南海磁静区的分布及成因分析

南海磁静区的分布及成因分析

基于海底磁极异常带的发现和解释，海底扩张理论丰富而发达，以板块结构理论为基础，标志着地质学的革命变化，是20世纪人类自然科学最重要的发现之一。除了海底磁异常条带,海洋磁异常还有一种的分布形态:磁静区(MagneticSmoothorQuietZone,MQZ)。磁静区是指在磁异常等值线图上呈现大面积宽缓的低幅值磁异常区域。和磁条带高幅值变化特征不同,磁静区的磁异常幅值都较小,一般不超过±50nT。洋壳扩张过程中,在北大西洋和西菲律宾中央海盆等地方,磁静区在出现线性磁异常条带后停止活动。只有当扩张持续到扩张段在海洋表面能够观测,才会形成线性磁异常条带。许多弧后盆地扩张不到这个程度,因此保持“磁静”状态。从20世纪70年代以来,在全球的很多地方,例如大西洋两岸、澳大利亚南部、北非、格陵兰岛以及印度洋等都陆续发现了磁静区的存在。磁静区主要包括深海磁静区和边缘海磁静区两种,深海磁静区主要分布于太平洋和大西洋的深海区域,大多沿着洋中脊对称分布,成因一般和地磁极性不变期有关;而边缘海磁静区主要分布于大陆边缘附近的边缘海区域,常常涉及到陆壳张裂、海底扩张以及岩浆与沉积作用等,成因复杂,主要包括构造成因、化学成因和物理成因三种。Allaby认为在洋壳形成过程中地磁场不产生极性变化,或者后来沉积物的热能积累效应使原始磁性层磁性消失,缺失磁异常,从而形成磁静区。Roots认为无论扩张期间地磁场是否发生倒转,在所有的扩张方向与海盆边缘成较大角度的扩张洋盆和边缘海盆中均会产生磁静区,将之称为“构造磁静区”。Barrett等认为西北大西洋磁静区在形成期间可能发生过地磁极倒转,并提出了4种可能的成因模式:(1)在没有发生地磁极倒转的时期磁化;(2)三叠纪期间在磁赤道处磁倾角很小的时候原生磁化;(3)热流蚀变退磁;和(4)大洋地壳的第二层主要成分为侵入岩,而不是喷出岩。Verhoef等在大西洋马德拉深海平原的白垩纪磁静区内断裂带的磁异常做了三维分析,研究结果表明断裂带上位于断层谷的较年轻的一侧上磁化强度增加,这种现象主要和地壳内玄武岩的不对称侵入有关。南海北邻中国大陆、东临菲律宾群岛、南依加里曼丹和苏门答腊群岛、西接中南半岛,总面积约350万km2,最大水深达5559m,是西太平洋大陆边缘面积最大、水深最深的边缘海。南海北部陆缘地处欧亚板块、太平洋板块和菲律宾海板块交汇拼合部,经历了自中生代以来由主动陆缘到被动陆缘、大陆张裂到海底扩张等复杂的构造演化过程,存在着丰富的构造作用、岩浆活动等地质现象。南海北部磁静区就是在这一系列复杂构造作用下形成的。美国的Taylor和Hayes于l980年最早报道了南海磁静区的存在,南海北部磁静区位于南海东北部、台湾岛西南、东沙群岛以南、南海中央海盆以北从陆壳到洋壳的交接带上,在磁异常图上位于陆架高值正磁异常带以南,海盆磁异常条带区以北,主要包括下陆坡以及部分深海区域。对南海北部磁静区的地球物理研究,探寻磁静区的成因,有助于加深对南海北部被动大陆边缘的张裂演化过程的认识,从而对认识整个南海的形成演化历史也有重要意义。另外,磁静区及周围区域还分布着大型沉积盆地和厚的沉积层,蕴含着丰富的油气资源,岩浆活动和地壳的张裂减薄运动等均会对该区域内油气的生成和储藏有着重要的影响,因此,在油气资源日益短缺,我国油气愈发依赖国外进口的今天,对磁静区的研究也有着重要的能源意义。1南海磁异常的地质特征对于南海北部磁静区的具体分布范围历来有着不同的认识。Taylor指出磁静区的分布与负的自由空间重力异常相对应,同陆坡边界一致。吕文正等指出南海在中央海盆南北两侧均存在磁静区,在礼乐滩附近区域也存在一个磁静区。磁静区的边界同陆坡与深海平原的分界线并不一致,磁静区分布范围更广,还包括一部分深海平原区。但他们划分的磁静区只有大致的向海一侧,向陆一侧的范围并没有圈定。刘海龄等划分的磁静区沿着琼南缝合带以南向东延伸穿越火山活动区直至马尼拉海沟,且不包括洋盆部分,这与磁静区的概念是不相符的。吴招才等根据低磁异常的正负,将南海北部磁静区划分为靠陆一侧的低负磁异常值的内磁静区和靠海一侧的低正值磁异常的外磁静区。虽然珠江口盆地的白云凹陷、潮汕凹陷和台西南盆地等一系列陆架陆坡盆地区域内的重磁场特征符合磁静区的要求,但它们并不位于传统意义上的磁静区范围内,将这些盆地划分为内磁静区还是有待商榷的。我们认为,磁静区向东的展布应该停止在Hsu、LiChun-Feng和SunZhen等提到的火山活动区,火山活动产生了与海山相对应的散乱分布的高值磁异常,可能破坏了原本存在的磁静区,推测先前存在的磁静区的范围可能更大一些。我们从前人研究出发,结合磁静区周围的自由空间重力异常分布,根据ΔT磁异常和化极磁异常资料,考虑到磁静区周围的构造背景,给出了南海磁静区准确的分布范围(图1)。本文使用的自由空气重力异常数据来源于NGDC,是由卫星测高数据解算得到的,磁异常数据来自于日本地质调查局和东亚、东南亚海洋地球科学合作委员会(CCOP)1996年根据多家单位采集的航空和海洋磁测数据编绘的东亚地磁异常数据库。本次研究范围为16°~22°N、113°~121°E,实际处理中为压制边缘效应,适当扩大了选取数据范围,但在成图中并未显示。在南海磁异常图上可以看到,磁异常在南海东北部形态比较复杂,主要表现为由陆到海磁异常梯度变化逐渐剧烈的特征,且幅值范围也从约±50nT增加到±300nT以上。中央海盆以及吕宋岛弧区域磁异常最高、梯度变化最为明显。陆坡的磁异常走向大致为NE向到NEE向之间。而到中央海盆处的磁异常条带走向大致为东西向。南海北部陆架区磁异常变化较为平缓,一般以低的正负异常为主,异常强度一般在±100nT之间。西部为接近正常场的平静异常,东部磁异常变化明显,较为复杂,有NE方向磁异常分布。北侧磁异常以负值为主,向东南靠近陆坡磁异常出现正值异常分布。南海北部上陆坡区磁异常变化较大,最明显的特征是从东沙岛附近NE向延伸到台湾的高值磁异常带,异常值超过300nT,一般认为和中生代形成的火山弧相对应。下陆坡区域最典型的磁异常特征是磁静区,磁静区是一个位于高磁异常带和海盆磁异常条带之间的明显的平缓的低幅值磁异常区,幅值位于±50nT的范围内,大部分区域的幅值在±20nT之间平缓分布。磁静区部分地区有50nT的正异常隆起,与磁静区内的海山分布相对应。赵俊峰等认为磁静区两侧有一个比较明显的单峰异常,称之为“双峰异常”,将其作为识别南海磁静区的一个标志。台西南盆地附近的磁异常变化平缓,幅值也较低,且其自由空气重力异常也为负值,表现出和磁静区相似的特征。南海东北次海盆附近区域磁异常特征相对复杂,没有明显的条带性,相对中央海盆磁异常较为宽缓,与区域内的海山分布相对应,也有峰值接近+200nT的高值分布。但Hsu等根据新的磁力资料识别出10~12和15~17号磁条带在此区域内的分布。南海海盆中的磁异常为EW方向条带状磁异常,正负相间,磁异常变化明显,变化范围从-300nT到+500nT。中间有海山链分布。磁异常分布和大洋中脊磁异常特征相似,被认为是海底扩张的证据。南海处于低纬度地区,大部分海域位于磁赤道附近,属低纬度区域,以水平磁化为主,常规的化极方法只是压制噪声,并不能达到控制化极因子的放大效应,压制南北方向条带状拉长的目的,并不适用于南海等低纬度地区的磁异常处理。我们参考了姚长利提出的压制因子法的化极原理,对南海北部的ΔT磁异常资料进行了低纬度化极处理(图2),因为研究区的磁纬度跨度比较大,化极时作了按纬度变化的滑动窗口分带处理。从化极磁异常图上可以看到,化极后的高磁异常带和中央海盆磁条带都向北偏西方向有一些移动。在高磁异常带偏南一侧,出现了负值磁异常区域,走向和高磁异常带平行,NE方向延伸直到台湾。该区域内磁异常变化比较平缓,异常值变化范围约为-100nT和0nT之间,吴招才等将其划分为内磁静区。但根据我们对南海东北部陆缘的地震资料解释结果,该区域属于东沙古隆起的分布范围,而通常认为东沙古隆起是中生代的火山弧。推测可能是东沙古隆起的岩层含有较强的剩余磁化强度,而低纬度化极处理将剩磁当作感磁处理,造成化极结果出现了大面积的负磁异常区域,而事实上负磁异常区域可能并没有这么大。由于目前的化极处理无法考虑剩磁的影响,而南海洋盆的玄武岩层通常都具有较强的剩磁,所以在洋盆处的化极结果只作参考。南海东北部自由空气重力异常受海底地形影响较大,总的走向以NE方向和NEE方向为主,在东部沟弧区成近SN走向。北部陆架区自由空气重力异常变化宽缓,且幅值较低。异常的走向主要为NE方向,异常值一般从-20到20mGal之间变化。整个南海北部陆架区出现大面积的负值异常,约占2/3。台湾岛西部存在高的正异常区域,最大值约为60mGal。陆坡区自由空气重力异常变化剧烈,异常分布复杂,异常值变化范围在-60mGal和80mGal之间,是一个重力梯度陡变带。下陆坡磁静区位于一个重力负值带上,该重力负值带从琼东南盆地、西沙海槽沿着海陆边界向东偏北方向延伸,穿过磁静区,消失于磁静区东部火山活动区产生的正自由空气异常边缘。磁静区是一个明显的低自由空气重力异常区,异常值为负,变化范围位于-20mGal到-40mGal之间,走向近似为NEE方向。磁静区两侧近似对称的分布着正的重力异常区,虽然负的自由空气异常和磁静区位于洋陆边界、从洋到陆的地形变化有一定关系,但这种负异常也反映了磁静区和两侧区域在构造和地层结构上的差异。磁静区东侧分布由海山引起的正的自由空气异常,分布范围和海山的地理位置对应,异常幅值小于中央海盆内的海山。中央海盆处自由空气异常变化非常平缓,主要为正异常,变化范围为0mGal到40mGal。海盆中有孤立的海山正异常分布,其异常值明显高于周围海盆区,和地形差异关系密切。中沙群岛处的自由空气异常为负异常包围的高值正异常区域,幅值超过80mGal,异常分布和地形一致。马尼拉海沟附近分布高的负自由空间重力异常,呈现典型的海沟特征。异常极值约-80mGal。相比于自由空气重力异常,南海东北部布格重力异常的分布特征和地形水深的关系更加密切。布格重力异常变化明显,随着水深的变大,总体呈现从陆区的负值向海区的正值过渡,在海盆中央附近区域达到最高,约400mGal。北部陆架区布格重力异常变化非常宽缓,大部分区域异常值为-20mGal左右,从西向东异常值缓慢增加,在台湾西部有40mGal左右的异常极大值分布。北部陆坡区布格重力异常呈现为NEE方向的梯度变化带,随着水深的增加,异常值也从40mGal逐渐增加到200mGal。其中受东沙岛地形隆起的影响,在东沙岛区域存在一个布格重力异常低值点,约为0mGal。磁静区处布格重力异常走向为NEE方向,随水深增加呈梯度变化。异常值范围从约150mGal到约250mGal,局部有20~40mGal的隆起。磁静区东侧火成活动区内和海山的位置相对应,有布格重力异常的低值圈闭出现。中央海盆处分布大面积的高值布格重力异常区,异常值高达400mGal。在有海山分布的地方,布格重力异常从周围的300~400mGal,降低到200mGal左右。2磁体区域的主要接口反演2.1磁性基底深度对化极磁异常进行小波多尺度分解,得到一阶逼近异常结果。分析一阶逼近相当于去除了噪声干扰以及沉积层中磁性矿物的影响,因此,用来进行磁性基底深度反演。利用频率域帕克法反演磁性基底深度,得到磁性层顶界面的深度变化。参考磁静区相关岩石物性资料,选择沉积层的磁化强度为0.05A/m,平均深度6km,磁性层的平均磁化强度2A/m,计算结果如图6。根据南海北部磁性基底深度反演结果,磁静区的磁性基底深度约为7.5km,比磁静区北侧珠江口盆地的白云凹陷、潮汕凹陷和台西南盆地磁性基底深度8~9.5km的结果要浅,但比磁静区南侧中央海盆处4~5.5km的磁性基底深度要深。北侧沉积盆地内的反演结果较深的原因是盆地内有大量的地堑和半地堑发育,基底深度较深。2.2磁静区居里等温面深度的反演居里等温面是地球内部的一个温度界面,指岩石中铁磁性矿物因温度升高达到居里点从而失去铁磁性变为顺磁性时的温度界面,因此,居里等温面一般也意味着磁性层的底界面。居里等温面反映的是岩石圈热状态而非确定的地质构造面,研究居里面对确定深部磁体结构和了解深部热状态及结构有重要意义。居里面埋深对油气的生成和贮存有影响,反演居里面深度对油气资源评价勘探也有重要意义。由于不同矿物的居里点温度有稍微的差异,在计算中一般选取均值575°C作为居里点温度。反演居里等温面深度的方法一般有两种:一种是频谱反演三维磁性层界面的方法,称为界面反演法,如帕克法等;另一种是基于直立棱柱体的频谱反演,简称功率谱法。功率谱法通常对于反演离散的居里深度等温点比较合适,考虑到磁静区,存在的居里等温面是一个深部界面,因此,选择采用帕克磁性界面反演法进行磁静区居里等温面的反演。采用化极磁异常小波分解四阶逼近结果作为居里面产生的异常,选择磁性层磁化强度2A/m,平均深度20km。给定平均磁化强度和假定的平均居里面深度以后,利用近似的线性反演公式,把居里面相对于平均深度的起伏表示为有限项傅式级数。利用最小二乘法求得相对起伏深度的傅式系数就可以得到居里面的深度,迭代得到计算结果(图8)。根据南海北部居里等温面深度的反演结果,南海北部的居里等温面深度整体上位于13~28km,磁静区的居里等温面深度为13~18km,西沙海槽的居里面深度为13~15km,南海中央海盆处的居里面深度为15~20km,磁静区北侧珠江口盆地的白云凹陷、潮汕凹陷和台西南盆地等处的居里面深度为19~28km。可以看到磁静区的居里面深度普遍浅于周围区域,居里等温面存在着5~10km的隆升。通常南海中央海盆的洋壳厚度一般在8~10km,在中央海盆居里面的深度要比洋壳深5~10km。李春峰对南海海盆的居里面研究同样发现了这样的现象,他的解释是南海中央海盆的大洋岩石圈地幔分布有厚度在10km左右的磁性层,因此,有必要对磁源体深度以及上地幔磁化等方面重新认识研究。2.3厚度的确定结果根据反演得到的磁性基底深度结果和居里面埋深结果,将二者做差,得到南海北部磁静区及周围区域磁性层厚度结果(图9)。根据南海北部磁性层厚度的反演结果,磁静区的磁性层厚度约为6~10km,南海中央海盆处的磁性层厚度为8~16km,磁静区北侧珠江口盆地的白云凹陷和台西南盆地等处的磁性层厚度为10~20km。可以看到磁静区的磁性层厚度普遍小于周围区域,磁性层厚度存在着4~10km的减薄。2.4莫霍面和海底的分布采用针对布格重力异常的小波分解四阶逼近结果作为计算的区域场,然后选择合适的反演参数进行计算。对地壳的平均密度取值2.8g/cm3,上地幔平均密度取值为3.27g/cm3,迭代得到磁静区及周围区域莫霍面深度计算结果(图11)。根据南海北部莫霍面深度的反演结果,南海北部的莫霍面深度整体上位于10~29km,整体走向成北东—南西向。莫霍面的埋深与海底地形呈镜像关系,水深最浅的靠近华南陆缘的陆架地区,分布大陆型地壳,莫霍面深度最大,为26~29km,向东南方向深度逐渐降低。北部陆坡特别是下陆坡地区是莫霍面变化剧烈的地区,一般认为该区分布海域过渡型地壳,该区莫霍面从24km上升到15km,深度等值线密集条带状分布,是一条狭长的地壳过渡带,和水深变化基本对应,向海洋方向莫霍面逐渐隆升。南海中央海盆区具有大洋型地壳结构,莫霍面埋深最浅,最浅的地方莫霍面深度小于10km,整体深度在9~13km之间。磁静区位于南海北部下陆坡到海盆的过渡带上,莫霍面深度变化非常明显。相比于周边地区,莫霍面深度也存在着一定的抬升,是下陆坡处莫霍面深度减薄最为剧烈的区域。但由于莫霍面反映的是地壳整体的结构,因此,磁静区的莫霍面抬升并不像居里等温面深度起伏变化那么明显。在南海中央海盆处的莫霍面对海山也有一定的响应。在海山处莫霍面有一定程度的加深。如宪北海山、玳瑁海山等处的莫霍面深度14km左右,相比周围海盆的莫霍面深度加深4~6km,这和重力均衡理论是一致的。3磁静区基底深度反演及热流异常特征对于南海磁静区的成因历来有着不同的认识。Taylor等认为磁静区与条带磁异常分布区的界线同陆坡边界一致,推断磁静区的地壳属性是陆壳和洋壳之间的过渡地壳,是由于洋陆过渡区深部物质密度变化形成的。张毅祥等将磁静区地壳分为两个磁性层,下层是均匀磁化物质,上层是中等磁性的反向磁化物质,认为磁静区与中生代较长时间的磁场倒转相关,夏戡原等进一步指出该反向磁性层可能是为中生代特提斯的残留洋壳。Wang等在地震剖面上发现在南海东北部陆缘洋陆分界线附近的上、中地壳中存在着火山和火成岩,宋海斌等认为磁静区可能代表陆块最终破裂和海底扩张开始前的大规模火成活动产物。闫贫等根据对OBS93地震剖面的解释结果指出磁静区与上地壳减薄和高速层尖灭相对应,SHIXiaobin和Nissen等将磁静区和高速下地壳作为准火山型大陆边缘的证据,认为磁静区和高速下地壳是陆缘破裂时底侵作用形成的。赵俊峰等通过磁异常反演出磁居里面,由热流探测资料计算磁静区地温场并获取热居里面数据,认为南海磁静区内下伏的地幔高热物质上涌并沿构造薄弱带侵入形成了岩墙,使居里等温面隆升,磁性层厚度变薄,减弱了磁异常导致了磁静区的产生,但也有学者指出,磁异常的减弱和磁性层厚度的变化并无直接关系。吴招才等利用欧拉反褶积的技术反演了3条与OBS测线重合的ΔT磁异常剖面,并指出南海北部陆缘张裂前或者张裂期内发育的斜交断层和高速层,分别形成了内磁静区和外磁静区。但目前并没有明确的证据证明斜交断层会使磁性减弱。李春峰指出南海磁静区的主要形成原因是较厚的中生代地层的存在,地震剖面解释显示区域内中生代地层磁化率非常微弱,不会引起明显的磁异常响应。磁静区磁性基底深度反演结果显示磁静区内的磁性基底埋深较深,这和地震资料解释结果是一致的。磁静区位于南海北部的下陆坡处,该区域有着巨厚的沉积层发育。在磁静区相邻的台西南盆地,不仅发育厚的新生代沉积层,还有上三叠统———下三叠统的中生代地层发育。区域内的中生代和新生代沉积地层磁化率都比较弱,对区域磁异常的贡献极低。磁静区居里等温面反演结果显示居里面存在着隆升现象,这与台湾2008年OBS剖面反演的地壳结构结果(图12)是一致的。南海北部处于拉张性应力环境,南海在其形成演化过程中发生过多期的拉张。南海的张裂过程必然和深部的地幔有联系。南海张裂期间,中生代老地层张裂下陷,深部热物质向上运移,通过重力均衡作用填充区域内的物质亏损,造成区域内磁性层厚度减薄。另外,深部热物质的向上运移和南海的张裂是密切联系的,相辅相成,深部热物质的垂向运动在一定程度上促进或者促使了南海在水平方向上的张裂,而这种张裂又进一步促使垂向上深部热物质的向上运移补充。深部的地幔物质热活动必然会影响该区的热结构,而磁静区内高的热流值也证实了磁静区内深部的热活动。龚再升等的研究发现南海北部洋陆边界有一条约10km宽的高热异常带,推测可能与局部岩浆侵入或水热活动有关。Tanaka等反演得到南海的居里面在海盆北部明显比南部要浅得多,与折射地震剖面反映的下地壳高速层的深度接近;施小斌等发现在南海北部下陆坡磁静区内出现一条高热流带,平均热流值高达90mWm-2;中美合作所做的一条热流测量剖面结果显示,南海北部陆坡下陆坡的热流值较高,约为上陆坡及南海中央海盆北部热流平均值的两倍。磁性层厚度的反演结果显示磁性层厚度减薄,李春峰等也得出了相似的结论。但李春峰认为磁性层厚度的减薄和磁异常减弱形成磁静区并没有直接的联系,这点是有待进一步讨论的。当温度升高时,铁磁性物质磁化率增加,当达到居里点时,物质由铁磁性转变为顺磁性物质,磁化率急剧下降,趋于零,磁性降低。另外,当磁源体存在岩石剩余磁化的情况时,随着温度的升高,剩余磁化强度同样也会逐渐降低。高温使居里等温点以上温度的岩石失去磁性,因此磁性层厚度的减薄,和磁静区的形成是有联系的。另外,当岩石从居里点以上的温度冷却时,在通过居里点时会重新受到磁化,此时获得的剩磁,简称为热剩磁。如果获得热剩磁时候的地磁场方向和上覆未达到居里点的磁性地层磁化时的地磁场方向不一致,甚至相反的话,那么区域内总的磁异常还可能会进一步的减弱。南海东北部普遍存在纵波速度大于7km/s的高速层分布,在1993年JCCP、1995年ESP-E、OBS2001等地震测线上都能看到。邱懋翔利用过磁静区的T2007-Line1和T2008-Line2测线的海底地震仪资料做了地壳内部P波速度—深度结构模型,发现有8km/s的高速层的存在。卫小东等对OBS2006-3地震剖面径向分量的转换震相的横波速度结构模拟结果表明,下地壳高速层厚度为3~12km,纵波速度为7.1~