THE EFFECT OF LOWER CRUSTAL FLOW ON THE CRUSTAL EXTENSION OF THE BAIYUN SAG ON THE NORTHERN MARGIN OF SOUTH CHINA SEA
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摘要: 下地壳流经常被用来解释地壳随深度的差异拉张现象，但下地壳流对地壳伸展变形的定量研究却不多见。以白云凹陷的岩石圈伸展变形为研究对象，根据普拉特-海福特重力均衡模式，假设凹陷区原始地壳厚度为32 km，即均衡深度，利用现今的基底厚度、沉积层厚度和水深数据恢复到白云凹陷变形前的原始地壳厚度，发现其值大于32 km，在32.599~33.774 km之间，并且从白云凹陷陆架区向海洋方向递增。我们认为造成这种情况的原因可能是由于下地壳流失导致地幔物质上涌量增多，而且根据数据递增的变化认为下地壳流失从海洋向白云凹陷陆架区方向。在凹陷区和接近海盆地区，由于下地壳的流失，导致全地壳拉张因子减小。Abstract: Lower crust flow is often used as the key to explain the phenomenon of depth-dependent stretching. However, quantitative studies of the flow and its effects on crustal deformation are rare in lietrature. In this paper, the lithospheric extensional deformation of the Baiyun Sag is selected as a case of study using the Pratt-Hayford isostatic model. Assuming that the original crustal thickness (i.e. equilibrium depth) of the Baiyun Sag is 32 km, the original crustal thickness estimated from the observed thicknesses of the basement and sedimentary cover, and the water depth will be larger than this figure and within the range of 32.599-33.774 km. It becomes thicker from the continental shelf to the ocean basin due to the increase in mantle material upwelling caused by the lower crustal loss. According to the calculation, the lower crustal loss increases from the ocean towards the shelf direction. The loss of lower-crustal flow results in the decrease in the whole crustal extension factor in the Baiyun Sag up to the value of the ocean basin.
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Keywords:
- Lower-crustal flow /
- Baiyun Sag /
- Extension factor /
- Isostatic compensation
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大陆岩石圈如何伸展、变薄并最终破裂形成被动大陆边缘和洋盆，是当今地球科学研究中的前沿问题，而伸展盆地正是在这样的岩石圈变形过程中形成的产物。晚白垩世开始的华南陆缘的裂谷拉张作用，在南海北部陆缘，发生了大规模的地壳拉张、减薄作用，形成了一系列张性盆地[1]。这些盆地均位于减薄的陆壳之上，莫霍面埋深最浅处仅20~22km，自北东向南西依次为台西南、珠江口、琼东南和北部湾盆地。其中，珠江口盆地位于南海北部陆缘的中部海区，主要经历了华南陆缘的裂谷拉张过程。白云凹陷在区域构造上位于南海北部大陆边缘陆坡区，珠江口盆地南部珠二坳陷内，发育在洋、陆过渡带位置，为新生代伸展减薄型的地壳[2-5]，具有非常重要的研究意义。
一维伸展盆地模型[6]探讨了岩石圈拉伸、减薄、盆地沉降、软流层上隆以及相应的热历史之间的定量关系，其将盆地的沉降区分出断层控制的同裂陷期沉降(Synrift)和热作用控制的裂后期(Postrift)沉降，为大陆裂谷盆地的动力学研究作出了巨大的贡献。然而，近年来国内外学者发现被动陆缘盆地裂后期的实测沉降量远远大于理论模型预测的热沉降量[7-11], 即被动陆缘盆地裂后异常沉降现象，如澳大利亚西北裂谷边缘[12, 13]、挪威裂谷边缘[14]、英格兰西南的深水区和伊比利亚半岛西海岸[16]、西北欧的Rockall, Faroe-Shetland和VΦring盆地[17]及珠江口盆地[7, 8, 18]等。对于这种现象前人提出很多种可能机制：动力学地貌和后期的岩浆活动[8]，岩浆体侵入[19]，矿物相变[20, 21]，深部热异常导致张裂期的沉降不足[22]，下地壳流的影响等[5, 7, 9, 15, 23-25]。其中下地壳流经常被用来解释裂后异常沉降现象，但前人的研究只是定性讨论或者半定量分析或者是在运动学基础上的，对于下地壳流在拉张减薄过程中对地壳伸展变形的影响，缺乏定量的分析研究。本文在前人对白云深水区岩石圈伸展变形和裂后异常沉降认识的基础上，以白云凹陷的岩石圈伸展变形为研究对象，根据普拉特-海福特重力均衡模式，利用现今的基底厚度和沉积层厚度及水深恢复到白云凹陷变形前的原始地壳厚度，与正常地壳厚度比较，试图定量计算下地壳流失对白云凹陷地壳变形过程的影响，从而计算出下地壳流可能发生的地区和下地壳流失的范围。
1. 地质背景
白云凹陷是珠江口盆地中最大的凹陷(图 1)，南、北两侧分别是番禺低隆起带和南部隆起带，西侧是云开低凸起，东侧是东沙隆起。走向近东西, 跨越大陆架边缘与斜坡的过渡带-深海区[26, 27]，面积约1.206×104km2，水深200~2000多米。白云凹陷是一长期稳定下沉的负构造单元, 沉降与沉积中心重合, 发育了巨厚的古近系—新近系沉积物。新生代以来, 白云凹陷经历了强烈减薄和持续沉降, 现今地壳厚度由凹陷北端的约26km向南阶梯式减薄, 在凹陷中心处仅有7km。基底Tg深度由凹陷北缘陆架区的5km逐渐下降到凹陷中心的11km以上, 南缘至洋陆边界(COB)区段深度小于7km，其上覆盖沉积层和水层; COB以南的海盆区段, 新近纪以来沉积物厚度为1~3km[28]。2002年中国海洋石油总公司深圳分公司在珠江口盆地采用特殊的长电缆地震装置采集了南海北部陆缘的第一条深反射地震剖面(DSRP-2002), 此剖面跨越番禺低隆起南部、白云凹陷中部、大陆坡直至深海区(图 1), 全长268km。首次揭示了白云凹陷的沉积基底并且首次直接观察到莫霍面的形态, 对揭示珠江口盆地白云凹陷深水区的裂谷构造、地壳减薄、地幔物质上涌、岩浆及断裂活动等构造特征与白云凹陷构造演化的成因[29]联系有重要意义。南海大洋钻探ODP184航次ODP1148孔、PY33-1-1和BY7-l-1探井等为白云凹陷地层岩性分析、沉积物成分确定、沉积速率获得了32、23.8Ma等界面生物年代提供了有力的证据[28, 30-32]。张云帆等[5]通过计算上、下地壳的伸展系数，认为白云凹陷在变形前为一个热减薄的地壳；赵中贤等[33]通过计算深水区两条测线的岩石圈伸展系数和裂后异常沉降，划分了沉降演化阶段，分析了岩石圈伸展系数、裂后异常沉降与基底隆凹单元之间的关系，并探讨了岩石圈的破裂对白云深水区裂后沉降的影响; Liao等[25]通过挠曲悬臂梁模型也证实裂后异常沉降的存在并提出几种可能机制，其中也包括下地壳流存在的可能解释。这些工作为本文开展原始数据的分析和计算提供了很好的研究基础。
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图 1 白云凹陷的区域构造位置及深反射地震剖面(DSRP-2002)位置(据黄春菊，2005)Figure 1. The location of the Baiyun Sag and the deep reflection seismic section (DSRP-2002)(after Huang chunju, 2005)2. 计算方法
普拉特-海福特均衡模式[34](如图 2)，认为地壳深部存在一个等压面，称为均衡面，从海平面到均衡面的深度D(主要参数见表 1)，称为均衡深度，如果把均衡深度以上的物质分割成很多横截面相同的直立柱体，每个柱体的质量都相等，对均衡面的压力也相同。在海洋地区，根据普拉特-海福特重力均衡补偿原理，若海水深度为h，密度为ρw=1 030 kg/ km3，则均衡时应满足下面的条件
$$ 1\;030h + {\rho _1}\left( {D - h} \right) = {\rho _0}D $$ (1) 表 1 模型计算的主要参数Table 1. Table 1 Main parameters for modeling calculation变量符号 物理意义 变量符号 物理意义 D 均衡深度，32 km D0 据现今地壳结构计算的原始地壳厚度 h 水深 ρ0 地壳的平均密度2 750 kg/m3 Ti 现今的沉积物的厚度 ρm 地幔的平均密度3 300 kg/m3 Tc 现今地壳厚度 ρ1 海底到均衡面间柱体的密度2 750~2 800 kg/m3 Tm 莫霍面深度 Pβwc 本文得到的全地壳拉张因子 ρw 海水密度1 030 kg/km3 Cβw 传统方法的全地壳拉张因子 ρi 沉积物的平均密度2 500 kg/m3 Wβw 文献[23]方法得到的全地壳拉张因子 其中，ρ1为海底到均衡面间柱体的密度，ρ0是地壳的平均密度。
在南海北缘白云凹陷地区，深反射地震剖面(DSRP-2002)为本文提供了现今地壳的厚度、沉积层厚度和水深数据。如果按正常的地壳初始厚度为D=32km作为均衡面深度，珠江口白云凹陷地区作为分割的若干柱体又被水层、沉积层、地壳和上涌地幔填充，即公式(1)的左半部分变形为(2)：
$$ \frac{{1\;030h + {\rho _i}{T_i} + {\rho _1}{T_c} + {\rho _m}\left( {32 - {T_m}} \right)}}{{{\rho _0}}} = {D_0} $$ (2) 则下地壳流失的量为
$$ Fl = {D_0} - D + {T_m} =\\ \frac{{1\;030h + {\rho _i}{T_i} + {\rho _1}{T_c} + {\rho _m}\left( {32 - {T_m}} \right)}}{{{\rho _0}}} - D + {T_m} $$ (3) 3. 误差分析
为了检验计算结果的稳定性，根据公式(3)我们也推导了下地壳流失底界与初始地壳厚度，地壳的平均密度，沉积物的密度和海底到均衡面间柱体的密度之间的关系，即公式(4)，(5)，(6)和(7)
$$ Fl\left( D \right) = \frac{{{\rho _m} - {\rho _0}}}{{{\rho _0}}}D +\\ \frac{{1\;030h + {\rho _i}{T_i} + {\rho _1}{T_c} - {\rho _m}{T_m}}}{{{\rho _0}}} + {T_m} = 0.2D + {C_0} $$ (4) 其中，${C_0} = \frac{{1\;030h + {\rho _i}{T_i} + {\rho _1}{T_c} - {\rho _m}{T_m}}}{{{\rho _0}}} + {T_m} $
$$ Fl\left( {{\rho _1}} \right) = \frac{{{T_c}{\rho _1}}}{{{\rho _0}}} + \frac{{1\;030h + {\rho _i}{T_i} + {\rho _m}\left( {D - {T_m}} \right)}}{{{\rho _0}}} - \\D + {T_m} = {C_1}{\rho _1} + {C_2} $$ (5) 其中，$ {C_1} = \frac{{{T_c}}}{{{\rho _0}}}, {C_2} = \frac{{1\;030h + {\rho _i}{T_i} + {\rho _m}\left( {D - {T_m}} \right)}}{{{\rho _0}}} - D + {T_m}$
$$ Fl\left( {{\rho _i}} \right) = \frac{{{T_i}{\rho _i}}}{{{\rho _0}}} + \frac{{1\;030h + {T_c}{\rho _1} + {\rho _m}\left( {D - {T_m}} \right)}}{{{\rho _0}}} - \\D + {T_m} = {C_3}{\rho _1} + {C_4} $$ (6) 其中，$ {C_3} = \frac{{{T_i}}}{{{\rho _0}}}, {C_4} = \frac{{1\;030h + {T_c}{\rho _1} + {\rho _m}\left( {D - {T_m}} \right)}}{{{\rho _0}}} - D + {T_m}$
$$ Fl\left( {{\rho _0}} \right) = \frac{{1\;030h + {\rho _i}{T_i} + {\rho _1}{T_c} + {\rho _m}\left( {D - {T_m}} \right)}}{{{\rho _0}}} - \\D + {T_m} = \frac{{{C_5}}}{{{\rho _0}}} + {C_6} $$ (7) 其中，$ {C_5} = 1\;030h + {\rho _i}{T_i} + {\rho _1}{T_c} + {\rho _m}\left( {D - {T_m}} \right), {C_6} = {T_m} - D$
我们发现下地壳流失的量与均衡面深度、沉积物的密度和现今海底到均衡面间柱体的密度之间是简单的线性关系，说明我们的结果相对稳定，而地壳的平均密度与下地壳流失虽然成反比，但当地壳的平均密度在2670~2750kg/m3附近变化时，其下地壳流失的量也不会变化很大，因此也是相对稳定的。
由于现今地壳的密度、原始地壳的平均密度、沉积物的密度和均衡深度在计算过程中非常重要，所以我们也显示了这些参数的不同变化范围对下地壳流失的量的影响。首先剖面(DSRP-2002)现今的地壳的平均密度通过加权平均的方法得到(图 3最下边一排红色数字, 图中上边三排红色数字分别是上地壳、下地壳和高速层占有的权数，上地壳、下地壳和高速层的密度分别是2700、2800和3000kg/m3)，并参照文献[19]图 7的重力异常模拟的密度结构，我们认为现今的地壳的平均密度为2720~2830kg/m3，不同密度分布对下地壳流失的影响见图 4，由于凹陷区的地壳密度略大于深海平原的地壳的密度，所以我们分别取其密度的平均值，发现现今地壳的平均密度值越大下地壳流失的量也越多。其二，原始地壳的平均密度一般为2 670 [37]~2750kg/m3[19, 36](由于上、下地壳厚度相当，故我们选取原始地壳的平均密度为上地壳的密度2 700 kg/m3和下地壳的密度2 800kg/m3的平均值)，发现原始地壳的平均密度越小下地壳流失的量越多(图 5)。其三，沉积物的密度一般为2430[37]~2500kg/m3[19, 24]，凹陷区由于上覆沉积物较厚，对下地壳的流失略有影响，沉积物密度越大凹陷区的下地壳流失的量越多，而接近海盆的深海平原由于上覆沉积物很薄，对下地壳的流失影响不大(图 6)。其四，华南大陆沿L-G测线和Y-A测线的莫霍面深度自北向南从35km减小到29km，平均地壳厚度为32km，并且认为该地区地壳未直接经受裂谷作用，可以参照为陆缘未拉张地壳[1]，故我们选取D =32 km作为均衡深度。由于下地壳流失与D值成线性关系，故D值越大下地壳流失的量越多。在这里我们显示了D =31、32和33 km下地壳流失的情况(图 7)。
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图 4 ρi= 2 720~2 830 kg/m3时下地壳流的失量Figure 4. The loss of lower crustal flow when ρi=2 720~2 830 kg/m3![]()
图 5 ρi= 2 670~2 750 kg/m3时下地壳流的失量Figure 5. The loss of lower crustal flow when ρi=2 670~2 750 kg/m3![]()
图 6 ρi=2 430~2 500 kg/m3时下地壳流的失量Figure 6. The loss of lower crustal flow when ρi=2430~2 500 kg/m34. 结果与讨论
用深部地震、重力资料反演和深反射地震剖面方法得到的白云凹陷的深部地壳结构作为基础的数据[1, 35]，获得白云凹陷现今的水深、沉积物厚度、地壳厚度和地幔上涌量。根据公式(2)和表 1参数，我们可以获得白云凹陷变形前的地壳厚度D0(图 8)，发现其值大于32km，为32.599~33.774km，并且从陆架向陆坡、深海平原方向递增。这说明密度大的物质占的比重增加，即地幔物质上涌量增多，我们认为造成这种情况的原因可能是由于下地壳流失导致地幔物质上涌量增多，而且根据数据递增的变化认为下地壳流失从白云凹陷陆架区向海洋方向有增加趋势(图 8中莫霍面与虚线之间是可能的下地壳流失的区域)。为了研究下地壳流失对南海北缘白云凹陷的地壳伸展变形的影响，我们也计算了全地壳拉张因子(图 9)，并与传统方法(原始地壳厚度与现金剩余地壳厚度的比)计算的结果和Westaway[23]等人的计算结果进行比较，发现由于下地壳的流失使得拉张因子的值介于Westaway[23]等人的计算结果和传统方法计算的结果之间，3条曲线的变化形态类似，但在凹陷区和邻近海盆地区，其全地壳拉张因子明显小于传统方法计算得到的全地壳拉张因子，也进一步说明这些地区由于下地壳流失的量的增多，全地壳拉张因子减少，而整个剖面明显大于Westaway[23]等人的计算结果，说明下地壳流失的量远小于沉积物的沉降量。
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图 8 白云凹陷地区现今地层结构和据此计算得到的可能下地壳流失底界和原始地壳厚度Figure 8. Present stratigraphic structure of the Baiyun Sag and the bottom boundary of possible lower crustal loss and original crustal thickness![]()
图 9 3种方法计算得到的全地壳拉张因子对比Figure 9. Comparison of the whole crustal extension factor by three methods我们将计算结果与赵中贤等[33]、Xie等[8]和Liao等[25]用动力地貌、基于挠曲悬臂梁模型的二维正演方法和地层回剥方法得到的裂后异常沉降量的结果进行对比，发现下地壳流失为0.6~1.8km，大于赵中贤[33]的结果(凹陷区裂后沉降量300m，隆起区600m，)，与Liao等[25]人的结果(凹陷区裂后异常沉降1~2km)和Xie等[8]的结果接近(白云深水区存在900~1200m的裂后异常沉降量)。2005年Shi等[19]根据白云凹陷北缘PY33-1-1井及LH19-4-1井所观测到的17Ma异常加速沉降，推测白云凹陷在约17Ma有一期岩浆体侵入事件，并估算该期侵入的30~90km宽的玄武岩脉可导致基底约180~520m的异常沉降，其最大值与本文在白云凹陷北端计算结果(下地壳流失的量约0.599km)非常接近。通过对比我们发现，本文的计算结果与前人得到的裂后异常沉降的量比较接近(赵中贤[33]的结果除外，造成这种现象的原因可能是研究位置有偏差)，说明我们的计算结果是可靠的。
由于动力学地貌引起的沉降量约为300m[8]，不足以解释白云凹陷裂后异常沉降量；与文献[25]一样，本文的计算结果也发现强烈的裂后异常沉降不止出现在凹陷中心, 还出现在整个陆架、陆坡、深海平原区域, 而且异常沉降逐渐增加远大于岩浆侵入所造成的异常沉降；同时普拉特-海福特重力均衡模式达到均衡状态时是已经考虑了热异常、岩浆体侵入和矿物相变等不均衡状态之后，仍有地幔物质递增的上涌量，因此用下地壳流来解释南海北缘白云凹陷地区的裂后异常现象更为合理。而且根据下地壳的流失从白云凹陷陆架区向海洋方向有增加趋势，认为下地壳流失方向是从深海平原→陆坡→陆架，与文献[36]TypeIII-A和TypeIII-C数值模拟的结果中的下地壳变化类似，即与Westaway[23]等人认为的从海洋向陆地的观点一致，而与Davis和Kusznir(2003)等认为的下地壳流向洋的观点相反。
5. 结论
(1) 根据普拉特-海福特重力均衡模式，利用现今的地幔上涌量、地壳厚度、沉积层厚度和水深恢复到白云凹陷变形前的原始地壳厚度，与正常地壳厚度比较，发现其值大于32km，我们认为造成这种情况的原因可能是由于下地壳流失导致地幔物质上涌量增多。
(2) 根据从下地壳流失分布来看，认为下地壳流可能发生在下地壳底界，下地壳流失的范围为0.6~1.8km，基本表现为向陆架→陆坡→深海平原逐渐增加的趋势，认为下地壳流失方向是从海洋向陆地，与Westaway[23]等人的观点一致。
(3) 由于下地壳的流失导致的全地壳拉张因子偏小，所以在凹陷区和接近海盆的地区明显小于Zhang等[5]得到的结果，说明该区域下地壳流失量多，但整个剖面明显大于Westaway[23]等人的计算结果，说明下地壳流失的量远小于沉积物的沉降量。
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图 1 白云凹陷的区域构造位置及深反射地震剖面(DSRP-2002)位置
(据黄春菊，2005)
Figure 1. The location of the Baiyun Sag and the deep reflection seismic section (DSRP-2002)
(after Huang chunju, 2005)
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图 4 ρi= 2 720~2 830 kg/m3时下地壳流的失量
Figure 4. The loss of lower crustal flow when ρi=2 720~2 830 kg/m3
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图 5 ρi= 2 670~2 750 kg/m3时下地壳流的失量
Figure 5. The loss of lower crustal flow when ρi=2 670~2 750 kg/m3
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图 6 ρi=2 430~2 500 kg/m3时下地壳流的失量
Figure 6. The loss of lower crustal flow when ρi=2430~2 500 kg/m3
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图 8 白云凹陷地区现今地层结构和据此计算得到的可能下地壳流失底界和原始地壳厚度
Figure 8. Present stratigraphic structure of the Baiyun Sag and the bottom boundary of possible lower crustal loss and original crustal thickness
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图 9 3种方法计算得到的全地壳拉张因子对比
Figure 9. Comparison of the whole crustal extension factor by three methods
表 1 模型计算的主要参数
Table 1 Table 1 Main parameters for modeling calculation
变量符号 物理意义 变量符号 物理意义 D 均衡深度，32 km D0 据现今地壳结构计算的原始地壳厚度 h 水深 ρ0 地壳的平均密度2 750 kg/m3 Ti 现今的沉积物的厚度 ρm 地幔的平均密度3 300 kg/m3 Tc 现今地壳厚度 ρ1 海底到均衡面间柱体的密度2 750~2 800 kg/m3 Tm 莫霍面深度 Pβwc 本文得到的全地壳拉张因子 ρw 海水密度1 030 kg/km3 Cβw 传统方法的全地壳拉张因子 ρi 沉积物的平均密度2 500 kg/m3 Wβw 文献[23]方法得到的全地壳拉张因子 
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1. Mengke Cai，Gongcheng Zhang，Wanyin Wang，Dingding Wang. Study on crustal thickness and the prediction of prolific depressions: the Bohai Basin as an example. Acta Oceanologica Sinica. 2024(04): 92-104 . 
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