南海共軛陸緣構造不對稱性研究及其成因的數值模擬

董冬冬, 錢 進, Marta Pérez-Gussinyé, 盧志君, 欒 奕,

(1.中國科學院 海洋研究所 海洋地質與環境重點實驗室, 山東 青島 266071; 2.Royal Holloway, University of London, Egham TW20 OBD, UK; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

巖石圈在水平拉張力的作用下會發生伸展變形,以致形成裂陷盆地, 但是在多因素的影響下, 巖石圈的拉張形式會存在很大的差異, 因此學者致力于提出不同模型解釋不同的裂陷盆地結構。英國學者McKenzie根據大陸純剪切伸展模式建立了巖石圈伸展量與裂陷盆地的沉降量以及后裂陷階段熱沉降量之間的定量模型[1], 在解釋被動大陸邊緣的地殼減薄、張裂和沉降方面發揮了重要作用[2-3], 但它僅適用于完全對稱的純剪拉張模型, 很難解釋非對稱共軛陸緣的結構, 從而引發了學者對共軛陸緣不對稱性及其張裂模式的探討[4-7]。近年來多篇發表于《Nature》的文章研究了非火山型被動陸緣的不對稱性并對其張裂機制進行了有益的探討[8-9], 因此被動陸緣的不對稱性研究日益成為國際研究的熱點問題。

既然不對稱陸緣廣泛存在, 那么是什么機制造成了這種陸緣的形成？此問題必然引起學者的重視,而數值模擬方法在這方面具有很大的優勢。我國南海發育類似非火山型的陸緣, 年齡新、規模小, 陸緣構造保存較好, 便于進行共軛陸緣的對比[10]。本文將綜述國內外針對共軛陸緣構造開展的對比研究, 介紹數值模擬在南海陸緣演化及其成因機制研究中的作用, 并重點介紹南海共軛陸緣的相關研究進展。

1 共軛陸緣的構造演化特征研究

在共軛陸緣的對比研究中, 北大西洋兩岸的西伊比利亞-紐芬蘭共軛陸緣是研究程度較高的地區之一, 因為該區有3條美國大洋計劃(ODP)剖面和多個ODP鉆孔, 并且開展過大量的地球物理綜合調查。深反射地震剖面顯示, 西伊比利亞陸緣發育很多深大斷裂, 陸緣厚度由陸向海逐漸變薄, 而與之對應的紐芬蘭共軛陸緣則顯示為陸緣厚度由陸向海急劇變薄, 且只發生了小規模的斷陷作用[11], 這是典型的不對稱型共軛陸緣。陸緣張裂過程被發現存在地殼伸展的差異性, 即地殼減薄的程度比脆性斷裂導致的拉張量要大[12-14]。這種伸展差異通常被解釋為脆性和塑性地殼層的差異性拉張, 但這并不容易解釋共軛陸緣典型的不對稱性結構。Ranero等[8]利用橫跨共軛陸緣的深度剖面精確測量了斷裂的拉張量, 并與地殼減薄作對比發現, 如果在陸緣張裂過程中發育順序斷裂(sequential fault), 即不同斷裂的活動時代不同, 就可以解釋斷裂控制的地殼減薄(從裂谷盆地發展到不對稱結構)和共軛張裂陸緣的強烈減薄, 有助于解釋伸展差異性的形成機制。陸緣的不對稱結構受控于大陸巖石圈在裂離之前的主要拉張模式, 在眾多的影響因素中, 裂前的地殼結構對于控制大陸張裂的過程發揮著重要的作用。Corti等[15]利用物理模擬方法, 研究了不對稱莫霍面在控制不對稱陸緣發育過程中的作用, 張裂過程中的不對稱性包括三個方面: 邊界斷層產生的拉張量、巖石圈減薄或軟流圈上涌的類型以及巖漿運移的軌跡。這些成果為我們研究南海陸緣的構造不對稱性提供了很好的新思路。

Huismans[5,9,16]和 Pérez-Gussinyé[17]等學者針對非火山型被動陸緣的巖石圈動力學開展了較為細致的數值模擬研究。采用任意拉格朗日-歐拉(ALE)有限元方法求解不可壓縮黏塑性蠕流方程及熱演化方程, 可以模擬不同流變學結構的巖石圈拉張[5,16]。結果顯示, 巖石圈拉張速率的變化引起流變學的變化,進而影響拉張模式, 形成不對稱的陸緣。根據大量的模擬結果, Huismans集中研究了2類非火山型大陸邊緣的特征, 稱之為I型和II型(圖1)[9]。2類陸緣模型分別基于伊比利亞-紐芬蘭共軛陸緣和南大西洋陸緣中部的實際觀測而建立, 兩種類型的陸緣在多個構造部位存在差異。I型巖石圈是由脆性到韌性的巖層相互緊密黏合而成的層狀構造, 僅在底部比較軟弱。拉張過程中上層早于下層發生破裂, 從而發生地幔巖石圈的剝露。II型巖石圈具有三明治結構,軟弱的下地殼黏性層夾在上下兩層堅硬層之間。拉張期間, 上下巖石圈在很寬的區域內發生解耦。下巖石圈發生解體時, 上巖石圈僅僅減薄了很小的量,地殼很晚才發生破裂, 從而形成超寬的陸緣。兩種類型的張裂陸緣在很多構造部位均發育了不同的構造特征(圖1)。

圖1 I型(a)和II型(b)非火山型大陸邊緣的構造特征[9]

Pérez-Gussinyé運用有限元方法求解二維牛頓黏性流方程, 同時用有限差分技術求解熱平流和擴散方程, 方法和 Huismans的具有一定的相似性, 但研究目標集中在模擬西伊比利亞陸緣拉張過程中發生的關鍵的流變學和化學變化[17]。模擬發現, 拉張速率、地幔組分和溫度控制著非火山型大陸邊緣的演化過程。應用數值模擬方法開展非火山型被動陸緣的巖石圈動力學研究已日益成為國際的研究熱點。

2 南海陸緣的構造不對稱性研究

南海共軛陸緣的地殼結構具有不對稱性, 對它的研究有利于深刻揭示陸緣演化的歷史和成因機制,具有重要的科學意義。南海海盆由東向西呈現漸進式擴張[18], 因此南海共軛陸緣既存在南北向的差異,也具有東西向的差異。近年來, 隨著我國大陸邊緣973項目的開展, 在南海陸緣獲得了許多新的地球物理資料, 包括重磁震和海底地震儀(Ocean Bottom Seismometer, OBS)數據等, 并取得一系列重要成果,南海共軛陸緣結構不對稱性的研究也引起了國內外學者的關注[19-26]。

國內學者早期針對南海共軛陸緣開展了地殼結構的對比研究工作[19], 通過重磁、OBS和水深數據分析了南海共軛大陸邊緣的地殼結構, 反演了密度與磁性結構, 對比研究認為南北陸緣均應以非火山型構造屬性為主, 地殼結構可劃分為減薄陸殼、洋陸殼轉換帶、洋殼及拉張裂谷等類型。通過共軛對比, Yan等[19]對南海陸緣的張裂模式也進行了探討。綜合973項目的成果, 李家彪等[18,27]研究了南海海底擴張的演化模式。Dong等[26]利用南海南北共軛陸緣的綜合地球物理數據, 分別在東部次海盆、西南次海盆東部和西部選取典型剖面, 揭示了南海不同陸緣在海底地貌、斷裂發育及深部構造發育方面具有空間差異性, 在新生代經歷了不同的演化過程, 由此提出一種差異伸展模式解釋其成因(圖2), 認為拆離斷層在南海新生代演化過程中發揮了重要的作用。最近2年來, 中國科學院和中海油公司對南海中南部盆地構造開展聯合調查, 采集了大量一手的高質量綜合地球物理數據, 大大豐富了南海陸緣構造對比的基礎資料。

圖2 南海的差異性伸展模式圖, 據Dong等[26]修改

隨著綜合地球物理資料的不斷豐富, 早期研究較少的南海南部陸緣日益受到學者的關注[23,28-30]。通過研究南海南部陸緣的構造變形特征, 在地殼深部識別了拆離斷層體系[29]; 破裂不整合與碰撞不整合的構造分析結果顯示, 南沙地塊內的破裂不整合面存在穿時現象[28]。利用橫跨南海西南次海盆的OBS數據獲得了沿測線的二維縱波速度結構, 發現南北陸緣的下地殼均未發育高速層, 說明兩側陸緣地殼下部的巖漿底侵都不發育, 但兩者在結構上還是存在較大差別, 可能反映了西南次海盆的南北陸緣是一對非火山型不對稱拉張的共軛大陸邊緣[23]。

國外學者也對南海陸緣構造差異性這一科學問題開展了研究。Franke等[25]認為南海張裂陸緣最顯著的特征是殼幔邊界起伏不平。初始裂陷過程在地殼尺度上大體對稱, 在將來形成洋陸轉換帶的區域, 盆地邊界斷層的任意一側后來穿透整個地殼, 在這個位置形成不對稱結構。然而, 大尺度拆離斷裂控制的不對稱變形僅僅局限在一個狹窄的區域, 而沿陸緣方向的構造差異造成了“上下板塊”陸緣的交替發育, 沒有在整個陸緣尺度發育單一的單剪模式。

總體來講, 目前對南海陸緣的構造不對稱性研究尚不夠深入, 而且大多集中在利用重磁和速度資料研究地殼的深部結構。事實上, 深部地殼結構制約著淺部沉積地層結構甚至海底地形, 利用多波束和多道地震數據開展精細海底地形和沉積地層結構研究有利于揭示地殼的深部信息, 而且有助于解釋不對稱性陸緣的形成模式。

3 數值模擬在南海陸緣演化中的應用

數值模擬方法在研究不對稱共軛陸緣的形成機制方面具有很大的優勢, 在建立陸緣結構的流變性模型基礎上, 修改參數和邊界條件求解動力學方程, 力求模擬和觀測結果達到最大程度的擬合, 分階段模擬陸緣的演化過程, 從而分析控制陸緣形成的因素。國外學者在這方面做了很多基礎性的研究工作[5,9,16-17,31-32], 也證實了數值模擬手段在闡明陸緣成因機制方面的有效性。

在利用數值模擬方法開展南海巖石圈的動力學研究方面, 熱模擬發揮了重要作用。何麗娟采用黏彈性動力學模型模擬研究了巖石圈流變性對拉張盆地構造熱演化的影響[33]。模擬研究發現, 初始巖石圈的力學厚度、泊松比以及軟流圈的負密度差都是影響盆地構造熱演化歷史的因素; 拉張前斷層的存在也是影響盆地基底形態的重要因素。張健等[34,35]對南海的西南次海盆開展了熱模擬的研究, 重點研究了海底擴張期后的殼幔熱結構與熱演化過程, 計算結果表明西南海盆中央殘余擴張脊之下具備產生擴張期后巖漿熔融的溫度條件, 在局部斷裂的拉張背景下可以產生強烈的巖漿活動, 從而形成海山。

目前, 針對南海成因機制的數值模擬研究[34-36]總體處于研究初始階段, 尤其是針對不對稱陸緣形成的運動學和動力學綜合成因方面, 幾乎沒有開展過數值模擬工作, 因此也使得在南海成因方面至今仍存在很大爭議。此外, 與世界其他非火山型陸緣類似, 南海陸緣同樣發現脆性上地殼的拉張程度與地殼減薄程度之間存在差異[25,30], 如何解釋這一觀測結果也成為國內外學者關注的問題, 而數值模擬在這方面同樣具備優勢。

綜上所述, 目前關于共軛被動陸緣的不對稱性和數值模擬研究已成為國際研究熱點, 近 2年來不斷有很好的研究工作得以發表。我國南海由于其獨有的優勢, 勢必將成為共軛被動陸緣構造研究的熱點地區之一, 但目前有關南海共軛陸緣構造不對稱性的研究才剛剛開始, 還有大量的工作需要開展。為解決一些南海陸緣張裂過程中的關鍵科學問題, 如上下地殼的伸展差異性和陸緣形成的主控因素等, 急需在構造不對稱研究的基礎之上開展陸緣成因的數值模擬工作。

4 研究展望

基于目前的研究現狀, 很有必要從探討陸緣張裂模式的角度出發, 利用多波束、重磁、多道地震和OBS數據, 由淺及深綜合開展南海共軛陸緣的不對稱性對比工作。研究內容包括結構的差異和運動學特征的對比, 既考慮南北共軛的差異也應兼顧東西向的變化; 在此基礎上進一步探討其動力學成因,而數值模擬方法可以作為優先選用的方法, 這對于揭示南海陸緣的成因及演化機制具有重要的科學意義。

為保證研究的廣度和可信度, 主要基礎研究數據選擇廣泛分布在南北陸緣的多道地震剖面, 長度不少于 2 000 km; 為保證研究的精度和深度, 可重點解剖深水區的 4~6條典型剖面, 其中南北共軛陸緣各2~3條, 兼顧東西向的均勻布設。另外, 分布在南北陸緣的鉆井數據可以為地球物理解釋提供重要的參考, OBS數據可以為深部結構研究提供約束。研究測線及鉆井等的位置分布如圖3所示, 具體包括以下4個方面。

圖3 研究測線及鉆井位置圖

4.1 淺部沉積盆地構造

以鉆井數據為約束對地震測線進行地球物理解釋, 查明不同時期沉積界面的特征及地質結構; 利用多波束及區域重磁數據, 分析海底構造單元及斷裂展布。

4.2 深部地殼結構研究

收集深部折射及OBS數據, 分析地殼的速度結構及莫霍面形態; 對典型測線深度結構開展重磁震聯合反演, 揭示共軛陸緣地殼的南北及東西向構造差異。

4.3 運動學特征分析

選取典型地震剖面, 以巖石圈尺度的撓曲懸臂梁模型為基礎開展陸緣張裂的正反演研究, 恢復其構造發育史, 對比分析共軛陸緣的運動學特征及差異。

4.4 運動學與動力學結合的數值模擬

建立共軛陸緣巖石圈的流變學模型, 通過求解非牛頓粘性流方程, 模擬下地殼和巖石圈地幔對斷裂作用的響應以及應變軟化過程, 闡明陸緣形成的主控因素。

以上研究工作有望解決南海共軛陸緣演化方面的 2個關鍵科學問題: (1)如何在多種地球物理數據約束下精細刻畫南海共軛陸緣的構造不對稱性, 包括淺部沉積層和深部地殼在結構和運動學方面的差異; (2)如何建立合理的流變學模型來模擬上地殼斷裂在巖石圈下部塑性層中誘發應變軟化的過程, 從而揭示不對稱性陸緣的形成機制。

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