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海洋技术▏基于多波束数据的南海海盆洋壳区海山地形特征

张伙带等 溪流之海洋人生 2021-09-20
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南海是西太平洋最大的边缘海,海山众多,且分布广泛。南海海盆发育洋壳,洋壳的形成演化过程一直是地学界的研究热点,洋壳上的海山作为研究南海扩张和停止后深部地质过程的窗口,受到格外重视。但在洋壳区,有多少座海山?规模如何?形态如何?1983年曾成开等根据当时的测深资料描述了南海海山和海丘的分布状况,认为南海海盆洋壳区相对高差超过1000m的海山有27个,高差400~1000m的海丘有20多个。1993年鲍才旺等认为南海海盆相对高差超过1000m的海山有18座。但是前人依据的测深资料精度较低,误差较大。近30年来,在南海新采集了大量的高精度多波束数据,发现南海海盆洋壳区的海山和海丘个数远远大于前人统计数量,水深和面积等地形特征也需要更正。因此,为了加深对南海海盆洋壳区海山地形的直观形象,方便日后更加有效地规划和组织南海海盆洋壳区海山的调查和研究,本文重新统计了南海海盆洋壳区的海山和海丘地形特征,并且展示了代表性海山的地形。同时,基于海山海丘的分布特征以及海山海丘的微地形特征,从地形角度探讨了南海地质过程,是对磁异常和地震等资料的补充。

一、区域地质背景

南海的面积约3.5×106km2,北为华南地块,西为印支半岛,东以马尼拉海沟与菲律宾海板块相接,南隔印度尼西亚半岛与澳大利亚板块相撞。南海的形成经历了陆缘裂解、海底扩张。扩张洋盆的两侧,构成了共轭大陆边缘,通过磁条带识别南海扩张的年龄一直存在争论。南海IODP349钻探结果表明南海东部次海盆扩张年龄为33~15Ma,南海西南次海盆扩张年龄为23.6~16Ma

本文以水深3700~4500的南海海盆洋壳为研究区,洋壳区域范围参考广州海洋地质调查局2015年出版的《南海地质地球物理图系(1∶200万)》中的大地构造格架图。研究区地形平坦,但发育众多海山和海丘,已正式命名的海山、海丘和海山链有多个,已在《南海地质地球物理图系(1∶200万)》中的地形图标注使用。图1标注了研究区内正式命名的43个海山和3个海山链名称,而管事平顶海山、管事西海山和克庄海山为本文暂命名。

近年来,地球化学和深部动力学成为南海海山研究的热点方法。已报道的研究区海山拖网岩石年龄为3.5~14Ma。海底磁异常条带以及IODP349航次的钻探结果表明研究区火山作用是在洋壳扩张停止后几百万年出现的,属板内火山作用。前人从拖网岩石的地球化学特征提取南海深部信息,认为研究区的火山岩可能是海南地幔柱活动的产物。

黑色实线为研究区范围;红色实线为前人认为的中南断裂;红色虚线为海山和海丘断面,推测为断裂;蓝色字体海底地理实体为下文提及的代表性海山和海丘

图1 研究区位置

二、数据来源和处理方法

研究区使用的多波束数据来自广州海洋地质调查局“海洋四号”和“海洋六号”船多年调查资料。“海洋四号”船采用美国SeaBeam公司的Sea-Beam2112多波束测深系统,测量水深10~11000m,波束大小2.0°×2.0°,最大波束数151个。“海洋六号”船采用挪威Kongsberg公司的EM122多波束测深系统,测量水深10~11000m,波束大小1.0°×1.0°~2.0°×2.0°,最大条幅开角140°,最多可接收191个波束。两套多波束测深系统精度小于水深值的0.3%,因此,在约4000m水深的南海海盆洋壳区,水深误差约为12m。多波束资料原始数据经CARIS HIPS and SIPS 8.1软件进行新建船配文件、数据转换、潮汐改正、参数改正、建立BASE曲面、定位点编辑、测线滤波、曲面滤波等处理成200m×200m的网格数据进行统计。

三、海山地形统计

⒈ 统计方法

根据我国2007年颁布的海洋地质调查规范(GB/T 12763.10,2007),海盆中高差大于500m为大型海山,高差200~500m为高海丘,高差50~200m为低海丘。但根据国际水道测量组织和政府间海洋学委员会2008年11月颁布的海底地名命名标准,高差1000m以上为海山。国际海底地名分委会(政府间海洋学委员会和国际水道测量组织联合领导的全球海洋通用制图指导委员会的下属分支机构,是世界上在海底地名领域具有较高权威性和影响力的国际组织)采用1000m高差作为海山和海丘的划分界线。本文依国际惯例,以1000m高差作为海山和海丘的划分界限。

研究区发育3条海山链(图1)。其中位于东部次海盆的珍贝-黄岩海山链由孤立的海山组成,包括珍贝海山、黄岩西海山、黄岩东海山和贝壳海山等,本文将这些孤立的海山纳入到统计范围。位于西南次海盆的长龙海山链和飞龙海山链的海山彼此连结,不易划分出独立的海山,不纳入本文统计范围。本文高差为基座水深和山顶水深的差值,面积定义为海山和海丘的投影面积。有些海山由于位于海沟附近或者小海盆附近,靠近海沟和小海盆一侧基座水深较大;有些海山与其他海山鞍部相连,靠近鞍部一侧的基座水深较小。本文采用海山山脚平坦广阔的深海平原的水深作为高差计算基座水深值。

⒉ 统计结果

统计结果表明,研究区发育海山约46个。中南海山高差最大,约4080m;贝壳海山面积最大,约7000km2。高差范围1000~500m的海丘约90个,高差范围500~200m的海丘约100个。

表1 研究区海山基本地形参数

序号

名称

位置

其他要素

1

中南海山

13°58.0′N

115°25.7′E

山顶水深/m

299

基座水深/m

4379

高差/m

4080

投影面积/km2

1809

平面形态

近圆形

走向

———

2

珍贝海山

15°04.0′N

116°32.5′E

山顶水深/m

317

基座水深/m

4371

高差/m

4054

投影面积/km2

2738

平面形态

线状

走向

NW

3

龙南海山

13°21.8′N

114°58.5′E

山顶水深/m

528

基座水深/m

4467

高差/m

3939

投影面积/km2

1019

平面形态

线状

走向

NWW

4

宪北海山

16°36.8′N

116°42.4′E

山顶水深/m

210

基座水深/m

4120

高差/m

3911

投影面积/km2

1628

平面形态

线状

走向

W-E

5

黄岩西海山

15°08.5′N

117°09.6′E

山顶水深/m

498

基座水深/m

4385

高差/m

3887

投影面积/km2

1480

平面形态

线状

走向

NW

6

龙北海山

14°00.0′N

114°52.3′E

山顶水深/m

567

基座水深/m

4337

高差/m

3769

投影面积/km2

969

平面形态

圆形

走向

———

7

涨中海山

15°34.1′N

116°11.1′E

山顶水深/m

654

基座水深/m

4288

高差/m

3633

投影面积/km2

1131

平面形态

线状

走向

NW

8

南岳海山

13°42.1′N

115°17.8′E

山顶水深/m

868

基座水深/m

4386

高差/m

3518

投影面积/km2

910

平面形态

线状

走向

NE

9

管事平顶

海山

17°12.2′N

118°45.4′E

山顶水深/m

460

基座水深/m

4250

高差/m

3540

投影面积/km2

2119

平面形态

线状

走向

NE

10

北岳海山

14°21.8′N

115°24.1′E

山顶水深/m

862

基座水深/m

4300

高差/m

3438

投影面积/km2

907

平面形态

线状

走向

W-E

11

黄岩东海山

15°17.1′N

118°17.0′E

山顶水深/m

916

基座水深/m

4267

高差/m

3350

投影面积/km2

2387

平面形态

线状

走向

NW

12

贝壳海山

15°29.2′N

118°36.8′E

山顶水深/m

1230

基座水深/m

4500

高差/m

3270

投影面积/km2

7009

平面形态

线状

走向

NE

13

钱乙海山

16°46.4′N

118°36.0′E

山顶水深/m

1153

基座水深/m

4200

高差/m

3047

投影面积/km2

3110

平面形态

线状

走向

NE

14

石星海山

16°24.8′N

116°15.6′E

山顶水深/m

1376

基座水深/m

4166

高差/m

2790

投影面积/km2

1054

平面形态

线状

走向

近E-W

15

宪南海山

15°54.5′N

116°46.9′E

山顶水深/m

1526

基座水深/m

4200

高差/m

2674

投影面积/km2

897

平面形态

线状

走向

NNW

16

张仲景海山

15°50.8′N

117°30.9′E

山顶水深/m

1819

基座水深/m

4254

高差/m

2435

投影面积/km2

1161

平面形态

线状

走向

NEE

17

玳瑁海山

17°37.0′N

117°05.6′E

山顶水深/m

1680

基座水深/m

3950

高差/m

2270

投影面积/km2

338

平面形态

圆形

走向

———

18

钻石海山

15°01.4′N

114°54.5′E

山顶水深/m

2236

基座水深/m

4288

高差/m

2052

投影面积/km2

310

平面形态

线状

走向

W-E

19

吴有性海山

16°50.3′N

119°00.6′E

山顶水深/m

2200

基座水深/m

4200

高差/m

2000

投影面积/km2

784

平面形态

线状

走向

NW

20

玛瑙海山

12°09.4′N

115°53.8′E

山顶水深/m

2514

基座水深/m

4406

高差/m

1892

投影面积/km2

899

平面形态

线状

走向

海山走向为NE,被S-N向断裂切断

21

易安海山

14°48.0′N

115°40.0′E

山顶水深/m

2579

基座水深/m

4337

高差/m

1758

投影面积/km2

787

平面形态

线状

走向

海山走向为NE,被NW向断裂切断

22

一行海山

16°58.6′N

116°13.9′E

山顶水深/m

2306

基座水深/m

4042

高差/m

1736

投影面积/km2

171

平面形态

近圆形

走向

———

23

孙思邈海山

16°28.7′N

118°51.1′E

山顶水深/m

2836

基座水深/m

4500

高差/m

1664

投影面积/km2

2353

平面形态

线状

走向

NE

24

红宝石海山

14°40.8′N

114°30.6′E

山顶水深/m

2663

基座水深/m

4321

高差/m

1658

投影面积/km2

233

平面形态

线状

走向

NW

25

蓝宝石海山

14°50.1′N

114°15.8′E

山顶水深/m

2777

基座水深/m

4321

高差/m

1544

投影面积/km2

322

平面形态

线状

走向

NW

26

李时珍海山

15°53.0′N

118°19.3′E

山顶水深/m

2968

基座水深/m

4500

高差/m

1532

投影面积/km2

1369

平面形态

线状

走向

NE

27

紫贝海山

15°08.6′N

117°24.6′E

山顶水深/m

1065

基座水深/m

2596

高差/m

1531

投影面积/km2

487

平面形态

线状

走向

NW

28

管事西海山

17°16.2′N

118°28.6′E

山顶水深/m

2515

基座水深/m

4032

高差/m

1516

投影面积/km2

191

平面形态

线状

走向

NE

29

龙珠海山

13°08.3′N

114°29.2′E

山顶水深/m

2963

基座水深/m

4471

高差/m

1508

投影面积/km2

215

平面形态

线状

走向

W-E

30

龙门海山

12°32.3′N

113°43.3′E

山顶水深/m

2971

基座水深/m

4436

高差/m

1464

投影面积/km2

318

平面形态

线状

走向

NNW

31

陆游海山

13°47.7′N

115°47.9′E

山顶水深/m

2947

基座水深/m

4397

高差/m

1450

投影面积/km2

581

平面形态

线状

走向

海山走向为NE,被NW向断裂切断

32

韩愈海山

14°04.2′N

118°21.6′E

山顶水深/m

2802

基座水深/m

4249

高差/m

1447

投影面积/km2

1516

平面形态

线状

走向

海山走向为E-W,被S-N向和NW向两组断裂切断

33

张先海山

15°16.0′N

115°57.2′E

山顶水深/m

2875

基座水深/m

4316

高差/m

1441

投影面积/km2

297

平面形态

线状

走向

NW

34

克庄海山

15°16.0′N

116°11.7′E

山顶水深/m

2886

基座水深/m

4300

高差/m

1414

投影面积/km2

199

平面形态

线状

走向

NW

35

双峰海山

18°17.4′N

115°04.9′E

山顶水深/m

2383

基座水深/m

3730

高差/m

1347

投影面积/km2

184

平面形态

线状

走向

NEE

36

小珍珠海山

12°41.7′N

115°58.2′E

山顶水深/m

3046

基座水深/m

4390

高差/m

1344

投影面积/km2

757

平面形态

线状

走向

海山走向为NE,被S-N向断裂切断

37

大珍珠海山

12°48.6′N

116°34.0′E

山顶水深/m

3044

基座水深/m

4353

高差/m

1309

投影面积/km2

2017

平面形态

不规则

走向

———

38

米芾海山

13°57.3′N

115°48.4′E

山顶水深/m

3095

基座水深/m

4350

高差/m

1255

投影面积/km2

727

平面形态

线状

走向

NW

39

贺铸海山

13°12.6′N

116°02.0′E

山顶水深/m

3147

基座水深/m

4390

高差/m

1243

投影面积/km2

210

平面形态

线状

走向

NE

40

秦观海山

14°03.0′N

115°46.1′E

山顶水深/m

3116

基座水深/m

4318

高差/m

1202

投影面积/km2

768

平面形态

线状

走向

海山走向为NE,被S-N向断裂切断

41

华佗海山

16°31.6′N

118°03.1′E

山顶水深/m

3045

基座水深/m

4241

高差/m

1196

投影面积/km2

1746

平面形态

线状

走向

NW

42

范仲淹海山

13°25.2′N

115°46.3′E

山顶水深/m

3165

基座水深/m

4360

高差/m

1195

投影面积/km2

559

平面形态

线状

走向

NE

43

王祯海山

18°09.5′N

115°49.5′E

山顶水深/m

2635

基座水深/m

3823

高差/m

1188

投影面积/km2

59

平面形态

近圆形

走向

———

44

玉佩海山

12°04.4′N

112°33.7′E

山顶水深/m

3136

基座水深/m

4321

高差/m

1185

投影面积/km2

432

平面形态

线状

走向

NW

45

白居易海山

13°57.7′N

118°42.4′E

山顶水深/m

2906

基座水深/m

3980

高差/m

1074

投影面积/km2

291

平面形态

线状

走向

NE

46

柳宗元海山

14°37.6′N

117°59.4′E

山顶水深/m

3261

基座水深/m

4314

高差/m

1053

投影面积/km2

1098

平面形态

线状

走向

海山走向为E-W,被S-N向断裂切断

注:由于海丘数量多,此表只列出海山的地形参数

四、代表性海山和海丘的地形特征

研究区海山形态多样,本文选取了6个代表性的海山和海丘展示它们的地形特征。

⒈ 玳瑁海山

研究区大部分的海山为圆锥形海山,如玳瑁海山(图1、图2)。玳瑁海山基座水深3950m,山顶水深1680m,高差约2270m。平面形态呈圆形,平面直径约20km,面积约338km2。坡度为12°~14°。

图2 玳瑁海山三维地形图

⒉ 管事平顶海山

研究区仅发育一座平顶海山,为管事平顶海山(图1、图3)。管事平顶海山山顶坡度小于1°,山顶面积约为145km2。海山基座水深约4250m,山顶水深460m,高差约3540m。海山走向为东北,长约65km,宽约34km,面积约2119km2。坡度约为20°。

图3 管事平顶海山三维地形图 

⒊ 龙南海山

研究区部分海山平面形态呈线状,如龙南海山(图1、图4)。龙南海山沿近北西西向展布,长达42km,宽约30km,面积为1019km2。海山基座水深4467m,山顶水深528m,高差达3939m。东北和西南两侧斜坡坡度为14°。

图4 龙南海山三维地形图

⒋ 大珍珠海山

研究区部分海山平面形态不规则,如大珍珠海山(图1、图5)。大珍珠海山南北长约52km,东西宽30~51km,面积约2017km2。海山基座水深约4353m,峰顶水深为3044m,高差为1309m。海山斜坡地形较为平缓,坡度约4°。

图5 大珍珠海山三维地形图 

⒌ 蛟龙海丘

研究区有多个海丘顶部还保留着火山口形态特征,例如蛟龙海丘(图1、图6)。蛟龙海丘东西向长约8.4km,南北向宽约11km。面积约73km2。海丘基座水深3950m,山顶水深3294m,高差为656m。海丘主山峰位于南边,山顶为塌陷火山口,火山口深度约327m,南边有缺口。

图6 蛟龙海丘三维地形图 

⒍ 李益海丘群

研究区发育众多线状海山和海丘,其中一侧山坡为陡峭的断面,推测为一系列的小断裂切割形成,如李益海丘群(图1、图7)。李益海丘群由多个线状海丘组成,走向为北东东。西侧山坡陡峭,如被切开的断面一样,类似陆地上的断块山,断面走向为北北西。

图7 李益海丘群三维地形图

五、讨论

⒈ 东部次海盆海山海丘分布特征及成因

在东部次海盆海山和海丘的分布具有明显的规律。大型海山如珍贝海山、黄岩西海山、紫贝海山、黄岩东海山、涨中海山、宪南海山、宪北海山、石星海山、张仲景海山、张先海山、克庄海山等(图1)的走向总体呈北西向,集中分布在残留扩张脊,或零散分布在扩张脊北部区域。石星海山、涨中海山、珍贝海山和黄岩岛岩石的定年结果表明它们形成于海底扩张停止之后。因此,这些大型海山可能是海底扩张停止之后,岩浆沿着北西向小断裂喷发形成。

东部次海盆扩张脊北侧230km范围内,发育平行珍贝-黄岩海山链的大量线状海山和海丘,如李时珍海山和孙思邈海山(图1),并且这些海山和海丘发育在水深比其他海盆区浅100~150m的隆起区之上。东部次海盆扩张脊南侧130km范围内,也发育一系列平行珍贝-黄岩海山链的线状海山和海丘,但是众多海山和海丘被南北向和北北西向的小断裂切断,如柳宗元海山被南北向的小断裂切断。这些平行海山链的海山和海丘尚无岩石定年数据,推测断裂可能与海盆扩张过程中形成的转换断层有关。

⒉ 西南次海盆海山海丘分布特征及成因

西南次海盆的大型海山如中南海山、北岳海山、南岳海山、龙北海山的走向不一致。中南海山岩石的定年结果表明形成于海底扩张停止之后。因此,这些大型海山可能与东部次海盆的大型海山相似,在海底扩张停止之后岩浆喷发形成。

在西南次海盆扩张脊两侧,发育大量平行扩张脊方向的线状海山和海丘。在离扩张脊80km范围内线状海山和海丘发育最密集。最典型的为由一系列北东向线状海山和海丘组成的长龙海山链和飞龙海山链(图1)。但在西南次海盆扩张脊的东南侧,一系列海山和海丘被北西向的小断裂切断,如陆游海山由一系列北东向的小海山组成,但是被北西向断裂切断。这些平行海山链的海山和海丘尚无岩石定年数据,推测断裂可能与海盆扩张过程中形成的转换断层有关。

⒊ 海山海丘对中南断裂的地形响应

早期学者根据磁异常的走向估计东部次海盆和西南次海盆之间存在一个转换断裂,称为中南断裂。但目前关于中南断裂的走向和位置仍然存在不同的看法。本文从地形的角度发现东部次海盆西侧海山和西南次海盆东侧海山均被两组近南北向的断裂切割,此断裂可能是中南断裂。基于此,本文认为中南断裂可能是断裂带,具有一定的范围,包括易安海山-小珍珠海山-玛瑙海山断裂、李益海丘群-大珍珠海山断裂及它们之间的区域。

六、结论

⑴利用多波束数据对研究区的海山和海丘进行了统计。以1000m高差作为海山和海丘的划分依据,共识别出海山约46个,海丘约190个。2500m高差以上的海山分布在东部次海盆的残留扩张脊和北部区域,以及西南次海盆的残留扩张脊。

⑵研究区海山形态多样,以尖顶海山为主,也发育有平顶海山。既有平面形态呈圆形的海山,也有平面形态呈长形或不规则形的海山。高精度的多波束数据揭示了海丘的精细地形特征,发现了火山口和类似陆地上的断块山等特殊现象,为进一步开展地质地球物理研究提供了基础信息。

⑶东部次海盆扩张脊南侧一系列海山和海丘被南北向和北西向的小断裂切割,西南次海盆扩张脊东南侧一系列海山和海丘被北西向的小断裂切割。这些小断裂可能是海盆扩张过程中形成的转换断层。

⑷基于地形特征,推测东部次海盆和西南次海盆之间的海山被两组南北向的断裂切割。此断裂可能为中南断裂,并暗示了中南断裂可能为断裂带性质,具有一定范围,由两组南北向断裂及中间区域组成。

【作者简介】本文作者/张伙带 朱本铎 关永贤 杨胜雄,来自国土资源部海底矿产资源重点实验室和中国地质调查局广州海洋地质调查局;第一作者张伙带,女,1985年出生,工程师,从事海洋地质工作;本文来自《海洋地质与第四纪地质》(2017年第6期),参考文献略,用于学习与交流,版权归作者和出版社共同拥有。


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