Seismic reflection characteristics and formation mechanism of Cenozoic igneous rocks in the Xisha Islands
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摘要:
南海西北部新生代以来发育了丰富的岩浆活动，记录了南海构造演化及其深部动力学过程的重要信息，然而南海西北部西沙岛礁区新生代岩浆岩地球物理特征研究相对薄弱。本研究通过地震剖面分析，结合前人地质和地球物理研究成果，识别了西沙岛礁区新生代岩浆岩反射特征和形态，圈定了研究区及其邻区新生代岩浆岩的分布范围并划分了期次，探讨了该地区新生代岩浆岩的形成机制。研究发现，西沙岛礁区发育了大量的新生代岩浆岩，以圆锥形的火山和岩浆侵入体为主，同时发育了丰富的以层状和碗状形态存在的火成岩席；相比于岛礁区东部，新生代岩浆岩在岛礁区西部及其外缘部分布较广，并受控于基底断裂的展布。根据地层与岩浆岩的接触关系,本研究将西沙岛礁区及其周缘的新生代岩浆活动划分为5个时期，包括裂陷期（23 Ma之前）、裂后期Ⅰ期（23～16 Ma）、裂后期Ⅱ期（16～5.5 Ma）、裂后期Ⅲ期（5.5～2.6 Ma）和裂后期Ⅳ期（2.6 Ma之后）。其中裂陷期岩浆活动十分薄弱，可能源自于裂陷期软流圈地幔减压熔融；而裂后期Ⅲ期和Ⅳ期岩浆活动极为强烈，这可能与哀牢山-红河断裂带及其向海延伸在5.5 Ma时期发生走滑反转和裂后期深部地幔岩浆物质上涌的综合作用有关。
Abstract:Magmatic activities are well developed in the northwestern South China Sea since the Cenozoic, which record important information on the tectonic evolution of the South China Sea and its deep dynamic processes. However, the studies of geophysical characteristics of the Cenozoic igneous rocks in the Xisha Islands of the northwestern South China Sea are still poor. Through analyzing seismic profiles and previous geological and geophysical results, we identified the seismic reflection characteristics and geometries of the igneous rocks, specified their distribution and active periods, and discussed their formation mechanisms. Results show that a large number of Cenozoic igneous rocks have developed in the Xisha Islands. These rocks are primarily consists of conical volcanoes and magmatic intrusives as well as abundant igneous sills, layered or bowl-shaped, and are more widely distributed in the western part and its outer edges of the islands region than those in the eastern part, along mostly the basement faults. According to the contact relationships between strata and igneous rocks, the Cenozoic igneous activities in the study region could be divided into five periods, i.e., the syn-rift period (before 23 Ma), post-rift period Ⅰ (23～16 Ma), post-rift period Ⅱ (16～5.3 Ma), post-rift period Ⅲ (5.3～2.6 Ma), and post-rift period Ⅳ (after 2.6 Ma). The magmatism in the syn-rift period was very weak and probably derived from the decompression melting of the asthenosphere during the rifting, while in the post-rift Ⅲ and Ⅳ periods were very intensive. We proposed that the significant igneous activities since the Pliocene in the Xisha region was probably cause by the interaction of the strike-slip reversal of the Ailao Shan-Red River fault zone and its seaward extension into the sea at ca. 5.5 Ma and the deep mantle upwelling during the post-rift period.
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天然气水合物是一种以甲烷为主的气体与水在低温高压下形成的固态冰状物质，主要分布在冻土带和水深大于500 m的海底沉积物中。最新估计全球水合物所蕴藏的天然气量约0.2×1015～120×1015 m3，是一种储量大，燃烧清洁，能量高的新能源[1-3]。天然气水合物在海底热力学条件发生改变时，将分解释放出大量强温室气体甲烷，影响全球气候和环境[4-5]。因此，天然气水合物的调查研究一直是最近几十年国际研究的热点之一，其中准确计算天然气水合物形成的温度和压力等热力学条件和稳定带分布特征是开展其资源和环境评估的前提之一。
全球大部分已经发现的天然气水合物分布在大陆边缘海底和高纬度永久冻土带中[3]，这是由于大陆边缘海域生物量巨大，海底沉积物埋有大量有机质，这些有机质通过热解或微生物作用转化为甲烷，为天然气水合物的形成提供充足气源[6-8]。相反，大洋区域，缺乏高生产力环境，并且远离大陆，缺乏有机质的输入，海底沉积物没有丰富的有机质，无法生成充足的天然气，因此，大洋环境一直被认为不适合天然气水合物发育。
但是，大洋洋壳主要由超基性岩和基性岩组成，与水相互作用发生蛇纹岩化，可产生甲烷等烃类气体，为天然气水合物形成提供气源[9-10]。蛇纹岩化使原岩中的橄榄石和辉石等转变为蛇纹石并产生水镁石、滑石、磁铁矿和氢气（公式1），并在还原条件下，蛇纹岩化形成的H2以磁铁矿为催化剂，可与环境中的碳发生费托反应（公式2）或萨巴蒂尔反应（公式3）生成无机成因甲烷和低分子量烷烃化合物[11-17]。
$$ \begin{array}{l} {\rm{M}}{{\rm{g}}_{{\rm{1}}{\rm{.8}}}}{\rm{F}}{{\rm{e}}_{{\rm{0}}{\rm{.2}}}}{\rm{Si}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}{\rm{ + 1}}{\rm{.37}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \to {\rm{0}}{\rm{.5M}}{{\rm{g}}_{\rm{3}}}{\rm{S}}{{\rm{i}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{5}}}{\left( {{\rm{OH}}} \right)_{\rm{4}}}{\rm{ + }}\\ {\rm{0}}{\rm{.3Mg}}{\left( {{\rm{OH}}} \right)_{\rm{2}}}{\rm{ + 0}}{\rm{.067F}}{{\rm{e}}_{\rm{3}}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}{\rm{ + 0}}{\rm{.067}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}\\[-13pt] \end{array} $$ (1) $$ {\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}{\rm{ + }}\left[ {{\rm{2 + }}\left( {{\rm{m/2n}}} \right)} \right]{{\rm{H}}_{\rm{2}}} \to \left( {{\rm{1/n}}} \right){{\rm{C}}_{\rm{n}}}{{\rm{H}}_{\rm{m}}}{\rm{ + 2}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} $$ (2) $$ {\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}{\rm{ + 4}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}} \to {\rm{C}}{{\rm{H}}_{\rm{4}}}{\rm{ + 2}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} $$ (3) 蛇纹岩化过程产生的甲烷量是巨大的，1 km3方辉橄榄岩发生蛇纹岩化可以产生5×105 t氢气和2.5×105 t甲烷[18]。在大西洋中脊裂谷带岩石圈形成后的150 Ma中，全球蛇纹岩化能产生2.25×1013～4.5×1013 t的氢气和1×1013 t的甲烷，其产气量在数量级上大于世界上已知的所有油气资源[18-19]。蛇纹岩化无机成因甲烷可以为大洋海底甲烷水合物的发育提供充足的气源。这种蛇纹岩化形成的富含CH4的流体在海底附近合适的温度和压力条件下可能形成甲烷水合物。如在北大西洋进入北冰洋的Fram海峡，发现有与蛇纹岩化流体活动有关的似海底反射层，表明可能发育甲烷水合物[20-21]。此外，在马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山顶发育有类似大陆边缘海底冷泉系统及伴生的甲烷缺氧氧化的微生物、贝、蛤、虾和螃蟹等冷泉生物群[22-25]，表明这种蛇纹岩泥火山的海底环境存在丰富的甲烷源。此外，马里亚纳海沟发现了可能存在二氧化碳水合物[26]，表明该区域存在水合物形成的条件。这些证据指示蛇纹岩化作用的区域可能存在天然气水合物发育，为海洋水合物的探寻提供了新思路。但相关的蛇纹岩化形成的无机成因甲烷水合物研究非常少，有必要对大洋区蛇纹岩发育区海底的甲烷水合物稳定带进行研究。
大洋蛇纹岩化通常发生在俯冲带环境和扩张的洋中脊环境[18]。本文选取马里亚纳海沟俯冲带环境的弧前蛇纹岩泥火山、慢速扩张脊Lost City和超慢速扩张脊Fram海峡研究水合物的发育条件。根据3个区域海底已有的深潜和钻探资料为基础，研究蛇纹岩化无机成因甲烷水合物的生成条件、讨论其不同地质构造环境对甲烷水合物生成的热力学条件及评估蛇纹岩化无机成因甲烷水合物资源分布潜力。
1. 大洋蛇纹岩化无机成因甲烷水合物的稳定带底界计算
在海底之下一定温度和压力条件使水合物稳定存在的区域称为水合物稳定带，稳定带底界是水合物能稳定存在的最深位置，其主要受到温度、压力、气体组分和孔隙水盐度等影响。水合物稳定带控制着天然气水合物的生成和分布，其厚度决定了天然气水合物的资源潜力。计算海底稳定带底界的基本原理主要是通过对比海底地层温压条件和水合物相平衡的温压条件等确定天然气水合物稳定存在区域。首先要确定天然气水合物能稳定存在的温度和压力，即确定水合物相平衡时温度和压力函数关系。在一定的压力条件时，天然气水合物稳定存在的最高温度为三相平衡温度，此时体系是一个水合物-水-游离气的三相平衡体系，如果地温低于该三相平衡温度，水合物可以稳定存在，高于三相平衡温度，水合物不能稳定存在。因此，地温达到三相平衡温度所对应的压力（深度）即为水合物的稳定带底界压力，依相应的水深和沉积物静水压力可以换算成埋藏深度。
计算海底环境的天然气水合物相平衡温度和压力的函数关系已有多种方法，常用的有Sloan和Koh[2]根据水合物相平衡实验数据和热力学建立了天然气水合物相平衡计算方法，并编写相应的计算程序（CSMHYD）[2]。此外，Sun和Duan[27]，Tishchenko等[28]也建立了水合物-水-游离气三相平衡温度和压力的函数关系。根据相关实验数据拟合较为简单的三相平衡温压关系式[29-30]，可以快速计算海底的天然气水合物稳定带。其中Sloan和Koh[2]的方法应用最广。因此，本文选取作为水合物相平衡温度的求解方法。利用地温曲线与天然气水合物的相平衡温度计算获得大洋海底3个蛇纹岩化发育区甲烷水合物发育的稳定带底界深度（图1）。
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1.1 马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山
在13°～20°N的马里亚纳弧前海域海底，距海沟轴线约30～100 km处分布有14个大型及大量小型海底蛇纹岩泥火山（图1b）[34-35]，最大的泥火山直径达50 km，高度达2.5 km，显示具有非常厚的泥火山沉积物。钻探显示这些蛇纹岩泥火山沉积物主要是蛇纹岩泥及岩屑[31]，通过大洋板块沿海沟向下俯冲脱水，进入上地幔楔，与地幔橄榄岩作用形成蛇纹岩泥和富甲烷流体，并沿着断裂通道向上运移，喷出海底，并在海底伴有冷泉生物群[25,34-38]。通过潜器和钻探等采集了蛇纹岩泥火山顶部正在渗漏的流体，分析结果显示流体具有富含甲烷、低温（约2 ℃）以及强碱性（pH达12.5）的特征[25,31,35-37]。这些富甲烷流体沿断裂向上渗漏过程中，在达到水合物的热力学稳定条件时，可能生成水合物。这些流体的断裂通道可能是生成天然气水合物的有利位置。
国际大洋发现计划（IODP）366航次、大洋钻探（ODP）195、125航次等多个航次对马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山进行了深海钻探调查。根据钻探结果，对马里亚纳弧前4个蛇纹岩泥火山Yinazao，Fantangisña，Asùt Tesoro，South Chamorro（图1b）进行了天然气水合物稳定带底界计算。泥火山进行钻探的站位水深为1 243～4 992 m、海底温度为1.55～3.99 ℃、实测地温梯度为10～26.5 °C/km[31]。应用CSMHYD程序计算甲烷在海水盐度条件下形成的三相平衡温度及压力[2]，结合海底水深、海底温度和地温梯度确定水合物稳定带底界（图2）。4个蛇纹岩泥火山无机成因甲烷水合物的稳定带底界计算结果见表1，结果显示马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山海底具有甲烷水合物形成的有利温压条件，稳定带底界埋藏深度为858～2 515 mbsf（图2），具有非常好的天然气水合物稳定发育的温压条件。
表 1 马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山的天然气水合物稳定带深度及参数Table 1. The depth and parameters of gas hydrate stability zone at Mariana forearc serpentinite mud volcano area站位 ODP1200 IODP1491 IODP1492 IODP1493 ,1494 ,1495 IODP1496 IODP1497 IODP1498 水深/m 2 910 4 492 3 666 3 358 1 243 2 018 3 396 海底温度/°C 1.67 1.55 1.56 1.73 3.99 2.29 3.905 地温梯度/（°C/km） 10 20 12 26.5 14.3 11.7 11.7 底界/mbsf 2 515 1 290 2 160 858 1 085 1 820 2 130 ![]()
图 2 马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山温度（红线）和三相平衡温度（蓝线）（蓝线表示相平衡温度，红线表示地温梯度，相交点深度为甲烷水合物稳定带底界深度）Figure 2. The local temperature （red line） and calculated temperature in three-phase equilibrium （blue line） at Mariana forearc serpentinite mud volcano area1.2 Fram海峡超慢速扩张脊
根据扩张速率大小，全球大洋中脊系统可划分为快速（80～180 mm/a）、中速（55～80 mm/a）、慢速（＜55 mm/a）和超慢速扩张脊（＜20 mm/a） 4种类型[39]。其中超慢速扩张脊占全球洋脊总长的三分之一以上，主要为北冰洋和西南印度洋洋脊[40]。Fram海峡为一条从北大西洋至北冰洋的一条海上通道，位于格陵兰岛（Greenland）东北部和斯瓦尔巴特群岛（Svalbard）西北部之间（图1c），地理位置为77°～81°N[41]。在Fram海峡的地震剖面上，发育有甲烷水合物的典型地球物理证据—似海底反射层（BSR），通过地震波速反演计算甲烷水合物饱和度高达26%[20-21]。地震剖面显示蛇纹岩化无机成因的甲烷气通过拆离断层向海底运移并在BSR之下聚集，为水合物生成提供充足甲烷气源[21]。根据ODP 151航次909C至912站位（图1c）实测水深（567～2 526 m）、海底温度（−0.537 1～3.3 ℃）和地温梯度（37～88 ℃/km）[32]，用CSMHYD程序计算了无机成因甲烷水合物的稳定带底界（表2），底界埋藏深度为153～232 mbsf，平均为197.7 mbsf（图3a-d）。Westvig [42]利用地震波速推测的BSR位于200 mbsf，计算的稳定带底界平均值接近于地震剖面确定的BSR深度。
表 2 Fram海峡天然气水合物稳定带深度及参数Table 2. The depth and parameters of gas hydrate stability zone at Fram Strait站位 ODP909C ODP910 ODP911 ODP912 水深/m 2 526 567 918 1 048 海底温度/°C 0.30 3.30 −0.277 −0.537 1 地温梯度/（°C/km） 88 37 67.8 64.8 底界/mbsf 232 153 196 210 ![]()
图 3 Fram海峡温度（红线）和三相平衡温度（蓝线）Figure 3. The local temperature （red line） and calculated temperature in three-phase equilibrium （blue line） at Fram Strait1.3 Lost City慢速扩张脊
Lost City热液区域位于大西洋中脊与亚特兰蒂斯地块转换断裂带的东部交汇处（约30°N），水深750～900 m，距离扩张轴轴线中心15 km，其扩张速率＜20 mm/a，该处发育有由蛇纹岩化主导的热液系统[43]，流体富含来自于海水与橄榄岩反应形成的甲烷和氢气，喷口处流体温度为40～90 ℃，pH呈碱性（约9～11），海底发育有高为30～60 m的碳酸盐烟囱自生沉积[22]。对海底沉积物年代学和热液区大量碳酸钙沉积研究表明，Lost City热液活动至少持续了3 Ma，最大年龄可能超过10 Ma[44-45]。
利用流体温度计算了该区域甲烷水合物形成的温度和压力条件（图4），显示Lost City 热液区的温压范围超出了甲烷水合物稳定带的范围，40～90 ℃流体温度在Lost City海底深度条件下难以形成甲烷水合物。
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图 4 甲烷水合物形成的温压相图[2]及Lost City渗漏流体温度和压力分布图（图中长方形为Lost City的温度和压力分布范围）Figure 4. The temperature - pressure phase diagram of methane hydrate （modified from reference [2]） showing the temperature, pressure of vent fluid at Lost City （The rectangle shows the range of temperature and pressure at Lost City）2. 讨论
本文研究的3个大洋区海底均是与俯冲带、慢速和超慢速扩张脊等发育蛇纹岩化的环境。马里亚纳海沟是太平洋板块向菲律宾板块俯冲形成，洋壳平均年龄超过120 Ma[46]，是俯冲带最老的大洋岩石圈，密度大，俯冲角度大，俯冲带温度低[47-48]。俯冲板块向下几乎垂直延伸到地幔，海沟深度大。同时马里亚纳俯冲板块与上覆板块耦合性差，接触不紧密[49]。IODP 366航次实测的地温梯度较低（10～26.5 ℃/km），该区域具有甲烷水合物发育的有利温压条件。
慢速扩张脊Lost City热液区（＜55 mm/a），在海底慢速扩张过程中，其构造活动相对活跃，深部岩浆或海底热玄武岩冷却，释放热量不仅导致海底热液活动及其相关的生态群落，而且这些热量将传递到海底，使其温度升高[50]，同时蛇纹岩化所释放的热量会促进热液循环，对海底温度也将产生影响[22,43,51]。尽管海水与地幔橄榄岩蛇纹岩化反应产生大量H2和CH4，但Lost City喷口处过高的流体温度（40～90 ℃）使海底地温升高，超过天然气水合物稳定存在的临界温度，难以形成水合物，甲烷只能以游离气或溶解态形式存在，喷出海底进入水体。因此，推测Lost City中水合物发育可能性比较低。
热液喷口的流体活动强，受到流体活动影响喷口温度较高，并且大西洋洋中脊附近的热流高于200 mW/m2[52]，显示温度较高。但海底环境变化非常大，尤其是海底温度，如洋中脊热液喷口温度可以高达300 ℃以上，离开小的距离就可恢复到正常的海底温度。因此，Lost City远离喷口区海底有可能具备甲烷水合物形成的温压条件。
超慢速扩张脊Fram海峡扩张速度相对于Lost City慢（＜20 mm/a），海底温度相对较低，ODP 151航次探测的地温梯度为37～88 ℃/km，且富甲烷流体向上运移过程中温度不断降低，在海底附近为水合物的生成提供合适的温压条件。
综上所述，如图5是3个研究区甲烷水合物形成的温度和压力条件，显示俯冲带马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山（IODP366航次）和超慢速扩张脊Fram海峡（ODP151航次）在水合物生成范围内，具有甲烷水合物的发育潜力，但慢速扩张脊Lost City热液区喷口处的海底温压条件在水合物形成的热力学范围之外，不具备生成甲烷水合物的热力学条件。
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图 5 马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山、Fram海峡和Lost City 蛇纹岩化产生的甲烷形成水合物的热力学条件Figure 5. Thermodynamics conditions for the stability of abiotic methane hydrate at Mariana forearc serpentinite mud volcano area, Fram Strait and Lost City甲烷水合物的形成除了低温高压条件外还需要充足的甲烷[6,53-54]。在水合物稳定带内，甲烷浓度高于水合物-水二相体系甲烷平衡溶解度时才能生成水合物[54-57]。其中Fram海峡ODP909站位钻探过程中，发现底部的烃类成分含量急剧增大，为了安全而停止了钻探，显示出该区域深度具有非常高的烃类供给，可以为该海域水合物生成提供充足气源[32]。此外该海域地震显示了BSR发育，也指示了该海域天然气水合物发育。
根据马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山ODP1200站位实测温压数据，应用水合物-水二相体系甲烷浓度模型[56-57]，计算出该站位浅层发育甲烷水合物所需最低甲烷浓度约50 mM，而ODP1200站位显示在海底浅层60 mbsf的沉积物孔隙水的甲烷浓度为0～17 mM，远低于所需最低甲烷浓度，表明该站位浅层水合物发育可能性较小。但近海底沉积层常由于甲烷微生物缺氧氧化作用而被消耗，导致甲烷浓度低，甚至不含甲烷[6,58-59]，如太平洋的Cascadia陆坡ODP 1251、IODP 1325和IODP 1327站位深层有水合物发育，在海底浅层200 m内实测甲烷浓度分别为0～13、0～17和0～14 mM[60-61]，与ODP1200站位浅层200 mbsf测定的甲烷浓度相近。
此外，ODP1200站位硫酸根在海底之下0.05 mbsf处为27.58 mM，深度为0.45 mbsf时降低到3.36 mM，计算了硫酸根向下扩散通量为0.4 mol/m2·a，指示该站位甲烷通量大于部分典型水合物发育区向海底供给甲烷通量，如ODP997站位、ODP1245站位和IODP1327站位的甲烷通量分别为0.007 5[62]、0.05和0.028 mol/m2·a[63]。而且，在IODP1492A站位实测的小于30 mbsf沉积物的甲烷顶空气浓度明显随深度有逐渐增大趋势（图6）。因此，马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山ODP1200站位深部的甲烷量可能较大，显示甲烷供给充足，为水合物发育提供气源。
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图 6 IODP1492A浅层顶空气甲烷浓度[31]Figure 6. The headspace CH4 concentration at site IODP 1492A马里亚纳弧前遍布发育有蛇纹岩泥火山，大型泥火山14座，最大的高2.5 km，直径50 km[34]，如果这些泥火山全部由蛇纹岩构成，且深部地幔形成的蛇纹岩的量将是更为巨大，将产生大量的氢气和无机成因甲烷。如果1 km3方辉橄榄岩发生蛇纹岩化可产生2.5×105 t甲烷[18]，一个高2.5 km，直径50 km蛇纹岩泥火山，可产约4×1011 kg甲烷，单位面积产甲烷量约200 kg/m2。对比大陆边缘甲烷水合物发育站位单位面积水合物甲烷的资源量，如ODP1245、ODP1247、ODP1327站位，水合物饱和度分别为3.8%、2%、7.9%[61,64]，稳定带厚度分别为79、80、147 mbsf，计算单位面积产甲烷量分别为15、8、60 kg/m2。假设有1%的蛇纹岩泥火山产出的甲烷可转化为水合物，其甲烷量也满足陆坡区水合物发育所需要的甲烷量。因此，马里亚纳弧前具有充足的甲烷，深部发育甲烷水合物潜力较大。
3. 结论
（1）马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山和Fram海峡超慢速扩张脊满足天然气水合物生成热力学条件，且有充足的甲烷供给证据，发育甲烷水合物可能性较大。
（2）马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山稳定带约为858～2 515 mbsf，平均深度是1 694 mbsf，具有厚的水合物稳定带。北大西洋Fram海峡超慢速扩张脊计算的水合物稳定带底界平均深度是197.7 mbsf，深度相对浅。
（3）大西洋Lost City热液区喷口处由于热流温度高，超出了甲烷水合物稳定带底界温度，喷口区不可能有甲烷水合物的发育。
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图 4 穿过西沙岛礁区的北西-南东向地震剖面L1（a）和解释结果（b）以及局部位置放大图（c-f）
测线位置见图2。
Figure 4. Regional seismic profile (a) and its interpretation (b) across the Xisha Islands in NW-SE direction and detailed views of local areas (c-f)
Please see Figure 2 for the location.
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图 6 西沙岛礁区局部地震剖面解释结果
测线位置见图2。
Figure 6. Interpretations of local seismic profiles located in the Xisha Islands
Please see Figure 2 for the locations.
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图 5 穿过西沙岛礁区的南西-北东向地震剖面L2（a）和解释结果（b）以及局部位置放大图（c-f）
测线位置见图2。
Figure 5. Regional seismic profile (a) and its interpretation (b) across the Xisha Islands in SW-NE direction and detailed views of local areas (c-f)
Please see Figure 2 for the location.
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图 7 西沙岛礁区新生代岩浆岩分布图
黑色虚线表示北礁-玉琢礁-浪花礁分界线，划分了岛礁区岩浆岩在分界线两侧的分布特征。断裂展布改自文献[29,55]。
Figure 7. Distribution map of the Cenozoic igneous rocks in the Xisha Islands
Black dashed line represents the Beijiao-Yuzhou-Langhua Atolls borderline and the distribution of igneous rocks in the Xisha Islands on both sides of the borderline. The distribution of faults are modified from references [29,55].
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图 8 南海西沙岛礁区新生代岩浆活动形成机制示意图
Figure 8. The formation mechanism sketch map of the Cenozoic igneous activities in the Xisha Islands of the South China Sea
表 1 岩浆岩类型、几何形态和反射特征[54]
Table 1 Types, geometries, and seismic reflection features of the igneous rocks [51]
类型 几何模型 反射特征 火山 
出露海底，顶部呈圆锥或者尖顶状，内部杂乱反射，与周边地层层状反射区分明显，地层反射轴向上被明显牵引。 岩浆侵入体 
上覆岩层可呈圆锥、纺锤状或者桶状等，内部杂乱反射，与周边地层层状反射区分明显，上覆岩层被拱起形成背斜。 火成岩席 层状 
平行于或斜穿地层，具有强反射、高振幅和不连续的反射轴。 碗状 
呈碗状，具有强反射、高振幅和不连续的反射轴。 碟状 
呈碟状，具有强反射、高振幅和不连续的反射轴。 
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[1] Planke S, Symonds P A, Alvestad E, et al. Seismic volcanostratigraphy of large‐volume basaltic extrusive complexes on rifted margins[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2000, 105(B8):19335-19351. doi: 10.1029/1999JB900005
[2] Yan P, Deng H, Liu H L, et al. The temporal and spatial distribution of volcanism in the South China Sea region[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2006, 27(5):647-659. doi: 10.1016/j.jseaes.2005.06.005
[3] Jones D W R, Katz R F, Tian M, et al. Thermal impact of magmatism in subduction zones[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2018, 481:73-79. doi: 10.1016/j.jpgl.2017.10.015
[4] Zhang Q, Wu S G, Dong D D. Cenozoic magmatism in the northern continental margin of the South China Sea: evidence from seismic profiles[J]. Marine Geophysical Research, 2016, 37(2):71-94. doi: 10.1007/s11001-016-9266-3
[5] Magee C, Muirhead J, Schofield N, et al. Structural signatures of igneous sheet intrusion propagation[J]. Journal of Structural Geology, 2019, 125:148-154. doi: 10.1016/j.jsg.2018.07.010
[6] Lüdmann T, Wong H K. Neotectonic regime on the passive continental margin of the northern South China Sea[J]. Tectonophysics, 1999, 311(1-4):113-138. doi: 10.1016/S0040-1951(99)00155-9
[7] Shi X B, Burov E, Leroy S, et al. Intrusion and its implication for subsidence: a case from the Baiyun Sag, on the northern margin of the South China Sea[J]. Tectonophysics, 2005, 407(1-2):117-134. doi: 10.1016/j.tecto.2005.07.004
[8] 石学法, 鄢全树. 南海新生代岩浆活动的地球化学特征及其构造意义[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2011, 31(2):59-72 SHI Xuefa, YAN Quanshu. Geochemistry of Cenozoic magmatism in the South China Sea and its tectonic implications[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2011, 31(2):59-72.]
[9] Gao J W, Wu S G, McIntosh K, et al. The continent-ocean transition at the mid-northern margin of the South China Sea[J]. Tectonophysics, 2015, 654:1-19. doi: 10.1016/j.tecto.2015.03.003
[10] Gao J, Wu S G, McIntosh K, et al. Crustal structure and extension mode in the northwestern margin of the South China Sea[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2016, 17(6):2143-2167. doi: 10.1002/2016GC006247
[11] Gao J W, Bangs N, Wu S G, et al. Post-seafloor spreading magmatism and associated magmatic hydrothermal systems in the Xisha uplift region, northwestern South China Sea[J]. Basin Research, 2019, 31(4):688-708. doi: 10.1111/bre.12338
[12] Fan C Y, Xia S H, Zhao F, et al. New insights into the magmatism in the northern margin of the South China Sea: spatial features and volume of intraplate seamounts[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2017, 18(6):2216-2239. doi: 10.1002/2016GC006792
[13] 夏少红, 范朝焰, 孙金龙, 等. 南海北部晚新生代岩浆活动的发育特征与构造意义[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2017, 37(6):25-33 XIA Shaohong, FAN Chaoyan, SUN Jinlong, et al. Characteristics of late Cenozoic magmatic activities on the northern margin of South China Sea and their tectonic implications[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2017, 37(6):25-33.]
[14] Zhao M H, He E Y, Sibuet J C, et al. Postseafloor spreading volcanism in the central east South China Sea and its formation through an extremely thin oceanic crust[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2018, 19(3):621-641. doi: 10.1002/2017GC007034
[15] Zhao F, Berndt C, Alves T M, et al. Widespread hydrothermal vents and associated volcanism record prolonged Cenozoic magmatism in the South China Sea[J]. GSA Bulletin, 2021, 133(11-12):2645-2660. doi: 10.1130/B35897.1
[16] 祝嵩, 姚永坚, 李学杰. 南海及邻区岩浆岩时空分布特征及机制[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2021, 41(4):87-115 ZHU Song, YAO Yongjian, LI Xuejie. Spatio-temporal distribution pattern of magmatic rocks and mechanism in the South China Sea and adjacent areas[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2021, 41(4):87-115.]
[17] 阎贫, 刘海龄. 南海及其周缘中新生代火山活动时空特征与南海的形成模式[J]. 热带海洋学报, 2005, 24(2):33-41 YAN Pin, LIU Hailing. Temporal and spatial distributions of Meso-Cenozoic igneous rocks over South China Sea[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2005, 24(2):33-41.]
[18] Song T R, Li C F, Wu S G, et al. Extensional styles of the conjugate rifted margins of the South China Sea[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2019, 177:117-128. doi: 10.1016/j.jseaes.2019.03.008
[19] Li G, Mei L F, Pang X, et al. Magmatism within the northern margin of the South China Sea during the post-rift stage: an overview, and new insights into the geodynamics[J]. Earth-Science Reviews, 2022, 225:103917. doi: 10.1016/j.earscirev.2022.103917
[20] 高金尉, 付腾飞, 赵明辉, 等. 三沙永乐蓝洞成因机制初探[J]. 热带海洋学报, 2022, 41(1):171-183 doi: 10.11978/2021077 GAO Jinwei, FU Tengfei, ZHAO Minghui, et al. Preliminary study on formation process of Sansha Yongle Blue Hole[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2022, 41(1):171-183.] doi: 10.11978/2021077
[21] 孙嘉诗. 南海北部及广东沿海新生代火山活动[J]. 海洋地质与第四纪地质, 1991, 11(3):45-67 SUN Jiashi. Cenozoic volcanic activity in the northern South China Sea and Guangdong coastal area[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 1991, 11(3):45-67.]
[22] 刘昭蜀. 南海地质[M]. 北京: 科学出版社, 2001: 31-63 LIU Zhaoshu. Geology of the South China Sea[M]. Beijing: Science Press, 2001: 31-63.]
[23] Wang H L, Zhao Q, Wu S G, et al. Post-rifting magmatism and the drowned reefs in the Xisha Archipelago domain[J]. Journal of Ocean University of China, 2018, 17(1):195-208.
[24] Gao J W, Wu S G, Lüdmann T, et al. Extensional structures and Cenozoic magmatism in the northwestern South China Sea[J]. Gondwana Research, 2023, 120:219-234. doi: 10.1016/j.gr.2022.09.005
[25] 冯英辞, 詹文欢, 孙杰, 等. 西沙海域上新世以来火山特征及其形成机制[J]. 热带海洋学报, 2017, 36(3):73-79 FENG Yingci, ZHAN Wenhuan, SUN Jie, et al. The formation mechanism and characteristics of volcanoes in the Xisha waters since Pliocene[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2017, 36(3):73-79.]
[26] 汪斯毓, 王仕胜, 刘艳锐, 等. 中沙海槽盆地构造与沉积作用及其对远端裂陷盆地演化的启示[J]. 地球科学, 2022, 47(3):1094-1106 WANG Siyu, WANG Shisheng, LIU Yanrui, et al. Tectonics and sedimentation of the Zhongsha Trough Basin: implications to the basin evolution in distal rifting margin[J]. Earth Science, 2022, 47(3):1094-1106.]
[27] 黎雨晗, 黄海波, 丘学林, 等. 中沙海域的广角与多道地震探测[J]. 地球物理学报, 2020, 63(4):1523-1537 LI Yuhan, HUANG Haibo, QIU Xuelin, et al. Wide-angle and multi-channel seismic surveys in Zhongsha waters[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2020, 63(4):1523-1537.]
[28] Zhang Y, Yu K F, Qian H D, et al. The basement and volcanic activities of the Xisha Islands: evidence from the kilometre-scale drilling in the northwestern South China Sea[J]. Geological Journal, 2020, 55(1):571-583. doi: 10.1002/gj.3416
[29] Wang C, Sun Q L, Morley C K, et al. Post-rift magmatism controlled by detachment faults in a microplate, northwestern South China Sea[J]. GSA Bulletin, 2024, 136(3-4):1553-1568.
[30] Qiu X L, Ye S Y, Wu S M, et al. Crustal structure across the Xisha Trough, northwestern South China Sea[J]. Tectonophysics, 2001, 341(1-4):179-193. doi: 10.1016/S0040-1951(01)00222-0
[31] 孙珍, 钟志洪, 周蒂, 等. 南海的发育机制研究: 相似模拟证据[J]. 中国科学 D辑: 地球科学, 2006, 36(9): 797-810 SUN Zhen, ZHOU Di, ZHONG Zhihong, et al. Research on the dynamics of the South China Sea opening: evidence from analogue modeling[J]. Science in China Series D: Earth Sciences, 2006, 49(10): 1053-1069.]
[32] 董冬冬, 吴时国, 张功成, 等. 南海北部深水盆地的裂陷过程及裂陷期延迟机制探讨[J]. 科学通报, 2008, 53(19): 2342-2351 DONG Dongdong, WU Shiguo, ZHANG Gongcheng, et al. Rifting process and formation mechanisms of syn-rift stage prolongation in the deepwater basin, northern South China Sea[J]. Chinese Science Bulletin, 2008, 53(23): 3715-3725.]
[33] 李春峰, 宋陶然. 南海新生代洋壳扩张与深部演化的磁异常记录[J]. 科学通报, 2012, 57(20): 1879-1895 LI Chunfeng, SONG Taoran. Magnetic recording of the Cenozoic oceanic crustal accretion and evolution of the South China Sea basin[J]. Chinese Science Bulletin, 2012, 57(24): 3165-3181.]
[34] Sun Q L, Wu S G, Cartwright J, et al. Focused fluid flow systems of the Zhongjiannan Basin and Guangle Uplift, South China Sea[J]. Basin Research, 2013, 25(1):97-111. doi: 10.1111/j.1365-2117.2012.00551.x
[35] 赵明辉, 袁野, 张佳政, 等. 南海北部被动陆缘洋陆转换带张裂–破裂研究新进展[J]. 热带海洋学报, 2024, 43(2):173-183 ZHAO Minghui, YUAN Ye, ZHANG Jiazheng, et al. New developments on the rift-breakup of the continent-ocean transition zone in the northern margin of the South China Sea[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2024, 43(2):173-183.]
[36] Leloup P H, Arnaud N, Lacassin R, et al. New constraints on the structure, thermochronology, and timing of the Ailao Shan-Red River shear zone, SE Asia[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2001, 106(B4):6683-6732. doi: 10.1029/2000JB900322
[37] Morley C K. A tectonic model for the Tertiary evolution of strike-slip faults and rift basins in SE Asia[J]. Tectonophysics, 2002, 347(4):189-215. doi: 10.1016/S0040-1951(02)00061-6
[38] Sun Z, Zhou D, Zhong Z H, et al. Experimental evidence for the dynamics of the formation of the Yinggehai basin, NW South China Sea[J]. Tectonophysics, 2003, 372(1-2):41-58. doi: 10.1016/S0040-1951(03)00230-0
[39] Fyhn M B W, Boldreel L O, Nielsen L H. Geological development of the Central and South Vietnamese margin: implications for the establishment of the South China Sea, Indochinese escape tectonics and Cenozoic volcanism[J]. Tectonophysics, 2009, 478(3-4):184-214. doi: 10.1016/j.tecto.2009.08.002
[40] Lei C, Ren J Y, Clift P D, et al. The structure and formation of diapirs in the Yinggehai-Song Hong Basin, South China Sea[J]. Marine and Petroleum Geology, 2011, 28(5):980-991. doi: 10.1016/j.marpetgeo.2011.01.001
[41] Savva D, Meresse F, Pubellier M, et al. Seismic evidence of hyper-stretched crust and mantle exhumation offshore Vietnam[J]. Tectonophysics, 2013, 608:72-83. doi: 10.1016/j.tecto.2013.07.010
[42] 李林, 王彬, 雷超, 等. 西沙海域盆地构造格局及其差异演化过程分析[J]. 地球科学, 2021, 46(9):3321-3337 LI Lin, WANG Bin, LEI Chao, et al. Tectonic framework in the Xisha area and its differential evolution[J]. Earth Science, 2021, 46(9):3321-3337.]
[43] 陈俊仁. 我国南部西沙群岛地区第四纪地质初步探讨[J]. 地质科学, 1978(1):45-56 CHEN Junren. A preliminary discussion on Quaternary geology of Xisha Qundao Islands of South China[J]. Scientia Geologica Sinica, 1978(1):45-56.]
[44] 高战朝. 西沙群岛与邻近海域地质构造特征及地壳性质的转化[J]. 海洋科学, 1986, 10(4):51-54 GAO Zhanchao. Geological structure characteristics and transformation of crustal properties of the Xisha Islands and adjacent sea areas[J]. Marine Sciences, 1986, 10(4):51-54.]
[45] 张峤, 吴时国, 吕福亮, 等. 南海西北陆坡火成岩体地震识别及分布规律[J]. 大地构造与成矿学, 2014, 38(4):919-938 ZHANG Qiao, WU Shiguo, LV Fuliang, et al. The seismic characteristics and the distribution of the igneous rocks in the northernwest slope of the South China Sea[J]. Geotectonica et Metallogenia, 2014, 38(4):919-938.]
[46] 赵强. 西沙群岛海域生物礁碳酸盐岩沉积学研究[D]. 中国科学院研究生院(海洋研究所)博士学位论文, 2010: 1-157 ZHAO Qiang. The sedimentary research about reef carbonatite in Xisha Islands Waters[D]. Doctor Dissertation of Institute of Oceanology, Chinese Academy of Science, 2010: 1-157.]
[47] 张重远, 王振峰, 范桃园, 等. 西沙群岛石岛浅部基底地壳应力测量及其地球动力学意义分析[J]. 地球物理学报, 2015, 58(3):904-918 doi: 10.6038/cjg20150318 ZHANG Chongyuan, WANG Zhenfeng, FAN Taoyuan, et al. Crustal stress measurement in shallow basement of Shidao of Xisha Islands and analysis of its geodynamic significance[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2015, 58(3):904-918.] doi: 10.6038/cjg20150318
[48] Wu S G, Yuan S Q, Zhang G C, et al. Seismic characteristics of a reef carbonate reservoir and implications for hydrocarbon exploration in deepwater of the Qiongdongnan Basin, northern South China Sea[J]. Marine and Petroleum Geology, 2009, 26(6):817-823. doi: 10.1016/j.marpetgeo.2008.04.008
[49] 李学林, 张汉羽, 刘刚, 等. 西沙孤立碳酸盐台地的地震层序及演化模式: 以永乐环礁为例[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2020, 40(5):87-96 LI Xuelin, ZHANG Hanyu, LIU Gang, et al. Seismic sequence and evolution model of isolated carbonate platform: a case from Yongle Atoll, Xisha Islands[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2020, 40(5):87-96.]
[50] Liu G, Wu S G, Gao J W, et al. Seismic architecture of Yongle isolated carbonate platform in Xisha Archipelago, South China Sea[J]. Frontiers in Earth Science, 2023, 11:1100675. doi: 10.3389/feart.2023.1100675
[51] Vu A T, Fyhn M B W, Xuan C T, et al. Cenozoic tectonic and stratigraphic development of the Central Vietnamese continental margin[J]. Marine and Petroleum Geology, 2017, 86:386-401. doi: 10.1016/j.marpetgeo.2017.06.001
[52] Su M, Xie X, Xie Y H, et al. The segmentations and the significances of the Central Canyon System in the Qiongdongnan Basin, northern South China Sea[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2014, 79:552-563. doi: 10.1016/j.jseaes.2012.12.038
[53] 罗威, 张道军, 刘新宇, 等. 西沙地区西科1井综合地层学研究[J]. 地层学杂志, 2018, 42(4):485-498 LUO Wei, ZHANG Daojun, LIU Xinyu, et al. A comprehensive stratigraphic study of well XK-1 in the Xisha area[J]. Journal of Stratigraphy, 2018, 42(4):485-498.]
[54] Song X X, Li C F, Yao Y J, et al. Magmatism in the evolution of the South China Sea: geophysical characterization[J]. Marine Geology, 2017, 394:4-15. doi: 10.1016/j.margeo.2017.07.021
[55] Savva D, Pubellier M, Franke D, et al. Different expressions of rifting on the South China Sea margins[J]. Marine and Petroleum Geology, 2014, 58:579-598. doi: 10.1016/j.marpetgeo.2014.05.023
[56] Vail P R. Seismic stratigraphy interpretation using sequence stratigraphy: Part 1: seismic stratigraphy interpretation procedure[M]//Bally A W. Atlas of Seismic Stratigraphy. Tulsa: AAPG, 1987: 1-10.
[57] van Wagoner J C, Mitchum R M Jr, Posamentier H W, et al. Seismic stratigraphy interpretation using sequence stratigraphy: Part 2: key definitions of sequence stratigraphy[M]//Bally A W. Atlas of Seismic Stratigraphy. Tulsa: AAPG, 1987: 11-14.
[58] 杜同军. 琼东南盆地层序地层和深水区沉积充填特征[D]. 中国海洋大学博士学位论文, 2013: 1-126 DU Tongjun. Sequence stratigrphic and deep water sedimentary characteristic in the Qingdongnan basin[D]. Doctor Dissertation of Ocean University of China, 2013: 1-126.]
[59] 张明书, 何起祥, 业治铮, 等. 西沙生物礁碳酸盐沉积地质学研究[M]. 北京: 科学出版社, 1989: 1-117 ZHANG Mingshu, HE Qixiang, YE Zhizheng, et al. Geological Study of Carbonate Sediments in the Xisha Reef[M]. Beijing: Science Press, 1989: 1-117.]
[60] 米立军, 王东东, 李增学, 等. 琼东南盆地崖城组高分辨率层序地层格架与煤层形成特征[J]. 石油学报, 2010, 31(4): 534-541 MI Lijun, WANG Dongdong, LI Zengxue, et al. High-resolution sequence stratigraphic framework and coal-forming features in Yacheng Formation of Qiongdongnan Basin[J]. Acta Petrolei Sinica, 2010, 31(4): 534-541.]
[61] 魏魁生, 崔旱云, 叶淑芬, 等. 琼东南盆地高精度层序地层学研究[J]. 地球科学-中国地质大学学报, 2001, 26(1):59-66 WEI Kuisheng, CUI Hanyun, YE Shufen, et al. High-precision sequence stratigraphy in Qiongdongnan Basin[J]. Earth Science-Journal of China University of Geosciences, 2001, 26(1):59-66.]
[62] Wang P X, Huang C Y, Lin J, et al. The South China Sea is not a mini-Atlantic: plate-edge rifting vs intra-plate rifting[J]. National Science Review, 2019, 6(5):902-913. doi: 10.1093/nsr/nwz135
[63] Li C F, Xu X, Lin J, et al. Ages and magnetic structures of the South China Sea constrained by deep tow magnetic surveys and IODP Expedition 349[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2014, 15(12):4958-4983. doi: 10.1002/2014GC005567
[64] Li C F, Li J B, Ding W W, et al. Seismic stratigraphy of the central South China Sea basin and implications for neotectonics[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2015, 120(3):1377-1399. doi: 10.1002/2014JB011686
[65] Xia S H, Zhao F, Zhao D P, et al. Crustal plumbing system of post-rift magmatism in the northern margin of South China Sea: new insights from integrated seismology[J]. Tectonophysics, 2018, 744:227-238. doi: 10.1016/j.tecto.2018.07.002
[66] Xia S H, Zhao D P, Sun J L, et al. Teleseismic imaging of the mantle beneath southernmost China: new insights into the Hainan plume[J]. Gondwana Research, 2016, 36:46-56. doi: 10.1016/j.gr.2016.05.003
[67] Larsen H C, Mohn G, Nirrengarten M, et al. Rapid transition from continental breakup to igneous oceanic crust in the South China Sea[J]. Nature Geoscience, 2018, 11(10):782-789. doi: 10.1038/s41561-018-0198-1
[68] Zhang G L, Luo Q, Zhao J, et al. Geochemical nature of sub-ridge mantle and opening dynamics of the South China Sea[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2018, 489:145-155. doi: 10.1016/j.jpgl.2018.02.040
[69] Yu X, Liu Z F. Non-mantle-plume process caused the initial spreading of the South China Sea[J]. Scientific Reports, 2020, 10(1):8500. doi: 10.1038/s41598-020-65174-y
[70] Zou H B, Fan Q C. U-Th isotopes in Hainan basalts: implications for sub-asthenospheric origin of EM2 mantle endmember and the dynamics of melting beneath Hainan Island[J]. Lithos, 2010, 116(1-2):145-152. doi: 10.1016/j.lithos.2010.01.010
[71] Wang X C, Li Z X, Li X H, et al. Identification of an ancient mantle reservoir and young recycled materials in the source region of a young mantle plume: implications for potential linkages between plume and plate tectonics[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2013, 377-378:248-259. doi: 10.1016/j.jpgl.2013.07.003
-
期刊类型引用(2)
1. 庞雄奇，胡涛，蒲庭玉，徐帜，王恩泽，汪文洋，李昌荣，张兴文，刘晓涵，吴卓雅，王通，赵正福，庞礴，鲍李银. 中国南海天然气水合物资源产业化发展面临的风险与挑战. 石油学报. 2024(07): 1044-1060 . 
百度学术
2. 汤加丽，曹运诚，陈多福. 马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山无机成因甲烷–氢气水合物形成条件与稳定带发育特征. 地球化学. 2022(02): 194-201 . 百度学术
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