南海诸岛礁区新构造运动的特征

南海诸岛礁区新构造运动的特征

1南海中央海盆、南海沉积演化的构造格局南海位于北极的南端，面积约350万公里。北方、西部和南部的水深相对平坦，中部和东部的水深相对较深。大陆架、大陆坡和深海盆组合呈缺口朝东的马蹄形海底地形,东部有海沟。大陆架平原水深0～150m;大陆坡水深150～3800m,其中的中大陆坡台阶海底高原水深1500～2000m;深海盆平原水深3800～4200m,构成三级阶梯。东部的马尼拉海沟深达5377m。南海位于欧亚板块、澳大利亚板块和太平洋板块交汇地带,属于边缘海盆地。南海地质构造的形成和发展受这几大板块运动的制约。南海大陆架和大陆坡的基底地层有:元古宙变质岩和碳酸盐岩,为前寒武纪或晋宁期褶皱基底;下古生界变质海相碎屑岩和碳酸盐岩,为加里东期褶皱基底;上古生界浅变质碎屑岩和碳酸盐岩,为海西—印支期褶皱基底。中生界三叠系、侏罗系和白垩系是燕山褶皱带由陆向海延伸至大陆架和大陆坡。新生代晚渐新世—中中新世大洋玄武岩构成了中央海盆的基底。新生界的陆相和浅海相碎屑岩和海相礁灰岩广布。南海的地壳结构,大陆架和上、中大陆坡属大陆型地壳,是大陆的延续,下大陆坡是介于洋陆之间的过渡型地壳,中央海盆属类大洋型地壳。岩石圈断裂、地壳断裂、基底断裂和盖层断裂都很多,多呈NE或NW向展布,部分则为N-S或W-E向。多条彼此大致平行的NE向断裂造成有规律的断隆和断陷相间。珊瑚礁多以断隆为基础发育起来。区域构造区划有多种观点和方案。按照陆缘扩张观点,南海一级构造单元划分为3个,即南海陆缘地堑系、沙巴—沙捞越挤压陆缘地堑系和菲律宾岛弧断褶陆缘地堑系,其下又可分出多个二、三级构造单元。南海陆缘扩张及南海演化的基本过程可概括为:白垩纪晚期至始新世中期,南海中央海盆第一次NW向扩张,形成舟状海盆,南沙地块脱离大陆,沉积深水沉积。古南海向南消减,沿卢帕尔—纳土纳断裂以北形成沙捞越早喜马拉雅陆缘增生带,构成曾母盆地基底。始新世晚期至渐新世早期,南海及邻区区域性隆起,南沙地块相对抬升,沉积浅海沉积至沉积间断。渐新世中期至中新世早期,印度板块和欧亚板块碰撞,造成青藏高原的强烈隆起;太平洋板块从NW向转化为NWW和E-W向运动,与东亚陆缘向SE扩张相遇于菲律宾东部,导致南海大陆边缘海及与之伴生的菲律宾岛弧—海沟系的形成。南海中央海盆N-S向扩张,形成了西沙北海槽、中沙北海槽、中沙南海槽和西南海盆;南沙地块与中沙分离,部分与巴拉望陆块拼贴,沉积碳酸盐;沙巴地槽向南消减,形成南沙海槽;曾母盆地接受碎屑沉积和碳酸盐沉积。中新世中期,南海中央海盆海底扩张最后结束于西南部的NW—SE向扩张,发生台阶状断块断落而形成陆坡断阶带。中新世晚期,南海中央海盆冷却,南海进入转老期。南沙海槽消减,造就了沙巴—沙捞越挤压陆缘地堑系。整个南海区域性沉降继续,海域不断扩大,至上新世时,现代南海的轮廓大体形成。第四纪冰期与间冰期交替,大陆架与海岸带的海陆变迁大。末次冰期极盛时,海面下降,大陆架和更新世珊瑚礁出露成陆,巽他群岛与中南半岛相连。冰后期海侵,海岸轮廓同现代相似。2礁坪和灰沙岛南海诸岛珊瑚礁绝大部分分布在中大陆坡(如东沙群岛在东沙台阶上,中沙群岛的主体和西沙群岛在西沙—中沙台阶上,南沙群岛的主体在南沙台阶上),少部分分布在上大陆坡(如南沙群岛西南部的暗滩群,即万安滩、西卫滩、广雅滩、人骏滩和李准滩),也有小部分分布在大陆架上(如南沙群岛南部的南屏礁和暗沙群,即北康暗沙、南康暗沙和曾母暗沙等),个别分布在植根于深海盆的海山上(如中沙群岛的黄岩岛)。南海诸岛珊瑚礁系岛礁,主要有环礁、台礁、水下礁丘和水下礁滩等类型,以及零星塔礁(火星礁等),此外还有个别岸礁(高尖石火山岛水下岸坡)。低潮出露者称干出礁。南海诸岛干出礁计有环礁53座,台礁10座,隐没于水下的各类沉溺珊瑚礁数十座,尚未完全查明。兀立在海中的岛礁,其形态与大陆和大陆岛沿岸的岸礁不同。岛礁四周礁外坡都很陡,有几级坡折。礁顶略呈圆形,礁坪或隐现水面(低潮干出),或隐没水下(低潮也不出露),坪面粗看较平,其实凹凸不平。礁坪由松散的钙质生物骨壳碎屑和珊瑚活体构成。有些礁坪上的堆积物被波浪和风塑造成堤脊、浅滩、沙洲乃至沙岛。沙洲和沙岛统称灰沙岛,共有52个。隐现的礁坪都是冰后期海面上涨至最高以来形成的。绝大多数的灰沙岛都是全新世中期高海面出现以后陆续形成的松散堆积,高1～8.2m,有些岛上小部分砂砾已固结成海滩岩、沙堤岩和鸟粪石,14C年龄距今不过5ka。唯一由已全部固结的沙丘岩构成的老灰沙岛——西沙群岛的石岛,形成于全新世中期高海面出现之前,高15.9m,地层的14C年龄为距今8～19.73ka,是南海诸岛中最高、最老的灰沙岛。据珊瑚礁钻探资料,西沙群岛永兴岛“西永1井”井深1384.68m,揭露礁体厚1251m,井深1134.93～1137.35m礁灰岩样品的孢粉分析结果表明,热带植物花粉占优势,没有发现前第三纪的任何孢粉类型,应为中新世早期,但不排除渐新世晚期的可能性。而琛航岛“西琛1井”井深802.17m,永兴岛“西永2井”井深600.02m,石岛“西石1井”井深200.63m,南沙群岛永暑礁“南永1井”井深152.07m,“南永2井”井深413.69m,均未穿透礁体。菲律宾同国外石油公司在我南沙群岛礼乐滩钻探,其中Sampaguita—1井深4125m,钻至下白垩统地层,井深0～2160m段为上渐新统—第四系礁灰岩,该生物礁是在距今约27Ma的晚渐新世晚期开始发育的。综合南海诸岛岩心资料,一般礁顶表层0～18m为全新统松散的生物砾屑堆积,以下为更新世及时代更老的礁灰岩,140多米以下白云岩化。根据“南永2井”岩心的研究,将第三系上新统与第四系更新统的界线定于井深268m处,距今约2.48Ma。3南海相岛砂岩区的新结构运动特征3.1音乐滩和海谷礁缘—断裂中国科学院南沙综合科学考察队在礼乐滩礁区的高分辨率电火花浅层地震记录清晰地反映了礁体的结构和构造。礼东滩NW缘(图1L1剖面NW端)在2000m水深的范围内有数级断落,各级水深分别为1740m、1350m、765m、412m和300m,由此推算各级断距为390m、585m、353m、112m和300m,总断距达1740m。最低一级构成礼乐滩与大渊滩之间的海谷,其底部较平坦,其余几级均呈峰状,似礁前渐次断落。推测各级均是已固结的原生礁,其上的沉积层很薄或缺失,属晚期断块。在礁坪中部(L1剖面261～273站号之间)发育礁内断裂形成的小型断堑,断堑内有后来的沉积。礁缘和礁内断裂大部分属正断层性质。礼乐滩与棕滩—海马滩鞍部之间的断陷盆地(L2剖面270～472站号之间),沉积了厚度410m以上的沉积物。盆地东南缘是棕滩与海马滩两礁之间的鞍部,是一个沉溺礁,位于水深560m以下。盆地西北部礼乐滩东缘外有一断落的埋藏礁(270～312站号之间),礁前断落达300m。埋藏礁上已被后来的100～200m厚的沉积物所覆盖。盆地沉积物与礼乐滩礁缘接触处呈拖曳现象,显示埋藏礁(上盘)迄今仍在相对下降,反映出运动的继承性。沉溺礁和埋藏礁与盆地沉积物接触,T4界面为断层接触,T3界面及其上超覆接触,根据区域地层对比,说明在上新世时盆地以沉溺礁与埋藏礁礁缘断裂为界,至上新世晚期或早更新世早期,沉积物超覆埋藏礁,表明断陷盆地形成于上新世之前。3.2礁体基础:海底火山南海诸岛存在第四纪火山活动,但已熄灭,至少全新世以来没有再活动过。据地震剖面解释,沿南沙群岛中部NW向的南华水道南侧分布的司令礁、南华礁和利生礁(六门礁)等礁体的基座可能是火山岩。礼乐滩南面L5电火花浅层剖面解释出多处火山活动(图2),该测线上的忠孝滩断裂处即为喷溢形成的海底火山。美国的航海指南1提到赤瓜礁和无乜礁的外环是火山带,又说石盘仔似火山,这些均被我们的实地考察而否定。西沙群岛东岛环礁中的高尖石岛,海拔7m,面积仅0.0003km2,是南海诸岛中唯一的火山岩岛屿,其火山角砾岩的角砾部分是玻基辉橄岩,K-Ar法测年为距今2.05Ma,部分角砾为珊瑚礁灰岩,说明属早更新世海底火山喷发产物2。3.3年5月7日至4月7日:7月21日南海诸岛地震活动微弱。南沙群岛皇路礁附近(7°N,114°E)于1930年7月21日曾发生过一次6级地震,双子群礁北面中央深海盆于1965年10月7日发生5.75级地震,曾母暗沙历史上无强震记录。3.4大地构造礁的地壳古环境南海海盆属新生代沉降区,有些人推测,南海诸岛却是沉降区中的隆起,并指出东沙隆起的现代构造运动似属稳定;西沙断块隆起在第四纪初期地壳上升接近现代海面,形成珊瑚礁岛屿,其后又两次间歇性上升,形成两级珊瑚礁阶地,现代构造运动似为稳定或微趋上升;南沙群岛第四纪晚期地壳似上升,形成海拔约10m的珊瑚岛,现代构造运动似属微上升。还有人推算西沙群岛地区全新世中期以来的构造上升率为0.46mm/a。但有人以“西石1井”的资料说明石岛总体上在末次冰期以来还是下降的。我们对南沙群岛永暑礁南永1井珊瑚礁岩心的研究认为,距今970ka以来,永暑礁地壳长期处于下沉状态,只有在世界气候变冷、海面下降时它才暂时出露成陆。运用地质学将今论古方法,以现代南海诸岛环礁沉积相带的类型(从礁顶水平方向分为礁缘坡—外礁坪—礁凸起带—内礁坪—湖坡—湖盆)与发育的基本过程,分析岩心的沉积相和沉积旋回。每个旋回由下而上大体上是由湖盆相到外礁坪相组成,反映了海平面上升的过程。每个旋回之间有沉积间断、老旋回顶部有白云岩化和某些沉积矿物成分变化,以及淡水溶蚀形态(溶洞)等,反映了海平面下降和陆露。详细研究“南永1井”和“南永2井”岩心的沉积相和沉积旋回,将“南永1井”岩心由下而上划分4个旋回:Ⅰ旋回(早更新世)井深152～142m,在142～130.3m处为溶洞;Ⅱ旋回(早更新世)井深130.3～89.8m;Ⅲ旋回(中、晚更新世)井深89.8～17.3m;Ⅳ旋回(全新世)井深17.3～0m。南永2井揭示了自中新世晚期以来经历了6个沉积阶段5次沉积间断,这些间断自下而上分别位于井深369.83m、268m、141.71m、91.25m和17.71m。后3次可与南永1井对照。我们认为这几个旋回反映了晚第三纪几个间冰期古气候变化引起的水动型海平面变化。水动型海平面变化幅度一般不超过150m,而中新世末南极冰盖扩大导致全球海平面下降了800～1000m则是十分特殊的。新的旋回叠在老旋回之上且礁体厚度超过2000m,说明除了气温—海平面振荡之外,必然还包含着地壳长期构造下沉的因素。珊瑚礁是以浅水造礁石珊瑚为主的造礁生物遗骸堆积成的。浅水造礁石珊瑚的生长受水深等因素制约,适宜造礁珊瑚生长的水深为50m以浅,再深只有个别种与零星个体生长,但不构成礁,这和阳光透入水的深度有关。现时位于水深或礁坪钻井深度50m以下的礁体,可能正是该区地壳具有沉降性的证据。晚第三纪冰期时海面比现在低1000m,第四纪冰期时海面比现在低约140m,如此,深度位于1050m以下的第三纪珊瑚礁和深度在190m以下的第四纪珊瑚礁,无疑反映了该区地壳下沉的事实。处于水深数十米的沉溺礁礼乐滩Sampaguita-1井的礁灰岩厚度为2160m,说明距今27Ma以来该地区地壳沉降了2160m(至少2110m),平均沉降率为0.080mm/a(或0.078mm/a)。可见该区地壳沉降速度是很缓慢的,但持续长久,中间可能有变速。干出的永暑礁第四系礁灰岩厚268m,说明距今2.48Ma以来该区地壳已下降了268m(至少218m),平均沉降率为0.108mm/a(或0.088mm/a)。永暑礁地壳长期处于下沉状态,只有在世界冰期水动型的海面下降时它才暂时出露成陆。南沙群岛珊瑚礁礁外坡水深测量显示,在2000多米深的外坡存在多级平台和坡折,其中永暑礁20m和40m两级平台具有古海面指示的意义。据“南永1井”岩心研究并结合礁外坡地形分析,早更新世晚期(井深152m)、中更新世中期(井深142m)和晚更新世末期(礁外坡水深140m的水下阶地)几次成陆,至距今8ka前海水上涨至井深17.5m和礁外坡水深20m的平台时才使永暑礁“灭顶”。南海围区大陆和大陆岛存在晚更新世和全新世中期高海面的证据。被视为典型高海面证据的如加勒比海珊瑚礁上的末次间冰期海拔10m左右的阶地,但永暑礁隐现水面,不存在礁上阶地,而在“南永1井”(井口高程处于潮间带,比平均海平面略高,本文暂当作海平面)剖面上井深17.3m的侵蚀面下-17.8m处的礁灰岩之铀系年龄为距今108ka,也就是说距今120ka时的海面高程应该在-17.8m以下某处。井深16.0～17.3m的潮间带砾屑滩相沉积物的14C年龄为7350±160aB.P.,可粗略反映全新世中期海面的位置。全新世中期高海面一般为+2m左右,“南永1井”岩心表征的全新世中期高海面却在井深16m以下,这多少说明了该处全新世中期以来呈下沉趋势。考虑到水动型海平面上升的因素,计算冰后期永暑礁海面上涨(包含地壳下降因素)速度按140m/13.7ka计,平均为10.2mm/a;计算全新世中期以来海面上涨(包含地壳下降因素)速度,按16.8m/7350a计,平均为2.28mm/a,剔去永暑礁地壳平均沉降率0.1mm/a,粗算出水动型海面上升率分别为10.10mm/a和2.18mm/a,在这样的条件下,永暑礁和所有干出礁能随地壳沉降和水动型海平面上涨而隐现于海面附近。自渐新世以来,由于地壳上升使部分海底变成陆地的现象,只见于南海诸岛的围区,而在南海诸岛区内则从未发生过。冰期海面下降时部分珊瑚礁和大陆架海底陆露不在此例。区内灰沙岛都是冰后期海面上涨过程中和达到高海面以后陆续由外动力堆积成的,都很矮小,现仍处于波浪和风的动力作用下继续缓慢地变化,并没有构造上升的迹象。石岛是一座沙丘岩体,朱袁智(1981,1984)、业治铮(1984,1985)和冯伟民(1941)等已先后作出可信的论证,显然,把石岛上分别高出高潮面以上5m和约12m的两个坡折视为上升的海积阶地是不妥当的。4礁顶沉积相与灰沙岛岛城的变化南海诸岛地壳处于缓慢沉降中,加上现代海平面处于全球变暖而引起微弱上升,南海诸岛又那么矮小,它在不远的将来会不会沉没呢?笔者乐观地认为无此可能。因为南海诸岛是生物成因的岛群,本区造礁石珊瑚成长率高,礁格架的支柱生物——滨珊瑚和蜂巢珊瑚的成长率一般为5～10mm/a,最大可达20mm/a。由“南永1井”岩心算出永暑礁顶全新世中期以来沉积速率平均为2.28mm/a,由“西永1井”岩心算出永兴岛灰沙岛的堆积速率为2.06mm/a(14m/6790±95a),由“西琛1井”岩心算出琛航岛灰沙岛的堆积速率为3.33mm/a(10m/3000±70a),礁顶沉积率和灰沙岛堆积率均相当于或大于地壳下沉率(