南海共軛大陸邊緣發(fā)育演變時空特征的非均性與目標鉆探井位

祝文君，杜學鑫，尚魯寧，李攀峰，潘軍，祁江豪，孟元庫，胡剛

1. 山東科技大學地球科學與工程學院，青島 266590

2. 中國地質調(diào)查局青島海洋地質研究所，青島 266237

1 區(qū)域地質背景

南海位于歐亞板塊、菲律賓海板塊和印度-澳大利亞板塊的轉換交接部位，也是太平洋構造域與特提斯洋構造域全球兩大構造體系的交匯點，其東側處于西太平洋弧后擴張的構造背景[1]，西側受（古）特提斯洋關閉[2-3]和印支半島擠出[4]的影響，構造活動復雜（圖1）。以中南斷裂為界，南?？梢苑譃槲髂?、西北和東部3個次海盆。中生代以前南海及東亞大陸主要伴隨著古太平洋板塊的俯沖、俯沖停止與后撤的構造過程，亞歐大陸東南緣由主動大陸邊緣轉變?yōu)楸粍哟箨戇吘?，然而對于中生代俯沖帶在南海的具體位置還存在不確定性[5]。南海周邊，包括東南亞地區(qū)，新生代主要受三大板塊活動和重組事件的影響。新生代南海起源于華南大陸裂解，繼而發(fā)生海底擴張、板塊俯沖、陸陸碰撞，近乎囊括了威爾遜旋回的所有過程。大洋鉆探揭示，東部次海盆約33 Ma 開始擴張，在約23.5 Ma發(fā)生一次擴張軸的躍遷，與此同時西南次海盆開始擴張并不斷向西南方向遷移至16 Ma 停止擴張，而東部次海盆于15 Ma 停止擴張[6]。

南海是西太平洋最大的邊緣海之一，是一個EN-WS走向的半封閉海，總面積約350萬km2，南海整體上呈菱形，EN-WS向延伸，南北跨越2 000 km，東西橫跨約1 000 km，南海海底地形從周邊向中央傾斜，水深逐漸增大，由外向內(nèi)由淺到深依次為陸架和島架、陸坡和島坡、深海盆地地形單元，其中，陸架和島架總體上地形平坦，地貌上以陸架平原為主，發(fā)育有水下淺灘、水下三角洲、侵蝕洼地和階地等。

圖1 南海地形地貌與構造綱要圖[7]Fig.1 Schematic map of geomorphology and tectonics of the South China Sea[7]

受歐亞板塊、太平洋板塊和印-澳板塊的復雜動力學作用，其地質構造復雜，火山、地震頻發(fā)，在長期的內(nèi)營力和外營力作用下，形成了復雜多變的海底地貌。南海海底地形從周邊向中央傾斜，依次分布著海岸帶、陸架、陸坡和深海盆地等地貌單元，海岸帶典型地貌單元主要包括海灘、水下岸坡、海灣堆積平原、水下三角洲等；陸架和陸坡典型地貌為陸架堆積-侵蝕平原、陸架堆積平原、陸架侵蝕平原、大型水下淺灘等；陸坡或島坡是南海地貌類型最復雜的區(qū)域，其次級地貌類型主要有陸坡斜坡、陸坡海脊、大型峽谷群和陸坡階地等；深海盆地地貌主要以平原地貌為主，發(fā)育有深海平原、海溝、深海海脊以及線狀或鏈狀海山等大洋型地貌。

2 南海大洋鉆探與南海生命史

自1999年中國在南海首次實施大洋鉆探ODP184航次之后，南海先后共計開展了4+1個大洋鉆探航次，截至目前，ODP與IODP在南海鉆井共18口井，其中ODP鉆井未曾鉆遇結晶基底，而在IODP349、367、368、368X航次中共有6處鉆探到了玄武巖基底，分別為U1431、U1433、U1434、U1500、U1502、U1503，具體鉆探位置見圖2。

2.1 大洋鉆探計劃184航次

1999年實施的ODP184航次是在中國海域的首次深海鉆探，通過對南海半深海海域沉積物連續(xù)取芯，試圖揭示長時間尺度氣候演變尤其是晚新生代東亞季風的演變，及其與地質構造運動的關系。

亞洲季風系統(tǒng)是全球氣候的重要組成部分，而南亞-東南亞季風氣候的演變與喜馬拉雅-青藏高原造山帶的生長、邊緣海盆的打開和關閉以及全球氣候的變化都有關。而中國南海位于亞歐大陸東部，太平洋西側，經(jīng)歷兩季季風，其沉積物記錄了構造造山帶的侵蝕和風化以及全球和區(qū)域氣候的變化，是記錄古海洋學對冬季和夏季季風反應的理想位置，因此ODP184航次旨在恢復南海南北部的沉積物剖面，以提供能夠闡明從千年尺度到構造尺度等不同時間尺度上的區(qū)域和全球氣候變化的記錄。ODP184具體的科學主題為[9]：①記錄南海新生代的歷史，包括生物地層學、巖石地層學、年代學、古氣候學和古海洋學；②在構造時間尺度上重建東亞季風在新生代晚期的演化和變異；③識別以及更好地理解構造隆起、侵蝕風化、半遠洋沉積以及氣候變化，包括亞洲季風演化以及新近紀全球變冷之間的聯(lián)系。

圖2 歷次南海大洋鉆探站位圖[8]Fig.2 Sites map of the ocean drilling in the South China Sea[8]

1 143站位目的是在海表溫度（SST）相對穩(wěn)定的西太平洋暖池區(qū)提供新近紀以來古海洋學記錄，重建橫跨南海的海溫梯度，反映該地區(qū)的季節(jié)性發(fā)展；站位1 144至1 148主要是為了恢復連續(xù)的半遠洋沉積序列，有助于在更高分辨率的時間尺度上重建古海洋歷史。其中站位1 144可以恢復連續(xù)的半深海沉積物序列，是重建更新世中晚期高分辨率地質歷史的理想站位，且為重構南海海溫梯度提供北部約束條件；站位1 145用來重構第四紀南海水體深度梯度；站位1 146利用相對較淺的斜坡盆地和相對適中的沉積速率恢復連續(xù)的半深水沉積序列，重建中新世中上段的東亞季風史；站位1 147旨在恢復1 148站位失去的最上層剖面記錄；站位1 148可能反映了南海盆地海底擴張早期陸源沉積物的輸運[9]。

總體來說，ODP184航次恢復了記錄過去31 Ma以來南海地質歷史的半遠洋沉積物序列；首次提供了相對富含碳酸鹽的細粒沉積物的高分辨沉積記錄。南海北部漸新世和中新世的分界線（1 148站位）以沉積變形、巖性突變和地層間斷（約24～27 Ma）為特征，有助于了解該地區(qū)新生代構造和氣候變化的時間和性質。低陸源輸入和部分高碳酸鹽巖產(chǎn)量導致中新世北部斜坡的沉積環(huán)境與南部礁區(qū)相似；中新世以后，南海南北部的沉積速率有顯著差異[9]。

2.2 綜合大洋鉆探計劃349航次

ODP184航次主要針對南海形成后沉積地層的鉆探，提供了古氣候與古環(huán)境變化的直接證據(jù)，但南海海盆開啟和關閉的時間問題制約了對東亞地質構造和古環(huán)境演化研究的深入。因此，以“南海海底擴張”為主題的IODP349航次于2014年實施，揭示南海擴張過程及其對晚中生代以來東南亞構造、氣候和深部地幔過程的啟示，共設置5個站位（1 431—1 435），其 中3個 站 位（U1431、U1433和U1434）位于古擴張脊附近，其余兩個站位（U1432、U1435）靠近大陸的洋陸轉換邊界附近（圖2）。

南海海盆洋殼的年齡受磁異常、海洋測深以及熱流的影響。而南海打開時間以及事件的不確定性阻礙了對東南亞其他地質活動的了解，包括從中生代俯沖到新生代裂谷作用的地球動力學轉變、南海海盆新生代的打開機制、海洋地殼增生與地幔演化、古海洋學和沉積響應，解決這一系列問題的關鍵是確定南海擴張的起止時間?；诖?，IODP349航次的科學目標主要包括[10]：①建立不同區(qū)域和特點各異的大洋地殼增生模式，檢驗南海從中生代活動大陸邊緣到新生代被動大陸邊緣過渡的地球動力學假說；②揭示海盆中洋殼性質并了解與洋殼和深部地幔過程伴生的構造擠壓及巖漿活動；③開發(fā)一個與各種構造事件和區(qū)域氣候過程相連接的完整南海3D沉積與沉降模型；④增加對大陸邊緣發(fā)展進程相關的地幔和巖石圈相互作用等地球動力學的深入了解。

IODP349航次首次成功在南海洋盆基底進行取芯，并在U1431、U1433和U1434三個地點取得玄武巖。349航次獲得以下初步主要結論：東部次海盆與西南次海盆之間海床的伸展終末年齡差異不大，擴張的初步停止年齡約為中新世早期（16～20 Ma）；在U1435站位鉆探發(fā)現(xiàn)一個約32 Ma明顯的不整合面，上部為海相沉積，下部為分選差的砂巖和黑色泥巖，這種不整合可能與南海最初打開期間的大陸張裂有關，因此，海底擴張開始時間估計在32～33 Ma左右；U1431站位鉆探得到的火山碎屑角礫巖和砂巖的年代為中中新世晚期至晚中新世早期(約8～13 Ma)，表明海山火山活動始于海底擴張停止后的幾百萬年，揭示了正在消亡的擴張中心巖漿來源的時間演化過程[10]。

2.3 大洋發(fā)現(xiàn)計劃367/368/368X

南海已有航次分別解決了擴張開始與停止時間以及擴張后沉積過程與古環(huán)境響應的科學主題，但南海擴張的機制和張破裂過程等依然存疑。根據(jù)之前的地震探測以及大洋鉆探，對于大陸巖石圈伸展破裂有兩個端元模型：富巖漿型與貧巖漿型。為了檢驗南海北部陸緣張裂到底屬于哪一種模式，2017年相繼開展了以“檢驗大陸裂解期間巖石圈的減薄過程：在南海張裂陸緣鉆探”科學主題的IODP367/368/368X航 次。IODP367航 次 鉆 取了U1499、U1500兩 個 站 位；IODP368航 次 鉆 取了U1501—U1505共5個站位，后續(xù)IODP增加了一個補充航次368X，3個航次選取站位均位于南海北部大陸邊緣附近（圖2）。

IODP367/368航次針對遠端帶盆地、洋陸過渡帶、早期洋殼以及成熟洋殼進行鉆探站位選擇，聚焦解決南海北部陸緣存在的重要科學問題[11-12]：①研究大陸張破裂地質歷史過程；②與其他非火山型或貧巖漿型大陸裂谷邊緣進行比較，檢驗現(xiàn)有大陸張裂模型；③進一步了解南海和東南亞在新生代的古海洋學和環(huán)境演變。以構造和基底為主要鉆探目標的沉積物巖心將提供有關東南亞邊緣新生代區(qū)域環(huán)境演變信息。

IODP367/368/368X航次首次獲得了南海新生代陸海變遷的全部沉積記錄[11-13]，并在U1500、U1501、U1502、U1504 分別鉆遇了不同類型的基底巖石，包括前新生代（很可能是中生代）沉積巖、前新生代基性—超基性變質巖、破裂最早期蝕變玄武巖、早期洋盆新鮮玄武巖，為研究陸地向海洋演變、提出新的陸緣破裂類型提供了第一手的巖石學和地球化學證據(jù)。

航次初步證實南海大陸巖石圈破裂模式與大西洋典型火山和非火山型模式不同。南海陸緣裂谷期就有強烈的巖漿作用[14]，也獲得了擴張脊型玄武巖（MORB），陸洋轉換迅速，建立了南海張裂過程的板緣裂解新觀點。IODP368航次在U1502站位發(fā)現(xiàn)了40 MaBP前的深水有孔蟲和玄武巖[15]，說明南海在破裂之前已經(jīng)有深水裂谷發(fā)育和巖漿作用?？紤]到南海海盆擴張東早西晚，結合最新的地震層析成像結果[16]，Huang[17]提出東亞海與華南之間的斜滑俯沖后撤應該是南海打開的驅動力，但由于東亞海和古南海都已下沉至地幔轉換帶及以下[18]，因此短時間內(nèi)很難判斷哪個板塊直接驅動。

2.4 南海大洋鉆探對關鍵科學問題的破解

大洋鉆探航次在南海研究取得了重大進展：ODP184 航次成功地揭示了南海30 Ma以來的氣候環(huán)境演變，發(fā)現(xiàn)低緯區(qū)水汽交換驅動的水循環(huán)和碳循環(huán)周期性，提出了氣候演變低緯驅動的新觀點[19]。首次鉆進了漸新世沉積層序（1 148站位），并在中新世/漸新世界面發(fā)現(xiàn)24～27 Ma沉積擾動不連續(xù)或沉積缺失，記錄南海北坡一個重要的沉積和構造事件[20]。

IODP 349 航次首次實現(xiàn)對南海深海盆大洋玄武巖的鉆探和取芯，澄清了有關南海海盆擴張歷史的爭論[6]，發(fā)現(xiàn)了火成碳酸巖[21]、深海紅層和大規(guī)模深海濁流沉積。洋底玄武巖的年齡支持東部次海盆及西南次海盆分別在16和15 Ma停止擴張。東部次海盆洋中脊在海底擴張結束后的5 Ma內(nèi)（7.4～12.8 Ma）仍廣泛發(fā)育火山作用。在洋陸過渡帶證實了33 Ma存在一個明顯不整合面（破裂不整合），該界面指示了南海由大陸地殼破裂到海底擴張開始的時間為33 Ma，證實了南海自東向西漸次打開。

IODP367/368/368X 初步航次成果揭示了南海從大陸巖石圈破裂到初始海底擴張的巖漿過程并不是大西洋式的火山型或非火山型（貧巖漿型）。對南海北坡而言，其大陸在超伸展-破裂過程中并未率先出現(xiàn)蛇紋巖地幔剝露，而是在大陸地殼破裂之后快速形成玄武巖洋殼。

南海大洋鉆探成功鉆取了中生代以來南海深海盆演化歷史的巖芯記錄，從海盆張裂、海底擴張，到氣候環(huán)境、生物和沉積演變，均取得了一系列的國際性的突破進展，使南海成為全球邊緣海研究的典范。但是以往的大洋鉆探多數(shù)限于南海大陸邊緣北部中段，對整個南海的控制約束作用有限，在共軛大陸邊緣的伸展減薄過程、洋陸過渡帶的張破裂過程等方面，仍然需要更進一步的研究，以期獲得對南海生命史全面、完整的揭示。

3 南海時空演化特征的非均性

由于南海存在東北次海盆、西南次海盆和西北次海盆，海盆邊緣形成的共軛大陸邊緣在時空分布上均具有不均一性，尤其是在共軛大陸邊緣的伸展減薄過程、洋陸過渡帶的張破裂過程、巖漿活動的動力機制及莫霍面優(yōu)選等方面，仍然需要更進一步的大洋鉆探支持，以期獲得南海完整生命史。

3.1 南海南北陸緣減薄過程差異

南海南北陸緣是由新生代華南大陸張裂形成的共軛陸緣，現(xiàn)今的地球物理觀測表明，南海北部陸緣整體拉張因子比南部陸緣大，表現(xiàn)為非對稱式伸展減薄，而指示陸緣伸展減薄程度的主要指標是伸展因子。

同時，南部陸緣伸展因子具有一定空間差異性，在巴拉望西北濱海區(qū)具有減薄強烈的地殼，而全地殼伸展因子在該區(qū)域可以達到2.0，在洋陸過渡帶區(qū)可以達到3.0[22]。根據(jù)多道地震和重力反演得到的禮樂灘區(qū)域上地殼伸展因子均小于1.1，全地殼伸展因子約為1.8，而在洋陸過渡帶區(qū)可以達到3.3左右，南沙地區(qū)上地殼伸展因子為1.3左右，全地殼伸展因子為2左右，在靠近洋陸過渡帶區(qū)可達3.4[23]。通過對新采集和重新處理的多道地震剖面解釋，結合鉆井、拖網(wǎng)等資料，計算得到中央海盆東南部陸緣和西南次海盆東南部陸緣上地殼拉張因子為1.6和1.8左右，相差并不大。西南次海盆東南部陸緣從陸到洋，全地殼拉張因子從2.5增加到5.5左右，下地殼拉張因子從4增加到10左右，其中在距離洋陸過渡界約200 km處，受禮樂斷裂的影響，全地殼拉張因子達到4，下地殼拉張因子可達7。而中央海盆東南部陸緣從陸到洋，全地殼拉張因子從1.5緩慢增加至4.1，下地殼拉張因子與全地殼拉張因子幾乎相等。研究表明海盆在張裂期受到拉張時，不僅下地殼初始強度不同，地殼拉伸量也不同，特別是下地殼，如西南次海盆下地殼的拉伸程度遠遠高于中央海盆[24]。

同樣，北部陸緣伸展因子也具有空間差異性，并且與南部存在明顯不同。利用南海北部陸緣現(xiàn)今地殼厚度、新生代基底埋深和地表斷層參數(shù)等地質和地球物理資料，計算得到[25]，瓊東南盆地自陸架邊緣到深水坳陷區(qū)全地殼拉張因子平均為1.5～4.2，自陸架邊緣到深水盆地逐漸增大[26-27]，而珠江口盆地位于洋陸過渡帶上，拉張因子自北向南逐漸增大，向東南方向的洋陸過渡帶逐漸增大到2.4，并在深水盆地區(qū)達到最大值4。其中白云凹陷為一個拉張中心，拉張因子在2～3之間[24-25]?？傮w來說，南海北部拉張因子在1.5～6之間波動，由陸向洋逐漸變大，反映了南海北部地殼在南海形成過程中由陸向洋拉伸程度逐漸增大，地殼厚度逐漸變薄[28]。

從以上分析能清晰看到，南海南北陸緣，甚至是單側陸緣的橫向上，存在伸展減薄的不均一性，其產(chǎn)生存在的機制問題值得全面開展鉆探進行深入研究。

3.2 南海洋陸過渡帶張破裂過程差異

南海具有典型的南北共軛大陸邊緣，在張破裂過程中發(fā)育了具有空間差異性的洋陸過渡帶及其伴生的洋陸轉換邊界（圖1）。

目前對南海北部陸緣洋陸過渡帶位置沒有統(tǒng)一認識，特別是東北陸緣洋陸過渡帶的構造屬性爭議較大[5,29-31]，南海東部海盆巖漿作用分布不均，減薄陸緣和洋盆中均有分布，并且?guī)r漿作用時間分散，擴張前和擴張完成后均有發(fā)育[32]，最新的OBS地震資料速度結果顯示，東北部洋陸過渡帶區(qū)域具有顯著的地幔抬升，結合Vp/Vs結果分析，認為東北部洋陸過渡帶位置存在地幔抬升的部分蛇紋石化結果[33-34]。而最新大洋鉆探結果揭示，北部陸緣中部并沒有鉆遇蛇紋石化地幔，且多道反射地震上顯示約15～25 km的洋陸過渡帶，因此認為北部陸緣發(fā)生陸殼到洋殼的快速轉換，從而提出其介于火山型和非火山型的中間型被動陸緣。西北陸緣洋陸過渡帶[35]寬度約5～10 km，并且在洋陸過渡帶發(fā)育與洋殼擴張相關的火山[35]，表明西北陸緣由初始擴張過程突然轉變成巖漿作用為主導的陸殼到初始洋殼擴張過程的快速轉換。

在南部陸緣洋陸過渡帶的認識也同樣存在差異，其中巴拉望西北陸緣作為南海北部陸緣的共軛陸緣，目前對于洋陸過渡帶的劃分還存在爭議，對于過渡帶內(nèi)高重力異常區(qū)域地質屬性不清楚，南部磁異常條帶相對北部較弱，并且對于磁異常條帶的位置不確定[36-38]，同時西南次海盆在陸殼破裂之前經(jīng)歷較長時間的拉張作用形成兩側很寬的伸展陸殼，但是洋陸過渡帶寬度為0～20 km，破裂期地幔巖漿作用弱，伴隨莫霍面抬升，且深部沒有發(fā)現(xiàn)下地殼高速層，因此巖漿供應比較弱，主要是以構造拉伸作用占主導地位。西南次海盆的洋殼擴張并非同時發(fā)生的，而是由東向西遞進式擴張，且經(jīng)歷了從離散到整體的擴張演化過程[30]。

目前，第三階段的大洋鉆探持續(xù)時間最長且鉆位最多，總計3個航次共計完成了7個鉆位取芯，集中解決南海大陸邊緣裂解過程。但洋陸過渡帶在空間分布上的差異性和動力機制的不同，仍需要對南海洋陸過渡帶進一步的鉆探，才能確定是否具有蛇紋石化地幔出露，從而有助于我們理解南海陸緣類型。

3.3 南海巖漿活動的地幔動力學機制

南海及鄰區(qū)巖漿巖分布廣泛，主要發(fā)育于南海及周緣的廣東、廣西、海南島、臺灣島、中南半島、加里曼丹島、菲律賓群島，其形成時間和空間分布均有差異。自晚中生代末或古新世早期以來，南海內(nèi)散落的微陸塊開始裂解并隨后裂離華南塊體，南海北緣處于伸展的構造背景，形成了一系列的裂陷盆地。在新生代早期，雙峰式火山活動出現(xiàn)于這些盆地內(nèi)，南海海底擴張時期（33～15.5 Ma）[20]，其周緣幾乎沒有巖漿活動，為巖漿活動寧靜期。在海底擴張之后，雖然巖漿絕對量不大，但大范圍的巖漿活動影響著南海及其鄰近的廣泛區(qū)域。總體而言，南海裂后期巖漿活動大體可分為15.5～5.5 Ma和5 Ma至今兩個階段[5]。

南海北部陸坡區(qū)裂后巖漿活動形成的火山大致平行于3 000 m等深線分布，向西延伸至西沙海槽，呈現(xiàn)出斑片狀展布特征[39]，但南海北部陸緣是屬于富巖漿型陸緣還是貧巖漿型陸緣一直是一個較大爭議的問題。從目前的研究成果來看，南海北部陸緣缺少巖漿富集型陸緣較常見的向海傾斜反射特征，張裂陸緣發(fā)育寬廣，表明巖漿作用在南海張裂期沒有發(fā)揮主導作用，可能屬于貧巖漿型陸緣或過渡型陸緣。但同時南海北部陸緣存在海山、巖席、巖墻等巖漿活動遺留的證據(jù)，這似乎與貧巖漿陸緣的結論相矛盾。大洋鉆探最新結果表明，南海海盆內(nèi)的火山噴發(fā)主要集中在晚中新世，并沒有在南海擴張停止的時候就大規(guī)模地開始活動，巖漿活動主要沿殘留擴張脊分布，沿中央海盆和西南海盆的擴張脊上分布有一長串的高海山，年代為14～3.5 Ma，海山的整體年齡向殘余擴張脊方向呈現(xiàn)年輕化的趨勢[40]。南海南部邊緣，在ODP 1 143中約2 Ma的火山灰和0.4 Ma和0.5 Ma的巖石樣品表明，第四紀期間存在活躍的巖漿活動，且在鄭和地塊和禮樂海槽西部地殼中發(fā)現(xiàn)了指示巖漿作用的高速層[39,41]，可能是該區(qū)域巖漿活動的指征。

關于南海裂后巖漿活動的成因機制眾說紛紜，一是基于海南地幔柱模型，結合南海北緣下地殼高速體及海山分布特征與海山巖石樣本的化學特性，提出受海南地幔柱東支影響的南海北部陸緣殼內(nèi)巖漿活動模型[40,42]；二是基于地震層析成像證據(jù)及地幔柱影響區(qū)域大陸地殼較厚的地質事實，提出浮力驅動的上升流可能是形成擴張后巖漿作用的最佳機制[43]；三是通過大量地震地層學研究發(fā)現(xiàn)，南海殼內(nèi)火成巖侵位通常與主要地質和沉積學邊界同時存在，提出擴張后火山作用是由海洋巖石圈和衰減大陸巖石圈的冷卻和沉降引起的伸展作用觸發(fā)的[30,44]；四是認為新生代自南海海底擴張前開始的減壓熔體的侵入是擴張后火山作用的起源[43,45]。

目前對于南海裂后期巖漿活動的起源及其侵位模式仍存在很大的爭議，但對于南海裂后期巖漿活動對地殼產(chǎn)生強烈改造的觀點達成了共識。由于裂后巖漿活動對于地殼結構的強烈擾動，西北次海盆、東部次海盆、西南次海盆東北部沿垂直擴張脊方向地殼速度結構呈現(xiàn)明顯的橫向變化，且在東部次海盆、西南次海盆擴張脊下方均發(fā)現(xiàn)低速異常，或指示了海盆之下存在殘余巖漿[44]。當前對于破裂階段的巖漿還沒有直接的定年結果，這制約著對海山等巖漿活動形成的認識，無法完全揭示其深部的巖漿過程。

3.4 南海莫霍面鉆探選區(qū)與科學意義

南海中央海盆發(fā)育洋殼，深地震探測剖面顯示其莫霍面深度為10 km左右，且其上的沉積層厚度不大，是驗證天然氣水合物鉆采船極限鉆探能力，以期進行莫霍面鉆探的理想?yún)^(qū)域之一。在南海開展莫霍鉆探將是人類歷史上第一個鉆穿莫霍的偉大壯舉，可以檢驗莫霍面的地質性質，解決長期困擾科學界的關于莫霍面的有關爭論，建立標準的地殼結構。吳招才等[46]利用南海海盆及周邊最新的重力數(shù)據(jù)，經(jīng)過海底地形、沉積層的重力效應改正等方法，得出了南海海盆及周邊莫霍面的起伏特征。

陸架區(qū)：南海北部陸架區(qū)莫霍面深度多在25～27 km，東沙群島局部地殼增厚不明顯。西沙地塊的莫霍面深度為23～26 km，地殼厚度為21～22 km。中沙地塊為20～22 km，地殼厚度為18～20 km，它們之間存在一個近NE向、淺至17 km左右的莫霍面隆起帶。在南沙地塊，禮樂灘以東區(qū)域，莫霍面變化較為平緩，除禮樂斜坡東南的水深誤差造成局部莫霍面降低外，總體上深度多在22 km以上；西側的中業(yè)群礁和鄭和群礁區(qū)域，莫霍面多在17～20 km，總體上也較為平緩，局部分布有近NW向的莫霍面下凹[46]。

海盆區(qū)：南海海盆區(qū)莫霍面深度為8～14 km，地殼厚度為3～9 km[46]。海盆內(nèi)發(fā)育眾多海山，相應的莫霍面和地殼都偏深、偏厚，在西南海盆兩側靠近陸緣位置，洋殼厚度都有減薄趨勢，可能與西南海盆初始擴張時巖漿供應不足有關；在東部海盆南北邊緣地殼厚度存在不對稱性，北側較薄，南側較厚，可能反映了地殼最終破裂時的不對稱性。

由于目前沒有鉆穿莫霍面的先例，關于莫霍面普遍的科學問題和相關猜想都沒有得到解決和驗證。因此，如果能在在南海選取施工難度小、時間節(jié)約的工區(qū)首先開展莫霍面鉆探，將對地球系統(tǒng)重大科學問題提供史無前例的解決方案，將驗證關于莫霍面性質的假說。

4 未來南海鉆探目標與區(qū)域優(yōu)選

根據(jù)對南海關鍵科學問題的梳理，以及已有大洋鉆探在南海關鍵科學問題推動的基礎上，未來為揭示南海全面、完整和具體的演化史，必須實施南海進一步的鉆探研究工作。本文基于已有研究進展和搜集資料，針對南海東部次海盆、西南次海盆和西北次海盆等地貌與構造單元，聚焦南海形成演化歷史背景下的海底構造、沉積過程、資源與環(huán)境效應等重大科學問題，提出了鉆探井位建議。

4.1 東部次海盆鉆探目標與井位建議

前已述及南海大洋鉆探主要集中在北部陸緣中部，由于共軛大陸邊緣時空演化的非均一性特征，在東北次海盆區(qū)域有望揭示洋陸過渡帶結構、上地幔剝露和水合物賦存等重要科學問題。

目前對南海北部陸緣洋陸過渡帶位置沒有統(tǒng)一認識，特別是東北陸緣洋陸過渡帶的構造屬性爭議較大[5,22-24]。南海東部海盆巖漿作用分布不均，減薄陸緣和洋盆中均有分布，并且?guī)r漿作用時間分散，擴張前和擴張完成后均有發(fā)育[25]，東北部陸緣最新的OBS地震資料速度結果，認為存在地幔抬升的部分蛇紋石化結果[26-27]，廣角折射地震結果顯示，在洋陸過渡邊界位置具有獨立的高速異常，發(fā)現(xiàn)其速度梯度特征和北大西洋剝露蛇紋石化地區(qū)相似。蛇紋石化作為聯(lián)系地質、地球物理、地球化學以及地球微生物的重要紐帶，對于我們了解南海的巖石圈破裂和初始洋殼擴張具有重要意義。因此，對東北部洋陸過渡帶的鉆探能夠針對南海是否具有蛇紋石化地幔出露提供進一步巖石學證據(jù)，且有可能鉆遇原位地幔物質，補充認識西太平洋邊緣海的初始擴張模式。

同時，南海東北部洋陸過渡邊界位置處可能存在的下地殼或上地幔剝露，或許是開展莫霍面鉆探的有利區(qū)域，此處多道地震剖面基底隆起可能存在輝長巖或者地幔橄欖巖的剝露[29]。此外，馬尼拉俯沖帶北段增生楔可分為下部斜坡區(qū)、上部斜坡區(qū)和背逆沖斷層區(qū)3個構造區(qū)域。其中下坡區(qū)自西向東發(fā)育了明顯的褶皺變形和逆沖推覆等現(xiàn)象，而上坡區(qū)相對于下坡區(qū)卻有了非常明顯的抬升，地形由西向東逐漸升高，并且發(fā)育了清晰的似海底反射層（BSR），這說明該處可能為水合物賦存區(qū)，具有一定的資源賦存意義[5]。

4.2 西北次海盆鉆探目標與井位建議

南海東北部陸緣與南海西北部陸緣的地殼結構存在諸多差異，最新的多道地震反射資料研究指示在白云-荔灣凹陷存在NW向的邊界走滑斷裂，將南海東北部與西北部構造一分為二[27]。針對西北次海盆與東部連接處開展調(diào)查和鉆探（圖3），有望直觀展示南海北部陸緣的東西部地殼結構差異，獲得白云凹陷沉積基底及地殼伸展減薄的重要信息，判斷北西向斷裂帶在南海東西部構造演化中所扮演的角色，為南海形成演化的動力學過程提供基礎證據(jù)。

南海西北部相間分布北部陸緣、西沙塊體、中沙塊體等剛性塊體，中間發(fā)育西沙海槽與西北次海盆。這種獨特的構造背景與全球典型的張裂陸緣（如大西洋兩側大陸邊緣）具有顯著差異，通過實施西沙鉆探，有望對南海陸緣剛性塊體相間的地殼結構特征形成直觀認識，為研究“板緣裂解”與“板內(nèi)裂解”的動力學機制提供支撐。

圖3 南海西北次海盆陸緣伸展與張破裂鉆探井位（M3測線）Fig.3 Drilling well for continental margin extension and rift in the northwestern sub-basin of the South China Sea (M3 profile)

其次，西北陸緣洋陸過渡帶寬度約5～10 km，并且在洋陸過渡帶發(fā)育與洋殼擴張相關的火山[35]，說明西北部陸緣由初始擴張過程突然轉變成由巖漿作用為主導的快速轉換，與已有鉆探揭示的張破裂過程存在差異。同時，西北次海盆陸坡-海盆段是沉積物匯聚的主要場所，是我國深水區(qū)油氣勘探由陸坡向海盆進軍的主要目標區(qū)域，其內(nèi)部存在優(yōu)質的深水扇系統(tǒng)，是油氣勘探的重要目標。通過西北次海盆陸坡-海盆轉換地區(qū)鉆探（圖4），不僅可揭示洋陸過渡帶結構與張破裂過程，而且有望對西北次海盆內(nèi)深水扇進行識別，有利于西北次海盆的油氣勘探前景預測。

4.3 西南次海盆鉆探目標與井位建議

陸緣伸展破裂過程是認識大陸如何變成洋盆的重要信息，通過國際大洋鉆探對南海北部中段張破裂過程已取得顯著進展。由于南海東北部與其東南部共軛陸緣間發(fā)生了非對稱破裂，伴隨著復雜的構造和巖漿相互作用，向海方向巖漿作用的逐漸增強最終取代了構造作用，導致板塊分離[35]。南海從陸殼到初始洋殼擴張過程中在洋陸邊界的地球動力學過程存在較大的橫向變化[47-48]和較強的巖漿輸出[8]。

盡管南海北部陸緣伸展破裂機制正在逐漸被揭示，南海南部陸緣，尤其是西南次海盆裂解過程研究不足。西南次海盆洋陸過渡帶地殼結構、伸展過程的認識不充分，直接阻礙了對南海西南次海盆陸緣構造屬性的判斷。因此，在南海西南次海盆陸緣洋陸過渡帶極度減薄區(qū)進行鉆探（圖5），有望豐富南海板緣裂解機制，并對比大西洋型陸內(nèi)裂解的異同點，為認識邊緣海形成演化提供新見解。

西南次海盆是一個開口向東北的“V”型盆地，其東北部擴張量大于西南部，海盆兩側的洋殼年齡由東北向西南遞減，呈漸進式擴張形態(tài)[49]，從磁條帶異?？梢宰匪莸阶钔砥诘暮５讛U張延伸到西南次海盆的最西南角。南海作為由東向西漸進擴張形成的邊緣海，關于海盆擴張停止的動力學機制一直未能得到回答，而西南次海盆可能保留了南海海底擴張停止的重要信息，在此開展鉆探可以回答南海最終停止擴張的成因（圖6），揭示南海最后一期擴張的細節(jié)信息，并為邊緣海形成演化及消亡提供新視角。

另外，南海西南次海盆還是研究不連續(xù)莫霍面的理想場所，根據(jù)已有的重力數(shù)據(jù)揭示的南海莫霍面分布特征，結合最新數(shù)據(jù)研究表明，海盆內(nèi)基底起伏較大并被大量地殼級斷裂錯斷，且擴張中心表現(xiàn)為深的中央裂谷。西南次海盆地殼厚度異常薄，局部地殼厚度僅4～5 km（含沉積層），莫霍面埋深可達1.5～3.6 km（沉積層除外），推測該區(qū)域發(fā)育拆離斷層并伴隨蛇紋石化上地幔[50]，是南海海區(qū)迄今發(fā)現(xiàn)的最薄地殼（圖7），接近衛(wèi)星探測的結果[51]。目前，針對南海西南次海盆莫霍面深度及地殼厚度的研究主要利用地球物理手段，缺乏實際鉆井約束。依據(jù)現(xiàn)有的地球物理資料分析，可以明顯發(fā)現(xiàn)南海區(qū)域莫霍面由陸架向洋盆抬升，洋盆處的莫霍面埋深相對較淺，是莫霍面鉆探的遠景靶區(qū)。

圖4 南海西北次海盆洋陸過渡帶鉆探站位（M3測線）Fig.4 Drilling well in the continent-ocean transition zone of the northwestern sub-basin (M3 profile)

綜上所述，南海西南次海盆建議鉆探選址有3個：①西南次海盆北部陸緣洋陸過渡帶鉆探，建議孔位SCSD5、6，此設計目的是為了揭示洋陸過渡帶破裂過程，解決南海西南次海盆打開的科學問題；②西南次海盆西南角中止破裂位置，建議孔位SCSD7、8，此設計目的是為了揭示南海末期擴張過程，解決南海如何結束擴張的科學問題；③西南次海盆殘留洋中脊鉆探，建議孔位SCSD9，目的是為了鉆穿最薄的洋殼，揭示西南次海盆殼幔演化過程。

圖5 南海西南次海盆洋陸過渡帶鉆探站位（M1測線）Fig.5 Drilling well for the continent-ocean transition in the southwestern sub-basin (M1 profile)

圖6 南海西南次海盆擴張停止機制鉆探站位（M1測線）Fig.6 Drilling well for seafloor spreading of the southwestern sub-basin (M1 profile)

4.4 南海深部科學鉆探建議站位匯總

針對南海南北共軛大陸邊緣的構造演變時空分布的非均一性，聚焦南海破裂不整合及其發(fā)育機制、南海莫霍面鉆探、南海陸緣與海盆巖漿過程和南海洋陸過渡帶結構等4個方面科學問題，選取以往大洋鉆探在東北次海盆、西北次海盆和西南次海盆的鉆探空白區(qū)，甄選9個鉆探站位，不僅能夠為揭示南海完整生命史提供重要信息，而且還能支撐未來天然氣水合物鉆采船在南海海域的鉆探需求，站位匯總如圖8和表1所示。

圖7 南海西南次海盆NH973-1測線中央峽谷位置莫霍面鉆探靶區(qū)[51]Fig.7 The Moho drilling position in the central canyon in the southwestern sub-basin( NH973-1 profile)

圖8 南海深部科學鉆探井位匯總圖Fig.8 Summary map of future scientific drilling wells in the South China Sea

5 結論

（1）梳理了南海歷次大洋鉆探從海盆張裂、海底擴張，到氣候環(huán)境、生物和沉積演變的科學目標與結果，認為以往的大洋鉆探多數(shù)位于南海大陸邊緣北部中段，對整個南海的控制約束作用有限，并指明未來鉆探的科學目標應聚焦共軛大陸邊緣形成演化在時空分布上的不均一性。

（2）針對南海南北共軛大陸邊緣的構造演變時空分布的非均一性，分析了南海破裂不整合及其發(fā)育機制、南海莫霍面鉆探，南海陸緣與海盆巖漿過程，南海洋陸過渡帶結構等4個關鍵科學問題，提出了未來南海大洋鉆探的科學目標以及鉆探需求，南海進一步大洋鉆有望闡述全面、完整和具體的南海生命史。

表1 南海深部科學鉆探計劃站位匯總Table 1 Summary of sites for the future scientific drilling program in the South China Sea

（3）選取南海東北次海盆、西南次海盆和西北次海盆等以往鉆探空白區(qū)，針對性地提出了在以上區(qū)域開展大洋鉆探的優(yōu)選井位，鉆探實施對揭示整個南海發(fā)育演化史具有重要作用。但限于資料掌握情況，仍需開展進一步勘查和資料搜集工作，在不同海盆確定的未來南海深部科學鉆探的9個站位SCSD1-9，應堅持問題優(yōu)先、深淺結合、難易結合的原則，逐步開展以上優(yōu)選鉆探井位的論證與實施。