DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.03.020
南海北缘中生代古俯冲带位置探讨
孙桂华，黄永健，黄文凯
(国土资源部广州海洋地质调查局 国土资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州，510760)
摘要：系统论述九所—陵水断裂带南北两侧地球物理特征差异、地质、地球化学记录差异和断裂带地质构造特征；在分析南海北缘重力、磁力和地震资料特征的基础上，提出南海北缘中生代古俯冲带西起九所—陵水断裂带，向东呈近EW走向延伸至E112°30′附近被NW走向的右行走滑断层(F1)错断，之后向NEE方向延伸至E116°附近被NW走向的右行走滑断层(F2)错断，再向东沿着NEE方向延伸至E119°30′附近再次被NW走向的右行走滑断层(F3)错断，此后一直延伸至台湾岛。该古俯冲带在布格重力异常上显示为强的水平梯度峰值带，其东段北侧出现与之平行的高磁异常带，指示发育与古俯冲带形成过程有关的火山弧。现有的钻井资料和九所—陵水断裂带的年代学数据研究揭示古俯冲带形成于晚中生代。上述认识与南海北部现有的重力、磁力、地震剖面和钻井等地质地球物理资料是相吻合的。该古俯冲带向西与红河断裂带莺歌海段东侧的分支断层(Ⅰ号断层)相接，向NE方向与台湾寿丰断裂相连。
关键词：南海北缘；中生代；古俯冲带；地球物理
中图分类号：P736.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)03-0908-09
Discussion location of Mesozoic paleo-subduction zone in north margin of South China Sea
SUN Guihua, HUANG Yongjian, HUANG Wenkai
(Key Laboratory of Marine Resources, Guangzhou Marine Geological Survey, Ministry of Land and Resources,
Guangzhou 510760, China)
Abstract: The differences in geophysics characteristics, differences in geology and geochemistry between the north and south of Jiusuo-Lingshui Fault Belt, and the geological structure features of above fault belt were systematically discussed. The results show that the Mesozoic paleo-subduction zone in north margin of South China Sea starts from Jiusuo-Lingshui Fault Belt in the western, first extending in EW direction to the east, cut by the dextro strike-slip fault which strikes in NW direction nearby E112°30′, then extending in NEE direction until to nearby E116°cut by dextro strike-slip fault which strikes in NW direction again, and extending in NEE direction until to nearby E119°30″ cut by dextro strike-slip fault which strikes in NW direction again, and then extending in NEE direction until to Taiwan Island further in east. This paleo-subduction zone displays as strong horizontal gradient peak zones in bouguer gravity anomaly. The north of paleo-subduction zone appears high magnetic anomaly zone which is parallel to this paleo-subduction zone. This high magnetic anomaly zone is explained as the volcanic-arc related to the information of this paleo-subduction zone. The borehole data of the researched area and chronology research on the Jiusuo-Lingshui Fault Belt show that this paleo-subduction zone was formed in late Mesozoic. And the geology and geophysics data such as gravity, magnetic, seismic profiles and drilling wells in north of South China Sea hold up above conclusion about the location of Mesozoic paleo-subduction zone. This Mesozoic paleo-subduction zone in north margin of South China Sea joins the eastern branch fault (No.Ⅰfault) of Red River Fault Zone in the Yinggehai Basin in the west, and links Shoufeng Fault in Taiwan Island in the northeast.
Key words: north margin of South China Sea; Mesozoic; paleo-subduction zone; geophysics
南海北部是我国海上油气和水合物勘探的重点地区，中生代油气是该区目前勘探的新领域之一。南海北缘中生代古俯冲带位置的探讨将会对该区中生代油气、水合物资源勘查以及南海构造演化研究提供重要地质依据。南海北缘中生代古俯冲带位置一直是科学家们争论的热点。Taylor等[1]首先提出在南海北部可能存在中生代的古俯冲带，但是俯冲带形成的具体时代及位置自今仍存在分歧。目前对南海北缘中生代古俯冲带的认识主要有2种观点：一种观点认为华南沿海发育的滨断裂带是南海北缘中生代的古俯冲带，其向西很可能与海南岛北部的琼州海峡深大断裂相连。代表性的有周祖翼[2]提出浙闽海外50 m水深线为板块缝合带，早白垩世的俯冲形成莆田基性-超基性岩带，侵位于晚侏罗世火山岩中；马杏垣[3]认为发育在海陆过渡处的滨海断裂带是华南亚板块与南海亚板块之间的构造带；丘学林等[4-5]通过对南海北部海陆过渡带的深部地壳结构探测和研究，推测滨海断裂带可能为华南大陆与南海的古俯冲带；陈耀钦等[6]根据地质资料，认为琼州海峡深大断裂是华南与海南之间的碰撞带；李唐根[7]提出西起海南岛北部经广东内陆架接闽浙近岸50 m水深线断裂带，到日本北缘，有一条印支至早燕山期古俯冲增生带。另一种观点认为南海北缘中生代古俯冲带位于南海北部陆坡、下陆坡和东沙一统暗沙附近[8-12]，具体位置不尽相同。代表性的有姚伯初等[8]根据东沙隆起之下地壳的增厚和高磁异常，以及下陆坡断裂带的存在，认为该俯冲增生带沿下陆坡呈NEE至SWW向延伸，并通到西沙海槽；夏戡原等[9]推测晚古生代到晚三叠世时存在一个近东西向的“东沙海”，与西面的“金沙江—藤条河—黑水河海”及东面的台湾“天祥海”相通，为古特提斯海的一个分支，而在东沙一统暗沙以南，沿水深2~3 km 的下陆坡存在一条呈NE—NEE走向的“东沙南缝合带”，为古特提斯的缝合带；周蒂等[10]根据重、磁资料在南海东北部识别出东亚陆缘中生代俯冲增生带的一段，从119°E，22°20′N，延至115°30′E，18°10′N，大致呈NE45°走向展布，被NW向断层左行错动；刘海龄等[11]认为，南海北部古俯冲带为“琼南缝合带”的一部分，琼南缝合带西起海南岛南部九所—陵水断裂带，向东经南海北部陆坡，与台湾寿丰断层相连，组成三叠纪古特提斯闭合的一部分；闵慧等[12]根据重磁研究发现南海北部从台湾西南部到一统暗沙隆起为一条布格重力异常水平梯度峰值带，并将其解释为古俯冲带，其北部的高磁异常代表了与之对应的古火山弧。可以看出， 目前的研究工作种除对南海北缘中生代古俯冲带位置的分歧之外，很少有报道古俯冲带向西延伸的问题，无法对该古俯冲带形成完整的认识。本研究通过对海南岛基础地质资料的综合研究以及海南岛以东海域重磁异常特征研究，结合该区部分钻井和地震资料，将海南岛南部的九所—陵水断裂以及向东的一条布格重力异常梯度带解释为南海北缘中生代古俯冲带，布格重力异常梯度带的北侧还发育一条高磁异常带，推测是南海北缘中生代古俯冲带形成过程中对应的火山弧。
1 九所—陵水断裂带地质构造特征
1.1 断裂带南北两侧地球物理特征差异
根据收集美国国家地球物理数据中心(NGDC)海南岛地区卫星重力数据，并对其进行融合处理，按照1:100万的比例尺进行成图，见图1。结果显示九所—陵水断裂带在重力场特征上表现为一条异常带，断裂带以北地区空间重力异常为正异常，最高为90×10-5 m/s，南侧为负异常，最低为-40×10-5 m/s，位于三亚与九所之间的地区，正负异常分界线总体呈近EW走向；北侧莫霍面埋深28 km，南侧为26 km，由此表明断裂带南北两侧基底组成不同，北侧属大陆型地壳，南侧属过渡型地壳[13-14]。
1.2 断裂带南北两侧地质、地球化学记录差异
前人研究表明[13, 15-17]，断裂带南北两侧的地质、地球化学记录差异较大：
1) 北侧发育前寒武纪—古生代变质沉积岩系和元古代-印支期花岗岩系；南侧主要出露古生代沉积岩系和燕山期花岗岩体,不发育前寒武纪变质基底。
图1 海南岛空间重力异常图
Fig. 1 Air gravity anomaly map of Hainan Island
2) 早古生代时期北侧沉积了一套巨厚的活动性建造, 在美子林组和南碧沟组中均发育火山岩系, 而这一时期南侧的岩石建造则形成于典型的稳定沉积环境。
3) 北侧变质作用具有多期多类型特点, 变形作用也具有多期性。而南侧除发生接触变质和脆性变形外, 未遭受区域热流变质和韧性变形改造。
4) 在生物面貌上, 北侧早古生代生物面貌与华南大陆类似, 而南部则主要出现亲冈瓦纳大陆的生物分子。
5) 南北两侧花岗岩的Sr，Nd和Pb同位素组成截然不同。北侧花岗岩主要由抱板群戈枕村组斜长角闪岩熔融所形成, 暗示戈枕村组斜长角闪岩是该区基底的主要组成部分。南侧花岗岩类T2DM及ISr较小(平均分别为1 368 Ma和0.708 33)，ε(Nd)较大(平均为-5.27)，w(Th)/w(U)及μ较低(平均分别为3.65和9.43)、较富206Pb，贫207Pb, 说明南侧基底相对年轻、成熟度较低。北侧地壳岩石表现出一致的Sm-Nd同位素特征，具有统一的前寒武纪基底，其特征和地壳生长史与华夏古陆相似；以南可能是亲东冈瓦纳的裂解块体[18]。
6) 构造演化历史差异。南北两侧至早中三叠世才同时进入活跃的发展阶段，如早白垩世红色磨拉石建造、断陷盆地的发育和大规模酸性岩浆侵入等，之前南北两侧具有较大的构造演化差异。
1.3 九所—陵水断裂带地质构造特征
九所—陵水韧性剪切带总体走向NEE，向南倾斜，西起九所，经高峰，向东延伸至陵水以北一带，长度大于100 km，宽(2~3) km；九所—陵水韧性剪切带内的构造岩石类型以糜棱岩化花岗岩为主, 并形成于脆-韧性变形环境；根据长石旋转斑、S-C组构和糜棱岩化花岗岩的石英组构分析，断裂带的运动方向为SSW向NNE逆冲(作者于2008年及2015年对陵水一带韧性变形花岗岩进行过考察，发现糜棱岩面理近直立，局部地方发育长石旋转斑和S-C组构等)；在九所—陵水韧性剪切带延伸范围内，遭受韧性变形改造的最年轻岩体的形成时间为138 Ma, 而120 Ma的花岗岩体基本不发生韧性变形，因此，断裂带形成于120~138 Ma之间[13]。
九所—陵水构造带在海西期、印支期、燕山期和喜山期均存在不同程度的岩浆侵入和喷发活动；沿该带地震时有发生，热泉遍布，海蚀地貌发育[19]，表明该构造带第四纪也存在较强的构造活动。因此，推断九所—陵水断裂带的运动学特征很可能存在多期构造变形，SSW向NNE的逆冲作用有可能是其中一期构造变形，也有可能是早期由北向南逆冲作用经后期构造变形改造所致，但至少有一期构造变形的主应力是由南北向的。
2 海南岛以东海域重磁异常特征揭示的中生代古俯冲带位置
2.1 重力异常特征
此次研究所用的重力资料截选自陈洁等[20]编制的《南海地球物理图集》中“南海空间重力异常图”。在海南岛以东海域发育一条呈NEE走向的布格重力异常梯度带。该异常梯度带基本上沿着0等值线分布，北为正异常，南侧为负异常。整个异常带向西与海南岛九所—陵水断裂带相连，向东呈近EW向延伸至E112°附近被NW向的右行走滑断层(F1)错断开，断距较小；再向东NEE走向，延伸至E116°附近被NW走向的右行走滑断层(F2)错断开，断距较小，中间略呈向NW方向突出的弧形；之后，向NEE方向延伸至E119°30″附近再次被NW走向的右行走滑断层(F3)错断，断距较小；此后，沿着NEE方向一直延伸至台湾岛(图2)。
海南岛与F1断层之间，重力异常带南北两侧 均为重力高异常，中间为0等值线，可能指示这段中生代古俯冲带南侧地质体的物质组成不同于其他区段。
2.2 磁力异常特征
此次研究所用的磁力资料截选自陈洁等[20]编制的《南海地球物理图集》中“南海磁力ΔT异常平面图”。在海南岛以东海域发育一条呈NEE走向的磁力异常梯度带。该磁力异常梯度带向西延伸与九所—陵水断裂带相连，向东呈近EW走向延伸至E112°附近被NW向的右行走滑断层(F1)错断开，断距较小；再向东NEE走向，延伸至E116°附近被NW走向的右行走滑断层(F2)错断开，断距较小，中间略呈向NW方向突出的弧形；之后，向NEE方向延伸至E119°30″附近再次被NW走向的右行走滑断层(F3)错断，断距较小；此后，沿着NEE方向一直延伸至台湾岛(图3)。
该磁力异常带从海南岛至E112°段带状异常特征明显，基本上沿着-50~-275 nT分布；F1断层与F2断层之间磁力异常不明显，以NW向的带状异常为特征；F2断层至F3断层之间的磁力异常特征十分明显，北侧为高磁异常，最高值可达100~500 nT，南侧为负磁力异常，NEE向串珠状分布(图3)。
本研究结合区域资料认为E115°以东段的高磁异常很可能与南海北缘中生代古俯冲带地质作用过程中形成的火山弧有关。
3 其他地球物理及钻井资料证据
3.1 地震资料
图4所示为新生界与中生界之间角度不整合反射地震剖面特征。广州海洋地质调查局在该区采集了一条反射地震剖面(A)，该剖面清晰地揭示中生界的发育情况，在新生代沉积基底(Tg)之下，发育一套倾斜的地层，与新生代沉积基底(Tg)之间为高角度角度不整合接触关系(图4)。但遗憾的是该反射地震剖面未能揭示中生界的底界以及更深的深部构造信息。
图2 南海北部空间重力异常构造解释图
Fig. 2 Structure interpretation diagram of air gravity anomaly map in north of South China Sea
图3 南海北部磁力异常构造解释图
Fig. 3 Structure interpretation diagram of magnetic anomaly map in north of South China Sea
图4 新生界与中生界之间角度不整合反射地震剖面特征
Fig. 4 Seismic profiles characteristics of disconformity between Cenozoic and Mesozoic
2002 年中海油深圳分公司在珠江口盆地采集了南海北部陆缘的第一条深反射地震剖面(DSRP2002)。该剖面深部反射特征非常清晰，揭示了白云凹陷的沉积基底，并且直接观察到莫霍面的形态[21]。在白云南凹的南部边界(下陆坡) 存在1组北倾的深大断裂，推测可能是在残留的前新生代古缝合带的基础上发展的继承性岩石圈断裂，在白云南凹以南段，深反射地震解释剖面上出现3组大致平行的强反射排列，深度分别为11，16和20 km左右，向南呈波状起伏和抬升，在剖面的最南端变为7.0，11.5和15.5 km，这种地壳结构通常是遭受了陆壳的极端减薄的影响，已经靠近陆壳与洋壳的转换带，上面2组分别与下地壳高速层和莫霍面相对应，最深的1组推测为莫霍面，即中生代俯冲洋壳的底面(图5)[10, 21]。从图3所示的剖面位置可以发现：这个向北倾的深大断裂及推测中生代俯冲洋壳出现的位置与本研究解释的中生代古俯冲带位置一致。
3.2 磁力异常资料
吴招才等[22]利用欧拉反褶积方法计算了2条(OBS93和OBS2006-3)与海底地震(OBS)探测剖面相重合的磁异常剖面，2条剖面位置见图3。根据2条磁异常剖面欧拉反褶积计算结果，结合其他资料，解释出F3断裂，该断裂位于上下陆坡转换带，向NNW倾斜，近于直立(图6)，断裂深度在20 km左右，认为该断裂可能与三叠纪古缝合带或白垩纪的俯冲边缘有 关[22-23]。F3断裂与本研究解释的南海北缘中生代古俯冲带位置也基本一致。
3.3 钻井资料
珠江口盆地潮汕坳陷北部MZ-1-1钻井位于本研究解释的南海北缘中生代古俯冲带北侧，分布在南海北缘中生代古俯冲带地质作用过程相关的火山弧高磁异常带上(图3)。MZ-1-1钻井资料揭示，南海北部晚侏罗世为深海环境，接受了放射虫硅质岩、纹层状泥岩夹基性喷出岩沉积，早白垩世时期发生了频繁的火山喷发活动，发育了一套以基性火山岩为主，夹中酸性火山岩和陆源碎屑岩的沉积建造，过渡到陆相环 境[24]。放射虫硅质岩夹纹层状泥岩和基性喷出岩的沉积组合主要产出于深海-岛弧环境[25-27]，MZ-1-1钻井晚侏罗世放射虫硅质岩层段及其上下层位中都有火山岩，说明南海北部晚侏罗世为深海岛弧环境[28]。
图5 深反射地震剖面解释简图
Fig. 5 Simplified structural profile according to seismic profiles
图6 磁异常欧拉反褶积结果
Fig. 6 Euler deconvolution results of magnetic anomaly
根据上述地质资料，可以作出以下推断：南海北部中生代沉积环境由晚侏罗世的深海环境突然过渡到早白垩世的陆相环境，这种沉积环境的骤变只有板块之间俯冲碰撞导致的构造抬升作用才能实现，即南海北部中生代晚侏罗世至早白垩世期间发生了板块俯冲碰撞作用。
根据南海北部陆缘盆地钻至前新生代的130余口井位置[29-32]资料，钻遇的前新生代岩性可分为4类：火山岩、侵入岩、变质岩和沉积岩。钻遇的火山岩不多，且分布规律性不明显，比较分散，时代为中生代，岩性以安山岩和流纹岩为主；钻遇的侵入岩较多，集中分布在本研究解释的与南海北缘中生代古俯冲带形成相关的火山弧及其以北区域，岩性以白垩纪花岗岩为主，少量的白垩纪闪长岩和三叠纪-侏罗纪花岗岩；钻遇的变质岩也较多，主要分布在上述火山弧的西侧，其岩性以古生代的石英岩为主；钻遇的沉积岩很少，只有两口钻井，时代为中生代(图3)。
可以看出：上述钻井资料与南海北缘中生代古俯冲带的认识，尤其与古俯冲带北部火山弧的认识是完全一致的。
4 讨论
本文根据重、磁资料，结合海南岛基础地质资料，识别出南海北缘中生代古俯冲带向西与九所—陵水断裂带相连，向东呈近EW走向沿着西沙海槽北部延伸，至E113°30″附近被NW走向的右行走滑断层错断开，之后向NEE方向沿着下陆坡与海盆的边界延伸至E115°10″附近，被NW走向的右行走滑断层错断，再向东沿着NEE方向从尖峰海山南侧到北坡海山南侧延伸至E119°30″附近，并一直延伸至台湾岛。该古俯冲带显示为强的布格重力异常水平梯度峰值带，其北侧出现与之平行的高磁异常带，可能为与古俯冲带形成过程有关的火山弧。该古俯冲带被NW向断层右行错断的情形与南海北部中生代区域应力场特征相吻合，且现有的钻井资料揭示古俯冲带形成于晚中生代。上述认识与南海北部现有的重力、磁力、地震剖面和钻井等地质地球物理资料也基本上是吻合的。
该古俯冲带向西与红河断裂带莺歌海段的东侧第1条分支断层(又称Ⅰ号断层)[33]相接，向北东很可能与台湾寿丰断裂相连。寿丰断裂东西两侧分别发育玉里带和太鲁阁带组成的双变质带。西侧太鲁阁带的大南澳群变质沉积岩遭受岩浆弧高温低压变质作用，包括钙一碱性花岗岩的侵入(87 Ma)，局部混合岩化，以及产生变质年龄为87 Ma的高温角闪岩相等；东侧玉里带由晚中生代泥质深海沟沉积物和包含其中的蛇绿岩构造岩块所组成，大约在80 Ma前沿着西倾的俯冲带, 基质和岩块都受到高压变质作用。西侧太鲁阁带代表陆缘火山岩浆弧，东侧玉里带代表俯冲带混杂岩，俯冲方向为由东向西[34]。
有关南海北缘中生代古俯冲带的构造属性，一种观点认为，西南日本—琉球群岛—台湾存在一条长1 500 km以上的晚侏罗世-早白垩世俯冲增生杂岩带, 具有同样特征的俯冲增生杂岩带也在北巴拉望发育, 并可向西南追溯到巴拉望、沙巴的Audio带、加里曼丹岛东南的Meratus 带、以及苏门答腊岛的Woyla带，因此认为南海北部古俯冲带向北接台湾岛，经过琉球群岛与西南日本俯冲带相连；向东接北巴拉望地块卡拉棉群岛，再向南与巴拉望、沙巴的Audio带、加里曼丹岛东南的Meratus带、以及苏门答腊岛的Woyla带相连，组成欧亚东南缘晚中生代俯冲增生带，俯冲下去的为伊佐奈歧板块(Izanagi)[10, 35-37]；本文通过对南海北部重力、磁力、地震、钻井等地质地球物理资料以及九所—陵水断裂带的地质构造特征综合研究认为，南海北缘中生代古俯冲带向北东方向与台湾寿丰断裂带相连，与上述认识比较一致，但向西的延伸认识差异较大，根据海南岛九所—陵水断裂带的地质地球物理特征，认为向西应该与九所—陵水断裂带相连，再向西与红河断裂带莺歌海段的东侧第1条分支断层(又称Ⅰ号断层)[32]相接。
通过本文研究，认为南海北缘中生代古俯冲带西起九所—陵水断裂带，向东呈近EW走向延伸，再转为NEE向一直延伸至台湾岛，中间被3条NW走向的右行走滑断层错断开。该古俯冲带向西很可能与红河断裂带莺歌海段东侧的分支断层(Ⅰ号断层)相接，向NE方向很可能与台湾寿丰断裂相连。古俯冲带东段北侧还发育与古俯冲带形成过程相关的火山弧。
当然，上述只是初步认识，还需要更多的地质地球物理资料支持，尤其需要开展以下3个方面的研究：1) 九所—陵水断裂带的几何学、运动学、年代学和动力学机制方面的系统研究。2) 南海北部中生代古俯冲带的物质组成、构造样式和俯冲作用的时间等；3) 本研究解释出来的与俯冲作用相关的火山弧与海南岛之间的这段中生代俯冲带还缺乏大量的地质地球物理资料支持。
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(编辑 陈爱华)
收稿日期：2014-04-06；修回日期：2014-06-09
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(40972077，41006025)；国家海洋地质专项(GZH201100205，1212011220118) (Projects (40972077, 41006025) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(GZH201100205, 1212011220118) supported by State Oceanic Geology Special)
通信作者：孙桂华，博士，高级工程师，从事海洋基础地质调查和构造地质研究；E-mail: sunguihua790327@126.com
