賀超，龍根元，吳世敏

(1.中國(guó)科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院 南海海洋研究所，廣東 廣州510301;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049;3.海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，海南 ?？?70206;4.中山大學(xué) 地球科學(xué)系，廣東廣州510275

瓊東南盆地地殼伸展因子計(jì)算及其伸展模式探討

賀超1，2，龍根元3，吳世敏4

(1.中國(guó)科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院 南海海洋研究所，廣東 廣州510301;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049;3.海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，海南 ?？?70206;4.中山大學(xué) 地球科學(xué)系，廣東廣州510275

對(duì)伸展因子β的計(jì)算分析，可認(rèn)識(shí)巖石圈的伸展變形特點(diǎn)。基于瓊東南盆地具有“多米諾”伸展斷層構(gòu)造的5條反射地震剖面資料，利用“多米諾”伸展斷層模式計(jì)算了上地殼伸展因子，其值分布在1.17～1.58之間;與對(duì)應(yīng)位置的全地殼和巖石圈的伸展因子比較，結(jié)果顯示上地殼、全地殼和巖石圈伸展因子三者之間存在差別，但不是簡(jiǎn)單的隨深度增大，具體表現(xiàn)為盆地中北部的巖石圈伸展變形特點(diǎn)為巖石圈伸展因子大于全地殼大于上地殼，盆地西南部則表現(xiàn)為全地殼最大，巖石圈最小。通過(guò)計(jì)算，結(jié)合研究區(qū)相關(guān)研究成果，本文認(rèn)為瓊東南盆地巖石圈發(fā)生了隨深度變化的伸展變形;不同構(gòu)造位置的巖石圈伸展變形存在明顯差異。

“多米諾”伸展斷層;伸展因子;與深度相關(guān)的巖石圈伸展;瓊東南盆地

0 引 言

對(duì)巖石圈伸展變形的認(rèn)識(shí)發(fā)展到今天，主要停留在兩個(gè)端元模型，即純剪模型(McKenzie，1978)和單剪模型(Wernicke，1985)。純剪模式假設(shè)盆地地殼和巖石圈的伸展量是相同的，伸展因子β是唯一的;而單剪模式則認(rèn)為盆地巖石圈的伸展是非均一的，即存在上地殼、全地殼、巖石圈伸展因子。在對(duì)伸展模式的判斷中，伸展因子β起到一定檢驗(yàn)作用。伸展因子β，即伸展前后的地殼厚度之比，是定量描述巖石圈變薄程度的參數(shù)(McKenzie，1978)。β值越大，表明地殼減薄程度越顯著。因其涉及到盆地的沉降充填、沉積物埋藏及熱演化史等，是研究盆地構(gòu)造演化史最重要的基本參數(shù)之一。

目前，計(jì)算伸展因子β的方法主要有:(1)沉降史分析。利用鉆井、地震剖面資料，進(jìn)行古水深校正、壓實(shí)校正、古海平面校正和沉積物重力均衡校正后，求得構(gòu)造沉降量，通過(guò)構(gòu)造沉降量反演伸展因子。該方法是目前最常用的方法;(2)從地殼減薄的角度，直接通過(guò)地殼厚度計(jì)算伸展因子β，即初始地殼厚度與減薄后地殼厚度之比。該方法普遍運(yùn)用于對(duì)整個(gè)研究區(qū)的大面積計(jì)算。在實(shí)際操作中，初始地殼厚度為估算，拉伸后地殼厚度為重磁數(shù)據(jù)或者深部地震資料反演得出的Moho面深度減去新生代沉積層厚度;(3)“多米諾”伸展斷層模式(domino-style fault block model)，即旋轉(zhuǎn)平面式斷層模式。利用三角形邊角關(guān)系計(jì)算求得伸展因子β。

這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，如第一種方法涉及古水深估算、古海平面變化以及去壓實(shí)等，并且要求正、反演結(jié)合，計(jì)算復(fù)雜，影響因素較多，存在一定不確定性;第二種方法在軟流圈發(fā)生熔融產(chǎn)生底侵作用的地區(qū)或者初始地殼厚度難以估算的地區(qū)，容易產(chǎn)生誤差;第三種方法要求地震剖面質(zhì)量高，地層分層明確，斷層分布與樣式相對(duì)簡(jiǎn)單、清晰。

南海北部新生代沉積盆地歷經(jīng)數(shù)十年的石油勘探，對(duì)盆地的地層分層較為詳細(xì)，同時(shí)瓊東南盆地的伸展構(gòu)造表現(xiàn)出相對(duì)簡(jiǎn)單的“多米諾”伸展斷層(龍根元等，2010)，因此，本文利用“多米諾”伸展斷層模式對(duì)瓊東南盆地的伸展因子進(jìn)行計(jì)算，然后結(jié)合其它方法計(jì)算的伸展因子進(jìn)行對(duì)比，最后探討盆地的伸展模型。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

瓊東南盆地位于南海北部大陸邊緣西南部，其北側(cè)為海南隆起區(qū)，東側(cè)為神弧隆起區(qū)，東南與西沙隆起區(qū)相鄰，西側(cè)以1號(hào)斷裂與鶯歌海盆地相接(圖1)。

瓊東南盆地的基底由前古近系的火成巖、變質(zhì)巖及沉積巖組成，包括花崗巖、混合巖、角礫巖、凝灰?guī)r、集塊巖、安山玢巖、英安流紋巖、白云巖等(魏魁生等，2001)。盆內(nèi)主要充填古近紀(jì)-新近紀(jì)地層，從下至上分別為始新統(tǒng)(Tg-T8)、漸新統(tǒng)崖城組(T8-T7)、漸新統(tǒng)陵水組(T7-T6)、中新統(tǒng)三亞組(T6-T5)、中新統(tǒng)梅山組(T5-T4)、中新統(tǒng)黃流組(T4-T3)、上新統(tǒng)鶯歌海組(T3-T2)以及第四系(T2-)。

瓊東南盆地?cái)嗔阎饕l(fā)育于古近系裂陷構(gòu)造層，表現(xiàn)為NE、近EW、NW-NWW向3組斷裂。自西向東，整個(gè)盆地的斷裂空間展布呈現(xiàn)出由近EW向?yàn)橹魍訬E向?yàn)橹鬓D(zhuǎn)變這一規(guī)律。

圖1 瓊東南盆地構(gòu)造區(qū)劃分、主要斷裂分布以及地震測(cè)線圖(據(jù)龍根元等，2010，已修改)Fig.1 Sketch map showing tectonic units，main faults and profiles in the Qiongdongnan basin

瓊東南盆地經(jīng)歷裂陷和裂后兩大階段，以破裂不整合面T6為界劃分為上、下構(gòu)造層，上構(gòu)造層為統(tǒng)一坳陷，斷裂不發(fā)育;下構(gòu)造層斷裂構(gòu)造非常發(fā)育，相互分割盆地，形成了多個(gè)凹陷。盆地分為三個(gè)坳陷帶(圖1):北部坳陷帶、中央坳陷帶和南部坳陷帶。北部坳陷帶發(fā)育了崖北、崖南、松西和松東凹陷，構(gòu)造樣式為半地塹;南部坳陷帶發(fā)育了北礁凹陷、玉琢礁凹陷等，構(gòu)造樣式主要為半地塹;中央坳陷帶發(fā)育了樂(lè)東、陵水、松南和寶島凹陷，地塹為其主要的構(gòu)造樣式(龍根元等，2010)。其中，半地塹為瓊東南盆地裂陷期最基本的構(gòu)造樣式，其中又以“多米諾”式半地塹作為瓊東南盆地半地塹構(gòu)造樣式中常見(jiàn)的一種，在坳陷、低隆起帶均有發(fā)育。該類型半地塹由2條或2條以上、同向傾斜的正斷層組成，整體形態(tài)呈鋸齒狀、內(nèi)部地層結(jié)構(gòu)相似且斷層與地層傾向相反(李?yuàn)^其，2003;龍根元等，2010)。隨著盆地拉張作用的進(jìn)行，斷層、斷盤都發(fā)生旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致斷層傾角逐漸減小而地層傾角逐漸加大，從而實(shí)現(xiàn)了巖石圈的伸展(Schlische，1991)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文的數(shù)據(jù)主要來(lái)自石油公司提供的地震剖面。本次計(jì)算了瓊東南盆地代表性“多米諾”式半地塹的地震剖面5條(圖1)。地層標(biāo)定采用石油公司的對(duì)比方案(謝文彥等，2007;龍根元等，2010)，首先數(shù)字化時(shí)間地震剖面，然后利用中海油提供的瓊東南盆地時(shí)－深轉(zhuǎn)換表擬合的公式(1)，得到深度地震剖面。

3 伸展因子計(jì)算方法與結(jié)果

3.1 “多米諾”式斷盤模式的提出

“多米諾”伸展斷層是在拉張應(yīng)力作用下，斷層和斷盤均發(fā)生旋轉(zhuǎn)所形成的正斷層，又稱為旋轉(zhuǎn)平面式正斷層，在不同尺度、幾何學(xué)形態(tài)中均識(shí)別出這種類型的斷層(Axen，1988)。該類構(gòu)造最早在研究北美西部盆嶺構(gòu)造時(shí)在拆離構(gòu)造帶上發(fā)現(xiàn)。爾后，該區(qū)域發(fā)育的斷層等伸展構(gòu)造特征也運(yùn)用到其它伸展系統(tǒng)中，特別是被動(dòng)大陸邊緣(Wernicke and Burchfiel，1982)。

Wernicke and Burchfiel(1982)在Airy均衡模式下，在假設(shè)斷層間距相同、分離層位水平這一理想條件下，建立了伸展因子β，正斷層旋轉(zhuǎn)后傾角φ，地層旋轉(zhuǎn)角度θ(初始為水平)，初始斷層水平間距F′、旋轉(zhuǎn)后斷層間距F這些參數(shù)之間的關(guān)系(圖2)，如下:

3.2 計(jì)算結(jié)果

在深度剖面上，橫、縱坐標(biāo)比例一致的狀態(tài)下，測(cè)量出斷層傾角和地層傾角，利用公式(2)，計(jì)算出上地殼伸展因子β(圖3、圖4，表1)。

圖2 “多米諾”式斷層模式示意圖(據(jù) Schlische，1991)Fig.2 Schematic map of domino-style fault block model(Modified from Schlische，1991)

圖3 測(cè)線5地質(zhì)構(gòu)造解釋圖Fig.3 Geological structure interpretation for profile No.5

圖4 測(cè)線5“多米諾”伸展斷層深度剖面圖Fig.4 Domino-style faults from profile 5 after conversion of the vertical axis from time to depth

表1 瓊東南盆地上地殼伸展因子Table 1 Upper crust stretching factors in the Qiongdongnan basin

結(jié)果表明，瓊東南盆地的上地殼伸展因子分布在1.17～1.58之間。瓊東南盆地上地殼伸展因子的變化總趨勢(shì)是同一測(cè)線深海處的伸展因子值大于淺海的，凹陷中央的伸展因子值大于邊緣的;靠近凹陷邊緣主控?cái)嗔褞А枷萋∑疝D(zhuǎn)換處位置的伸展因子值明顯增大。總體而言，其大小分布并未表現(xiàn)出明顯的對(duì)稱規(guī)律。

4 討論與結(jié)論

有別于經(jīng)典的大西洋邊緣海盆地，南海北部大陸邊緣盆地的形成和巖石圈拉伸減薄機(jī)制是一直受到眾多學(xué)者的關(guān)注，存在爭(zhēng)議。爭(zhēng)議的焦點(diǎn)是純剪切模式、簡(jiǎn)單剪切模式還是分層剪切模式。早期的觀點(diǎn)偏向于純剪切模式(Su et al.，1989)。隨著研究的深入，許多學(xué)者提出了不同的看法:Clift and Lin(2001)通過(guò)鉆井資料計(jì)算地殼、地幔伸展因子，認(rèn)為北部灣盆地地殼伸展因子和地幔伸展因子近似相等，符合純剪模式，而珠江口盆地隨著深度是存在明顯差別的，不適合純剪模式;李思田等(1998)認(rèn)為地殼(主要是上地殼)表現(xiàn)為簡(jiǎn)單剪切，巖石圈地幔(包括部分下地殼)為純剪切;Hayes et al.(1995)提出巖石圈的伸展主要是純剪模式，但在切穿地殼的斷層附近則表現(xiàn)為簡(jiǎn)單剪切;Schlüter et al.(1996)認(rèn)為在大陸邊緣裂解伸展的過(guò)程中，并不是由始至終的純剪切或者簡(jiǎn)單剪切模式，相反，隨著構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的變化，伸展模式可以由簡(jiǎn)單剪切轉(zhuǎn)換為純剪切。吳世敏等(2005)結(jié)合南海南部資料，認(rèn)為晚白堊世－早始新世南海北部邊緣的伸展模型表現(xiàn)為簡(jiǎn)單剪切模型，晚始新世－漸新世/早中新世則是通過(guò)純剪切模式完成的。

伸展模型的差異將導(dǎo)致伸展因子的不同，因此可以通過(guò)檢查伸展因子的空間分布特點(diǎn)，檢驗(yàn)伸展模型。為此，我們進(jìn)一步對(duì)本文5條剖面“多米諾”伸展斷層位置，利用劉兵①劉兵.2010.瓊東南盆地前新生代沉積基底的重磁反演.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所碩士論文.對(duì)瓊東南盆地的基底及Moho面的反演數(shù)據(jù)，采用初始地殼厚度(假設(shè)為32 km)與現(xiàn)今地殼厚度之比的方法，得到對(duì)應(yīng)位置的全地殼伸展因子，取平均值;另外在對(duì)應(yīng)的“多米諾”伸展斷層與基底(Tg)交點(diǎn)，采用虛擬鉆井的方式，利用構(gòu)造沉降史分析方法反演出巖石圈伸展因子，求其平均值，其中，古水深數(shù)據(jù)借助林暢松和張艷梅(1997)計(jì)算鶯－瓊盆地沉降曲線的方法;全球海平面參考Haq et al.(1987)三級(jí)全球海平面變化數(shù)據(jù);通過(guò)鉆井YC21-1-3(平面位置見(jiàn)圖1)泥巖、砂巖百分比含量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用Flex Decomp軟件(英國(guó)Badley Geoscience Ltd軟件產(chǎn)品)自帶計(jì)算工具，求得各層對(duì)應(yīng)的沉積物顆粒密度PSG，孔隙度F及壓實(shí)系數(shù)C。與5條剖面“多米諾”伸展斷層位置的上地殼伸展因子的平均值比較，其結(jié)果如圖5。從結(jié)果來(lái)看，上地殼、全地殼、巖石圈伸展因子發(fā)生了隨深度的變化，而不是均一伸展的純剪變形。張中杰等(2010)對(duì)瓊東南盆地深反射地震剖面的上地殼、全地殼伸展因子的計(jì)算結(jié)果也顯示這一特點(diǎn)。目前過(guò)南海北部大陸邊緣盆地的大剖面中，并沒(méi)有識(shí)別出連續(xù)、大型的低角度拆離斷裂，表明簡(jiǎn)單剪切模型在瓊東南盆地也難以適用，瓊東南盆地巖石圈的伸展變形則與深度相關(guān)。通過(guò)以上討論，我們得到以下認(rèn)識(shí):

(1)利用“多米諾”式斷盤模式計(jì)算瓊東南盆地上地殼伸展因子，介于1.17～1.58之間。

(2)瓊東南盆地的上地殼、地殼、巖石圈的伸展因子有一定的差別，但不是簡(jiǎn)單的隨深度增大。

(3)瓊東南盆地不同構(gòu)造位置的巖石圈伸展變形存在明顯的差異，盆地中北部(測(cè)線1和測(cè)線4)的巖石圈伸展變形特點(diǎn)為巖石圈伸展因子大于全地殼大于上地殼(圖5a、d)，盆地西南部(測(cè)線2、測(cè)線3和測(cè)線5)巖石圈伸展變形則表現(xiàn)為全地殼最大，巖石圈最小(圖5b、c、e)，可能與所處的西部剪切帶和南海北部的伸展邊緣交叉位置有關(guān)。

圖5 瓊東南盆地“多米諾”式半地塹處上地殼、地殼、巖石圈伸展因子平均值分布圖Fig.5 Sketch map showing lithospheric stretching factors in domino half-grabens of the Qiongdongnan basin

致謝:本文得到兩位匿名審稿專家的幫助和指導(dǎo)，提出了很多中肯的建議，在此深表感謝!

李?yuàn)^其.2003.中國(guó)西北部南北向伸展構(gòu)造存在的新證據(jù)－酒泉早白堊世半地塹斷陷成因初探.沉積與特提斯地質(zhì)，23(2):35－42.

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Estimation of the Stretching Factors of the Qiongdongnan Basin and Domino-Style Fault Model

HE Chao1，2，LONG Genyuan3and WU Shimin4
(1.CAS Key Laboratory of Marginal Sea Geology and South China Sea Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou510301，Guangdong，China;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China;3.Marine Geoglogical Instite of Hainan Province，Haikou570206，Hainan，China;4.Department of Earth Sciences，Sun Yat-Sen University，Guangzhou510275，Guangdong，China)

The calculation of stretching factors provides a feasible method to understand the extension and thinning of lithosphere.Based on the seismic profiles of the Qiongdongnan basin，the upper crust stretching factors are estimated by applying the domino-style fault block model，with results ranging from 1.17 to 1.58.The whole crust stretching factors and lithosphere stretching factors are also examined on the domino-style faults positions.The results demonstrate that there exists depth related difference，but not simply increase with depth，which indicates a heterogeneous lithospheric stretching.In conclusion，the depth dependent model is likely operational in the Qiongdongnan basin.

domino-style faults;stretching factors;depth-dependent lithospheric stretching;Qiongdongnan basin

P542;TE121.1

A

1001-1552(2012)02-0204-005

2011－06－29;改回日期:2011－12－29

項(xiàng)目資助:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2007CB411706-05)資助。

賀超(1986－)，女，碩士研究生，從事大陸邊緣構(gòu)造研究。Email:282370296@163.com