南海扩张及华南沿海地貌和系演化：来自台湾新生代地层记录

发布时间：2020-07-19 08:02

【摘要】：青藏高原的抬升及东亚边缘海的打开是新生代最引人注目的地质事件之一,不但导致了新生代东亚地貌的巨大反转和水系重组,而且深刻地改变了区域气候和生态环境,但目前对这一转变过程还没有得到很好的认识。南海巨厚的新生代地层完整地记录了青藏高原东缘及华南地貌和水系的演化过程。由于南海洋壳向东俯冲及台湾弧-陆碰撞造山,南海北缘新生代地层褶皱隆升并出露于台湾岛,因此,台湾相当于“出露的南海”,是了解南海早期扩张历史以及华南沿海地貌和水系演化的重要窗口。本文通过对台湾新生代地层破裂不整合面、泥岩地球化学及砂岩碎屑锆石年龄谱和Hf同位素的研究,对南海扩张历史及华南沿海地貌和水系的演化提供了新的认识。南海北缘裂陷盆地如珠江口盆地、琼东南盆地等,都发育有裂陷期层序及裂后期层序,其间以破裂不整合接触。与此类似,台湾新生代地层也分为始新世裂陷期层序和渐新世-中新世裂后期层序。裂陷期层序以辫状河-沼泽相沉积为主,局部地区发育煤层;裂后期层序则是受海平面变化控制的浅海相沉积,含大量海相化石。在西部麓山带粗坑背斜剖面破裂不整合面之下发育的平林凝灰岩夹层,为一套厚层状杂色(棕色、灰白色及灰绿色)凝灰岩。对该凝灰岩样品中的锆石进行SHRIMP定年,结果显示为39.79±0.39 Ma和39.53±0.44 Ma,即凝灰岩形成的年龄为~39 Ma。结合最下部裂后层序古生物化石的研究,确定了台湾新生代裂陷盆地的破裂不整合发育的时间为39-33 Ma,指示南海开始扩张的时间应该在33 Ma之前,南海开始扩张的时间要早于现存海底洋壳的年龄(~30 Ma)。这与2014年国际大洋钻探计划(IODP)349航次在南海U 1435站位的钻探结果一致。同时,南海南、北缘裂陷盆地破裂不整合的年龄存在明显的穿时性,从北东向南西方向逐渐变年轻,显示南海的扩张具有穿时性特征。台湾西部麓山带及雪山山脉新生代地层泥岩的元素含量和比值以及εNd值在~25-~31 Ma期间均发生了突然的改变。在~31 Ma以前,La/Lu、Eu/Eu*、Th/Sc、Th/La和Cr/Th的比值分别为85.08、0.49、2.12、0.45和0.22,εNd值为-11.8~-9.3(平均值为-10.56);而在~25 Ma之后比值转变为105.4、0.62、0.16、0.31和0.13,εNd值变成-14.5~-11.9(平均值-12.96)。砂岩碎屑锆石U-Pb年龄谱显示,在古近纪地层中含有大量显生宙锆石,其中以燕山期(180-67 Ma)锆石为主,但几乎不含元古代(600-1000 Ma、1600-2000 Ma及2300-2500 Ma)和太古代(2500-2800 Ma)的锆石颗粒。同时,锆石的εHf(t)值的范围位于-24.1~+10之间,主要集中在-15~0。然而,在中新世地层中发生明显变化,中新世砂岩碎屑锆石以印支期(257-205 Ma)为主,同时还含有大量燕山期、元古代和太古代的锆石颗粒,锆石的εHf(t)值变化范围较大,最低为-65,最高达+15,其中大部分位于-17到+15之间。台湾西部麓山带和雪山山脉古近纪地层具有一致的碎屑锆石年龄谱分布,指示它们具有相同的物质来源。在华南沿海发育有大量的显生宙花岗岩,其εNd值主要在-4~-10之间,并且燕山期及印支期锆石的εHf(t)值在-25~0之间,这些特征与台湾古近纪地层非常相似,因此,台湾西部麓山带和雪山山脉~31 Ma以前地层沉积物主要来自华南沿海地区。而在~25 Ma以后,台湾泥岩εNd值明显降低,砂岩中含有大量的显生宙、元古代及太古代锆石,其中燕山期及印支期锆石颗粒的εHf(t)值变化范围较大,并且在0-500 Ma的锆石中,有37%的颗粒具有正的εHf(t)值。通过与华夏及扬子陆块出露岩石特征对比,下扬子地区老的沉积物有较低的εNd值(最低达-20),同时,河流沉积物碎屑锆石显示,该区燕山期、印支期及新元古代的锆石颗粒显示出较大的εHf(t)值变化范围,最低达-50,最高达+15。这些特征与台湾中新世地层很类似,据此推断,台湾西部麓山带和雪山山脉~25 Ma以后地层沉积物可能来自下扬子地区,扬子陆块已成为台湾新生代地层沉积物的重要来源。台湾古近纪地层碎屑锆石年龄组成与闽江河口一致;而中新世地层与下扬子地区和长江河口沉积物的年龄谱很相似,与闽江则差别较大。据此认为闽江水系可能作为台湾古近纪地层主要的物质传输途径,而中新世地层的物质传输途径还有待进一步研究。台湾西部麓山带及雪山山脉泥岩地球化学及碎屑锆石U-Pb年龄和Hf同位素在晚渐新世(~31-25 Ma)均发生突然的改变,指示源区由沿海向内陆迁移,暗示东亚地貌发生了重大转变。南海北缘各盆地沉积物物源发生转变的时间同样存在明显的穿时性,即从北东向南西逐渐变年轻。如在台湾地区物源转变的时间为~31-25 Ma,在ODP1148站位和珠江口盆地是~27-23 Ma,在莺歌海-琼东南盆地中为~13 Ma。结合破裂不整合自北东向南西的穿时性特征,显示南海的渐进式扩张及其对华南沿海盆地物源、地貌及水系的早期演化有重要的影响。随着青藏高原的快速隆升以及华南沿海地区的热沉降,东亚地貌发生重大的反转,东倾的地形为水系向内陆的侵蚀袭夺提供了动力。青藏高原的快速抬升及东亚边缘海的打开控制着东亚新生代地貌及水系的演化。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(广州地球化学研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P736.2;P534.6
【图文】：

南海北缘,华南大陆,水系图,张裂

这些裂陷盆地中沉积了巨厚的新生代沉地层。然而，遗憾的是由于海洋沉积物取样非常的困难并且很昂贵，使得对其研究还不够深入。台湾位于南海东北缘（图1.1），其构造演化历史与南海息息相关(Huang et al.,2012b)。由于南海洋壳自中中新世开始沿马尼拉海沟向东俯冲于菲律宾海板块之下，同时，菲律宾海板块持续向西北方向运动，导致北吕宋岛弧与亚洲大陆边缘在台湾发生弧-陆碰撞造山，这一过程使得沉积在华南被动大陆边缘的新生代沉积层序变形、抬升，从而完整地出露于台湾岛(Suppe, 1984; Ho, 1986; Teng,1990; Teng et al.

初始报告,南海扩张,海盆,顺序

Taylor and Hayes 1980, 1983 东部次海盆 30-17 磁异常Briais et al. 1993 整个海盆 30-16 磁异常姚伯初等 1994 西南次海盆 39-33 磁异常Barckhausen et al. 2004, 2014 整个海盆 32-20.5 磁异常Hsu et al. 2004 南海东北部海盆 37-15 磁异常Ru and Pigott 1986 整个海盆 55-32 热流与水深就南海海盆的扩张顺序而言，也存在着不同的认识。一部分人认为，西北次海盆与东部次海盆在~30 Ma 开始扩张，后来扩张逐渐向西南方向延伸，西南次海盆最后才打开(Taylor and Hayes, 1980, 1983; Briais et al., 1993) （图 1.2B）；而另一种观点认为西南次海盆与西北次海盆早于东部次海盆打开(姚伯初等,1994; Li et al., 2007) (图 1.2A)。这两个不同的观点最终涉及到洋盆的年龄问题。因此，确定南海开始扩张的时间及方式，是更好了解南海构造演化过程的关键。

示意图,新生代,中生代晚期,水系

对于现在的西高东低的地形是何时形成还不得而知(图1.3B)。图 1.3 新生代我国地形变化示意图（引自汪品先 (1998, 2005)并略作修改）；A: 中生代晚期到新生代早期地貌格局；B: 现代地貌格局；I-I’: 剖面位置伴随着地貌的反转，东亚大型水系在新生代也发生了重大调整。早期主要是通过对地貌的研究，认为青藏高原东缘存在着巨大的古红河水系，现代水系如长江上游曾经都是古红河水系的一部分，共同向南汇入古红河，然后再流入南中国海(Brookfield, 1998; Clark et al., 2004)，后来古红河被长江等水系袭夺，才逐渐演化形成了今天东亚水系的格局（图 1.4）。然而，通过对云南省剑川盆地新生代地层的研究认为，古红河水系的上游当时只到达松潘-甘孜地块及中扬子地区(Yan et al., 2012)。而对于古红河被袭夺、中扬子水系反转及长江贯通的时间还存在不同的认识。Richardson et al. (2008, 2010)对长江三峡河流峡谷剖面磷灰石低温热年代学研究后指出，长江贯通的时间应该在 40 - 45 Ma 之间，并认为长江的贯通可能使得四川盆地在~40 Ma 经受了大面积的快速剥蚀(Richardson et al., 2008; Richardson et al., 2010)。通过对河内盆地沉积物钕同位素及长江下游南京地区河流相砂岩碎屑锆石年龄谱的研究，认为长江形成于~24

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