南海上地幔各向异性结构及动力学含义.pdf
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1、薛梅,李琳,杨挺,刘晨光,华清峰,夏少红,黄海波,黎伯孟,霍达,潘谟晗.2023.南海上地幔各向异性结构及动力学含义.地震学报,45(3):494520.doi:10.11939/jass.20230054.XueM,LiL,YangT,LiuCG,HuaQF,XiaSH,HuangHB,LeBM,HuoD,PanMH.2023.AnisotropicstructureanddynamicimplicationsoftheuppermantleintheSouthChinaSea.Acta Seismologica Sinica,45(3):494520.doi:10.11939/jass.2
2、0230054.南海上地幔各向异性结构及动力学含义*薛梅1,5),李琳1)杨挺2,5)刘晨光3)华清峰3)夏少红4)黄海波4)黎伯孟6)霍达7)潘谟晗2)1)中国上海200092同济大学海洋地质国家重点实验室2)中国广东深圳518055南方科技大学海洋科学与工程系3)中国山东青岛266061自然资源部第一海洋研究所海洋地质与成矿作用自然资源部重点实验室4)中国广州510301中国科学院南海海洋研究所5)中国上海200062上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站6)越南河内10072越南科学技术研究院地球物理研究所7)加拿大多伦多M5S1A4多伦多大学土木与矿物工程系摘要南海处于欧亚板块、太平洋
3、板块和印度澳大利亚板块的交会区,是西北太平洋一系列边缘海中最大的边缘海。关于南海的打开以往研究提出了如印度板块与欧亚板块碰撞驱动挤出以及古南海俯冲拖拽等诸多模型。本文力图通过南海海盆及周边各向异性结构来约束南海演化机制。基于同济大学 2012 和 2014 年在南海中央海盆进行的两次被动源宽频带海底地震观测试验回收的 10 台 OBS 记录仪近 1 年的地震数据,本文采用三种不同的横波分裂方法,获取了中央海盆针对两次远震的 XKS 分裂结果以及南海周边 20 次区域地震提供的 S 震相分裂结果。SKS 分裂结果显示,南海中央海盆下方存在快轴方向为 NE-SW 向的各向异性,其成因可能与海底扩张
4、时期沿洋脊方向的地幔流以及南海海洋板块俯冲拖拽的地幔流有关。南海及其周边上地幔存在强各向异性,且不同方位观测到的各向异性不同,快轴方向与前人 SKS 横波分裂结果、GPS 和板块运动一致,较好地对应了区域构造运动或者地幔对流模型。各向异性结果与印度欧亚板块碰撞驱动挤出模型以及古南海俯冲板块拖拽模型预期结果一致,与理想的地幔柱上涌驱动模型不一致。由于海盆各向异性观测特别有限,各向异性结果不能证实亦不能证伪“大西洋型”海底扩张模型、弧后扩张模型和板缘破裂模型,后续还需要更多的观测结果来证实或证伪上述模型。关键词 南海打开模型横波分裂SKS 震相区域 S 震相doi:10.11939/jass.20
5、230054中图分类号:P315.2文献标识码:A*基金项目国家自然科学基金面上项目(42076064)和上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站开放基金(2020K03)共同资助.收稿日期2023-04-11 收到初稿,2023-05-01 决定采用修改稿.作者简介薛梅,博士,教授,主要从事海洋地球物理与地球动力学方面的研究,e-mail:第45卷第3期地震学报Vol.45,No.32023年5月(494520)ACTASEISMOLOGICASINICAMay,2023Anisotropic structure and dynamic implications of the upperman
6、tle in the South China SeaXueMei1,5),LiLin1)YangTing2,5)LiuChenguang3)HuaQingfeng3)XiaShaohong4)HuangHaibo4)LeBaManh6)HuoDa7)PanMohan2)1)State Key Laboratory of Marine Geology,Tongji University,Shanghai 200092,China2)Department of Marine Science and Engineering,Southern University of Science and Tec
7、hnology,Guangzhou Shenzhen 518055,China3)Key Laboratory of Marine Geology and Metallogeny,First Institute of Oceanography,Ministry ofNatural Resources,Shandong Qingdao 266061,China4)South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510310,China5)Shanghai Sheshan National
8、Geophysical Observatory,Shanghai 200062,China6)Institute of Geophysics,Vietnam Academy of Science and Technology,Hanoi 10072,Vietnam7)Department of Civil&Mineral Engineering,University of Toronto,Toronto M5S1A4,CanadaAbstract:TheSouthChinaSea(SCS)islocatedattheintersectionoftheEurasian,Pacific,andIn
9、dia-Australiaplates.ItisthelargestmarginalseainaseriesofmarginalseasintheNorth-westPacificOcean.ManymodelshavebeenproposedfortheopeningoftheSCS,suchastheextrusionmodeldrivenbythecollisionoftheIndianplateandtheEurasianplate,andtheslabpullmodelrelatedtothesubductionoftheproto-SCS.Thisstudyaimstoconstr
10、ainthemodelsofopeningtheSCSthroughtheanisotropicstructureofthecentralbasinoftheSCSanditssur-roundings.BasedontheseismicdatarecordedbytenoceanbottomseismometersrecoveredfromtwopassiveseismicexperimentsconductedbyTongjiUniversityinthecentralbasinoftheSCSin2012and2014,threedifferentshearwavesplittingme
11、thodsareusedtoobtaintheXKSsplittingresultsofthecentralbasinfortwoglobalearthquakesandtheSphasesplittingresultsprovidedby20regionalearthquakessurroundingtheSCS.TheSKSsplittingresultsdemon-stratethepresenceofstronganisotropywiththeNEfastdirectioninthecentralbasinoftheSCS,whichmayberelatedtomantleflowa
12、longtheoceanridgeduringseafloorexpansionandthemantleflowdraggedbythesubductionoftheproto-SCSplate.StronganisotropyisalsoobservedintheuppermantlesurroundingSCS,andtheanisotropyobservedindifferentazi-muthsisdifferent.ThefastdirectionsobtainedareconsistentwithpreviousSKS-splittingres-ults,GPS,and plate
13、 motions,and importantly correspond well to the regional tectonics ormantleconvectionmodels.TheanisotropicresultsareconsistentwiththeexpectedresultsoftheextrusionmodeldrivenbythecollisionoftheIndian-Eurasianplateandtheslabpullofproto-SCS.Theanisotropyresultsareinconsistentwiththeidealupwellingdriven
14、modelofthemantleplume.Unfortunately,duetothelimitedsplittingobservationsinthecentralbasin,theaniso-tropicresultscannotconfirmorfalsifythe“Atlantic-type”seafloorspreadingmodel,theback-arcspreadingmodel,ortheplate-edgeriftingmodel.Toverifytheabovemodels,furtherob-servationsareneeded.Key words:SouthChi
15、naSeaopeningmodels;shearwavesplitting;SKSphases;regionalSphases 引言南海处于欧亚板块、太平洋板块和印度澳大利亚板块的交会区,是西北太平洋一系列3期薛梅等:南海上地幔各向异性结构及动力学含义495边缘海中最大的边缘海,其轮廓呈 NE-SW 向延展的菱形。由于其特殊的地理位置和复杂的地质构造背景,南海的形成演化动力学机制成为研究西太平洋边缘海演化不可或缺的重要组成部分,同时也在东亚陆缘整体的构造演化历程中有着举足轻重的作用。关于南海的打开以往研究提出了诸多模型:1)碰撞驱动挤出模型。当印澳板块与欧亚板块碰撞时,中南半岛开始向 SE 方
16、向大规模逃逸,南海则沿哀牢山红河剪切带形成拉分盆地(Tapponnier,Molnar,1976;Tapponnieret al,1982,1986,1990;Briaiset al,1993)。但也有研究通过数值计算提出印度次大陆欧亚大陆碰撞造成的结果是地壳的增厚,而不是沿走滑断层的横向迁移(England,Houseman,1986;England,Molnar,1990)。这种观点也有一些来自观测的证据,如 GPS 观测到的中国南部 WE 向和 SE 向位移只占两个大陆边界总碰撞量的约 25%(Shenet al,2000),以及北部湾近海切割红河断裂地震剖面显示的在 305.5Ma 之
17、间左旋走滑的总量不超过几十千米(Ranginet al,1995)。而 Jiang 和 Wang(2021)则认为南海在 32Ma 打开,远远晚于哀牢山红河剪切带 40Ma 的形成时间,且从东到西的打开方向与碰撞挤出模型预期的从西到东的打开方向相反。2)俯冲板块拖拽模型。古南海俯冲到婆罗洲之下时,俯冲板块的拖拽力打开了南中国海。Morley(2002)通过研究走滑断层、裂谷盆地和变质核杂岩,认为婆罗洲西北部的地质演化需要古南海洋壳在始新世到早中新世期间俯冲到婆罗洲之下。Clift 等(2008)通过分析横跨巽他大陆架和南海南部破裂边缘(南沙地块)边界的反射地震剖面,认为在大约 16Ma 之前南
18、沙地块一直独立于巽他大陆架,而不是碰撞挤出模型预测的属于巽他大陆架,从而推测古南海向婆罗洲的俯冲是南海打开的主要动力。层析成像虽然看到了俯冲下去的古南海板块,然而在地幔深部有相当比例被解释为古南海板块的高速异常位于现今的南海之下,比俯冲板块拖曳模型预期的位置偏北(Wu,Suppe,2018;Jiang,Wang,2021)。3)“大西洋型”海底扩张模型。基于磁异常条带定年建立的南海扩张模式(Taylor,Hayes,1983;Briaiset al,1993),将南海海盆视为一个陆间盆地,以南北被动大陆边缘为界,南海西北及中央海盆在 3217Ma 打开并开始扩张,洋中脊在 2624Ma 向南跃
19、迁,扩张轴从近EW 向变为 NE 向,同时西南次海盆开始扩张,随后中央海盆和西南次海盆在 15.5Ma 同时停止扩张。这一模型主要依据有:南海磁异常条带的对称性;南海海山玄武岩为碱性或介于拉斑玄武岩和碱性玄武岩之间的过渡玄武岩,与弧后盆地的岩石化学特征相比,更接近于主要洋盆扩张中心附近海山的岩石化学特征;南海洋陆边界过渡带具有与其它被动陆缘相似的重力异常;近 EW 向海山链与预期的扩张中心吻合良好。4)弧后扩张模型。Karig(1971)提出南海的形成与菲律宾海板块向西俯冲后引起的弧后扩张有关。在晚白垩纪到古近纪阶段,西太平洋板块及菲律宾海板块向欧亚板块俯冲,俯冲板块与地幔间摩擦生热,地幔物质
20、熔融上涌,使得地壳拉张减薄,导致菲律宾岛发生弧后扩张而形成南海。在对比南海和日本海已有的地球物理特征之后,Ben-Avraham 和 Uyeda(1973)认为南海与日本海一样都是弧后扩张形成的,但引发机制有所不同,并基于南海海盆内的近 EW 向磁异常条带,提出是加里曼丹地块的南迁导致了南海的形成。基于对西太平洋边缘海盆地的基本特征和发育模式的研究,任建业和李思田(2000)认为太平洋板块的俯冲及俯冲带的后撤是弧后盆地发育的主要机制,印度欧亚大陆的碰撞所形成的向东和东南的地幔流推动东亚大陆东侧和南侧俯冲带的后退,影响和控制了西太平洋边缘海盆地的形态特征496地震学报45卷及构造演化。5)地幔上
21、涌模式。在地幔上涌驱动模型中,地幔上升流导致岩石圈破裂和扩张,从而形成南海海盆(例如,Miyashiro,1986;Wanget al,1995;李思田等,1998;鄢全树,石学法,2007)。Miyashiro(1986)提出的地幔上涌是从澳大利亚附近开始的,并向北最终迁移到南海,形成了包括南海在内的一系列的西太平洋边缘海盆地,并导致这些盆地由南向北逐渐年轻(南斐济盆地除外)。而鄢全树和石学法(2007)则提出促使南海扩张的是海南地幔柱,认为:5032Ma 时印度次大陆与欧亚大陆的碰撞导致太平洋板块的后撤,为南海提供了一个伸展扩张环境,同时为地幔柱提供了上升的通道;在 3221Ma 地幔柱达
22、到岩石圈底部时发生侧向流动并与地壳薄弱区相互作用,促使南海沿近 EW 向扩张轴扩张;在 2115.5Ma,地幔柱效应增强,热点-洋脊作用强烈,扩张轴从 EW 向变成 NE-SW 向,触发西南次海盆的扩张;在 15.5Ma,由于巽他陆架与印度澳大利亚板块碰撞,南海停止扩张。然而,张健等(2001)基于南海地热学、流变学和重力学的结果计算出,南海深部地幔流向是近 EW 向和 SE 向的,并不能解释 Miyashiro(1986)提出的地幔上涌为什么向北迁移。6)板缘破裂模型。板缘破裂模型强调南海东缘走滑断层的影响,认为传统的模型忽视了南海东侧走滑断层的贡献(周蒂等,2002;Huanget al,
23、2019;Wanget al,2019),因为自晚中生代以来华夏古陆岸上及离岸的走滑断层活动,在古近纪以来减薄的欧亚陆壳上发育了雁列式菱形拉伸盆地。花东海盆 NW 向斜向俯冲以及古南海近 NS 向俯冲的拖拽力,在欧亚板块与花东地块交界处形成左旋走滑断层,在 3334Ma(早渐新世)打开了三角形的南海中央海盆。然后,扩张脊向南迁移,于 23Ma 在中南礼乐和红河走滑断裂带之间打开三角形的西南次海盆,而曾经板块边界的走滑断层转换成现在的马尼拉海沟。7)复合驱动模型。复合驱动模型则综合各模型利于南海打开以及利于解释观测数据的部分,同时弥补各模型的短板。严格来讲,板缘破裂模型综合考虑了碰撞挤出模型、古
24、南海俯冲拖曳模型,尤其强调了南海东缘走滑断层的影响,也属于复合驱动模型。任建业和李思田(2000)认为,尽管太平洋板块的俯冲及后撤是弧后盆地包括南海发育的主要机制,但由印度次大陆与欧亚大陆碰撞驱动红河断裂右旋走滑和地幔近 E 向和 SE 向流动,造成了南海不对称扩张。而谢建华等(2005)通过地球动力学模拟认为,南海的打开和扩张是印度板块与欧亚板块的碰撞、地幔柱上涌以及太平洋板块向欧亚板块的俯冲共同作用的结果。Jiang 和Wang(2021)则认为碰撞挤出、板块拖曳和地幔柱模型依次在南海演化的不同阶段发挥不同的作用,共同推动了南海的打开和发展。横波分裂作为天然地震观测研究的重要手段之一,在最
25、近的几十年已经被广泛地运用于地壳应力、深部地幔构造变形等方面(例如,Silver,1996;Savage,1999;Crampin,Gao,2006;Long,Silver,2008;Eakinet al,2016)。随着南海构造演化研究的深入,深部地幔流与动力学机制之间的紧密联系日益受到关注。而地幔流难以通过地表地质记录直接观测分析,也难以借助实验验证和恢复重现,利用横波分裂分析是解决该问题的有效手段。由于缺少海底地震仪的观测,只能通过间接的手段推测南海海盆的各向异性,其分辨率还达不到相邻岛弧及大陆地区的程度。本论文基于南海深海区被动源宽频带海底地震仪(oceanbottomseismome
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