP、16～5.5 Ma BP、5.5 Ma BP至今。相比而言，島礁的發(fā)育過程與青藏高原的隆升之間的耦合關(guān)系更為密切。在青藏高原的快速隆升期，相應(yīng)發(fā)生盆地沉降(沉積充填或沉積物堆積)和島礁生長速率的加快，同時(shí)對應(yīng)發(fā)生了南海海水87Sr/86Sr比值的增大，說明青藏高原隆升可能是影響瓊東南盆地乃至整個(gè)南海沉降(沉積充填)、島礁發(fā)育和古海水Sr同位素組成變化的主要因素。

青藏高原隆升；瓊東南盆地沉降；西沙島礁發(fā)育；耦合關(guān)系

1 引言

青藏高原隆升是印度板塊和歐亞板塊碰撞的結(jié)果。早在20世紀(jì)90年代，潘桂棠等[1]、李廷棟[2]就認(rèn)為青藏高原的隆升可分為不同的隆升階段。雖然青藏高原多階段隆升模式已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，但就各隆升階段的時(shí)限和速率卻一直存在爭議[3—9]。鐘大賚和丁林[10]根據(jù)磷灰石的裂變徑跡測年資料，提出青藏高原隆升具有多階段性(45～38 Ma BP、25～17 Ma BP、13～8 Ma BP、3 Ma BP至今)、不等速性，其中3 Ma BP至今隆升最為強(qiáng)烈。羅照華等[11]根據(jù)對青藏高原新生代幔源巖漿活動(dòng)的研究，追索青藏高原的形成演化歷史，認(rèn)為約45 Ma BP、27 Ma BP和4 Ma BP是3個(gè)重要的演化時(shí)間節(jié)點(diǎn)，約45 Ma BP是高原形成的啟動(dòng)時(shí)間，約27 Ma BP是高原真正形成的時(shí)間，4 Ma BP至今是青藏高原隆升速度和幅度的最大階段。Wang等[12]通過對青藏高原不同地區(qū)新生代地層低溫?zé)崮甏鷮W(xué)記錄、沉積記錄和構(gòu)造變形記錄的系統(tǒng)總結(jié)與研究，提出存在60～35 Ma BP、25～17 Ma BP、12～8 Ma BP(藏南18～13 Ma BP)和大約5 Ma BP至今4個(gè)主要強(qiáng)構(gòu)造隆升剝露階段，其中18～13 Ma BP和5 Ma BP至今都表現(xiàn)為快速隆升。最近Jiang和Li[13]基于對塔里木盆地南部的高分辨率地震剖面和鉆孔資料分析，提出了青藏高原幕式隆升的新模式——青藏高原形成以來其隆升過程可分為3個(gè)階段，并給出了各階段隆升速率的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)：其認(rèn)為在大約23 Ma BP，青藏高原北部從海平面附近開始隆升；在約10 Ma BP第一幕運(yùn)動(dòng)結(jié)束；在大約5 Ma BP至今青藏高原邊緣開始快速隆升。綜上所述，青藏高原真正形成(約23 Ma BP)以來，其“三段式”的隆升過程及約5 Ma BP以來的快速隆升已得到較高的認(rèn)可。

南海是在區(qū)域拉張背景下形成的海盆。根據(jù)南海張裂事件，可將現(xiàn)今南海地區(qū)在新生代的發(fā)展演化劃分為擴(kuò)張前初始裂陷、同擴(kuò)張裂陷、擴(kuò)張后沉降3個(gè)時(shí)期，對應(yīng)的地質(zhì)時(shí)代分別為古新世—中始新世、晚始新世—早中新世及中中新世—現(xiàn)今[14]。新近紀(jì)以來南海北部陸緣盆地進(jìn)入裂后期，大多數(shù)盆地裂后不整合面均為23 Ma BP(珠江口盆地約32 Ma BP時(shí)進(jìn)入裂后沉降期，明顯早于其他凹陷)：裂后早期(早中新世-中中新世)以熱沉降作用為主，相應(yīng)地沉降速率緩慢，沉積厚度相對?。恢兄行率?約5.5 Ma BP)之后，進(jìn)入裂后快速沉降期。南部多數(shù)盆地大約在15.5 Ma BP進(jìn)入擴(kuò)張后沉降期，在5.5 Ma BP之后進(jìn)入快速沉降階段[14—19]。

南海生物礁主要分布于南海西部陸架陸坡區(qū)，包括湄公、萬安、中建南等盆地和中、西沙隆起。已有研究表明，在西沙地區(qū)，中新世碳酸鹽巖礁盤直接坐落在前寒武紀(jì)變質(zhì)巖之上，說明中新世以前該區(qū)一直處于較穩(wěn)定的陸地環(huán)境。在早中新世(約23.03 Ma BP)西沙隆起開始出現(xiàn)海侵，在前寒武紀(jì)基底之上直接發(fā)育了珊瑚礁和臺(tái)地碳酸鹽巖地層，經(jīng)歷了早、中、晚中新世3個(gè)成礁期[20]。在晚中新世中晚期，西沙隆起遭受淹沒事件，形成軟白堊層。自上新世(約5.3 Ma BP)以來該區(qū)生物礁大量發(fā)育，形成著名的永樂、宣德和宣德東3個(gè)大型復(fù)合環(huán)礁[21]。

綜上所述，青藏高原隆升、南海盆地沉降和西沙島礁發(fā)育均開始于23 Ma BP前后，屬于同時(shí)期的構(gòu)造與沉積事件，并且都在5.5 Ma BP前后經(jīng)歷了一次重要變化。三者在發(fā)育時(shí)間和發(fā)育過程上所表現(xiàn)出的一致性，必然是內(nèi)在成因聯(lián)系的結(jié)果。本文基于最近幾年在南海所打鉆井和西沙石島碳酸鹽巖礁體鉆探的相關(guān)資料，結(jié)合區(qū)域地震剖面，系統(tǒng)地分析了瓊東南盆地沉降(積)速率、西沙島礁的發(fā)育生長速率和青藏高原隆升速率之間的對應(yīng)關(guān)系，旨在探討青藏高原隆升與瓊東南盆地沉降和西沙島礁發(fā)育之間的耦合關(guān)系。

2 區(qū)域地質(zhì)概況及資料的獲取

南海位于歐亞板塊東南部，其東以馬尼拉海溝與菲律賓海板塊相接，西以印支半島與印度板塊為鄰，南隔印度尼西亞群島與澳大利亞板塊相接，其形成演化與周邊的歐亞板塊、太平洋板塊和印度—澳大利亞板塊及其之間的相互作用密切相關(guān)，是太平洋和特提斯兩大體系聯(lián)合和疊合影響的地區(qū)，被國內(nèi)外學(xué)者譽(yù)為“地球上最好的天然實(shí)驗(yàn)室”[22—26]。南海周邊陸地發(fā)育眾多河流，河流所攜帶的泥沙為沉積盆地的沉積充填提供了物源，并對海底地貌產(chǎn)生重要的影響。湄公河、紅河、珠江是注入南海北部的3條輸沙量最大的河流，其中湄公河輸沙量最大。3條主要河流的輸沙量約占進(jìn)入南海的河流輸沙量的80%以上[27—28]。此外，受青藏高原隆升影響導(dǎo)致的沉積物源供應(yīng)量的增加也不能忽視[29—30]。

瓊東南盆地(圖1)位于海南島東南部(16°30′～18°50′N ，108°45′～113°30′E)，呈北東向延伸，其東西長約290 km，南北寬約181 km，面積約60 000 km2，最大沉積厚度達(dá)12 km，是一個(gè)新生代陸緣拉張型盆地。

在最近十幾年中，我國先后在瓊東南盆地做了大量的地質(zhì)地球物理勘探工作，并且打了10多口鉆井，尤其是在2010—2015年期間又在盆地深水區(qū)打了5口鉆井(圖1)。鉆探結(jié)果表明，盆地基底主要由前新生代火成巖、變質(zhì)巖及沉積巖組成。盆地充填序列主要由新生界地層組成，自下往上依次為始新統(tǒng)，漸新統(tǒng)崖城組和陵水組，中新統(tǒng)三亞組、梅山組和黃流組，上新統(tǒng)鶯歌海組以及第四系樂東組地層[19,31—34]。盆地具有“下斷上坳”的典型被動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造層序樣式[35]。在地震剖面上，依據(jù)T60裂后不整合面，盆地新生代演化可劃分為同裂陷階段和裂后階段[16]。上述地球物理勘探和鉆探工作不僅為本研究奠定了基礎(chǔ)，而且提供了寶貴的第一手資料。本文利用上述鉆井資料，結(jié)合本區(qū)的過井地震剖面，首先識(shí)別出了一系列的主要地層界面，并提取其井深、沉積厚度和年代數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析瓊東南盆地沉降(沉積充填)速率的變化。

圖1 瓊東南盆地及鉆井位置圖(底圖據(jù)中海油湛江分公司修改)Fig.1 The Qiongdongnan Basin and drilling positions (modified from the data of Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd.)

西沙群島位于南海西北部，大體包括15°30′～17°12′N，110°10′～112°50′E的區(qū)域，面積約50×104km2。西沙海區(qū)分布大小約40個(gè)島嶼或淺灘，其陸地總面積居南海四大群島之首。西沙群島主體由永樂環(huán)礁、宣德環(huán)礁、東島環(huán)礁、華光礁、浪花礁、玉琢礁、北礁和盤石嶼組成。石島(16°50′45″N，112°20′50″E)是西沙群島宣德環(huán)礁上的一個(gè)小島，與永興島在同一個(gè)礁盤上(圖2)。中海石油(中國)有限公司湛江分公司自2012年起，歷經(jīng)近兩年時(shí)間在石島島礁上打了“西科一井”，在井深1 257.52 m處鉆遇基底，平均取心率近80%，是迄今為止西沙群島鉆井最深和取心率最高的科學(xué)鉆井。高取心率的完整巖心為我們恢復(fù)島礁的發(fā)育歷史和沉積古環(huán)境提供了保障。巖心主要由碳酸鹽巖組成，可以明顯地區(qū)分出7層白云巖層[36]。礦物學(xué)與地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)表明，元素(常量、微量和稀土元素)含量及各種地球化學(xué)指標(biāo)都與礦物組成無明顯相關(guān)性[37]，說明成巖或白云巖化作用沒有造成元素含量和地球化學(xué)指標(biāo)的明顯變化，巖心碳酸鹽巖保存了成巖作用初期的地球化學(xué)特征，這為恢復(fù)和研究島礁發(fā)育過程中的元素地球化學(xué)特征和同位素組成奠定了基礎(chǔ)。

3 技術(shù)方法與結(jié)果

3.1 瓊東南盆地沉降(沉積物充填堆積)速率

盆地沉降和沉積物的充填堆積通常是同步事件。盡管控制沉積物沉積速率的因素眾多(如沉積物供給、海平面升降、氣候變化等)，但盆地沉降速率是沉積物充填和堆積速率的最主要的控制因素。就瓊東南盆地而言，盡管由于盆地內(nèi)地形地貌的變化造成了沉積層厚度分布很不均一，但總體上講沉積物充填和堆積速率仍主要受控于盆地的構(gòu)造沉降速率和沉積物的供給速率。青藏高原的隆升直接或間接地為盆地提供了充足的沉積物源，尤其是盆地淺水區(qū)可近似地作為補(bǔ)償沉積區(qū)，其沉積物的堆積速率主要受盆地沉降速率的影響。因此，通過實(shí)測和計(jì)算盆地中沉積物的堆積速率及其變化可以定性地反演盆地的沉降速率及其變化。

圖2 西沙島礁分布及“西科一井”鉆井位置圖Fig.2 The distribution of the Xisha Islands and the location of the Well Xike-1

將研究區(qū)15口鉆井按水深情況分為淺水區(qū)(水深小于300 m)鉆井和深水區(qū)(水深大于300 m)鉆井，再將淺水區(qū)鉆井按所處基底地貌和地理位置的不同進(jìn)一步分為崖城區(qū)鉆井和寶島松濤區(qū)鉆井。根據(jù)15口鉆井資料[38]，做出井深-年代圖(圖3和圖4)，曲線的斜率則表示鉆井所在位置的沉積物堆積速率，亦可以近似地反映盆地的沉降速率。其中曲線均選擇最佳多項(xiàng)式擬合曲線，R2值(決定系數(shù)或擬合度，下同)絕大多數(shù)都大于0.99。由圖3和4可以看出，位于淺水區(qū)(寶島松濤區(qū)、崖城區(qū))的10口鉆井所反映的沉積物堆積速率變化明顯，而位于深水區(qū)的5口鉆井中只有位于中央峽谷的L和N兩口鉆井沉積物的堆積速率有較為明顯變化，其余3口鉆井所反映的沉積物堆積速率變化不大，這顯然主要是受沉積物源條件影響的結(jié)果。瓊東南盆地中央峽谷內(nèi)的沉積充填具有特殊的形式和過程，其充填具有突發(fā)事件(濁積)和階段性[39—40]，不能反映盆地沉降和沉積充填的過程。由圖4還可以看出，位于深水區(qū)中央峽谷之外的3口鉆井(K、M和O鉆井)所揭示的沉積充填速率基本沒有明顯的變化，只是在最近大約5 Ma BP以來有明顯增快的趨勢(K和M鉆井)，說明深水區(qū)為非補(bǔ)償沉積區(qū)，其沉積充填速率主要受沉積物供給的影響，不能反映盆地沉降速率的變化。位于盆地周邊的淺水區(qū)可近似作為補(bǔ)償沉積區(qū)，沉積物供應(yīng)充足，其沉積物堆積速率變化主要受盆地構(gòu)造沉降速率變化的控制。因此，淺水區(qū)的沉積物堆積速率變化相對可以更好地反映盆地不同時(shí)期整體沉降速率的變化。

圖3 瓊東南盆地淺水區(qū)沉積物堆積速率變化圖Fig.3 Sediment accumulation rates in the shallow water area of the Qiongdongnan Basin

圖4 瓊東南盆地深水區(qū)沉積物堆積速率變化圖Fig.4 Sediment accumulation rates in the deepwater area of the Qiongdongnan Basin

圖5 瓊東南盆地回剝構(gòu)造沉降線(據(jù)楊軍等[41]修改，其中點(diǎn)P1、P4位于崖城區(qū)；點(diǎn)P7、P8、P10位于寶島松濤區(qū))Fig.5 The curves of back-stripping tectonic subsidence, the Qiongdongnan Basin(modified from Yang Jun et al.[41], P1 and P4 are located in Yacheng area; P7，P8 and P10 are located in Baodao Songtao area)

楊軍等[41]選取跨越瓊東南盆地主要凹陷的地震剖面上的代表點(diǎn)位，利用回剝技術(shù)計(jì)算了這些點(diǎn)的回剝構(gòu)造沉降。選取其中與本文淺水區(qū)井位相近的5個(gè)點(diǎn)位(圖5)作對比分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，回剝構(gòu)造沉降線與上述淺水區(qū)沉積物堆積速率變化曲線大體一致。因此，淺水區(qū)的沉積物堆積速率變化可以很好地反映盆地不同時(shí)期的沉降速率的變化。

綜上所述，淺水區(qū)鉆井沉積物堆積速率可以更好地反映盆地的沉降速率。瓊東南盆地的沉降速率變化明顯地分為3個(gè)階段(圖3)：23～16 Ma BP為一期沉降階段，表現(xiàn)為沉降速率相對較大，且變化明顯；16～5.5 Ma BP為相對緩慢沉降階段，沉降速率變化不明顯；5.5 Ma BP至今為盆地的快速沉降階段，沉降速率較大但變化不明顯。

3.2 西沙島礁生長速率

生物礁主要由生物生長及死后的骨骼堆積而成，控制其生長或發(fā)育的條件主要與造礁生物的生存環(huán)境條件(如海水的溫度、鹽度和溶解氧的含量；海水深度、透光度和海平面的升降變化；季風(fēng)、海流、熱帶氣旋和太陽輻射等)有關(guān)[42—45]。造礁生物對生存環(huán)境條件要求嚴(yán)格，水溫在20～30℃，水深不超過100 m，鹽度在3.5左右，水體潔凈，無污濁或泥沙，透光性強(qiáng)。南海北部大陸坡較寬緩，不利于陸源碎屑向深海盆地搬運(yùn)[46]。就西沙石島地區(qū)而言，遠(yuǎn)離大陸且氣候水溫適宜，利于生物礁的生長發(fā)育，水深和海平面的升降變化成為控制生物礁發(fā)育的主要因素，而兩者又受控于南海盆地的沉降[47]和全球氣候變化。

根據(jù)西沙石島島礁“西科一井”巖心地層分層方案(表1)，提取各分層界面的井深和年代數(shù)據(jù)繪制出井深-年代圖(圖6)。各地層界面均得到鉆井巖心古生物、古地磁、元素及其同位素等資料的確認(rèn)或佐證[48—54]。

圖6 西沙島礁生長速率變化圖Fig.6 The growth rates of the Xisha Islands’ reefs

采取多項(xiàng)式擬合技術(shù)得到生物礁的生長速率變化曲線(圖6)，其R2值為0.991 9?？梢钥闯?，西沙島礁的生長發(fā)育過程明顯的分為3個(gè)階段：23～16 Ma BP為快速生長一期，表現(xiàn)為島礁生長速率較大；16～5.5 Ma BP為相對穩(wěn)定的緩慢生長期；5.5 Ma BP至今為快速生長二期，表現(xiàn)為島礁生長速率明顯加快。

表1 “西科一井”巖心地層分層方案(由中海石油(中國)有限公司湛江分公司提供)

對比圖3和圖6可以看出，西沙石島島礁的生長發(fā)育過程與瓊東南盆地的沉降之間具有較好的時(shí)段對應(yīng)關(guān)系，盆地沉降速率變化與島礁生長速率變化趨勢也基本一致。事實(shí)上，鉆至島礁基底的“西科一井”揭示，生物礁自距今大約23 Ma才開始發(fā)育，發(fā)育早期經(jīng)歷了岸礁、堡礁、再到島礁的過程(另有專文討論)，說明石島島礁是在原陸地基地之上隨著區(qū)域沉降或海平面的相對上升而逐漸發(fā)育增長的[55]?！拔骺埔痪苯沂镜奶妓猁}巖巖心厚約1 257 m，說明鉆井所在的石島海區(qū)的基底在過去的23 Ma期間沉降了約1 250 m，同樣說明了盆地(區(qū)域)沉降與生物礁生長發(fā)育之間“此消彼長”的耦合關(guān)系。

3.3 南海海水Sr同位素組成

Sr是海水中的主要元素或常量元素(含量大于1 mg/L)，主要有兩個(gè)來源：以河流為主要載體自陸地輸入海洋的殼源Sr和通過以海底水巖界面物質(zhì)交換為主要形式輸入海水中的幔源Sr，前者的87Sr/86Sr比值在0.711 9左右，后者的87Sr/86Sr比值約為0.703 5，大洋海水中的87Sr/86Sr比值介于二者之間。另外，海洋沉積物經(jīng)成巖作用后淋濾出來Sr的87Sr/86Sr比值約0.708 5[56]。大洋海水中87Sr/86Sr比值的變化主要取決于各個(gè)輸入源通量的變化，是時(shí)間的函數(shù)[57]。全球性地質(zhì)事件的發(fā)生會(huì)改變不同來源的Sr在海水中所占的比例，引起海水中Sr同位素比值的改變。造礁生物(如鈣藻、珊瑚蟲等)能夠?qū)⒑Ｋ械腟r結(jié)合到碳酸鹽骨骼中，從而記錄下其形成時(shí)海水中Sr的同位素組成。

西沙石島島礁“西科一井”巖心礦物學(xué)與地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)表明，元素(常量、微量和稀土元素)含量及各種地球化學(xué)指標(biāo)都與巖心的礦物組成無明顯相關(guān)性[36]，說明成巖或白云巖化作用沒有造成元素含量和地球化學(xué)指標(biāo)的明顯改變，巖心碳酸鹽保存了島礁生成過程中的地球化學(xué)特征。因此，巖心碳酸鹽中的87Sr/86Sr比值可以代表礁體生成時(shí)碳酸鹽巖的Sr同位素組成，其變化可反映南海古海水中Sr同位素組成的變化。“西科一井”巖心112個(gè)樣品的87Sr/86Sr比值變化于0.708 21～0.709 58之間，平均值0.708 96，介于“殼源”和“幔源”之間，接近現(xiàn)今大洋海水的87Sr/86Sr比值(約0.709 17)，其變化趨勢與大洋海水的87Sr/86Sr比值變化類同(圖7)，進(jìn)一步說明巖心碳酸鹽樣品記錄了南海古海水的87Sr/86Sr比值變化。

圖7 中新世以來大洋與南海海水87Sr/86Sr比值變化(大洋海水87Sr/86Sr比值區(qū)間據(jù)McArthur等[58])Fig.7 The comparison of 87Sr/86Sr ratios between the ocean and the South China Sea water (the 87Sr/86Sr ratios of the ocean from McArthur et al.[58])

4 主要問題討論

4.1 青藏高原隆升、瓊東南盆地沉降和西沙島礁發(fā)育之間的耦合關(guān)系

前述結(jié)果表明，瓊東南盆地沉積物堆積速率(反應(yīng)盆地沉降速率)變化與西沙島礁生長速率變化都具有明顯的“三段式”演化過程。將二者與同期構(gòu)造事件——青藏高原的隆升過程作對比(圖8，圖中青藏高原隆升曲線亦選取一條最佳多項(xiàng)式擬合曲線，R2值為1)，可以清楚地見到三者的速率變化曲線具有很好的相似性，均大致分為3個(gè)階段：23～16 Ma BP為西沙島礁的快速生長一期、瓊東南盆地一期沉降階段和青藏高原一期隆升階段；16～5.5 Ma BP為西沙島礁相對穩(wěn)定緩慢生長期、瓊東南盆地相對緩慢沉降階段和青藏高原相對穩(wěn)定隆升階段；5.5 Ma BP至今為西沙島礁快速生長二期、瓊東南盆地快速沉降階段和青藏高原快速隆升階段。島礁的3個(gè)發(fā)育階段和盆地的3個(gè)沉降階段都和青藏高原的3個(gè)隆升階段一一對應(yīng)，三者間具有很好的一致性或耦合關(guān)系。仔細(xì)對比分析發(fā)現(xiàn)，相對于瓊東南盆地沉降(沉積物充填堆積)速率變化與青藏高原隆升過程的對應(yīng)關(guān)系，西沙島礁的發(fā)育生長過程與青藏高原隆升之間的耦合關(guān)系更為緊密。這種耦合關(guān)系只是事實(shí)的宏觀體現(xiàn)，其內(nèi)一定蘊(yùn)含著成因上的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。孫志國等[59]通過對青藏高原隆升與西沙珊瑚礁沉積的對比研究，也曾經(jīng)提出上新世以來青藏高原隆升幅度與西沙珊瑚礁沉積厚度、青藏高原隆升速率與西沙珊瑚礁沉積速率有很好的相關(guān)性，并將這種相關(guān)性的原因歸結(jié)于地殼的均衡作用。所有的地球表面景觀無不是巖石圈板塊運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，而巖石圈運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力來自更深部的地幔。因此，關(guān)于瓊東南盆地沉降速率變化、西沙島礁的生長發(fā)育和青藏高原隆升過程三者之間耦合關(guān)系的成因機(jī)制必須從地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)和大地構(gòu)造的角度去尋求答案，正有待于進(jìn)一步的相關(guān)研究。

圖8 青藏高原隆升、瓊東南盆地沉降和西沙島礁發(fā)育之間耦合關(guān)系圖(青藏高原隆升速率變化數(shù)據(jù)源于Jiang和Li[13])Fig.8 The coupling relationships among the Qinghai-Tibet Plateau uplifting, the Qiongdongnan Basin subsiding and the Xisha Islands’ reefs developing (the data of the Qinghai-Ti-bet Plateau uplifting rates from Jiang and Li[13])

圖9 南海古海水87Sr/86Sr比值變化速率與青藏高原隆升速率之間的對應(yīng)關(guān)系(青藏高原隆升速率變化數(shù)據(jù)源于Jiang和Li[13])Fig.9 The correspondence between the change of the South China Sea water 87Sr/86Sr ratios and the Qinghai-Ti-bet Plateau uplifting rates (the data of the Qinghai-Tibet Plateau uplifting rate from Jiang and Li[13])

4.2 南海海水Sr同位素組成對青藏高原隆升的響應(yīng)

對比南海和大洋87Sr/86Sr比值的變化(圖7)可以看出，自中新世到第四紀(jì)南海海水的87Sr/86Sr比值總體略高于同期大洋海水，這應(yīng)是南海相對于開闊大洋處于相對封閉環(huán)境的體現(xiàn)，同時(shí)也是同期大型構(gòu)造事件——青藏高原隆升對南海古海洋環(huán)境影響的具體表現(xiàn)。通過生物礁碳酸鹽巖反映出的南海海水87Sr/86Sr比值自中新世以來在不同時(shí)期的增長速率存在有顯著差異(圖9)。在第四紀(jì)87Sr/86Sr比值增速最大，可達(dá)1.86×10-4Ma-1，早中新世87Sr/86Sr比值上升速率居次，為1.14×10-4Ma-1，晚中新世87Sr/86Sr比值上升速率最慢，僅為4.49×10-5Ma-1。上述87Sr/86Sr比值上升速率的變化與青藏高原隆升速率的變化有著很好的對應(yīng)關(guān)系(圖9)，即：青藏高原的快速隆升期對應(yīng)于南海海水的87Sr/86Sr比值快速增長期。上述事實(shí)說明，青藏高原的快速隆升將更多的殼源Sr輸入南海海水中，導(dǎo)致87Sr/86Sr比值相應(yīng)快速增大。南海海水中的Sr同位素組成演化與青藏高原隆升之間同樣具有很好的對應(yīng)關(guān)系。總之，已有事實(shí)表明：青藏高原隆升與瓊東南盆地沉降、西沙島礁發(fā)育和南海海水中Sr同位素組成變化之間存在有良好的一致性耦合關(guān)系。

5 結(jié)論

(1)瓊東南盆地淺水區(qū)的沉積物堆積速率變化可以更好地反映盆地不同時(shí)期的整體沉降速率變化。盆地的沉降和西沙礁體的發(fā)育都可以分為3個(gè)階段，二者之間存在有明顯的“此消彼長”的對應(yīng)關(guān)系。

(2)西沙生物礁的3個(gè)發(fā)育階段、瓊東南盆地的3個(gè)沉降階段都和青藏高原的3個(gè)隆升階段相對應(yīng)，即：23～16 Ma BP為西沙島礁的快速生長一期、瓊東南盆地一期沉降階段對應(yīng)于青藏高原一期隆升階段；16～5.5 Ma BP為西沙島礁相對穩(wěn)定緩慢生長期、瓊東南盆地相對緩慢沉降階段和青藏高原相對穩(wěn)定隆升階段；5.5 Ma BP至今為西沙島礁快速生長二期、瓊東南盆地快速沉降階段和青藏高原快速隆升階段。三者之間具有很好的一致性耦合關(guān)系。相比較而言，生物礁的發(fā)育過程與青藏高原隆升之間的耦合關(guān)系更為密切。

(3)南海海水中87Sr/86Sr比值略高于同期大洋海水中的87Sr/86Sr比值，但變化趨勢一致。自早中新世以來，南海海水中87Sr/86Sr比值的變化(增長)速率與同期青藏高原的隆升速率之間有著很好的響應(yīng)關(guān)系，說明青藏高原的快速隆升將更多的殼源Sr輸入南海海水中，導(dǎo)致87Sr/86Sr比值相應(yīng)快速增大。

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The coupling relationships among the Qinghai-Tibet Plateau uplifting, the Qiongdongnan Basin subsiding and the Xisha Islands’ Reefs developing

Bi Dongjie1,2, Zhang Daojun3, Zhai Shikui1，2, Liu Xinyu3, Xiu Chun3, Zhang Aibin1，2, Cao Jiaqi1，2

(1.TheKeyLabofSubMarineGeosciencesandProspectingTechniques,MinistryofEducation,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China; 2.SchoolofMarineGeosciences,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China; 3.ZhanjiangBranchInstituteofChinaNationalOffshoreOilCorporation(CNOOC)Limited,Zhanjiang524057,China)

Based on the drilling data of the 15 wells in the Qiongdongnan Basin and “Xike-1”well in the Shi Island of Xisha Islands, combining with the seismic section through those wells, this passage systematically analyzed the subsiding (sediments filling) rates of Qiongdongnan Basin, the developing rates of the Xisha Islands’ reefs and their variation features. Additionally, the coupling relationships among the Qinghai-Tibet Plateau uplifting, the Qiongdongnan Basin subsiding and the Xisha Islands’ reefs developing were also discussed. The former three exhibit a high degree of consistency in development time and process. The ancient seawater Sr isotopic composition of the South China Sea composition provides an important evidence for this consistency. The changes of the sediment accumulation rates in the shallow water can better reflect the changes of the basin subsiding rates in comparison to the deep water. The processes of Qiongdongnan Basin subsiding (sediments accumulation) and Xisha Islands’ reefs developing can both be divided into three stages, corresponding to the three phases of the Qinghai-Tibet Plateau uplifting, they are: 23-16 Ma BP, 16-5.5 Ma BP, 5.5 Ma BP-today respectively in chronological order. In comparison, the coupling relationship between the reefs developing process and Qinghai-Tibet Plateau uplifting is more closely. In the rapid uplifting stage of the Qinghai-Tibet Plateau, the basin sedimentary filling (sediments accumulation) rates and the reefs growth rates accelerated correspondingly, and87Sr /86Sr ratios of the South China Sea increased. It indicates that the Qinghai-Tibet Plateau uplifting is the main factor that impacted the basin subsidence (sedimentary fill), reefs development and ancient seawater Sr isotopic composition in the Qiongdongnan Basin even the entire South China Sea.

Qinghai-Tibet Plateau uplifting; Qiongdongnan Basin subsiding; Xisha Islands’ reefs developing; coupling relationships

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.006

2016-03-02；

2016-05-17。

國家科技重大專項(xiàng)課題(2011ZX05025-002-03);中海石油(中國)有限公司專項(xiàng)課題(CCL2013ZJFNO729)。

畢東杰(1992—)，男，山東省章丘市人，主要從事海洋地質(zhì)學(xué)研究。E-mail：bidjouc@sina.com

*通信作者：翟世奎(1958—)，男，山東省聊城市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事海洋地質(zhì)學(xué)研究。E-mail：zhai2000@ouc.edu.cn

P736.1

A

0253-4193(2017)01-0052-12

畢東杰，張道軍，翟世奎, 等. 青藏高原隆升、瓊東南盆地沉降和西沙島礁發(fā)育之間的耦合關(guān)系[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2017, 39(1): 52-63,

Bi Dongjie, Zhang Daojun, Zhai Shikui, et al. The coupling relationships among the Qinghai-Tibet Plateau uplifting, the Qiongdongnan Basin subsiding and the Xisha Islands’ reefs developing[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(1): 52-63, doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.006