南海共轭陆缘构造不对称性研究及其成因的数值模拟

董冬冬, 钱 进, Marta Pérez-Gussinyé, 卢志君, 栾 奕,

(1.中国科学院 海洋研究所 海洋地质与环境重点实验室, 山东 青岛 266071; 2.Royal Holloway, University of London, Egham TW20 OBD, UK; 3.中国科学院大学, 北京 100049)

岩石圈在水平拉张力的作用下会发生伸展变形,以致形成裂陷盆地, 但是在多因素的影响下, 岩石圈的拉张形式会存在很大的差异, 因此学者致力于提出不同模型解释不同的裂陷盆地结构。英国学者McKenzie根据大陆纯剪切伸展模式建立了岩石圈伸展量与裂陷盆地的沉降量以及后裂陷阶段热沉降量之间的定量模型[1], 在解释被动大陆边缘的地壳减薄、张裂和沉降方面发挥了重要作用[2-3], 但它仅适用于完全对称的纯剪拉张模型, 很难解释非对称共轭陆缘的结构, 从而引发了学者对共轭陆缘不对称性及其张裂模式的探讨[4-7]。近年来多篇发表于《Nature》的文章研究了非火山型被动陆缘的不对称性并对其张裂机制进行了有益的探讨[8-9], 因此被动陆缘的不对称性研究日益成为国际研究的热点问题。

既然不对称陆缘广泛存在, 那么是什么机制造成了这种陆缘的形成？此问题必然引起学者的重视,而数值模拟方法在这方面具有很大的优势。我国南海发育类似非火山型的陆缘, 年龄新、规模小, 陆缘构造保存较好, 便于进行共轭陆缘的对比[10]。本文将综述国内外针对共轭陆缘构造开展的对比研究, 介绍数值模拟在南海陆缘演化及其成因机制研究中的作用, 并重点介绍南海共轭陆缘的相关研究进展。

1 共轭陆缘的构造演化特征研究

在共轭陆缘的对比研究中, 北大西洋两岸的西伊比利亚-纽芬兰共轭陆缘是研究程度较高的地区之一, 因为该区有3条美国大洋计划(ODP)剖面和多个ODP钻孔, 并且开展过大量的地球物理综合调查。深反射地震剖面显示, 西伊比利亚陆缘发育很多深大断裂, 陆缘厚度由陆向海逐渐变薄, 而与之对应的纽芬兰共轭陆缘则显示为陆缘厚度由陆向海急剧变薄, 且只发生了小规模的断陷作用[11], 这是典型的不对称型共轭陆缘。陆缘张裂过程被发现存在地壳伸展的差异性, 即地壳减薄的程度比脆性断裂导致的拉张量要大[12-14]。这种伸展差异通常被解释为脆性和塑性地壳层的差异性拉张, 但这并不容易解释共轭陆缘典型的不对称性结构。Ranero等[8]利用横跨共轭陆缘的深度剖面精确测量了断裂的拉张量, 并与地壳减薄作对比发现, 如果在陆缘张裂过程中发育顺序断裂(sequential fault), 即不同断裂的活动时代不同, 就可以解释断裂控制的地壳减薄(从裂谷盆地发展到不对称结构)和共轭张裂陆缘的强烈减薄, 有助于解释伸展差异性的形成机制。陆缘的不对称结构受控于大陆岩石圈在裂离之前的主要拉张模式, 在众多的影响因素中, 裂前的地壳结构对于控制大陆张裂的过程发挥着重要的作用。Corti等[15]利用物理模拟方法, 研究了不对称莫霍面在控制不对称陆缘发育过程中的作用, 张裂过程中的不对称性包括三个方面: 边界断层产生的拉张量、岩石圈减薄或软流圈上涌的类型以及岩浆运移的轨迹。这些成果为我们研究南海陆缘的构造不对称性提供了很好的新思路。

Huismans[5,9,16]和 Pérez-Gussinyé[17]等学者针对非火山型被动陆缘的岩石圈动力学开展了较为细致的数值模拟研究。采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)有限元方法求解不可压缩黏塑性蠕流方程及热演化方程, 可以模拟不同流变学结构的岩石圈拉张[5,16]。结果显示, 岩石圈拉张速率的变化引起流变学的变化,进而影响拉张模式, 形成不对称的陆缘。根据大量的模拟结果, Huismans集中研究了2类非火山型大陆边缘的特征, 称之为I型和II型(图1)[9]。2类陆缘模型分别基于伊比利亚-纽芬兰共轭陆缘和南大西洋陆缘中部的实际观测而建立, 两种类型的陆缘在多个构造部位存在差异。I型岩石圈是由脆性到韧性的岩层相互紧密黏合而成的层状构造, 仅在底部比较软弱。拉张过程中上层早于下层发生破裂, 从而发生地幔岩石圈的剥露。II型岩石圈具有三明治结构,软弱的下地壳黏性层夹在上下两层坚硬层之间。拉张期间, 上下岩石圈在很宽的区域内发生解耦。下岩石圈发生解体时, 上岩石圈仅仅减薄了很小的量,地壳很晚才发生破裂, 从而形成超宽的陆缘。两种类型的张裂陆缘在很多构造部位均发育了不同的构造特征(图1)。

图1 I型(a)和II型(b)非火山型大陆边缘的构造特征[9]

Pérez-Gussinyé运用有限元方法求解二维牛顿黏性流方程, 同时用有限差分技术求解热平流和扩散方程, 方法和 Huismans的具有一定的相似性, 但研究目标集中在模拟西伊比利亚陆缘拉张过程中发生的关键的流变学和化学变化[17]。模拟发现, 拉张速率、地幔组分和温度控制着非火山型大陆边缘的演化过程。应用数值模拟方法开展非火山型被动陆缘的岩石圈动力学研究已日益成为国际的研究热点。

2 南海陆缘的构造不对称性研究

南海共轭陆缘的地壳结构具有不对称性, 对它的研究有利于深刻揭示陆缘演化的历史和成因机制,具有重要的科学意义。南海海盆由东向西呈现渐进式扩张[18], 因此南海共轭陆缘既存在南北向的差异,也具有东西向的差异。近年来, 随着我国大陆边缘973项目的开展, 在南海陆缘获得了许多新的地球物理资料, 包括重磁震和海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer, OBS)数据等, 并取得一系列重要成果,南海共轭陆缘结构不对称性的研究也引起了国内外学者的关注[19-26]。

国内学者早期针对南海共轭陆缘开展了地壳结构的对比研究工作[19], 通过重磁、OBS和水深数据分析了南海共轭大陆边缘的地壳结构, 反演了密度与磁性结构, 对比研究认为南北陆缘均应以非火山型构造属性为主, 地壳结构可划分为减薄陆壳、洋陆壳转换带、洋壳及拉张裂谷等类型。通过共轭对比, Yan等[19]对南海陆缘的张裂模式也进行了探讨。综合973项目的成果, 李家彪等[18,27]研究了南海海底扩张的演化模式。Dong等[26]利用南海南北共轭陆缘的综合地球物理数据, 分别在东部次海盆、西南次海盆东部和西部选取典型剖面, 揭示了南海不同陆缘在海底地貌、断裂发育及深部构造发育方面具有空间差异性, 在新生代经历了不同的演化过程, 由此提出一种差异伸展模式解释其成因(图2), 认为拆离断层在南海新生代演化过程中发挥了重要的作用。最近2年来, 中国科学院和中海油公司对南海中南部盆地构造开展联合调查, 采集了大量一手的高质量综合地球物理数据, 大大丰富了南海陆缘构造对比的基础资料。

图2 南海的差异性伸展模式图, 据Dong等[26]修改

随着综合地球物理资料的不断丰富, 早期研究较少的南海南部陆缘日益受到学者的关注[23,28-30]。通过研究南海南部陆缘的构造变形特征, 在地壳深部识别了拆离断层体系[29]; 破裂不整合与碰撞不整合的构造分析结果显示, 南沙地块内的破裂不整合面存在穿时现象[28]。利用横跨南海西南次海盆的OBS数据获得了沿测线的二维纵波速度结构, 发现南北陆缘的下地壳均未发育高速层, 说明两侧陆缘地壳下部的岩浆底侵都不发育, 但两者在结构上还是存在较大差别, 可能反映了西南次海盆的南北陆缘是一对非火山型不对称拉张的共轭大陆边缘[23]。

国外学者也对南海陆缘构造差异性这一科学问题开展了研究。Franke等[25]认为南海张裂陆缘最显著的特征是壳幔边界起伏不平。初始裂陷过程在地壳尺度上大体对称, 在将来形成洋陆转换带的区域, 盆地边界断层的任意一侧后来穿透整个地壳, 在这个位置形成不对称结构。然而, 大尺度拆离断裂控制的不对称变形仅仅局限在一个狭窄的区域, 而沿陆缘方向的构造差异造成了“上下板块”陆缘的交替发育, 没有在整个陆缘尺度发育单一的单剪模式。

总体来讲, 目前对南海陆缘的构造不对称性研究尚不够深入, 而且大多集中在利用重磁和速度资料研究地壳的深部结构。事实上, 深部地壳结构制约着浅部沉积地层结构甚至海底地形, 利用多波束和多道地震数据开展精细海底地形和沉积地层结构研究有利于揭示地壳的深部信息, 而且有助于解释不对称性陆缘的形成模式。

3 数值模拟在南海陆缘演化中的应用

数值模拟方法在研究不对称共轭陆缘的形成机制方面具有很大的优势, 在建立陆缘结构的流变性模型基础上, 修改参数和边界条件求解动力学方程, 力求模拟和观测结果达到最大程度的拟合, 分阶段模拟陆缘的演化过程, 从而分析控制陆缘形成的因素。国外学者在这方面做了很多基础性的研究工作[5,9,16-17,31-32], 也证实了数值模拟手段在阐明陆缘成因机制方面的有效性。

在利用数值模拟方法开展南海岩石圈的动力学研究方面, 热模拟发挥了重要作用。何丽娟采用黏弹性动力学模型模拟研究了岩石圈流变性对拉张盆地构造热演化的影响[33]。模拟研究发现, 初始岩石圈的力学厚度、泊松比以及软流圈的负密度差都是影响盆地构造热演化历史的因素; 拉张前断层的存在也是影响盆地基底形态的重要因素。张健等[34,35]对南海的西南次海盆开展了热模拟的研究, 重点研究了海底扩张期后的壳幔热结构与热演化过程, 计算结果表明西南海盆中央残余扩张脊之下具备产生扩张期后岩浆熔融的温度条件, 在局部断裂的拉张背景下可以产生强烈的岩浆活动, 从而形成海山。

目前, 针对南海成因机制的数值模拟研究[34-36]总体处于研究初始阶段, 尤其是针对不对称陆缘形成的运动学和动力学综合成因方面, 几乎没有开展过数值模拟工作, 因此也使得在南海成因方面至今仍存在很大争议。此外, 与世界其他非火山型陆缘类似, 南海陆缘同样发现脆性上地壳的拉张程度与地壳减薄程度之间存在差异[25,30], 如何解释这一观测结果也成为国内外学者关注的问题, 而数值模拟在这方面同样具备优势。

综上所述, 目前关于共轭被动陆缘的不对称性和数值模拟研究已成为国际研究热点, 近 2年来不断有很好的研究工作得以发表。我国南海由于其独有的优势, 势必将成为共轭被动陆缘构造研究的热点地区之一, 但目前有关南海共轭陆缘构造不对称性的研究才刚刚开始, 还有大量的工作需要开展。为解决一些南海陆缘张裂过程中的关键科学问题, 如上下地壳的伸展差异性和陆缘形成的主控因素等, 急需在构造不对称研究的基础之上开展陆缘成因的数值模拟工作。

4 研究展望

基于目前的研究现状, 很有必要从探讨陆缘张裂模式的角度出发, 利用多波束、重磁、多道地震和OBS数据, 由浅及深综合开展南海共轭陆缘的不对称性对比工作。研究内容包括结构的差异和运动学特征的对比, 既考虑南北共轭的差异也应兼顾东西向的变化; 在此基础上进一步探讨其动力学成因,而数值模拟方法可以作为优先选用的方法, 这对于揭示南海陆缘的成因及演化机制具有重要的科学意义。

为保证研究的广度和可信度, 主要基础研究数据选择广泛分布在南北陆缘的多道地震剖面, 长度不少于 2 000 km; 为保证研究的精度和深度, 可重点解剖深水区的 4~6条典型剖面, 其中南北共轭陆缘各2~3条, 兼顾东西向的均匀布设。另外, 分布在南北陆缘的钻井数据可以为地球物理解释提供重要的参考, OBS数据可以为深部结构研究提供约束。研究测线及钻井等的位置分布如图3所示, 具体包括以下4个方面。

图3 研究测线及钻井位置图

4.1 浅部沉积盆地构造

以钻井数据为约束对地震测线进行地球物理解释, 查明不同时期沉积界面的特征及地质结构; 利用多波束及区域重磁数据, 分析海底构造单元及断裂展布。

4.2 深部地壳结构研究

收集深部折射及OBS数据, 分析地壳的速度结构及莫霍面形态; 对典型测线深度结构开展重磁震联合反演, 揭示共轭陆缘地壳的南北及东西向构造差异。

4.3 运动学特征分析

选取典型地震剖面, 以岩石圈尺度的挠曲悬臂梁模型为基础开展陆缘张裂的正反演研究, 恢复其构造发育史, 对比分析共轭陆缘的运动学特征及差异。

4.4 运动学与动力学结合的数值模拟

建立共轭陆缘岩石圈的流变学模型, 通过求解非牛顿粘性流方程, 模拟下地壳和岩石圈地幔对断裂作用的响应以及应变软化过程, 阐明陆缘形成的主控因素。

以上研究工作有望解决南海共轭陆缘演化方面的 2个关键科学问题: (1)如何在多种地球物理数据约束下精细刻画南海共轭陆缘的构造不对称性, 包括浅部沉积层和深部地壳在结构和运动学方面的差异; (2)如何建立合理的流变学模型来模拟上地壳断裂在岩石圈下部塑性层中诱发应变软化的过程, 从而揭示不对称性陆缘的形成机制。

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