南海是我国四大海中唯一发育洋壳的海盆，是板块边缘俯冲-张裂形成的特殊类型的边缘海。厘清南海的构造演化历史对于认识板缘型边缘海成因、完善板块构造理论具有重要意义。南沙地块的裂离与南海海盆扩张是紧密相连的构造演化过程。近年来中国科学家在南海海盆（IODP 349航次）和北部陆缘（IODP 367和368/368X航次）领导实施的国际大洋钻探逐渐揭示了南海海盆的扩张历史。然而，由于南海南部构造地层学研究程度较低，尤其缺乏科学深钻，对于南沙地块裂离的时代和过程了解非常有限。
在中国科学院战略性先导科技专项任务的支持下，中国科学院南海海洋研究所颜文研究员和黎刚研究员领导的“海洋环境地球化学”等研究团队，以厘清南沙地块裂离历史为主要科学目标之一，2017年在南沙群岛南缘珊瑚岛礁实施完成了“南科一井”科学钻探。该井是目前南海南部第一口穿透礁体的全取芯科学深钻，总进尺2020.2米，取芯率达到91%，成为目前南海乃至世界岛礁全取芯深度最大的科学钻井。近期，研究团队在“南科一井”构造地层学方面的研究成果陆续发表在国际著名地学期刊Geological Society of America Bulletin（《美国地质学会会刊》）、Sedimentary Geology（《沉积地质学》）和Journal of Asian Earth Sciences(《亚洲地球科学》)上。
图1 南科一井
图2 南科一井碳酸盐岩地层剖面及年代框架 （Li et al. 2022）
研究团队在“南科一井”下部300多米厚的碳酸盐岩中发现了大量颜色鲜艳的杂色沉积，如此密集的杂色沉积层在南海珊瑚礁钻井中鲜有报道。研究团队围绕“杂色沉积的致色机理及其成因”系统开展了微观岩相学、矿物学和地球化学分析，证实“南科一井”杂色沉积层致色的主要因素是微量的赤铁矿，其形成主要源于礁体暴露后大气降水淋滤和富集碳酸盐矿物晶格中的Fe。“南科一井”中大量杂色次生碳酸盐岩的形成是由于美济环礁长期暴露剥蚀而造成的。研究指出，“南科一井”杂色沉积成因的揭示对于认识珊瑚岛礁演化和南沙地块的构造历史具有非常重要的价值。
图3 南科一井次生杂色碳酸盐岩典型岩相图 （Li et al. 2022）
为厘清珊瑚岛礁抬升-剥蚀的历史及其与南沙地块构造演化的关系，研究团队针对“南科一井”珊瑚礁碳酸盐岩开展了高密度的Sr同位素测年，结合国际新兴的碳酸盐岩激光原位U-Pb年代和有孔虫生物地层，深入解析了中新世南沙地块俯冲-碰撞过程及其对南沙群岛南缘珊瑚岛礁发育演化的影响。研究确定“南科一井”538.6 米处的暴露面附近约九百万年的地层缺失主要与南沙地块和沙巴-巴拉望岛弧碰撞相关，指出南海南部陆缘从俯冲碰撞转为构造沉降发生在距今11个百万年，明显晚于南海海盆扩张结束的时间（15个百万年）。“南科一井”新的年代地层学研究更新了前人所认为的“南海南部弧-陆碰撞的结束是直接由南海海盆扩张结束所导致”的观点，并推断南海南部中中新世的构造转型可能主要与吕宋岛弧向北迁移有关。
图4 南海南部陆缘中新世构造演化与珊瑚岛礁发育模式图 （Li et al. 2022）
（A：南海海盆扩张晚期；B：南海海盆扩张停止后南部陆缘仍处于碰撞-挤压环境；C：南部陆缘碰撞-挤压结束后）
同时，为树立南沙海域第一口岛礁标准地层剖面，研究团队还开展了高分辨率岩芯扫描、地球化学、矿物学分析以及大量岩石薄片鉴定，以“南科一井”的地层序列首次命名了南沙海域碳酸盐岩渐新世以来6个主要地层单元。集合了古生物地层、Sr同位素地层以及最新的激光U-Pb定年方法，多方法确定了南沙群岛首个珊瑚礁新生代碳酸盐岩地层的年代框架，将为研究南海南部碳酸盐岩台地的发育演化奠定基础。
本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项(A类)、科技部重点研发计划重点专项项目、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项项目、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会以及王宽诚教育基金经费资助。同时，感谢参与“南科一井”野外科学钻探的全体工程技术和科研工作人员！
相关论文信息：
Li, G., Xu, W.H.*, Luo, Y., Liu, J.G., Zhao, J.X., Feng, Y.X., Chen, J., Sun, Z., Xiang, R., Xu, M., and Yan, W. * (2022). Strontium isotope stratigraphy and LA-ICP-MS U-Pb carbonate age constraints on the Cenozoic tectonic evolution of the southern South China Sea. Geological Society of America Bulletin, https://doi.org/10.1130/B36365.1.（黎刚等关于“南科一井”年代地层学与南沙地块构造演化研究）
Luo, Y., Li, G. *, Xu, W., Liu, J., Cheng, J., Zhao, J., & Yan, W. * (2021). The effect of diagenesis on rare earth element geochemistry of the Quaternary carbonates at an isolated coral atoll in the South China Sea. Sedimentary Geology 420, 105933. https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2021.105933.（罗云等关于美济礁体第四纪地层学研究）
Cheng, J., Wang, S. *, Li, G., Xu, W., Yan, W.*, Luo, Y., Tian, Y., & Wang, M. (2022). Origin of large-scale variegated reef limestones in the southern South China Sea: Implications for Miocene regional and global geological evolution. Journal of Asian Earth Sciences 230, 105202. https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2022.105202.（程俊等关于“南科一井”杂色沉积层成因研究）
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