新生代南海區域盆地發展與地體構造之關係

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(1)國立臺灣師範大學地球科學所碩士論文 Department of Earth Sciences National Taiwan Normal University Master Thesis. 新生代南海區域盆地發展與地體構造之關係 Reconstruction and Simulation of Tectonic Evolution for SCS Basins since Cenozoic time. 詹羑律 Yu-Lu Chan. 指導教授：葉孟宛博士李通藝博士 Advisor: Meng-Wan Yeh Ph.D. Tung-Yee Lee Ph.D.. 中華民國 104 年 7 月 July, 2015.

(2) 致謝. 可以完成這本論文首先要感謝李通藝以及葉孟宛博士，從大三暑假開始跟著老師做計劃，啓發了對南海這個區域的興趣，一步一步的收集統整資料、學習軟體應用等等，很幸運的在老師們的協助下漸漸找到研究的方向主軸，不管是在研究方面或是做事的方法及態度，這兩年的學習對我來說受益匪淺。也要感謝給了我很多建議又很有耐心的 Ricky，總是很罩的大師姐嚕嚕咪、一直都很認真又很有想法的宇平、很會處理事情又可以放肆亂聊天的小花、我的研究夥伴惠安、公義、阿惠、蔡孟浩，還有一直都充滿幹勁的雅琪，這兩年在 F404 的時光還好有大家的幫忙和陪伴，我才可以順利熬過。再來就是總是一句話挺到底，又一直改名的“信樺健身房”，雖然湊在一起都是一堆垃圾話，但是大家都很認真的朝著自己人生目標邁進，可以相互的正面影響力真的很可貴，糾團無極限的 fatty、愛乾淨又愛亂講話的師傅胖龍、無可超越的貼心黃致柔、可以一針見血給建議的莛鈺、擁有無限可能的彭筱君、說話完整又愛總結列點但又很值得信賴的陳姿穎、從大學時代就過著苦命研究生活的耀傑、我姐詹羑芳，研究生涯因為有“信樺”所以很精彩。最後要感謝一直都很支持相信我，無私為我付出的家人，有你們我真的很幸福。短短的兩年研究生涯雖然結束，但不斷地嘗試探索、不斷的學習成長是這幾年累積的習慣，也將會是我未來生活的態度。. I.

(3) 摘要南海為一主要的大陸邊緣海，位於三大板塊(歐亞大陸、印澳板塊、太平洋板塊) 交界處，自新生代以來，構造環境與演化進程複雜。塊體的相對運動帶動了此區多樣性的構造事件，包含了擠壓、張裂、錯動等，對南海周圍一系列的沉積盆地演化有相當程度的影響。為了探討塊體運動與沉積盆地之相關性，我們統整文獻中火成岩之時空分佈及盆地中震測剖面與構造形態等資料，將此區盆地演化以不整合面為界，分為同張裂作用(syn-rift)與後張裂作用(post-rift)。並利用 Gplates 軟體結合此區之地體構造：主要是印支地塊脫逸作用與南海海盆張裂等兩構造事件，以確立盆地演化之分期與大構造演化史，重建整個南海地區新生代(~60Ｍa)以來的發展。並根據重建結果，以內差法運算南海臨近地塊每隔 2Ｍa 之相對運動速度及角度之變化。結果顯示，中沙、禮樂灘原屬華南地塊，自古新世至始新世以來（60~30 Ma），華南陸緣伴隨西太平洋隱沒向東南後撤加上古南海往東南隱沒之拉力開始拉張剪薄，形成一系列雙峰火山岩。而中沙、禮樂灘亦由靜止狀態開始穩定向東南加速移動（0 mm/yr~50 mm/yr），初始以西北-東南拉張方向為主，並於南海西北及東南區形成一系列東北西南走向沉積盆地。此拉張事件一直持續到南海海盆打開（30 Ma），張裂速度開始持續減慢至 16 Ma 停止，而南海西北及東南區之盆地也相繼進入後張裂時期。南海西南區之盆地多有平移斷層通過，但盆地初始張裂皆較斷層滑移來的早，並以東-西及西北-東南向張裂為主，顯示印度與歐亞大陸的擠壓碰撞及古南海隱沒拉力為此區之主應力來源。由於塊體內部受應力後相對的滑移作用，造成此區各盆地演化差異大，不整合面的時空分佈較無區域性的統一，而盆地先後的反轉作用則與印支地塊向東南的脫逸作用較為相關。關鍵字：南海、盆地、不整合面、Gplates 軟體、相對速度. II.

(4) 英文摘要 South China Sea is a continental margin sea in Western Pacific that located in three plates boundaries including Eurasia, India and Pacific plates made this region evolving very complex. The relative motion of blocks drive divergent tectonic events happen here which includes collision, extension, strike slip and so on that affect the sedimentary basins evolving in South China Sea region. In order to realize the relation between motion of blocks and the development of basins, we collected the magmatism in space-time and the seismic profile and history of each basins form the previous studies, then use Gplates program to correlate the plates tectonics together and reconstruct the evolution of South China Sea region during Cenozoic time. The basins here can divide into two periods, which are syn-rift and post-rift by breakup unconformity in stable. According. to the previous studies, the Indochina. extrusion and the opening of SCS are two main tectonic events that result in strong deformation in Cenozoic so we use Gplates to calculate the relative velocity change of blocks motion per 2 Ma. We calculated India, Indochina via Eurasia, Malaya via Indochina and MB, Reed bank via Eurasia to associate the 2D tectonic motion and the basins evolution also the time. The result showed that South China margin formed series of bimodal volcanic rocks result in MB, RB, which are the members of South China originally drifted SE ward stably while continental stretching during Paleocene to Eocene. It also evolved some basins around NW and SE South China Sea today suffering NE-SW rifting stress that related to the West Pacific Ocean Plate subduction rollback and pulling from Proto-SCS subduction SE ward. The seafloor spreading began on 30 Ma, and then MB and RB drifting slowed down. III.

(5) until 16 Ma when the spreading stopped. The basins here formed breakup unconformity during the seafloor spreading and went into the post-rift period. The basins in SW South China Sea have strike slip fault zones cut trough normally but actually all the basins formed earlier than the faults slide that suffered E-W to NW-SE rifting at beginning. The stress maybe came from the collision of India and Eurasia and the subduction of proto-SCS. Because the relative strike slip within blocks after collision, the basins here developed differently and also the time of unconformity has no similarity in the same region. The invertions of basins in late stages were more related to the Indochina extrusion. According to the velocity of blocks relative motion, we can correlate tectonic setting with the evolution of basins easier and faster. Key words: South China Sea (SCS), basins, unconformity, Gplates Program、relative velocity. IV.

(6) 目錄. 致謝.................................................................................................................................................. I 摘要................................................................................................................................................. II 英文摘要 ........................................................................................................................................III 目錄................................................................................................................................................. V 圖目錄 ........................................................................................................................................... VI 表目錄 ......................................................................................................................................... VIII 第一章. 緒論 ................................................................................................................................ 1. 1-1. 研究動機與目的 ............................................................................................................. 1. 1-2. 區域地質背景................................................................................................................. 3. 1-3. 形成南海擴張之三大理論.............................................................................................. 4. 1-4 南海地區各沉積盆地之敘述...............................................................................................10 1-4-1 南海西北部盆地 ........................................................................................................... 11 1-4-2 南海西南部盆地 ...........................................................................................................17 1-4-3 南海東南部盆地 ...........................................................................................................22 第二章. 方法 ...............................................................................................................................25. 2-1 盆地分類 .............................................................................................................................25 2-2 不整合面特徵分析 ..............................................................................................................34 2-3 火成作用與盆地演化之關係...............................................................................................35 2-4 GPLATES 軟體應用...............................................................................................................37 2-4-1 板塊分類......................................................................................................................41 2-4-2 板塊重建依據 ..............................................................................................................44 第三章. 結果 ...............................................................................................................................48. 3-1 南海地區各沉積盆地之整合結果 .......................................................................................48 3-2 火成資料統整結果 ..............................................................................................................53 3-3 重建模擬結果......................................................................................................................61 V.

(7) 第四章. 討論 ...............................................................................................................................74. 4-1 區域應力場討論 ..................................................................................................................74 4-2 綜合討論 .............................................................................................................................79 第五章. 結論 ...............................................................................................................................81. 參考資料 ........................................................................................................................................82 附錄一（板塊編號 PLATE ID）...................................................................................................90 附錄二 (重建旋轉資料 ROTATION FILE） ................................................................................94. 圖目錄. 圖一、南海區域海洋沉積物厚度以及南海區域盆地分布圖 ........................................... 2 圖二、大陸地殼與海洋地殼過度帶剖面圖 ...................................................................... 3 圖三、太平洋海板塊反饋及古南海隱沒脫逸理論 .......................................................... 7 圖四、印度板塊與歐亞大陸板塊碰撞造成印支地塊與華南地塊的脫逸作用示意圖..... 9 圖五、南海區域地形及盆地位置圖，及代表剖面位置圖。 ......................................... 11 圖六、珠江口盆地西北-東南剖面 .................................................................................. 13 圖七、珠江口盆地於海洋地殼與大陸地殼過渡帶之震測剖面圖 ................................. 13 圖八、北部灣盆地東南(右)-西北(左)震測剖面.............................................................. 14 圖九、鶯歌海盆地西北東南剖面 ................................................................................... 15 圖十、瓊東南盆地西北東南剖面 ................................................................................... 16 圖十一、九龍盆地東北-西南剖面圖 .............................................................................. 18 圖十二、萬安盆地西北-東南剖面 .................................................................................. 19 圖十三、西那吐納盆地西北-東南剖面 .......................................................................... 20 圖十四.、馬來盆地西北-東南（F-F’）剖面 ................................................................... 21 圖十五、泰國灣盆地北部東-西向剖面 .......................................................................... 22 圖十六、禮樂盆地北北西-南南東剖面 .......................................................................... 23 圖十七、曾母盆地北北東-南南西剖面 .......................................................................... 24 圖十八、張裂盆地在不同應力及環境下所顯示之形態 ................................................. 29 圖十九、擠壓環境下所生成之盆地，包含碰撞帶及隱沒帶 ......................................... 32 圖二十、平移錯動形成之盆地 ....................................................................................... 33 VI.

(8) 圖二十一、張裂過程中形成之不整合面示意圖 ............................................................ 35 圖二十二、Gplates 軟體基本架構示意圖 ....................................................................... 38 圖二十三、利用轉型斷層推估旋轉軸示意圖 ................................................................ 39 圖二十四、東亞地區重建樹狀圖（reconstruction tree） ............................................... 42 圖二十五、南海地區板塊分佈圖 ................................................................................... 43 圖二十六、南海地區磁異常條帶以 Gee and Kent (2007)修正過後之年代 ................... 44 圖二十七、重建模擬 12Ma ............................................................................................. 46 圖二十八. 、28 Ma 重建模擬 ........................................................................................ 47. 圖二十九、南海地區新生代火成資料時空分布圖 ........................................................ 56 圖三十、南海地區 60 Ma 重建模擬示意圖 .................................................................... 62 圖三十一、南海地區 52 Ma 重建模擬示意圖 ................................................................ 62 圖三十二、南海地區 48 Ma 重建模擬示意圖 ................................................................ 63 圖三十三、南海地區 40 Ma 重建模擬示意圖 ................................................................ 63 圖三十四、南海地區 32 Ma 重建模擬示意圖 ................................................................ 64 圖三十五、南海地區 28 Ma 重建模擬示意圖 ................................................................ 64 圖三十六、南海地區 20 Ma 重建模擬示意圖 ................................................................ 65 圖三十七、南海地 16 Ma 重建模擬示意圖 .................................................................... 65 圖三十八、南海地 12 Ma 重建示意圖 .......................................................................... 66 圖三十九、南海地 8 Ma 重建示意圖 ............................................................................ 66 圖四十、南海地 4 Ma 重建示意圖 ................................................................................ 67 圖四十一、南海現今地圖 ............................................................................................... 67 圖四十二、中沙群島(Macclesdield bank, MB)與禮樂灘(Reed bank,RB)相對於歐亞大陸板塊移動速度變化圖 .............................................................................................. 71 圖四十三、印度板塊與印支地塊相對於歐亞大陸板塊之移動相對速度變化圖 .......... 72 圖四十四、印度板塊與印支地塊相對於歐亞大陸板塊方位角隨時間之變化 .............. 73 圖四十五、禮樂灘 60 Ma 以來移動方向角度變化示意圖............................................. 75 圖四十六、漸新世南海西北區沉積盆地張裂之方向..................................................... 76 圖四十七、漸新世南海西南區沉積盆地張裂之方向..................................................... 77 圖四十九、南海完成後地塊相對移動方向與盆地受應力之方向 ................................. 78. VII.

(9) 表目錄表一、擴張作用所形成之盆地 ......................................................................................... 28 表二、擠壓作用所形成之盆地 ......................................................................................... 29 表三、錯動形成之盆地 .................................................................................................... 33 表四、應用在 GPlates 軟體裡的 rot 檔(rotation file) ........................................................ 41 表五、南海區域沉積盆地構造統整表 ............................................................................. 51 表六、南海地區盆地沉積層序與全球海水面升降統整表 .............................................. 52 表七、新生代南海地區火成岩體位置及年代統整表 ...................................................... 57 表八、南海地區構造及盆地演化統整表 ......................................................................... 80. VIII.

(10) 第一章緒論 1-1 研究動機與目的沉積盆地是地球表面上長期下陷的區域，接受大量沉積物的充填。驅動地表下陷的動力與岩石圈作用有關，在板塊理論中岩石圈由大小不一的板塊組成，彼此相互運動。因此沉積盆地的地質背景與板塊的相互運動及板塊的性質有密切的關聯。當海洋盆地張開過程，在海盆周遭的陸棚帶因均衡作用，多會伴隨一定程度的下陷，因此通常在海盆周圍，可以觀察到一系列的形成時間與海盆相近的沉積盆地；南海海盆周圍同樣有一系列的沉積盆地生成，看似非常符合均衡說，然而各盆地的演化過程、時間以及陸緣環境差異大，雖然盆地的演化與南海海盆有一定的關聯性，但仍不能就以單一理論來解釋整個區域的盆地生成。南海位處三大板塊交界處（歐亞大陸板塊、印澳板塊、太平洋海板塊），構造相當複雜，同時有剪切帶、隱沒帶、洋脊共存等，前人研究主要以西太平洋板塊後撤、古南海的隱沒拉力，及印度與歐亞大陸的碰撞造成印支地塊脫逸作用等理論來解釋南海地區新生代以來一系列的擴張運動，但仍沒有一個理論可以完整重建南海地區的演化。無論是此區域各沉積盆地的生成或南海本身的演化模式說法皆存在相當多的爭議，因此本研究將以南海海盆周遭的沉積盆地做為重建演化之立足點，藉由大架構的板塊重建模擬，釐清南海地區的演化模式，以及沉積盆地與區域架構之整合。. 1.

(11) 圖一、南海區域海洋沉積物厚度以及南海區域盆地分布圖（台灣地區由於資料不足，未顯示; Divins, D.L., Total Sediment Thickness of the World's Oceans & Marginal Seas, NOAA National Geophysical Data Center, Boulder, CO, 2003.）. 2.

(12) 1-2 區域地質背景南海海盆為世界第三大之邊緣海，平均水深約 1212 公尺，大陸邊緣過渡到海洋地殼之間有許多沉積盆地生成（圖一），其周圍的陸緣形態差異甚大；南海西北側從裂谷發展而來，屬於被動型大陸邊緣（passive margin）。雖然沒有明顯火山楔或岩脈分佈，但由白堊紀到始新世-漸新世左右一直有火成岩體生成，成份由長英質為主的深成岩轉為偏中性至基性火山岩體為主(Yan et al., 2014)，且由西北-東南向陸緣至海盆的震測剖面觀察，可以發現一系列的滑脫斷層（detachment fault）分佈在接近洋殼的區域，有些滑脫斷層甚至似乎可延伸至莫荷面（Moho）(圖二)，由火成及剖面資料來看，可推測華南東南陸緣為介於火山型及非火山型間之被動型大陸邊緣。. 圖二、大陸地殼與海洋地殼過度帶剖面圖，上圖為南海西北側，下圖為南海東南側，剖面位置於圖三，修改自(Dong et al., 2014; Franke et al., 2013). 南海海盆西北側（華南西南陸緣）雖與海盆東南側（南沙地塊區域）共軛，但並非對稱發展(Dong et al., 2014; Zhen et al., 2011; ZHU et al., 2012b)；南海西北側由陸緣至 3.

(13) 海盆為階梯狀漸低 (圖二)，為完整的陸架陸坡體系，而南海東南區則陸架短，陸坡陡（約 12 度），為寬闊崎嶇的海底地形，非典型陸架陸坡體系，且有一系列的增積岩體分佈於陸緣，婆羅洲上甚至有西北東南向的造山事件（沙巴）記錄，顯示南海東南區為擴張延伸到陸陸碰撞的環境。而至於南海西南側（印支地塊至南海海盆區域），陸殼與洋殼間並無連續的相關性，以平移斷層界線，並非被動大陸邊緣 (Dong et al., 2014; Zhen et al., 2011; ZHU et al., 2012b)。南海東北側為隱沒帶，南海海盆向東隱沒至菲律賓海板塊，形成馬尼拉海溝，隱沒方向與洋脊方向夾角大，自 16Ma 以來，南海海盆張裂停止，整個區域趨於穩定狀態。. 1-3. 形成南海擴張之三大理論南海地區主要受控於印澳板塊、歐亞大陸板塊以及太平洋海板塊，其中印澳以及太. 平洋海板塊現今分別以 5-7 cm/yr 的速度向歐亞大陸板塊擠壓，但在南海海盆及菲律賓海板塊打開以前，南海地區的板塊架構並未如此，其中關於南海海盆的演化由於無深海測井，加上此區磁條帶會受到赤道電噴流（equatorial electrojet）及電離層流系統（ionospheric current system）等干擾，造成磁場時空的誤差(Barckhausen et al., 2014)；因此其重建之困難，而觸動其打開機制更是眾說紛紜，主要以三派說法如，西太平洋海板塊反饋/古南海隱沒、印澳板塊碰撞理論模式以及地幔柱模式為主： . 太平洋板塊反饋及古南海隱沒模式 Heuret 等人（2005）對於全球隱沒作用做一統整研究，提出造成隱沒板塊反饋作. 用的主要原因有二，1) 隱沒板塊下沉拉力，與板塊密度、長度及年齡成正比（公式： Fsp = K ρLA1/2），（F＝板塊拉力；Ｋ＝常數, ρ＝板塊密度, L=隱沒帶長度, Ａ= 板塊年齡），因此較容易發生在較老且較冷的海洋板塊；2) 受地函熱流影響，垂直海溝的 4.

(14) 推力亦會造成板塊反饋或隱沒加速。主要熱流來源有，地球向東的主熱流（太平洋板塊）、區域性的板塊收縮造成熱流及位於板塊邊界的邊界流(Heuret and Lallemand, 2005)。根據Heuret等人2005的統整，現今太平洋海板塊向西隱沒至菲律賓海板塊，以馬里亞那海溝為界，速率約2~4 cm/yr，且弧後變形為聚合型；而南海海盆向東隱沒至菲律賓海板塊，以呂宋島弧為界，速率約3~8cm/yr，但弧後變形以擴張型為主。但在南海海盆尚未打開、菲律賓海板塊也尚未移動至今天的位置，東亞地區的海洋板塊分佈並不如此。晚白堊紀以來，巽他地塊東側以西太平洋海板塊向西隱沒為主，但由於白堊紀間（118-83Ma），地磁長時間無反轉，因此形成一個大的時間空隙（海洋板塊大多以地磁條帶作為定年及重建依據），加上板塊削減，其隱沒程度及影響空間和時間範圍較難定論(Heuret and Lallemand, 2005)。 Li 等人(2012)對於華南陸緣及台灣做一系列的鋯石定年及化學分析，認為由於西太平洋向西低角度隱沒作用，歐亞大陸邊緣在中白堊紀以前（<90 Ma）為大陸岩漿弧環境，有一系列的I-type花岡岩，屬於安地斯型大陸邊緣（Andean–type margin）； 90 Ma 後，由於西太平洋板塊下沉，向西隱沒減緩，隱沒帶反饋（隱沒角度變大，往陸緣反方向後撤），地表的火成作用相對減緩，90-60Ma 為一過渡期，60Ma後隱沒帶反饋的力量造成華南東南陸緣區域擴張，並形成一系列雙峰岩漿、A-type花崗岩、板內張裂形成之玄武岩，及大量高鉀鈣鹼（high-K,calc-alkaline）岩類生成，導致華南陸緣減薄破裂，一直到30-16 Ma，南海海盆順勢打開，形成一大規模邊緣海，整個東南亞區域轉變為西太平洋型大陸邊緣（West Pacific type margin），而後的岩漿活動都屬區域性的地函上湧或新的碰撞活動所致(Li et al., 2012)。然而孫等人（2006）提出，晚白堊紀後，華南東南陸緣珠江口一帶已停止大規模的火成岩入侵，因此由於太平洋反饋作用而導致南海盆的擴張似乎在時序上無法吻合（孫等人., 2006）。而Holloway (1982), Taylor 5.

(15) (1983), Daly (1982)和Ding等人 (2011)認為，南海的張裂另有受到古南海持續往東南隱沒的拉力。由婆羅洲上的拉薑群海相複理石(flysch)的年代顯示，古南海在早白堊即開始向東南俯衝，蛇綠混雜岩帶由那吐納島、加里曼丹北部，延伸至南巴拉望，年代由東向西漸年輕，約晚侏羅紀至早中新世，可視為古南海隱沒之時空範圍，且由低熱流質及高磁異常區顯示，現今南沙海槽的西南區，可能為古南海目前發現之唯一殘餘洋殼(Baoliang et al., 2014; Daly et al., 1991; Ding et al., 2011; Holloway, 1982; Taylor and Hayes, 1983)。因此在太平洋後撤以及古南海的隱沒拉力的共同驅動下，導致現今南海海盆地之擴張。但由於古南海以及西太平洋過去相互關係以及影響範圍、時間皆未知，只能從蛇綠岩帶、增生帶分佈推論，是此一學說最大之挑戰，因此本研究將加入各區域沉積盆地的應力方向變及形態的轉換等等，與南海海盆及其周遭之地塊相互對照，驗證此一理論之合理性。. 6.

(16) 圖三、太平洋海板塊反饋及古南海隱沒脫逸理論，由華南東南陸緣拉張減薄到南海海盆張裂模式，修改自(Daly et al., 1991; Ding et al., 2011). 7.

(17) . 印度與歐亞大陸碰撞導致印支地塊脫逸理論 Tapponier 等人 1982 年提出年碰撞-脫逸理論，說明印度板塊與歐亞大陸碰撞對東. 亞地體構造之影響，不僅在 2 維的時空上造成印支地塊及華南陸塊的先後脫逸作用，亦觸發中南印支地塊大規模火成活動（40-30 Ma），後期形成拉斑玄武質系列(tholeiite) 及鹼性玄武岩(alkaline basalt)。而 Briais 等人（1993）認為南海擴張極與印支地塊旋轉極相當一致，且紅河剪切帶左移冷卻活動時間（33~17 Ma）與南海快速張裂時間（33~16 Ma）非常吻合，因此推論南海海盆的打開是由於紅河剪切帶延伸而錯動所形成(Briais et al., 1993)。但對於紅河剪切帶的延伸方向及範圍至今說法仍不一，其中 Cai 等人（2008）利用重磁異常及區域地表應力場特徵分析，提出紅河剪切帶延伸至鶯歌海盆地約 17.3°N 後分為兩段，以北由 Wang 等人（2000）的 Ar-Ar 定年頻譜分析指出，紅河哀牢山剪切帶左旋活動集中在 27~22 Ma 間(Wang and Lu, 2000)，而以南沿南北走向之東越南斷層則為右旋，但由於滑移方向不一，推論晚漸新世後期，由於南海擴張中心南遷及擴張方向的轉換，造成剪切帶應力及時空上的不連續(Cai et al., 2008)。修正統整剪切滑移帶以及南海海盆時空上的分佈發現，南海海盆的張裂（30-16 Ma）其實是早於紅河剪切帶的啟動（印支地塊的脫逸作用，～27 Ma），再者紅河剪切帶的延伸並不明確，因此由印支地塊脫逸造成造成的剪切力錯動，進而驅使南海海盆的擴張一說，時間及應力上是不太符合的，然而印度板塊與歐亞大陸持續的聚和作用，對於南海地區演化的影響是隨時間越趨明顯。. 8.

(18) 圖四、印度板塊與歐亞大陸板塊碰撞造成印支地塊與華南地塊的脫逸作用示意圖（修改自(Tapponnier et al., 1986)。. . 側向熱流理論 Lebedev and Nolet (2003)和 Lei 等人（2009）透過地球物理及岩石學等資料，提出. 海南地幔柱存在之可能性，影響範圍涵蓋整個巽他地塊的東南區。其證據為海南島下利用震波測出異常低速帶，深可達 1500km，接近下部地函、較薄的大陸地殼（31-33km）、高熱流（高達 87mW/m2 ），以及南海停止擴張以來噴發大量島弧型（Ocean Island basalt , OIB）-洋脊型(Mid-Ocean Ridge basalt, MORB)的鹼性玄武岩，皆可能與地幔柱逐漸消亡有關(Lebedev and Nolet, 2003; Lei et al., 2009)。Yan 等人（2007）進而提出了南海重建演化模型，認為印度板塊與歐亞大陸板塊的碰撞及太平洋海板塊的反饋作用，造成 50 Ma 以來南海地區的系列拉張作用，提供了地幔柱上升之通道，而當地幔柱達岩石圈底部時，側向物質流與裂谷區域相互作用，驅使南海海盆的擴張，而地幔柱物質沿傾斜的邊界流，造成擴張中心向南遷移，一直到 15 Ma，印澳板塊前緣及菲律賓海板塊的 9.

(19) 碰撞，使得南海停止擴張。而對於南海張裂過程間（30-16 Ma），相對張裂前後，整個區域火成作用較顯寧靜，只有零散的火成事件分佈的現象，其解釋可能由於板塊碰撞增厚，且地幔柱能量的消耗，使得岩漿只能沿前期的斷裂上湧至地表，因此較區域性(YAN and SHI, 2007)。然而這項理論並不考慮古南海的存在，以及其他地塊在時間尺度上相互運動所影響的程度變化，再者如前人研究所說，南海屬於被動型張裂海盆，軟流圈的上升非主動，且單憑側向熱流所提供之拉力，是不足夠將海盆打開的，但不可否認地幔流確實促使了岩石圈拉張剪薄之事實。綜觀上述理論，目前對於南海海盆的打開模式，仍是存在許多矛盾，沒有一重建可以完整推論造成此區豐富地貌之幕後推手為何。因此，為了釐清此區相對塑性較高的沉積盆地演化與大區域的地體構造關係，我們分別統整火成岩的時空分佈、沉積盆地演化等資料，並以 Gplates 軟體模擬，整合重建板塊相對運動與盆地之發展演化，以動態方式呈現整個重建模擬結果，藉此可以快速的得到不同年代，板塊與盆地的相對地理位置及移動方向。為了進一步的了解鋼性的運動體(板塊)對於相對較軟性的盆地影響程度及範圍，我們計算出新生代以來，主要地質事件的塊體相對速度場及方位的變化，藉以探討地體構造之發展變化與盆地演化之相關性。. 1-4 南海地區各沉積盆地之敘述南海地區的盆地皆不是一次形成，多是經過 2~3 次構造運動(Zhou et al., 1995)，因此較難清楚以單一的構造演化來定義，我們將南海盆地分為三區來統整，包含西北區、西南區及東南區（圖五）。西北部的盆地包含了珠江口盆地、北部灣、瓊東南盆地、鶯歌海盆地；西南區包含，九龍盆地、萬安盆地、馬來、西納土納盆地，以及泰國盆地群；東南部則以曾母、禮樂盆地為主。如圖一、二所示，沉積盆地沿南海海盆 10.

(20) 邊界發展，沉積物厚度大約在 7000 公尺左右，其中又以鶯歌海、瓊東南、馬來及曾母盆地厚度較高（圖五）。. 圖五、南海區域地形及盆地位置圖，及代表剖面位置圖。. 1-4-1 南海西北部盆地. 珠江口盆地 Pearl River Mouth Basin 根據 Chen 等人在 2013 研究指出，由盆地位置及形貌認為，現今珠江口盆地可 11.

(21) 以被定義為被動大陸邊緣張裂盆地，呈東北西南走向。地層由老至輕依序為晚侏羅至晚白堊的花崗岩基至新生代的沉積岩填充，其中亦包含晚漸新世至中新世的安山岩、鹼性玄武岩(Chen et al., 2013; Yan et al., 2014)。約為晚白堊紀開始受西北-東南的拉張運動，底層岩石圈受純切變作用(pure shear)影響，地函上湧造成區域性地殼減薄，在剛性地殼形成系列東西向半地塹斷塊(單切變作用，simple shear)，以及東北-西南低角度正斷層所框成的納積，此期屬同張裂(syn-rift)發展，以河湖相夾薄層海相沉積為主，一直延續到漸新世。由震測剖面顯示，珠江口盆地發展了一系列的正斷層及地塹後，在早漸新至晚漸新世之間(～28.1 Ma;T7)有一破裂不整合面（break up unconformity），為同張裂（syn-rift）和後張裂（post-rift）分界；後張裂（post-rift）時期，一系列的生長斷層發展，為沉降證據之一。然而 Ding 等人（ 2011）提出的擴張模式指出，破裂不整合面發展應較晚，大約於早中新世（～23.03 Ma），由於岩石圈上下層受拉張程度不一，岩石圈地幔相對較高的伸展率，引起裂後冷卻鬆弛相對延遲，造成大規模的熱沉降盛行，張裂盆地發育也漸停止（syn-rift），加上重力作用，使得盆地下陷，而沉積物來源也轉為濱海至淺海相的陸緣沉積物為主(post-rift)。約13.8 Ma後，盆地東區因受菲律賓海板塊的壓力作用，有部份隆起的狀況(Sun et al., 2014)。整個盆地後期因沉積速率加快造成區域性的海平面上升，以及碳酸平台的生成(Ding et al., 2011; Jinmin, 1988)。由西北-東南向震測剖面顯示，珠江口盆地是由多條東北-西南構造條帶組成，又以鏟狀正斷層為各構造帶邊界，以Tg及T7分別表示同張裂及後張裂作用之初始，T7 以前有相當密集的高角度正斷層分佈，T7後趨於穩定，一直到後期，接近海洋地殼-大陸地殼過度帶(continent–ocean transition zone, COT) 又有一系列的褶皺、逆斷層及生長斷層分佈，顯示晚中新世以來（南海張裂停止），推力主要來自東側，且影響程度由東向西減弱(Zhu et al., 2012a)。 12.

(22) 圖六、珠江口盆地西北-東南剖面，引自(Zhu et al., 2012a)。. 圖七、珠江口盆地於海洋地殼與大陸地殼過渡帶之震測剖面圖，推測火成岩體應在 T7 後才侵入，始得部分斷層轉為逆斷層，但切確年代未知，引自(Zhu et al., 2012a)。. 13.

(23) 北部灣盆地 Beibuwan Basin 北部灣盆地位於華南大陸棚內部，根據 Li 等人 (2009) 的整理，認為此盆地基盤包含古生代變質碳酸岩和碎屑岩及中生代花崗岩、安山岩及沉積(Li et al., 2009)。根據 Hu等人(2011)針對北部灣盆地構造遷移之研究認為，約由晚白堊紀-古新世間，受西北東南向拉張運動，產生系列東北-西南走向正斷層及向南傾之半地塹(Hu et al., 2011)；始新世間，應力方向順時旋轉，走滑造成近北東東向的斷裂，為強烈拉張期；漸新世新近紀間轉為近南北向拉張，使得早期活動的斷裂閉合，張裂強度也相對減弱；中新世以來斷層發育趨於平緩，除晚中新世有區域性的擠壓變形，多處於穩定裂後熱沉降階段。隨著應力的改變，控制各凹陷斷裂活動時間有差異，亦造成沉積中心的遷移。由測井資料顯示，此盆地張裂以前填充了火成岩、凝灰岩類，後期沉積了上千公尺的古近紀同張裂時期(syn-rift)之沉積物，和較薄的新近紀後張裂時(post-rift)之海相沉積物。李等人 (2012)所解釋的西北-東南震測剖面資料記錄了兩次擴張事件，第一次主要發生在早古新世(或晚白堊)-晚始新世(T80以前)，形成盆地主要邊界，且產生一系列東北走向的伸展斷層(正斷層)，和大量的半地塹；第二次主要發生在漸新世(T80後)，由於構造應力場轉向(轉為南北向)，不僅造成上一次斷層再運動也產生新的斷層通過並擾亂 syn-rift沉積，擴張中心轉移，甚至有盆地反轉現象發生。. 圖八、北部灣盆地東南(右)-西北(左)震測剖面，顯示此盆地構造約早漸新世分成兩期，引自(Wang et al., 2014)。 14.

(24) 鶯歌海盆地 Yinggehai Basin 鶯歌海盆地位於越南東北，紅河出海口處，根據中國海域含油氣盆地圖集2010，盆地基底為印支褶皺帶，屬於過渡型岩石，在同一期可以觀察到擴張、滑移、擠壓等構造共存。根據朱等人（2010）的研究，約於古新世時期，由於太平洋海板塊相對於歐亞大陸板塊運動速率的減慢，軟流圈上湧，地殼減薄張裂，形成鶯歌海盆地初始張裂(朱傳林,米立軍, 2010)。約於始新世至漸新世早期，受剪切滑移斷層(紅河剪切帶)左旋滑移應力影響，形成拉張盆地，呈北北西-南南東走向。新生代以來，盆地形成可分三期，古新世的同張裂時期(syn-rift)，以濱海至淺海沉積為主；始新世至漸新世早期為錯動滑移時期，以河流湖相到海陸交互相的礫岩、砂岩為主；晚漸新到晚中新世為後張裂時期(post-rift)，可對應到南海擴張的第二期（擴張中心向南遷），由於岩石圈熱流冷卻，造成區域熱下沉作用（thermal subsidence），以深海鈣質沉積物和泥岩沉積為主。鶯歌海盆地因受大型剪切帶影響，地殼減薄程度大，造成地溫梯度變化大，盆地中心下沉及沉積量大，約5 Ma後，形成系列頁岩、泥岩貫入構造(diapirs)(Lei et al., 2011)。由震測剖面顯示，T100（56 Ma）為張裂的初始，T70以前有系列的地塹、半地塹生成。而T60（~23.03Ma）為同張裂和後張裂邊界。. 圖九、鶯歌海盆地西北東南剖面，引自(Jian-Ye et al., 2011)。. 15.

(25) 瓊東南盆地 Quopndongnan Basin 瓊東南盆地位於南海西北大陸邊緣，西鄰紅河剪切帶，東鄰西沙海槽，大至呈北東-南西走向。由北到南共有四條構造帶穿過，分別為北部沉降帶、中心隆起帶、中心沉降帶，及南部隆起帶。由Su等人在2013年提出的研究,此盆地形成一樣可分為兩期，古新世至漸新世的同張裂時期(syn-rift)和中新世到第四紀的後張裂時期(post-rift)，由交角不整合區分(23.03 Ma)。沉積相在11.6 Ma時由濱海相轉為深海相，由盆地東側開始向西發展 (Su et al., 2013)。而袁玉松等人(2008)認為盆地基底岩性以燕山期花崗岩為主，也有古生代沉積岩和變質岩，盆地經歷了始新世和漸新世兩期伸展裂陷作用，形成半地塹和地塹以及南北分帶、東西分段的裂陷結構特徵(袁等人., 2008)。由Jian-Ye等人 (2011)的震測剖面分析，T60(21-23Ma)以前，系列西北-東南向地塹、半地塹分佈發展， T60以後為後張裂時期，以熱沉降為主。根據前人文獻資料顯示，瓊東南盆地同張裂時期並沒有觀察到剪切構造，以西北東南向的的拉張為主，推測應為太平洋板塊反饋所致。由於其位置相鄰紅河剪切帶，約晚漸新至中新世間，印支地塊的脫逸作用造成系列古斷層再次活動移位以及盆地反轉現象（invertion），記錄了紅河剪切帶的兩期的滑動(Jian-Ye et al., 2011)。. 圖十、瓊東南盆地西北東南剖面，位置圖見圖二，不整合年代參考表六）引自(Jian-Ye et al., 2011)。 16.

(26) 1-4-2 南海西南部盆地. 九龍 Cuu Long 九龍盆地(Cun Long Basin)又稱湄公盆地(Mekong Basin)位在南海西南部，湄公河出海口東南方陸盆到陸坡間，南沙群島(dangerous ground)的西北方，呈北東-南西走向，於梅平剪切帶（Mae Ping fault Zone）東南方延伸，而東北側鄰南海海盆。九龍盆地基底是晚中生代的侵入岩、火山岩和變質岩沉積所組成的，基底斷裂結構發育非常旺盛，以正斷層為主(孫桂華等人., 2010)。張裂作用(rifting)開始於晚始新-早漸新世一直持續到中中新世，形成半地塹，而後廣泛的下陷產生淺次盆地(shallow subbasin)。晚漸新世時，盆地反轉形成系列東西走向平移斷層(strike slip faults)和東北-西南走向的逆斷層 (reverse faults)，晚中新世後沉積主要受控於海水面升降變化，以沿海到淺海碎屑岩泥岩沉積為主。Fyhn 等人(2009)將構造演化分成了四個階段，第一期為晚古生代到白堊紀時期基底形成階段，主要以古生代花崗岩、中生代的閃長岩和流紋岩；第二期為拉張期由晚始新世至漸新世約 56.5~23.3Ma；第三期為熱沉降期 I-這時期熱隆起導致出現不整合面；第四期為熱沉降期 II-在中新世晚期擠壓與抬升，形成構造輕微的反轉，之後沉積物不斷覆蓋。關於第二期的拉張原因眾說紛紜，主要以下幾種說法，西北-東南走向的梅平剪切帶左移延伸出東西向的拉張力及古南海向東南隱沒所提供的拉力或古太平洋板塊隱沒帶反饋所致的拉張力等等皆可能影響九龍盆地的演化 (Fyhn et al., 2009b)。圖十一為東北-西南剖面資料，有明顯的花狀構造（flower structure），大約生成於晚漸新世至中新世間，顯示在該期間有平移斷層發展，大約可對應盆地發展第三期，即印支地塊脫逸時間。. 17.

(27) 圖十一、九龍盆地東北-西南剖面圖，引自(Fyhn et al., 2009a). 萬安盆地 Wanan Basin / Nam Con Son Basin 萬安盆地屬於印支地塊，位於九龍盆地東南處，南沙海域的西南部，近南北走向。萬安盆地基底為印支地塊、燕山期的變質岩及火成岩侵入體。約在中晚始新世開始張裂，形成系列正斷層、生長斷層(growth fault)、地塹及半地塹，以三角洲與河流砂岩沉積及湖相頁岩夾層為主。早中新世到晚中新世為後張裂作用(post-rift)，以陸棚到深海沙頁岩沉積為主(Binh et al., 2007)。Zhifeng 等人（2013）觀察震測剖面發現，盆地東側的萬安斷層帶上有反向花狀構造（negative flower structure），顯示其為平移斷層，且有部分岩漿活動沿此斷層分佈，應力強度由剪切帶向西減弱，而盆地西部基本上不受到摺皺的影響，以向東傾的正斷層為主。萬安斷層大約在 T3 左右開始滑移，較其他正斷層、地塹等晚，因此推估萬安盆地不屬於平移拉張盆地，較接近張裂盆地(Zhifeng et al., 2013)。而 Lu 等人（2014）同樣利用震測剖面及測井資料，再以回剝方法（backstripping）計算每一時期盆地的擴張速率，並加以回推重建。他們提出萬安盆地主要張裂裂時間約於 38.6-16.6 Ma，由北中盆地往南發展，主要動力來自南海海盆南 18.

(28) 北向的張裂，驅動萬安斷層右移，一直到南海張裂停止後，萬安盆地也進入到後張裂時期，主張萬安盆地應為平移拉張盆地(Lü et al., 2013)；但如 Zifeng 等人的研究，萬安斷層所影響主要集中在盆地東區，與西區的張裂時間及性質並不完全相符。一直到晚中新世時，整區盆地陸續有反轉記錄，可對應到菲律賓海板塊及印澳板塊向巽他地塊內部的壓力。中晚第三紀時印支地塊中南部受地幔柱影響，快速隆起，剝蝕作用提供大量沉積物，加上火成作用等亦造成印支地塊離岸盆地第四紀以來，又再一次的擴張下陷(Caili et al., 2014)。. 圖十二、萬安盆地西北-東南剖面，引自(Zhifeng et al., 2013). 印支地塊-馬來半島之間（泰國灣），主要有三塔斷層（Three Pagodas Faults）、梅平斷層（Mae Ping Faults）、王朝斷層(Wang Chao Faults)等通過，晚漸新世以前以左旋為主。受平移拉張及擴張張裂運動影響，始新-漸新世間形成一系列的盆地如下所述，大約晚漸新世後，後期斷層活動及熱流由南向北傳遞導致盆地沉降，造成此區盆地在後張裂時期沉積層較厚(Hall and Morley, 2004)。. 西納土納盆地 West Natuna basin 西納土納盆地位在南海西南方，沉積中心為東西走向，西南連接馬來盆地。根據 Wang 等人 2009 年研究，由震測剖面、化石定年等等分析，此盆地構造複雜，可分 19.

(29) 為四期構造，第一期為晚始新世-漸新世的早張裂作用(圖十三淺綠色層)，以沖積、河湖三角洲等沉積為主；第二期為晚漸新至早中新世的晚張裂作用（淡黃色層），為河流及中細砂岩夾灰棕色頁岩為主；第三期為早中新世到中中新世的早反轉作用 (syn-inversion，橘色層)，以深灰綜色頁岩夾砂岩為主，海岸平原環境，以及第四期晚中新世到最近的晚反轉作用(post-inversion，黃色層)，淺海灰色黏土夾石灰岩及河流三角洲沉積(muda formation)。西北-東南向的震測剖面顯示，漸新世以前，有地塹及花狀構造分佈，推測同時受東北-西南剪切及拉張力；中晚中新世有零落的斷層分佈，在 Bawai 地塹有剪切帶再次滑移跡象。. 圖十三、西那吐納盆地西北-東南剖面，紫色層為中生代-古新世，綠色層為始新世-漸新世，淺黃-橘色層中新世，引自(Hall and Morley, 2004)。. 馬來盆地 Malay Basin 馬來盆地為西北東南走向的長型盆地，沉積於侏羅花崗岩體及白堊紀變質層上。根據Mansor 等人2014的研究，馬來盆地的生成約可分為四期，第一期約中始新世左右（~50-45 Ma），受歐亞大陸板塊與印澳板塊運動影響，西北-東南向的三塔斷層（Three-Pagoda Fault）左旋拉張，使得此區形成一系列的東西向張裂谷、半地塹等，主要沉積陸相及湖相沉積物，為馬來盆地的雛形，分佈於現今盆地中部到南部間；第二期，約為晚始新世-早漸新（35-30 Ma），由於陸塊運動速率差異作用，斷層轉為右 20.

(30) 旋剪切作用，伴隨深層扭力加劇影響，形成一系列的次盆地（sub-basin）。第三期晚漸新世至中中新世間，由於巽他陸塊冷卻作用，使得馬來盆地快速下沉且伴隨大量沉積物填充。第四期為中中新世（12-8 Ma），盆地反轉現象，其南部壓縮量大約達10km，推測由於印澳板塊持續的向北擠壓而形成(Mansor et al., 2014; Morley, 2001)。而Tjia （1998）提出另一想法，他認為晚白堊紀時，熱流上升並在現今馬來、西納土納以及斑尤盆地中心形成馬來穹丘（Malay Dome），為了應力平衡，導致三軸（triple junction）弱帶，而後的剪切壓力也就順勢在此形成納積，但由於熱流證據不足，鮮少被採納(Tjia, 1998)。由西北-東南剖面顯示，馬來盆地沉積中心達10km左右，往東南遞減，達那土納盆地時，沉積厚度約5km。斷層分佈密度高，但不均勻，部分區域有花狀構造，顯示剪切滑移的應力也控制了馬來盆地的演化。. 圖十四.、馬來盆地西北-東南（F-F’）剖面引自(Mansor et al., 2014). 泰國盆地群 Thai Basin Group (TBG) 泰國群盆地位於泰國灣北部，中南半島東部和泰國半島西部，包含了 12 個盆地，多為南北走向，其中北大(Pattani)為最大盆地。泰國群盆地主要受三條剪切斷層相對運動影響，包含了西北走向的 Three Pagodas 斷層，由緬甸邊境延伸至北部海灣，東北西 21.

(31) 南走向的 Ranong 和 Marui 斷層，切斷了馬來半島並延伸至泰國海灣西北部。根據 Li 等人 2009 年之研究，始新到漸新世間三個斷層的相對運動，導致一系列北北西或近南北走向的地塹、半地塹。西北-東南向的右旋運動及東北-西南向地左旋運動造成一系列南北向的正斷層。由震測剖面可發現，此區新生代以前的基岩有張裂褶皺隆起現象，晚始新世到漸新世(~30Ma)間區域性的張裂作用開始，造成次盆地及半地塹分布，中晚中新世期間，區域性的中度構造反轉侵蝕主要發生在盆地北段。根據 Morley 等人( 2001) 年提到，泰國群盆地北到南張裂時間持續時間不一，南部較北部發生的早，也較早進入熱沉降時期，北部部分區域沒有熱沉降的發生(Morley, 2001)。在沉積物填充方面，此盆地第三紀的沉積物以河相到湖相為主，由沉積環境大約可分為四期，早漸新世主要以沖積平原和短暫湖相沉積；早中新到中中新，大規模的湖相沉積發展；中中新到晚中新，構造機制地改變，造成湖相消失，沖積平原再一次地堆積出來，而由晚中新世至今，大多以海相碎屑沉積整個上層盆地為主(Hirayama, 1991)。. 圖十五、泰國灣盆地北部東-西向剖面，BT-中生代上層邊界，TS1-晚漸新世-早中新世間，同張裂與後張裂時期邊界，MMU-中中新世不整合面，引自(Watcharanantakul and Morley, 2000) 1-4-3 南海東南部盆地禮樂盆地 Liyue Basin 禮樂盆地位於南海東南緣，南沙島的東北邊。根據 Yao 等人(2012)利用震測剖面 22.

(32) 及探井資料之研究，剖面資料共記錄了 9 個層面，其中兩不整合面（T60,T40）可分別與南海的初始張裂與停止時間做對應(Yao et al., 2012)。此盆地歷經兩期張裂及後期移動沉降，第一期為古新世到中中新世，沉積物沿系列東北向正斷層楔型堆積，第二期為中始新世到晚漸新世，雖拉張力較小，但斷層仍持續發育，加上海進帶來大量沉積物。上漸新世到中中新世，盆地張裂作用結束,對應到南海海盆擴張開始，整個禮樂灘被向南遷移沉降至現今位置，物源由原本的華南地塊改成主要來自南部巴拉望區，沉積物相對較少，以碳酸碎屑岩為主(孫等人, 2010)。根據周蒂等人 2009 年的對此盆地沉積物研究，其沉積相由深海、邊緣海一直到現在陸相濱海岸沉積為主。由北北西-南南東剖面顯示，盆地主要張裂中心為位於西北，在Ｔ40 以前有一系列正斷層生成，T40 以後除東南側受擠壓隆起，盆地中心轉為穩定(Zhou and Yao, 2009)。. 圖十六、禮樂盆地北北西-南南東剖面，引自(Yao et al., 2012). 曾母盆地 Zengmu Basin 曾母盆地包含東納吐納（East Natuna）盆地，位於南海南部邊緣，屬於此區最大的陸棚-陸坡盆地。約於晚始新世時古南海岩石圈大規模往東南方向婆羅洲隱沒，驅動 23.

(33) 南海盆地打開，海盆擴張加上隱沒作用，造成此區地形變形褶皺，並產生相當大的納積(約270,000 平方公里)。在婆羅洲西北部陸塊邊緣，可觀察到晚白堊到晚中新世的大規模深海頁岩、放射性矽質岩、細碧岩和輝綠岩變形及小程度變質。推斷曾母盆地可能為晚白堊到早中新世古南海所遺留下來的海洋盆地基底。根據陳玲 2002年研究，曾母盆地形成由新生代以來，可分成兩期，第一期為古新世到始新世的前陸拉張盆地，以淺海碎屑岩為主，底層夾雜中生代變質或火成岩沉積；第二期為晚中新世的錯動剪切盆地 (陳玲, 2002)。始新世以來沉積序列可觀察到約八期區域性的海水面升降變化，每一期多以海升沉積頁岩伴隨後期海退向上漸粗的砂岩。曾母盆地主要以西北-東南向的斷層最為發育，形成較早（漸新世以前），活動時間較長且規模較大，以高角度（上陡下滑）正斷層為主。由剖面顯示，約漸新世生長斷層開始發育，顯示此區應力方向有所改變，由擴張轉為剪切力。而在早中新與晚中新世間有碳酸鹽的沉積分布及些許正斷層，推斷更新世以後盆地開始區域沉降，除少數斷裂活動延續至第四紀外，盆地構造運動趨於平靜。. 圖十七、曾母盆地北北東-南南西剖面引自(Wang et al., 2009). 24.

(34) 第二章方法. 2-1 盆地分類為了了解南海地區各沉積盆地的形成之機制，我們必須統一盆地分類之基準，進而推論統整各盆地之演化過程。盆地是一個沉積物累積相較於附近區域在同一時期較厚且下沉的地層，其分類方法有相當多種，多是以盆地的形成過程及其所處板塊架構位置來當分類基準(Ingersoll, 1988)，綜合 Dickinson(1974)與 Bally 等人(1980)所提出的盆地分類，他們利用板塊相對運動形貌大致將盆地分成聚合型，擴張型以及平移型，各類又可依岩石圈組成分成，如大陸岩石圈、海洋岩石圈、及過渡帶等；依位置分為板內、邊緣帶等，詳加細分如下(Xie and Heller, 2009)。擴張運動於大陸地殼當陸塊受拉張作用時會產生張裂，由於陸塊成份、受力大小等等皆會影響其張裂程度及盆地納積大小，有兩種裂谷方式，第一種為陸塊受拉張減薄，地函上湧，形成一線性裂痕，多生成在板塊內部；第二種為地殼受區域性地函旺盛作用而形成線性火山群及圈谷式地形(doming)，陸塊持續拉張，為維持塊體壓力平衡，而轉為三張裂(RRR 25.

(35) Junction)，張裂拉張程度不一，因而也形成三種沉積盆地。 (1) 初期大陸張裂盆地(continental rift basins)：屬於年輕且仍持續受到張力作用的張裂盆地，通常會伴隨區域性的火山作用，含有一系列的正斷層、地塹分布，多以沖積扇、河相和湖相之沉積環境為主。 (2) 成熟大陸張裂盆地(mature continental rift basins)：由於大陸邊緣向下俯衝的拉力和地函熱流之交互作用，導致地殼減薄隆起造成大陸張裂。陸上火山作用廣泛，沉積物多屬沖積扇、河流和湖泊沉積環境。 (3) 裂陷槽盆地(Aulacogen basin (failed rift )：此區張裂作用已停止，但張裂發展未完全，未發展成海洋盆地的過渡期，只出現在大陸地殼，可延伸至海岸平原、陸棚及陸坡環境。如表一所示，依受力程度大致可區如圖十八。擴張運動於海洋地殼 (1) 海洋張裂盆地(oceanic rift basins)：由大陸張裂盆地轉變而來，盆地中心基底以新生海洋地殼(拉斑狀玄武岩)為主，被動邊緣則為大陸地殼，多為沖積扇、扇三角洲、陸棚、陸坡和深海平原等沉積環境，物源主要為淺海至深海碳酸鹽及蒸發岩和深海至半深海沉積物。 (2) 開放海洋-被動大陸邊緣盆地：由海洋張裂盆地發展而來，由於海盆擴張速率大於沉積速率，沉積物堆疊在大陸邊緣(大陸棚至陸坡間)，形成非對稱盆地，越往洋脊沉降速率愈高。 (3) 海洋下沉盆地(oceanic sag basin)：中洋脊和被動大陸之間，海洋地殼隨時間快速冷卻，下沉速率降低，陸緣附載太多沉積物，重力作用使之沉降。包含深海扇、盆地平原等沉積環境。聚合作用 26.

(36) 1) 兩大陸性板塊聚合作用：由於密度皆偏低，俯衝程度不大，硬碰硬的結果卻造成陸上地形複雜，易在聚合帶形成高山，而在高山後方，由於均質作用形成垂直於俯衝帶的張裂地塹或張裂，而造山帶提供豐富的物源沉積為盆地。 2) 海洋性板塊隱沒至另一海洋性板塊或大陸性板塊下：陸面上形成系列火山島弧，多為玄武岩或安山岩質熔岩，俯衝帶形成海溝(trench)，海溝至火山島弧之間形成 a) 弧前盆地(forearc basin)，位於增生層上，以火山碎屑沉積物和碳酸鹽類為主。由火山島弧順隱沒帶依序形成 b) 弧內盆地(intra arc basin)，以遠洋沉積物和火山碎屑岩為主，陸緣沉積物極少，因板塊相互運動拉扯，造成擴張運動，偶有地塹分布，為持續活動之盆地和 c) 弧後盆地(back arc basin)，殘餘的火山島弧(死火山)和大陸邊緣之間，多為遠洋沉積物，少有陸緣沉積，通常較穩定(Xie and Heller, 2009)。 3) 海洋性板塊帶著大陸塊持續的隱沒至大陸性板塊下，使得陸塊與陸塊碰撞，海盆關起，形成造山帶和海溝，為維持重力平衡，穩定陸塊至造山帶間下沉至海水面以下，沉積物堆積，形成前陸盆地(foreland basin)，造山帶往內陸，有一系列的後陸盆地(retro arc foreland system)。沉積量高，多為深海、火山和大陸沉積物(Emiliano Mutti, 2003; Xie and Heller, 2009)。錯動作用錯動運動通常伴隨著伸張力(transtensional)和壓縮力(transpressional)，此系統會造成局部的地殼減薄，形成細長分裂盆地(elongate pull-apart basins)。以張力為主的平移斷層持續錯動，會造成陸塊以垂直斷層走向的方向分裂，有些甚至在斷層中心發展出新的海洋地殼；以壓縮力為主的平移斷層則會產生局部的平移盆地和褶皺帶。通常在震測剖面上可以觀察到花狀構造(表三)。. 27.

(37) 表一、擴張作用所形成之盆地位置. 盆地類型. 特性. 張裂盆地. 年輕持續受張力作用盆地，伴隨區域性的. (初期). 火山熔岩作用和一系列正斷層、地塹分布。. 未完全張裂. 張裂作用已停止，但張裂發展未完全，只. Aulacogen basin. 出現在大陸地殼，可延伸至海岸平原、陸. 大陸岩石圈. 棚及陸坡環境。張裂盆地. 其張裂驅動來自於大陸邊緣俯衝帶向下的. (成熟). 拉力，和地函熱流，造成地殼減薄隆起。. 海洋張裂盆地. 由大陸張裂盆地轉變而來，為新生海洋地殼，物源主要為淺海至深海碳酸岩及蒸發岩和深海至半深海沉積物。. 海洋下沉盆地海洋岩石圈. 中洋脊和被動大陸之間，海洋地殼隨時間快速冷卻而下沉，且由於大陸地殼邊界附載太多沉積物，重力作用使之沉降。. 過渡帶. 被動大陸邊緣. 由海洋張裂盆地發展而來，非對稱盆地，. 盆地. 越往洋脊沉降速率愈高。因位於海陸交界處，受海水面升降影響程度高，前期沉積的鹽岩可能因密度差異關係上衝形成鹽貫入構造(salt diaper)。. 28.

(38) 圖十八、張裂盆地在不同應力及環境下所顯示之形態（修改自 http://earth-literally.blogspot.tw/2012/01/basin-analysis-flog.html?view=mosaic. 表二、擠壓作用所形成之盆地. 構造機制. 盆地類型. 特性. 29.

(39) 大陸岩石圈. 前陸盆地. 穩定陸塊至造山帶間下沉至海水面以. foreland basin. 下，沉積物堆積，形成前陸盆地(Emiliano Mutti, 2003)。. 背陸盆地. 沉積量高，來源多為深海，火山和大陸. Backland bas. 沉積物。(From Prof. Abbas). 弧前盆地. 增生層上，以火山碎屑沉積物和碳酸鹽. Forearc basin. 類為主. 弧後盆地. 遠洋沉積物和火山碎屑岩為主，陸緣沉. Backarc basin. 積物極少，因板塊相互運動拉扯，造成擴張運動，偶有地塹分布。 (Xie and Heller, 2009). 張裂傾斜盆地. 造山帶後方垂直於俯衝帶的張裂地塹或張裂，形成一系列的隙裂傾斜盆地。. 海洋岩石圈. 前弧盆地. 兩海洋板塊聚合隱沒帶，於增生層上，以火山碎屑沉積物和碳酸岩類為主。. 後弧盆地. 遠洋沉積物和火山碎屑岩為主，陸緣沉積物極少，因板塊相互運動拉扯，造成擴張運動，偶有地塹分佈。. 過渡帶. 海溝盆地. 沉積量低，有濁流，多為遠洋沉積物和. Trench fill. 火山碎屑岩，增生層的變質沉積岩。. 30.

(40) 31.

(41) 圖十九、擠壓環境下所生成之盆地，包含碰撞帶及隱沒帶修改自(Einsele, 2000). 32.

(42) 表三、錯動形成之盆地構造機制. 大陸岩石圈. 盆地類型. 特性. 平移盆地. 以剪力為主的平移斷層持續錯動，會造成垂直斷層走向的分裂陸塊，有些甚至在斷層中心發展出新的海洋地殼；以扭力為主. 海洋岩石圈. 的平移斷層則會產生限制形的平移盆地和有限褶皺帶. 圖二十、平移錯動形成之盆地，修改自(Ben-Avraham and Zoback, 1992). 分析盆地演化通常會以鑽井資料分析其沉積物隨環境變化，再利用測井內的生物 33.

(43) 化石定年，配合震測剖面資料及該區地體構造等推估該盆地的演化過程。但過程存在許多困難，如井及剖面的位置是否可以記錄足夠的資料即是一大風險，加上化石資料保存不易，又容易受後期沉積物或構造運動干擾，難以切確記錄到盆地初始沉積年代，而震測剖面速度與時間的誤差及人為因素也很難避免；縱使如此，仍是相當有利的參考資料，將沉積體系與地體構造及古環境做最直接的連接。. 2-2 不整合面特徵分析不整合面為沉積體系上的幾何或時間的不連續，可能由於地殼的變形、風化、海水面升降或火成岩體的入侵等等而形成。不連續面象徵著地質時間邊界，將上下不同年代之岩層分開，因此也是辨識地層與區域地質事件及時間軸等最常見且最快速的方法之一。典型沉積體系在不整合面以上，通常沉積物以進覆或下覆堆積；不整合面以下地層則有蝕切及頂覆等特徵(Christie-Blick, 1991)。在震測剖面上多以中高頻強反射、交角等作為辨識依據。南海地區盆地演化過程，大約皆可分成張裂前（pre-rift）、同張裂（syn-rift）和後張裂（post-rift）等三期，分別以張裂作用開始（rift onset unconformity, ROU）的交角不整合面，及張裂作用停止（end-rift unconformity, ERU）的破裂不整合面隔開（如圖二十一），而破裂不整合面通常有2.0~2.5 Ma的時間空隙差(Franke, 2013; Franke et al., 2013)。由於南海的張裂大約由北向南，由東向西傳遞，因此各區域張裂演化過程有先後的差異，破裂不整合面通常被T7（~30 Ma）、T6(~23.8Ma)以及T4(~16Ma) 等三條不整合面所記錄，分別為南海海盆張裂，洋脊南躍以及張裂停止的三個地質時間點，但不同沉積盆地所記錄到不整合面時間及意義皆不相同。 34.

(44) 圖二十一、張裂過程中形成之不整合面示意圖，由前張裂、同張裂至破裂不整合面形成後的後張裂（取自 Franke et al., 2013）. 2-3 火成作用與盆地演化之關係岩漿活動（magmatism）為大陸裂解（continental breakup）過程中重要作用之一，不同之板塊構造型態，會造成不同的岩漿形成過程與岩漿活動成因，大致可分為擴張分離式（divergent）板塊邊界、聚合式（convergent）板塊邊界和熱流柱（hot spot）等三種不同板塊構造形態。因此藉由火成岩的時空分佈，可以對於研究區域的地體架構做初步的演化推估。擴張分離式：由於超鐵鎂質（ultramafic）軟流圈上湧，岩石圈相對增溫減薄，鐵鎂質岩漿(mafic magama)上升過程經由減壓部分熔融，冷卻形成成份比例不同之火成岩體，而在地表構造形態包含中洋脊及大陸裂谷。通常中洋脊的岩漿庫（mantle chamber）位於海洋地殼下方，深度較淺，岩漿以噴出或侵入方式凝固成岩，包含枕狀玄武岩、 35.

(45) 輝長岩及席狀玄武岩脈等。部分岩漿在板塊與軟流圈交界面成岩，使得岩石圈由中洋脊往外越增厚。而大陸裂谷的岩漿庫較深，初期由於軟流圈上湧造成陸殼隆起，而後拉張減薄形成系列斷層，最後形成地塹裂谷。鐵鎂質岩漿經過大陸地殼造成部分加熱水化作用，熔融形成長英質熔岩(felsic magma)後噴發侵入地殼形成中性流紋岩。通常在大陸裂谷形成過程，易觀察到混合鐵鎂質及長石英質之火山，稱為雙峰火山（bimodal volcanism）。熱流柱：固定於地函，有週期性的上湧，造成部分熔融而形成鐵鎂質岩漿，可能發生在大陸地殼或海洋地殼之下，若於洋殼下，地表可能形成火山或死火山鏈（如：夏威夷）；若於陸殼下，則與大陸裂谷構造相似，形成雙峰火山。聚合式：可能的構造型態包含有隱沒帶與碰撞帶，隱沒帶又區分有海洋地殼隱沒至海洋地殼之下及海洋地殼隱沒至大陸地殼之下兩種。基本上在隱沒帶的構造環境下，大部分鎂鐵質(基性)岩漿形成深度約 150 公里，板塊隱沒時的脫水作用會造成周圍軟流圈液化，之後則部分熔融形成鎂鐵質岩漿，另外有些隱沒的海洋地殼和沉積物也可能熔融成岩漿。當海洋地殼隱沒至海洋地殼之下時，噴發的岩漿岩性範圍從鐵鎂質到中性，通常於初期多噴發鐵鎂質岩漿，後隨著火山島弧形成而轉變為中性岩漿；當海洋地殼隱沒至大陸地殼之下時，主要則為中性岩漿噴發，這是由於上升的岩漿受結晶分化與大陸地殼同化而改變造成，另外大陸地殼水和作用與地熱也會造成長英質岩漿在地殼深處固化形成花岡岩質深成岩。在大陸碰撞帶的環境下，地殼增厚會導致含水的長英質礦物壓縮形成長英質岩漿，但通常不會有岩漿噴發的活動，因為長英質岩漿於出露地表之前即固化形成花崗岩質深成岩。. 36.

(46) 2-4 Gplates 軟體應用 GPlates 為一板塊重建軟體，依照合理可信的參考資料做為依據，將板塊的相對運動以動態方式模擬出來，可以快速得到地球表面及次表面系統之演化，並可計算板塊隨年代之相對運動方向和速率，更可以透過鑲嵌(embedded)的方式，將相關資料如火成岩體時空分佈、古生物分佈等等置入板塊模擬中，進而減少了時間與空間尺度上的問題。其基本概念如圖二十二，必須要有四個要件，包含板塊的邊界輪廓(點線檔)、板塊在不同年代之相對位置(以歐拉軸投影表示)、板塊相互關係(樹狀圖)及驅動整個板塊重建運動的旋轉檔，有這四要件方能進行板塊運動模擬。我們的重建模擬主要是根據 Seton 等人（2012）所提出的全球板塊重建為基底(Seton et al., 2012)，並依照區域性的相關資料，做更細步的修正及補充，如加入南海海盆的擴張及該區的沉積盆地等深線等資料。南海海盆我們主要以 Briais (1993)所提出的磁力異常條帶（magnetic anomaly）為參考依據，而各沉積盆地等深線主要依據 technical bulletin vol.23 Committee for coordination of joint prospecting for mineral resources in Asian offshore areas (CCOP)所提供的等深圖資料所數化完成。而其他地塊之間的相互關係也依照最新文獻資料做細部修正，如紅河剪切帶左移活動時間下修至 28Ma，而呂宋島弧的碰撞時間則上修至 15Ma。. 37.

(47) 板塊位置. 板塊相對關係. （歐拉軸投影）. (板塊樹狀圖）. 板塊編號與邊界. 板塊相對運動史（旋轉檔）. （點線檔）. 板塊重建模擬. 圖二十二、Gplates 軟體基本架構示意圖根據 Golonka 等人(2006)所提到的板塊重建方法，假設板塊為剛性且動量與質量皆守恆，把各板塊的相對角動量疊加起來時應為 0，表示當定量的板塊隱沒至海溝時，中洋脊也會發展出相對量的新板塊。而板塊在球面上的運動可以用座標來表示，以一通過球心的假想軸，又稱為歐拉軸(Eular pole or pole of rotation, 此軸並無地質意義)為中心，並沿著球面上小圓旋轉，以經緯度表示轉動軸投影至球面之轉動極、角度表示地塊之相對位置。在 GPlates 軟體裡以有限旋轉軸(finite pole of rotation)計算板塊從一特定時間點至現今所運動之距離，由於各板塊之參考點位置、時間皆不相同，但又相互關聯，因此形成了複雜的轉動極樹狀網路(Rotation tree) (Golonka et al., 2006)。地球的磁場可由磁傾角(與水平線之夾角)、磁偏角(與格林威治子午線之夾角)來表示，磁傾角又可以用緯度來表示(北極的磁傾角為+90，而南極則為-90)，因此透過收集岩石記錄的古地磁資料可以得到地塊當時的磁傾角，再換算成其所在該時間點之古緯度。而至於磁偏角(以 0~180 ﾟ記錄)則因地球章動(Earth Nutation)且各區磁性有所不同，較難得到其精確所在位置；通常以熱點(hot spot)的火山作用作為參考點，計算出板塊古經度，再與古環境、化石等資料作連接，相互對應(Golonka et al., 2003)。 38.

(48) 藉由古地磁資料，可以計算出兩相對應板塊的歐拉極(Euler pole)位置，但此方法較無法應用在板塊聚合帶、轉型斷層帶及一方共軛極已俯衝進地函的隱沒區域，如北太平洋及東太平洋等等。由於板塊以球面小圓做相對運動，轉型斷層帶沿平行小圓滑移，因此我們仍可依照各剪切帶滑移向量推估出歐拉軸(圖二十三)；相對而言，板塊聚合帶、隱沒帶及板塊變形帶如阿爾卑斯山內陸區域等等就較為複雜，很多地質資料都因構造運動變形或隱沒而難以收集重建。. 圖二十三、利用轉型斷層推估旋轉軸示意圖，(a)赤道附近之剪切帶(虛線)，平行通過球軸心之小圓(實線)。(b) 畫出圖 a 各剪切帶之法線，可得一交點即為板塊之歐拉軸(取 https://acontent.atutorspaces.com/home/course/content.php?_cid=643) 。. 39.

(49) 根據(Greiner, 1999)，依照古地磁資料、海洋條磁異常帶、平移斷層和地塊邊界之關係等等方法重建板塊古相對位置。彙整資料前須先定義一個絕對的參考座標(absolute reference frame)，使得各個板塊旋轉軸之依據相同，便能以其為中心做相對的運動。此絕對參考點可以為古地磁參考座標(paleomagnetic reference frame)，或熱點參考座標(hot spot reference frame)；古地磁資料遍及地球且大約可記錄至顯生元之初，但無法記錄確切的經度大小；而熱點參考座標假設火山作用皆來自於地函，並藉由訂定火山作用年代得到熱點鍊(hot spot chains)，進而定義出歐拉軸；但其資料點可信度大約只可至 200 Ma，且受地區限制(Greiner, 1999)。透過上述概念，將資料輸進 GPlates 板塊重建模擬軟體，便可將全球板塊相對移動路徑，以動態方式呈現出來。其主要的資料格式有兩種：一為資料檔，即板塊、地塊等的輪廓、縫合帶、盆地等等；另一為 GPlates 軟體的引擎，即推動板塊運動的旋轉檔 (rotation file, rot 檔)，如表四第一欄為運動的板塊編號(plate ID)，第二欄為重建之年代，第三、四、五欄分別為板塊的歐拉軸經、緯度及歐拉角度，表示其經緯度皆是經歐拉定律運算過後，與第六欄參考的板塊編號，而第七欄則為參考資料。舉例來說，如表四第二欄，代表南馬來半島(647)，其在 11.3 Ma 時相對於北馬來半島(603)的歐拉極緯度經度分別為-28.74 和 130.28，而 0.15 為此兩板塊以地心為中心的夾角。由時間點與兩板塊對應之歐拉軸，GPlates 軟體可利用內差法計算出兩相隔年代間板塊之穩定移動路徑及速率，重建模擬出板塊相對運動。. 40.

(50) 表四、應用在 GPlates 軟體裡的 rot 檔(rotation file)，由左至右分別為運動的板塊編號、年代、緯度、經度、歐拉角度、參考的板塊及參考資料。 Plate. Time Longitude Latitude Eular. Relative. angle. Plate ID. ID. Reference. 647. 11.3. -28.74. 130.28. 0.15. 603 !. MLP-SBM Lee & Lawver 1992. 647. 20.2. -17.52. 122.63. 0.24. 603!. MLP-SBM Lee & Lawver 1992. 647. 28.1. -8.62. -78.68. 15.33. 603!. MLP-SBM Lee & Lawver 1992. 647. 44.0. -7.69. -76.82. 17.8. 603!. MLP-SBM Lee & Lawver 1992. 647. 210. 7.45. 103.84. -13.1. 603!. Calculated interactively by GPlates. 647. 300. 7.45. 103.84. -13.1. 603!. Calculated interactively by GPlates. 2-4-1 板塊分類. 我們重建主體主要依照 Seton 等人在 2012 所做的全球 200Ma 以來的板塊重建，由於研究區域為新生代南海區域，因此我們做了許多區域性的調整及修正。由幾個較重大的地質事件著手，包括南海海盆張裂、印支地塊脫逸作用及呂宋島弧的碰撞事件等最為爭議且對於此區地體發展影響最為顯注之事件。由於華北地塊在研究區域內屬較穩定的區塊，因此我們以其為此區重建之參考資料點（reference frame），也就是說，將其固定，而其他板塊相對於他移動旋轉，如重建樹狀圖所示（圖二十五）。而新生代的板塊框架大致如圖二十六，由於重建是以現今陸塊的輪廓基礎，因此只能透過相互連接之關係，將同一板塊上之陸塊相互連接，包括華南地塊(South China Block)、巽他大陸(Sund)、南海海盆(South China Sea) 、中西沙（Zhongsha-Xisha block）、Luconia 、南沙（Dangerous Ground）等板塊(Cullen, Reemst et al. 2010, Cullen 2014)。中晚中生代 41.

(51) 系列的縫合作用，使得南海東南區有許多增積楔（accretionary wedge）、海溝(trench)、弧（arc）等分佈，因此對於板塊邊界範圍的定義相對困難，目前仍存在許多爭議，圖二十六為目前我們對新生代南海地區大致的分類。對於紅河剪切帶延伸至東越南剪切帶至婆羅洲的 Luper Line, LPL 或較北側的 Baram Line 仍無從定論，暫且依照 Cullen 等人 2014 所做之研究去劃分，因此以虛線標記。Cullen 等人(2014)根據震測剖面、岩相及熱流分析，認為由於 Luconia 和南沙地塊（Dangerous Ground)地殼成分和熱流基底不同，形成天然邊界-West Baram line，但由於右移證據不足，加上板塊內部變形區域大約只有 90km，推測古南海寬度窄且隱沒的面積不大，而 West Baram Line 為其 50-45 Ma 間向東南隱沒的南端邊界(Cullen, 2014)。. 圖二十四、東亞地區重建樹狀圖（reconstruction tree）. 42.

(52) 圖二十五、南海地區板塊分佈圖。紅線表示斷層及隱沒帶 Rad River Fault Zone, RRFZ，紅河剪切帶；Eastern Vietnam Fault Zone, EVFZ 東越南斷層帶；MPFZ 梅平剪切帶； Manila Trench, MT 馬尼拉海溝；Palawan Trench, PT 巴拉望海槽；Northwestern Borneo Trench, NWBT 西北婆羅洲海槽；West Baram Line, WBL；Luper Line, LPL。 South China Sea, SCS 南海；Sulu Sea, SS 蘇祿海；Celebes sea, CS 西里伯斯海。. 43.