任自強, 施小斌, 王曉芳, 趙鵬, 諶永強

1. 中國科學院邊緣海與大洋地質重點實驗室, 南海海洋研究所, 南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院, 廣東 廣州 510301;

2. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州) , 廣東 廣州 511458;

3. 中國科學院大學, 北京 100049

南海南部大陸邊緣不僅發(fā)育有眾多的含油氣盆地, 而且在南海構造演化中扮演著重要角色。特別是南沙海槽區(qū)域, 古南海在此處向婆羅洲之下俯沖消減, 東南向的俯沖拖曳及中新世海溝兩側地塊的碰撞對南海陸緣裂陷和南海形成演化具有重要作用(Taylor et al, 1980), 因而該區(qū)域的構造變形史記錄著南海前世今生構造演化的重要信息。地質體變形和巖石圈流變性質與其熱狀態(tài)密切相關(馬輝 等,2011; 張健 等, 2017), 因而南沙海槽熱狀態(tài)研究不僅有助于評估沉積盆地的油氣資源潛力, 而且可為深入研究南沙海槽區(qū)域的流變學強度與變形機制提供地熱學基礎。

大地熱流是用以研究區(qū)域深部熱狀態(tài)和評價油氣資源潛力的重要參數(shù)。南海南部大陸邊緣熱流分布的一個典型特征是以NW向西巴蘭線為界, 東側的地溫梯度和大地熱流明顯低于西側(圖1)(Hall,2002; Shi et al, 2003; Cullen, 2010; Hutchison, 2010)。西巴蘭線以西的曾母盆地熱流平均值高達102mW·m-2, 地溫梯度介于36～55mW·m-2(Madon,1999; Shi et al, 2003); 而西巴蘭線以東的文萊-沙巴盆地和南沙海槽底部熱流平均值僅約60mW·m-2(圖1), 其中文萊-沙巴盆地鉆井地溫梯度一般低于36mW·m-2(Shi et al, 2003)。南沙海槽為一北東向槽型深水區(qū), 槽內地形平坦, 水深介于2.8～2.9km之間,海槽東南側為自婆羅洲向北持續(xù)推覆的文萊-沙巴盆地深水沖斷帶(圖1、2)(Ingram et al, 2004; 唐武等, 2018a, b)。海底表層熱流觀測容易受到淺層地質過程如沉積物快速堆積作用、流體活動等因素影響,海槽東南側沖斷帶內地形復雜、流體活動頻繁, 熱流測量值受到多種因素的影響(Zielinski et al, 2007;Morley et al, 2014), 而海槽底部深水區(qū)熱流測量結果主要受源自東南側的沉積物快速堆積的影響。因此, 為獲取南沙海槽的深部熱狀態(tài)信息, 其觀測熱流數(shù)據還需進行淺層影響因素分析。

圖1 南沙海槽位置及熱流值該圖基于中國地質調查局廣州海洋地質調查局編制出版的南海暈渲地形圖制作, 審圖號為JS(2015)02-107, 底圖無修改。圖中洋紅色曲線為3000m等深線, 黃色曲線為南沙海槽區(qū)域2000m等深線, 黑色方框為圖4a位置, 白色陰影區(qū)為文萊滑坡[據Gee等(2007)], 黑色直線為圖2和圖3的剖面位置, 紅色細線為文萊沙巴盆地深水沖斷帶[引自唐武等(2018b)], 紅色粗虛線為區(qū)域斷裂及推測的古俯沖位置[據Cullen (2014)]。圖中圓點為熱流,熱流數(shù)據來源于Shi等(2003)和徐行等(2018b), 黑色點為禮樂灘礁體區(qū)鉆井, 空心圓為陳愛華等(2017)測得的熱流站位Fig.1 Location of the Nansha Trough, showing observed heat flow sites

除熱流測量外, 可以利用巖石圈磁性層的分布研究南沙海槽區(qū)的深部熱狀態(tài)。巖石圈中磁性礦物的溫度隨深度增加而升高, 當溫度超過550～580℃時, 巖石將失去磁化能力(Bhattacharyya et al, 1975)。因此, 可以通過獲取磁性層的底界面即居里面深度,以反映南沙海槽區(qū)域的深部熱狀態(tài)信息?？紤]到南沙海槽底部深水區(qū)的熱流測量結果主要受沉積物快速堆積的影響, 影響因素較為單一, 為了獲取南沙海槽區(qū)可靠的熱狀態(tài)信息, 本文選取該區(qū)觀測熱流值, 利用一維數(shù)值模擬軟件SlugSed(Hutnak et al, 2007)分析沉積物快速堆積對海槽底部深水區(qū)海底熱流的影響, 獲取反映海槽深部熱狀態(tài)的熱流值; 并通過分析研究區(qū)磁異常數(shù)據, 獲取南沙海槽及其附近區(qū)域的居里面深度; 利用表層熱流和磁居里面的共同約束, 明確南沙海槽的深部熱狀態(tài), 進而探討其構造意義。

1 地質概況

一般認為, 古近紀期間, 南沙地塊位于古南海北側的被動大陸邊緣。隨著古南海向婆羅洲之下俯沖消減, 南沙地塊與南?，F(xiàn)今北部陸緣一起發(fā)生裂陷作用, 并在南海海盆擴張過程中逐漸向南漂移(Taylor et al, 1980; Briais et al, 1993; 李家彪 等,2012)。早中新世末, 南沙地塊與婆羅洲發(fā)生碰撞作用, 俯沖帶南側的早期俯沖帶增生楔等混雜巖呈北西向仰沖于南沙地塊的減薄型陸殼之上(圖2、3)。中新世以后, 受到婆羅洲南側印澳板塊的北向俯沖影響,婆羅洲北部經歷了多期隆升和剝蝕, 沉積物被運移至沙巴陸緣, 并不斷向北推覆在南沙地塊之上(Morley,2007, 2009)。受逆沖推覆體和沉積物的負載作用, 南沙地塊南端基底發(fā)生快速撓曲下沉(Hall, 2011), 其上發(fā)育了文萊-沙巴盆地和南沙海槽盆地(圖1)。

南沙海槽位于南沙地塊南部, 西南向以西巴蘭斷裂與曾母盆地相隔, 向東北一直延伸到巴拉巴克斷裂, 海槽北側為南沙島礁區(qū)(包括永暑礁、鄭和群礁、禮樂灘和安渡灘等), 南側為自婆羅洲向北持續(xù)推覆的文萊-沙巴盆地深水沖斷帶(圖1、3)(Bell Hamilton, 1979; Hinz et al, 1989; Franke et al, 2008)。沖斷帶內逆沖斷層上盤形成斷層傳播褶皺, 并突出海底形成背斜脊, 所有逆沖斷層向下延伸至同一個滑脫面。沖斷帶前緣(靠近海槽的一側)高角度的逆沖斷層一直錯斷至海底(圖 3)(Clift et al, 2008;Franke et al, 2008), 說明沖斷帶至今仍在活動。三維地震數(shù)據顯示, 南沙海槽南端存在可能由背斜頂部崩塌造成的巨型海底滑坡, 稱為文萊滑坡(Gee et al,2007)。該滑坡由婆羅洲陸架前緣延伸至南沙海槽底部(圖1、4), 面積超過6300km2(任金鋒 等, 2020),在南沙海槽底部形成約100m厚的沉積(圖4b)。根據滑坡上覆沉積層厚度及沉積速率(約6～20cm·ka-1)可估算該滑坡的年齡為 2000～7000a(Gee et al,2007)。同時, 文萊滑坡體之下存在多處透鏡狀反射體, 說明可能發(fā)生過多期滑坡(圖4b)。受沉積物不均勻壓實的影響, 海槽內局部存在泥火山(Morley et al, 2014)。

圖3 南沙海槽深水沖斷帶地震剖面[修改自Franke等(2008)]圖中黑色線為逆沖斷層, 紫色線為沖斷帶的主滑脫面, 各地層界面年齡據Franke等(2008)。剖面位置見圖1Fig.3 Seismic profile showing the deep-water thrust zone in the Nansha Trough

圖4 文萊滑坡區(qū)熱流點分布(a)及南沙海槽深水區(qū)滑坡體分布(b)[修改自Gee等(2007)]圖a為文萊滑坡區(qū)地形, 位置如圖1中方框所示; 圖中熱流點據Zielinski等(2007), 紅色點為高熱流值點(大于99mW·m-2), 藍色點為低熱流值點(小于40mW·m-2), 綠色點為C182站位, 熱流值為27mW·m-2 (Sclater et al, 1976); 黑色長條陰影區(qū)為逆沖斷層在海底形成的構造脊, 黑色箭頭為滑坡滑塌的方向, 黑色曲線為等深線(單位: km), 短虛線為地震識別的滑坡范圍; 長虛線為高熱流區(qū)和低熱流區(qū)的分界, 其中南側高熱流區(qū)平均值為84mW·m-2, 北側低熱流區(qū)平均值為59mW·m-2 (Zielinski et al,2007)。圖b為南沙海槽底部穿過文萊滑坡體的剖面[引自Gee等(2007)], 剖面位置如圖a所示Fig.4 (a) Heat flow stations in the Brunei Landslide and(b) landslide units in the deep-water area of the Nansha Trough

現(xiàn)今南沙地塊整體具有減薄的地殼, 其中北部南沙群島區(qū)域島礁林立、地形復雜, 地殼厚度在10～25km之間(圖2), 南部的南沙海槽內水深大于2000m, 地形相對平坦(圖1)。穿越南沙海槽的折射地震剖面顯示, 地殼厚度自南沙群島區(qū)域向南沙海槽減薄至8～9km(Franke et al, 2008), 南沙海槽基底為強烈減薄的陸殼(Vijayan et al, 2013)。高分辨率地震剖面顯示, 海槽內存在高于海底超過1000m的海山, 其上有明顯的碳酸鹽巖發(fā)育特征, 說明海槽區(qū)域存在快速沉降(Hutchison, 2010)。

圖2 南沙地塊地殼結構圖a地殼結構據丘學林等(2011), 圖b地殼結構據Franke等(2008); 圖中紅色曲線為居里面深度; 剖面位置見圖1Fig.2 Crustal structure profiles in the Nansha Block

2 熱流分布

南沙群島北側為南海海盆, 西側為具有高熱流值的曾母盆地(圖1)。南沙群島北部熱流平均值約為79mW·m-2(徐行 等, 2018b), 位于永暑礁南側的ODP1143鉆井熱流值高達84mW·m-2(Shi et al,2003)。對南沙海域東部的禮樂灘礁體區(qū)的鉆井測溫數(shù)據分析顯示, 該區(qū)基底熱流介于65～75mW·m-2之間(王麗芳 等, 2020; 任自強 等, 2021)。位于南沙海域西部的北康盆地及其鄰近海域, 熱流值介于43～115mW·m-2之間, 平均值約77mW·m-2(陳愛華等, 2017)。

根據折射地震解釋剖面(圖2), 南沙海槽基底為南沙地塊東南向延伸的強烈減薄的陸殼。現(xiàn)有熱流測量結果顯示海槽區(qū)域熱流值變化很大。Sclater等(1976)曾在該區(qū)域獲得6個站位的海底熱流數(shù)據(表1), 其中兩個站位(C182和C183)位于海槽兩側, 熱流值僅為27mW·m-2和14mW·m-2, 其余4個站位(A176～A179)位于海槽底部, 平均值為61mW·m-2。然而, 其在熱流計算過程中所用的沉積物熱導率僅為0.70μW·m-3左右(表1), 明顯小于南海其他區(qū)域的熱導率實測值(Xu et al, 2016; 徐行 等, 2018a,b)。如以南海西南次海盆及南沙島礁區(qū)海底沉積物的熱導率平均值0.85μW·m-3(徐行 等, 2018b)進行計算, 則海槽底部熱流在68～78mW·m-2之間, 平均約74mW·m-2, 與北部南沙群島區(qū)域的熱流測量結果相當(表1)。

表1 南沙海槽區(qū)域海底熱流值Tab. 1 Heat flow in the Nansha Trough

南沙海槽南端文萊滑坡區(qū)域海底探針熱流測量結果顯示(圖4a), 海槽東南側沖斷帶內的熱流值平均約為84mW·m-2, 而靠近南沙海槽的深水區(qū)海底熱流平均值明顯較低, 僅為59mW·m-2(Zielinski et al, 2007)。海槽底部滑坡區(qū)熱流測量值明顯低于滑坡區(qū)以外熱流值, 與其強烈減薄的陸殼特征并不一致,很可能是受到了淺層地質過程的擾動。

3 研究方法與參數(shù)

3.1 沉積物熱披覆效應影響分析

南沙海槽及其鄰近區(qū)域的熱流站位多集中于南側的文萊-沙巴盆地, 海槽底部深水區(qū)熱流站位很少(圖1)。文萊-沙巴盆地早期為逆沖推覆堆積,近期發(fā)育重力滑脫體、滑坡體, 區(qū)內地質活動復雜,存在較多影響熱流測量的因素, 而南沙海槽底部熱流測量值的影響因素主要為滑坡沉積物的快速堆積作用。因此本文選取南沙海槽底部文萊滑坡范圍內的熱流站位(圖4a), 利用SlugSed程序(Hutnak et al, 2007)對滑坡沉積物快速堆積的熱披覆效應進行分析, 以獲取能夠反映深部熱背景的海槽區(qū)熱流值。

SlugSed方法(Hutnak et al, 2007)采用變換有限差分網格計算沉積作用及流體活動對地溫場的影響?？紤]到本文主要研究沉積物堆積過程對表層熱流影響, 因此忽略流體傳熱及沉積物生熱率的影響,因而熱傳遞方程可簡化為:

式中: 下標w和s分別代表孔隙水和沉積物骨架,?為沉積物孔隙度。深度上相鄰兩節(jié)點z1和z2間的速度v由公式(4)和(5)計算獲得:

沉積物的熱導率λ依據沉積物骨架熱導率及孔隙水熱導率按下式計算:

式中:λw和λs分別為孔隙水和沉積物骨架的熱導率。假設沉積物孔隙度僅隨深度減小, 并且忽略孔隙水及泥沙骨架的可壓縮性時, 孔隙度的計算方程為:

式中:0?為海底表層沉積物的孔隙度,c為壓實系數(shù)。

計算模型分為兩層, 上層為不斷增厚的沉積層,下層為沉積基底(圖5a)。頂邊界為定溫度邊界, 溫度取3℃, 底部為定熱流邊界Q0。計算過程中以模型頂部(海底表層)熱流Qb與底邊界熱流Q0的比值Qb/Q0計量沉積物熱披覆作用對海底熱流的影響程度。經計算發(fā)現(xiàn), 相同熱物理性質及沉積速率下, 底邊界熱流Q0的取值對Qb/Q0無影響(圖5b)。為方便計算, 本研究的底邊界熱流Q0取100mW·m-2。

圖5 沉積物熱披覆效應計算模型示意圖(a)[修改自Hutnak等(2007)]和模型頂、底熱流比值隨底邊界熱流值的變化(b)圖a中加號和向下箭頭表示沉積層向下增厚。圖b中不同直線表示為圖a中模型在不同沉積速率下持續(xù)沉積100a, 之后沉積作用結束7000a后頂、底邊界熱流比值隨底邊界熱流值的變化Fig.5 (a) Schematic diagram of sediment thermal blanketing model, and (b) ratio of heat flow at the top and bottom of the model versus the bottom boundary conditions

SlugSed方法(Hutnak et al, 2007)可以依據不同基底的熱物理性質條件, 計算沉積物熱披覆效應對海底熱流的影響?？紤]到基底熱導率對計算結果影響較小, 一般介于2%～4%(Hutnak et al, 2007), 故本文忽略模型基底熱導率變化的影響, 其熱導率取值2.0W·m-1·K-1。根據地震剖面顯示(圖4b), 海槽南端的文萊滑坡在海槽底部形成了約100m厚的沉積層,由于滑坡體滑塌的時間普遍較短, 本文把滑坡體滑塌過程中沉積物在海槽底部的堆積速率近似為恒定常數(shù)。如果該100m厚的沉積物分別在1a、10a和100a時間段內堆積完成, 那么對應的平均堆積速率分別為100m·a-1、10m·a-1及1m·a-1。相對于滑坡沉積物的快速堆積, 滑坡滑塌結束后的正常沉積速率很小, 約為6～20cm·ka-1(Gee et al, 2007), 經計算發(fā)現(xiàn)其對滑塌結束后海底熱流恢復的影響小于1 %,因而計算過程中忽略滑坡滑塌結束后的正常沉積過程。模型假定滑坡體沉積物主要為砂質沉積物(Ingram et al, 2004), 模型參數(shù)取值見表2。

表2 滑坡體熱披覆效應影響分析模型的參數(shù)與取值Tab. 2 Parameters and values used in the landslide thermal blanketing model

3.2 居里面深度計算

巖石圈中磁性礦物因溫度升高而失去磁性的深度界面被稱為居里面, 通常認為磁性地層的底界面為居里溫度界面。因此, 如果能獲得磁性層的底界,則可以對研究區(qū)深部熱狀態(tài)進行約束。居里面深度可利用區(qū)域磁異常的頻譜分析獲得, 本文采用Salem等(2014)提出的“去分形法”計算南沙海槽及其鄰近區(qū)域的居里面深度。

依據Salem等(2014)的去分形方法, 當磁性層磁化強度在x和y方向上具有分形特征, 而在豎直方向上表現(xiàn)為完全隨機分布時, 其磁異常強度功率譜ΦF(kx,ky)可以表示為:

式中:α為該磁性層平面上的分形指數(shù),Φ(kx,ky)為磁化強度完全隨機分布時的磁異常強度功率譜, 其計算公式為:

式中:A是與磁化方向和地磁場方向有關的常數(shù),ΦM(kx,ky)為磁化強度M(x,y)的功率譜,zt與zb分別為磁性層的頂、底界深度,kx和ky分別是x和y方向上的波數(shù), 并且有:

當磁化強度完全隨機分布時,ΦM(kx,ky)為常數(shù)(Tanaka et al, 1999), 這時磁異常強度的徑向平均功率譜為:

式中: A′為常數(shù)。在中、高波數(shù)域, 即當波長小于兩倍磁性層厚度時, 公式(11)可近似變?yōu)?

式中: B為常數(shù)。

對公式(13)兩邊取對數(shù)可得:

采用去分形法計算時, 通過不斷調整分形指數(shù)α, 當實測功率譜和理論功率譜一致時, 即可獲得磁性層底界深度。具體步驟為: 首先假設一個較小的分形指數(shù)α(Salem et al, 2014), 根據式(8)計算實測磁異常的去分形功率譜Φ; 在給定波數(shù)域內利用公式(15)計算得到磁性層底界深度zb, 并計算出理論功率譜ΦMod; 對比實測功率譜Φ和理論功率譜ΦMod, 當Φ與ΦMod一致時所得到的zb即為磁性層的底界深度, 如果兩者一致性達不到目標值, 則按步長修正分形指數(shù)α; 重復前述過程, 直至觀測和理論功率譜的一致性達到目標值。

居里面計算所采用的磁異常數(shù)據為最新全球磁異常數(shù)據EMAG2v3(Meyer et al, 2017), 分辨率為2'(圖6a)。為保證計算結果的準確性, 計算窗口避開了區(qū)內無磁異常數(shù)據的區(qū)域。同時為滿足窗口尺寸至少大于居里面深度6～10倍的計算要求(Ravat et al,2007; Salem et al, 2014), 本次計算窗口大小定為256km×256km, 以保證獲取足夠深的磁性層底界,且相鄰兩個窗口之間有50%的重疊, 即窗口在x和y方向的移動步長均為128km(圖6a)。

圖6 南沙及其鄰近區(qū)域的磁異常分布(a)和計算獲得的居里面深度分布(b)該圖基于中國地質調查局廣州海洋地質調查局編制出版的南海暈渲地形圖制作, 審圖號為JS(2015)02-107, 底圖無修改。圖a中磁異常數(shù)據來源于Meyer等(2017); 圖b中洋紅色曲線為3000m等深線, 藍色虛線為南沙海槽區(qū)2000m等深線, 紅色實線為區(qū)域斷裂, 黑色直線為圖2的剖面位置Fig.6 (a) Map of total field magnetic anomalies, and (b) Curies depth in Nansha and its adjacent area

4 結果與討論

4.1 滑坡沉積物堆積對海底熱流的影響

圖7為3種堆積速率下, 南沙海槽深水區(qū)文萊滑坡沉積物對海底熱流的影響程度及其隨時間的變化曲線。根據該圖顯示, 在滑坡體發(fā)育時, 由于沉積物堆積速率很大, 新堆積的沉積物不能被及時加熱,海底熱流在沉積物堆積過程中明顯降低; 滑塌結束后, 模型假定沒有新的沉積, 滑塌沉積物被緩慢加熱, 海底熱流逐漸恢復。如圖7a所示, 不同堆積速率對海底熱流降低過程有較大的影響。當堆積速率較大時, 如100m·a-1和10m·a-1時(相當于滑坡發(fā)育持續(xù)1a和10a), 由于沉積物快速堆積, 海底熱流迅速降低; 而當堆積速率較小時, 如1m·a-1時(相當于滑坡發(fā)育持續(xù)100a), 海底熱流先快速降低然后再緩慢降低, 滑塌結束時海底熱流降至最低。由于不同堆積速率下沉積物被加熱的時間不同, 因而滑塌結束后海底熱流的恢復過程亦存在差別, 然而這種差別僅存在于滑坡形成后的幾百年內。如圖7a所示,在滑塌開始后600a內, 海底熱流的恢復曲線有明顯的差別, 約600a后不同堆積速率對海底熱流的影響程度近于相同。

總體上, 在深部熱狀態(tài)一定并且海底熱流僅受文萊滑坡沉積物快速堆積的熱披覆作用影響時, 不論滑塌時間持續(xù)多長, 南沙海槽深水區(qū)海底熱流均會在沉積物快速堆積過程中降低, 在約1200a后恢復至深部熱流的50%, 而要恢復至90%則至少需要40ka。Gee等(2007)根據文萊滑坡上覆沉積層的厚度估算其年齡為2000～7000a, 由圖7b可推測, 現(xiàn)今海槽底部深水區(qū)文萊滑坡體上的海底熱流僅恢復至深部熱流的60%～77%, 說明該滑坡體形成過程中的沉積物快速堆積對現(xiàn)今南沙海槽底部深水區(qū)海底熱流仍具有較大的影響。

圖7 沉積物堆積速率對海底熱流的影響圖a為滑坡開始形成后1000a內海底熱流恢復程度隨時間的變化, 不同曲線分別代表不同的沉積物堆積速率。圖b和圖c分別為滑坡開始形成后100ka和10ka內海底熱流恢復程度隨時間的變化, 圖b中灰色區(qū)域為圖c的時間跨度, 圖c中灰色區(qū)域為估算的文萊滑坡的年齡范圍Fig.7 Effects of different accumulation rates on heat flow

4.2 南沙地塊居里面深度變化

圖6b為計算得到的南沙及其鄰近區(qū)域的居里面深度分布圖。圖中顯示, 南沙及其鄰近區(qū)域的居里面埋深介于12～24km之間, 其中南沙群島的居里面較深, 南沙海槽以及西巴蘭線的居里面相對較淺。

南沙群島海區(qū)的居里面深度在18～24km之間(圖2), 其中鄭和群礁及禮樂灘等地殼較厚的區(qū)域,其居里面深度最大(大于22km), 位于永暑礁南側ODP1143井之下的居里面埋深約20km(圖6b)。據ODP Leg 184航次報告顯示, 1143鉆井水深2772m,沉積物厚度約1250m(Wang et al, 2000), 地震剖面揭示該區(qū)域莫霍面埋深約18km, 上、下地殼厚度分別約7km和7.5km(圖2)。一維熱傳導方程計算結果顯示, 當頂部溫度為3℃, 底部熱流為66mW·m-2, 各層巖石的熱物性依據表3取值時, 可擬合鉆井實測熱流值為84mW·m-2, 此時580℃(居里溫度)的溫度界面埋深約20km(圖8a), 與居里面計算結果相當,說明本次計算得到的居里面深度與該區(qū)溫度結構具有良好的對應關系。

表3 一維地溫場計算參數(shù)值Tab. 3 Parameter values used for 1D temperature calculation

由南沙群島至南沙海槽區(qū)域, 居里面抬升至莫霍面以上, 埋深小于16km, 與地殼的減薄趨勢相當(圖2)。根據地震剖面顯示, 南沙海槽內沉積層較厚,約為5.5km, 上、下地殼厚度分別為4.7km和8.2km(圖2)。在一維熱傳導條件下, 當海底溫度取3℃, 底部邊界熱流取71mW·m-2時, 580℃等值線埋深約為 16km(圖 8b), 此時頂邊界熱流約為90mW·m-2, 說明南沙海槽穩(wěn)態(tài)熱狀態(tài)下應具有較高的熱流值, 但受沉積物快速堆積的熱披覆作用影響, 海槽底部滑坡范圍內的熱流測量值相對較低。

西巴蘭線位于南沙海域的西南緣, 可能是一條切穿地殼的NW向走滑斷裂帶(熊莉娟 等, 2012; 趙斐宇 等, 2017), 沿斷裂帶居里面深度在16km以淺。該斷裂帶是古南海向南俯沖的西側界限, 斷裂兩側地殼流變性質不同(Cullen, 2014)。沿斷裂帶熱流較高(圖1), 與該線較淺的居里面深度相符。

4.3 南沙海槽深部熱狀態(tài)

上述計算結果表明, 南沙海槽底部深水區(qū)文萊滑坡范圍內較低的熱流值明顯受到了滑坡沉積物快速堆積熱披覆作用的影響。如以區(qū)內熱流觀測平均值計算(圖4a), 該區(qū)深部熱流介于77～98mW·m-2之間, 表現(xiàn)為較高的熱背景。如圖4b所示, 除文萊滑坡以外, 海槽內還發(fā)育有多期的古滑坡, 這些更早期的古滑坡活動對現(xiàn)今海底熱流可能也有一定的熱披覆效應, 說明海槽底部深水區(qū)可能具有更高的深部背景熱流。依據南沙海槽區(qū)較淺的居里面埋深,當沒有沉積物堆積的熱披覆效應影響時, 海槽區(qū)的海底熱流值可能達到90mW·m-2左右(圖8b), 與文萊滑坡區(qū)沉積物熱披覆效應分析得到的深部背景熱流值相當。據圖8中的計算結果顯示, 南沙海槽現(xiàn)今熱流大部分來源于深部地幔(分別為66mW·m-2和71mW·m-2), 也說明南沙海槽區(qū)深部具有較高的熱背景。

圖8 ODP1143井(a)和南沙海槽區(qū)域(b)的一維穩(wěn)態(tài)地溫場一維模型的頂邊界為定溫度邊界, 溫度為3℃, 底邊界為熱流邊界。圖中紅色線為580℃溫度線Fig.8 One-dimensional steady state temperature field at (a) ODP 1143 drill and (b) in the Nansha Trough

南沙海槽區(qū)的高背景熱流與其新生代構造演化過程相符。現(xiàn)今南海海底擴張之前, 其南側的古南海于始新世開始向南俯沖于西北婆羅洲之下(Hall et al, 2017), 南沙地塊與現(xiàn)今南海北部陸緣一起經歷了強烈的拉張減薄作用。在巖石圈拉張減薄過程中,深部地幔上涌, 南沙地塊熱流及深部溫度持續(xù)升高(趙長煜 等, 2014; Tang et al, 2014; 施小斌 等,2020)。漸新世至早中新世期間, 南沙島礁區(qū)隨著古南海的拖曳作用和南海海盆的擴張逐漸向南漂移,并于早中新世末與婆羅洲碰撞(Hall et al, 2017)。地震剖面顯示, 南沙海槽地殼已經被強烈減薄, 現(xiàn)今海槽區(qū)及南側沖斷帶之下的地殼厚度僅約8～9km(圖2)。因而南沙海槽內較高的深部熱狀態(tài)與其地殼的減薄特征相符, 是新生代華南陸緣裂解及南海形成過程中地殼裂陷作用的結果, 海槽底部滑坡范圍內現(xiàn)今較低的熱流觀測值主要受來自東南側沉積物的熱披覆作用影響。

現(xiàn)今南沙海槽是在強烈減薄陸殼基礎上, 受沉積物(尤其是東南側推覆體)負載作用而撓曲下沉形成的前陸盆地(韓冰 等, 2015; 張健 等, 2017), 其下為中中新世之前發(fā)育的被動大陸邊緣裂陷盆地。撓曲盆地的寬度和撓曲深度不僅與負載大小有關,而且與其巖石圈強度密切相關。在負載分布一定的情況下, 巖石圈強度越小, 盆地寬度越小, 盆地則越深。由于巖石圈強度與溫度密切相關, 因此具有高背景熱流的區(qū)域往往具有較低的巖石圈強度(馬輝 等, 2011; 陳波, 2013; 張健 等, 2017)。依據重力異常和地形數(shù)據譜分析獲得的南沙海槽區(qū)有效彈性厚度僅約15km (Shi et al, 2017), 這亦表明研究區(qū)具有較低的巖石圈強度和較高的背景熱流。因此, 現(xiàn)今南沙海槽的寬度、基底埋深以及前隆位置與其較低的巖石圈強度和深部高熱背景密切相關。

5 結論

本文利用數(shù)值模擬方法分析了文萊滑坡沉積物的堆積對南沙海槽深水區(qū)海底熱流值的影響, 通過磁異常數(shù)據分析獲取了研究區(qū)的居里面深度, 并在此基礎上明確了南沙海槽的深部熱狀態(tài)。主要結論如下:

1) 受沉積物快速堆積的影響, 南沙海槽底部文萊滑坡范圍內的海底熱流在滑坡發(fā)育時明顯降低,在滑坡體活動停止后又逐漸升高, 其現(xiàn)今海底熱流僅恢復至深部熱流的60%～77%。依據該區(qū)的熱流測量平均值(59mW·m-2)估算, 海槽深部熱流約為77～98mW·m-2。

2) 南沙及其鄰近區(qū)域的居里面埋深介于12～24km之間, 其中南沙群島內居里面深度約18～24km,南沙海槽內居里面深度相對較淺, 在16km以上。南沙地塊內居里面深度與其溫度結構有良好的對應關系。

3) 依據南沙海槽居里面深度和實測海底熱流的分析結果, 可推測南沙海槽深部具有較高的背景熱流。該區(qū)較高的深部熱狀態(tài)與其超薄的地殼厚度對應, 是新生代以來區(qū)域構造演化過程中地殼裂陷減薄作用的結果。