菲律宾海—南海区域磁异常特征及成因研究

【摘要】南海位于西太平洋边缘海与地中海—喜马拉雅构造带的交接部位,是研究特提斯构造域与太平洋构造域相互作用的关键区域。而菲律宾海介于日本—琉球—台湾—菲律宾弧沟系和伊豆—小笠原—马里亚纳—雅浦弧沟系之间,菲律宾海板块的西缘为日本南海海槽—琉球海沟—菲律宾海沟系。对它的成因和发展的研究不仅在板块构造学上具有重要意义,而且对于与其相邻的琉球—台湾—菲律宾弧沟系及我国东海和南海的地质构造发展之探讨也有十分重要的相关性。东亚大陆边缘的俯冲带是欧亚板块和菲律宾板块的相互作用带。板块构造边界自南向北分别是马尼拉俯冲带和琉球海沟俯冲带。板块间的俯冲增生、碰撞和岩石圈动力学控制着俯冲带的构造演化和变形特征。菲律宾板块西缘与欧亚板块的构造关系十分复杂,吕宋岛以西的马尼拉海沟表现为欧亚板块向菲律宾板块俯冲增生,在其北端则发生弧陆碰撞,菲律宾列岛以东的菲律宾海沟表现为菲律宾板块向西俯冲；而在西北边界的琉球海沟则是菲律宾板块向欧亚板块之下俯冲。研究菲律宾板块西部边缘及其内部构造单元的岩石圈结构特征,不仅有助于揭示板块俯冲对弧后地区的影响,剖析边缘海盆的张裂和扩张过程及地球动力学机制,同时也是探究南海构造演化背景的重要窗口。在菲律宾海和南海演化模式的论述中,可能对于板块演化模式所形成的岩石圈磁异常格局未进行深入讨论。岩石圈的整体磁性特征及不同尺度磁性特征的分析研究将可以为板块构造及演化历史的研究提供一定的证据。因此,本论文以菲律宾海及南海整体作为研究对象,利用NGDC-720磁异常模型,分别从求解模量计算、多尺度分解及剖面反演三个角度,再结合热流、洋壳年龄等数据对岩石圈磁性特征进行分析,对探讨菲律宾海与南海相互作用及演化过程能够提供一定的证据。论文对研究区的地质地球物理背景进行了归纳整理,对重力异常数据、热流数据、洋壳年龄数据以及地震震源分布数据进行处理,并分别进行了简要介绍和分析,为后面的磁异常特征分析提供参考,便于岩石圈的构造和性质综合分析。利用NGDC-720磁异常数据模型进行处理,分析磁异常三个分量的分布特征。介绍了利用磁场三分量数据计算模量Ta及模量垂向一阶导数的计算方法,并从模量垂向一阶导数与磁化方向的关系、模量垂向一阶导数的中心性、以及多个异常体间的干扰作用三个方面讨论了模量一阶垂向导数的特征,通过模型实验和理论计算的方法,证明了模量垂向一阶导数比模量的对应关系更好,也即更能精确的确定异常体的位置。并对上述求解的磁异常模量及模量导数,进一步多尺度分解,分析提取信息,探讨引起异常的原因。对磁异常三个分量数据进行解算获得总场磁异常△T,并对其特征进行分析讨论。之后,简要介绍了EMD方法的一些基本原理,通过傅立叶分析,可得到ΔT磁异常和EMD分解后的浅源磁异常和深源磁异常的径向功率谱以及对数功率谱,然后进行场源深度估计。依据此方法对总场磁异常进行多尺度分解,获得反映岩石圈深部和浅部信息的中长波长和短波长磁异常结果,进而通过深入探讨,取得了一些认识。论文选用一种类似于地震层析成像的磁化率反演方法,它将地下介质划分成多个大小和位置已知的网格单元,通过建立地下物性参数与磁异常数据的关系方程,利用最优化反演的方法得到地下各网格单元的物性参数分布特征,完成了模型正演。同时由于磁化率成像划分模型单元个数远大于观测数据点数,因此是一个欠定问题；根据Backus与Gilbert[129-131]的反演评价理论,构建模型约束的准则,在笛卡尔坐标系下沿3个坐标轴方向的变化较小,即模型较平滑,由此构建了反演目标函数。在研究区选取两条典型剖面(N20°E110°-N20°E110°,N15°E120°-N15°E135°),进行磁化率反演,介绍和分析反演结果,并给出初步地质原因的解释。利用研究区域磁异常特征及剖面磁异常信息,结合其他资料,尝试探讨菲律宾海岩石圈与南海岩石圈相互发生的作用,获得一些初步结论和认识。从NGDC720磁异常数据模型的三个分量来看,菲律宾海盆磁异常条带特征较为规律,走向呈NW向和NNW向,且异常幅值较大,相对而言,南海磁异常规律性较差,分布较为杂乱,NW走向、NE走向和EW走向均有分布,并相互错断较为强烈,而且异常幅值相对于菲律宾海而言要小。从磁异常垂直分量信息来看,菲律宾海磁异常垂直分量总体上都呈明显的条带性特征,条带走向大致相同,均为NWW走向；垂向分量异常幅值范围为-550～350nT,而且磁异常在西菲律宾海盆至九州-帕劳海岭之间正负异常呈条带状相间分布非常清晰,这也为菲律宾海弧后扩张的形成演化提供了一定的证据,而在九州-帕劳海岭与马里亚拉海岭和南本周海岭之间的帕里西维拉海盆以负异常为主,中间伴随一条呈南北走向正异常条带,对应着该海盆的裂谷系。而南海磁异常垂向分量也都呈现一定的条带特征,但较菲律宾海稍微杂乱一些,条带走向与菲律宾海不同,它走向大致为NE向。磁异常幅值范围也约为350至-550nT之间,从陆区向海区、从海区边缘向海盆有逐渐增加的趋势,特别是在海盆中央异常值最大,而且特征变化剧烈,展布较为杂乱,主要与不同的构造单元有着密切的关系。此外,还有南正北负的伴生异常。磁异常的整体特征反映了南海构造和岩浆活动较为剧烈和不规则性。从异常的分布形态整体主要分为两个方向,NE和NW方向,而这也与南海主要断裂走向极为吻合,即后者也是NE和NW两个方向。从总场磁异常结果及多尺度信息提取结果来看,菲律宾海-南海区域深部和浅部岩石圈(磁异常短波长结果)磁异常走向不太一致。在南海区域,错断的NE向和EW向磁异常条带比总场磁异常结果要强,错断更为强烈,反映了南海形成后期经过了海底扩张形成呈NE向和EW向走向的上部地壳,而深部(磁异常中长波长结果)磁异常走向主流为NW向或NNW向,错断情况基本不明显。菲律宾海区域,也存在着这样的现象,除了菲律宾海盆深部浅部磁异常条带走向一致,在帕里西维拉海盆和四国海盆呈现较为明显的岩石圈深部和浅部磁性结构不同,浅部以SN走向分布较为明显,而深部则呈现跟菲律宾海盆一致的NW向或NNW向。这些结果说明了南海、帕里西维拉海盆以及四国海盆都曾有过与菲律宾海盆类似的演化过程。两条剖面的磁化率反演结果揭示了在马尼拉海沟和菲律宾海沟的板块相互作用情况。根据反演结果及磁异常平面信息推断,菲律宾海与欧亚大陆发生碰撞之后,在马尼拉海沟北端(吕宋海槽附近)发生上仰,局部发生强烈变形,形成层叠式构造格局,一方面在板块碰撞时,菲律宾海板块岩石圈与南海岩石圈发生强烈碰撞,从而导致了菲律宾海岩石圈边缘部位发生了断裂,而且为南北规模走向不一致的断裂组,构造的最西面形成了马尼拉海沟北端,因此也阻隔缓冲了菲律宾海板块在此处的向西作用。另一方面,在这一板块边界的现阶段,通过几个方面的调节作用,基本处于一个较为稳定的情况,正因为目前板块边界的这种较为稳定的状态,在海沟大部分部位,菲律宾海板块岩石圈对欧亚板块岩石圈的推挤作用并不是很明显。
【作者】胡正旺；
【导师】陈超；
【作者基本信息】中国地质大学，地球探测与信息技术，2014，博士
【关键词】菲律宾海板块；欧亚板块；总场磁异常；磁异常模量；大地构造；

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