남중국해의 지질 구조

남중국해 분지는 아시아에서 가장 큰 주변해 중 하나이다. 남중국해는 베트남 동쪽, 필리핀과 루손 해협 서쪽, 보르네오섬 북쪽에 위치한다. 지질학적으로 서쪽으로는 인도차이나 강괴에, 동쪽으로는 필리핀해판에, 북쪽으로는 양쯔 강괴에 둘러싸여 있다. 필리핀해판과 아시아판 사이에는 섭입 경계가 존재한다. 남중국해 분지의 형성은 인도판과 유라시아판의 충돌과 밀접하게 관련되어 있다. 이 충돌은 대륙 지각을 두껍게 하고 히말라야 조산대부터 남중국해, 특히 티베트고원 주변의 지형 고도를 변화시켰다. 남중국해의 위치는 여러 지질학적 사건의 산물이다. 남중국해 분지 주변의 모든 판은 신생대 초부터 마이오세 후기까지 시계 방향 회전, 섭입, 압출 과정을 겪었다.

남중국해의 지질사는 (1) 열곡계 발달 (2) 해저 확장, (3) 남중국해의 침강, (4) 남중국해 분지 폐쇄, (5) 대만의 융기로 총 다섯 가지 지각 진화 단계로 분류할 수 있다.

열곡계 발달

남중국해 발달의 초기 단계에서는 확장으로 인해 두 개의 수동형 대륙 주변부가 형성되었다. 일부 전문가는 남서쪽 분지가 실제로는 더 오래되었다고 주장하지만, 확장은 북동쪽에서 남서쪽으로 전파되었다는 것이 통설이다. 열곡 형성 및 여러 지구는 약 55 Ma에 시작되었다.^[1] 이는 남중국 대륙붕을 가로지르는 지진 단면도에 기반한다. 인도판과 유라시아판의 충돌로 인해 약 50 Ma경 열곡 활동이 심화되었다.

확장이 어떻게 발생했는지에 대한 다양하고 진화하는 모델이 제안되었다. 예를 들어, Tapponnier 등 (1982),^[2] Taylor & Hayes (1983),^[3] Wang (2009),^[4] 그리고 Cullen (2010) 등에 의해 제안되었다.^[5]

남중국해 형성 과정에 대해 제안된 두 가지 초기 이론의 개념 모델.^[2][3]

남중국해 열곡 형성에 대한 왕(Wang)의 모델은 열곡 발달의 다른 영역을 제안한다. 남중국해의 북쪽과 북동쪽 부분은 팔레오세에 일찍 열곡을 형성했다.^[6] 남중국해의 남쪽과 남서쪽 부분은 에오세 또는 그 이후에 늦게 열곡 활동을 보였다. 북동쪽과 남서쪽 지역 간의 열곡 활동 차이와 시간 간격은 남중국해가 지질학적으로 균질한 지역이 아니며, 그 암석권이 지각 진화에 따라 남서쪽과 북동쪽의 두 지역으로 나눌 수 있음을 나타낸다. 열곡 단계에서 이러한 차이가 발생하는 이유는 다양한 판의 영향과 지각 아래 맨틀 기둥의 다른 분포 등 여러 가지일 수 있다. 남중국해 서쪽 경계를 따라 위치한 홍강 단층은 남쪽과 남서쪽 지역의 열곡 활동에 영향을 미친 것으로 여겨졌다. 주향이동단층이다.

컬렌(Cullen)은 남중국해 분지의 열곡 활동이 백악기 후기로 거슬러 올라가며, 신생대에 두 차례의 확장 사건으로 마무리되었다고 지적했다. 첫 번째 확장 사건은 팔레오세 초기에 발생했으며 광범위하게 분포했다. 첫 번째 열곡계는 주로 위험지대 (남중국해 남동부^[7] 및 베트남 중부 해안의 푸 칸 분지)에 위치했다. 필리핀과 남아시아 사이의 슬랩 풀(slab pull)이 초기 단계에서 위험지대 및 남중국해의 다른 지역 확장을 촉진한 주요 힘으로 추측된다.^[8] 이후의 확장 사건은 에오세 후기부터 마이오세 초기까지 나타났으며 남서쪽으로 전파되었다. 두 번째 확장 단계 동안 지각은 얇아졌고 최종적으로 파열을 겪었다.^[1]

해저 확장

해저 확장은 자기 이상 선형성과 두 가지 유형의 화강암 분포를 사용하여 논의될 수 있다. 이론적으로 해저 확장은 분지 개방 중 열곡 단계를 따라야 한다. 그러나 대륙 열곡과 해저 확장은 마이오세 초기 동안 약 5백만 년 동안 겹친다. 예를 들어, 북동 지역이 해저 확장 단계에 있을 때 남서쪽 부분에서는 열곡이 진행 중이었다.

열곡 활동에 따른 해저 확장 재구성은 자기 이상 현상에서 비롯된다. 해저 확장이 정확히 언제 시작되었는지에 대한 합의는 없다. Brais 등(1993)은 해저 확장이 30 Ma에서 16 Ma 사이에 일어났다고 제안했다. 그러나 루손 해협 지역에서 발견된 새로운 증거는 해저 확장이 37 Ma만큼 오래되었을 수 있음을 보여준다.^[9] 해저 확장 전체 과정은 북동쪽 확장과 남서쪽 확장 두 부분으로 나눌 수 있다.^[4][10]

• 해저 확장 과정 동안 자기 이상에 따라 세 차례의 확장 사건이 분류되었다. 해저 확장 중심은 25.5 Ma, 24.7 Ma, 20.5 Ma에 세 번 이동했다.^[10] 이 이동은 시사 해구(Xisha Trough)에서 남쪽으로 확장 이동을 이끌었던 세 차례 해저 확장 사건에서의 경계로 간주된다. 그림 4는 해저 확장 중심의 궤적을 보여준다.
  • 37 Ma ~ 25.5 Ma. 남중국해 북동쪽, 루손 해협에는 더 오래된 자기 이상 14-16이 나타났고, 분지 중부 및 서부에는 더 젊은 자기 이상(이상 11-7)이 위치했다. 이러한 분포는 첫 번째 해저 확장 에피소드 동안 해령이 동쪽에서 서쪽으로 이동했음을 나타낸다. 첫 번째 단계가 끝날 무렵, 해령은 북쪽에서 남쪽으로 50km 이동했고, 오래된 해령과 평행한 새로운 중심이 형성되었다(그림 4).
  • 25.5 Ma ~ 24.7 Ma. 두 번째로 더 큰 이동은 이 에피소드가 끝날 때 발생했다. 이 에피소드 동안의 자기 이상 선형성은 7에서 6B 범위에 걸쳐 있다.
  • 24.7 Ma ~ 20.5 Ma. 세 번째 해령 이동은 남서쪽 방향으로 더 멀리 이동했다. 20.5 Ma 이후 남중국해 분지의 지형은 현재와 유사하다. 이 단계 이후 해령 이동은 멈췄다. 20.5 Ma 이후 해저 확장은 남중국해 남서쪽 지역으로 이동하여 약 16~17 Ma경에 끝났다.
• 자기 이상 외에도 화성암의 분포 또한 해저 확장 시기를 결정하는 잠재적 증거가 될 수 있다.

남중국해의 여러 미소 강괴의 암석학에 대한 분석은 Yan에 의해 이루어졌다.^[11] 두 가지 유형의 화강암이 분류되었다. 토날라이트 화강암과 몬조화강암이다. 토날라이트 화강암은 Ti, Al, Fe, Mg, Ca, Na, P 함량이 높고 Si와 K 함량이 낮으며 맨틀과 하부 선캄브리아기 지각의 용융으로부터 유래할 수 있다. 그러나 몬조화강암은 지각 용융으로부터 유래된 것으로 밝혀졌다. 따라서 몬조화강암의 존재는 남중국해 암석권의 확장을 나타낸다. 이 두 가지 화강암 유형의 변화하는 비율은 미량 및 주원소 조성, 그리고 암석학적 특성과 함께 신생대 해저 확장 역사의 변화하는 특성을 보여준다.

해저 확장 지각 모델

남중국해의 개방과 형성이 오랜 지질학적 시간 동안 어떻게 일어났는지 해석하려는 세 가지 주요 모델이 있다. 이들은 충돌-압출 모델, 섭입-충돌 모델, 하이브리드 모델이다. 이 모델은 Fyhn et al, 2009에 의해 설명되었다.

충돌-압출 모델

충돌-압출 모델은 남중국해 분지의 개방이 인도판과 유라시아판의 충돌과 관련이 있다고 주장한다. 보르네오섬과 인도차이나반도 판은 여전히 단일한 강괴로 간주되며 서로 붙어 있다. 인도가 유라시아와 충돌했을 때, 대륙의 일부가 남동쪽으로 밀려났다. 이는 일부 논문에서 "대륙 탈출"이라고도 불린다. 이 모델은 해저 확장이 서쪽에서 충돌로 인한 밀림에 의해 촉발되었다고 주장한다. 그 결과 주향이동단층이 형성되었다. 이 주향이동단층의 좌수향 부분에서 확장 해령이 시작되었다. 해저 확장은 압출이 멈추면서 중단되었다. 해저 확장으로 인해 보르네오 강괴는 회전을 겪었다. 이 모델은 지각 진화 동안 남중국해 분지의 기하학적 변화를 설명하지만, 특히 보르네오의 회전과 관련하여 일부 부분에 대해서는 여전히 모호하다.^[12] 이 모델은 또한 보르네오 북쪽에 섭입이 발생하지 않았다고 제안하는데, 남동 남중국해 분지에 역단층이 존재한다는 점을 고려할 때 설명하기 어렵다.

섭입-충돌 모델

섭입 모델은 남중국해의 개방이 보르네오 아래 남쪽으로 원시 남중국해 해양판의 섭입으로 인한 슬랩 풀에 의해 발생했다고 제시한다. 사바 오르골레지스(Sabah orogeny)의 존재는 이러한 섭입을 뒷받침한다.^[13] 섭입은 팔레오세에 시작하여 마이오세 초기에 끝났다.^[14] 이 모델의 단점은 남중국해 분지 확장 중 해저 확장 축의 변화나 보르네오의 회전을 설명할 수 없다는 것이다.^[10]

혼합 모델

혼합 모델은 충돌-압출 모델과 섭입-충돌 모델의 혼합으로 볼 수 있다. 보르네오의 회전과 같은 일부 요소는 충돌-압출 모델에서 유지되지만, 섭입 또한 압출과 동반되었다고 생각되었다. 섭입대는 남중국해의 남동쪽으로 이동했는데, 이는 보르네오 강괴 북쪽 가장자리를 따라 있던 이전의 수렴 경계와 일치한다. 이 모델은 다른 두 모델보다 더 널리 사용된다.

남중국해 폐쇄의 시작

• 호주판과 아시아판의 충돌은 보르네오의 회전과 남중국해 남쪽 경계의 폐쇄를 야기했다.
• 지각 두께 증가를 동반한 다섯 번의 작은 충돌이 발생하여 인도네시아와 태평양 사이의 해로를 막는 데 중요한 역할을 했다.^[15]
• 루손 호와 아시아 대륙 사이의 충돌은 대만의 융기를 이끌었다. 이 충돌은 마이오세 이후 서쪽으로 이동해 왔다. 판 사이의 충돌로 인해 화산 활동이 활발해졌다. Wang 등 (2000)은 해저 확장 이후 동쪽에서 발생한 충돌 및 섭입 현상과 관련하여 남중국해에서 약 10 Ma, 6 Ma, 2 Ma에 집중된 세 개의 화산재 층을 보고했다.
• 루손 해협은 대만의 융기와 함께 열렸다. 루손 해협의 해수 깊이 변화는 서태평양으로부터 더 침식적이고 차가운 저층 해류가 루손 해협 아래 탄산염을 용해시키도록 했다. 루손 해협의 개방은 남중국해 분지가 반폐쇄 분지로 시작되었음을 나타낸다.^[4]

남중국해의 침강

열곡 형성, 해저 확장 및 충돌이 진행됨에 따라 남중국해에서도 침강이 발생했다. 신생대 동안 남중국해의 독특한 위치(동쪽에는 섭입대, 서쪽에는 홍강 전단대, 남쪽으로는 확장 해령의 이동)로 인해 다양한 형태의, 주로 확장형 단층이 발달하여 침강을 유발하고 분지를 형성했다. 남중국해에서는 열곡 관련 침강과 후열곡 열적 침강이 모두 발견된다.

• 동쪽 지역에서는 남중국해가 필리핀해판 아래로 섭입하면서 전호 분지가 형성되었다. 팔라완 분지와 타이시난 분지는 이러한 유형의 침강의 전형적인 예이다.
• 서쪽 지역에서는 여러 주향이동단층과 정단층이 홍강 전단대에 의해 침강을 야기했다. 가장 두꺼운 퇴적물(14km)이 채워진 잉거하이 분지가 이 지역에서 발달했다.
• 남쪽 지역에서는 열곡 형성으로 인해 정단층이 형성되었다. 그러나 이 지역의 일부 분지는 말레이 분지와 페뉴 분지와 같이 침강 이력에 두 부분이 있다. 이 단계는 마이오세 약 16 Ma의 지역적 역전 현상에 의해 나뉜다. 이 역전은 침강을 연속적인 침강 과정이 아니라 동열곡 단계와 후열곡 단계로 분리했다.^[16]

남중국해에서는 또한 25 Ma와 5 Ma에 침강률의 변화가 있었다.^[17] 25 Ma에는 확장 해령이 남서쪽에서 이동하여 열적 침강과 북남중국해의 해수면 상승을 촉발하면서 열적 침강이 시작되었다. 5 Ma의 변화는 동쪽 지역의 침강과 함께 발생했으며, 현대 대만 지역의 루손 호의 충돌로 인해 침강률이 증가했다. 또한 5 Ma 이후 홍강 단층의 운동 역전으로 인해 분지 북서쪽, 잉거하이 분지에서 새로운 침강이 발생했다.

지각 운동이 석유 자원에 미치는 영향

남중국해의 북쪽과 북서쪽 부분은 수동형 대륙 주변부에 있는 열곡 분지로 둘러싸여 있다. 이들은 주강구 분지, 충둥난 분지, 잉거하이 분지, 푸칸 분지이다. 이들 분지의 발달은 남중국해의 지질학적 역사와 밀접하게 관련되어 있다. Gong 등(2011)은^[18] 광범위한 시추 결과와 다중 채널 지진 데이터를 기반으로 이러한 지각 활동이 근원암, 저류암 및 덮개암의 퇴적과 다양한 유형의 포획 메커니즘 형성에 미치는 영향을 문서화했다.

이들 분지는 McKenzie(1978) 유형의^[19] 전형적인 2단계 확장을 보여주며, 차등 침강 단계(열곡 형성)와 이어진 열적 지역 침강 단계(후열곡 형성)가 특징이다.^[18] 각 단계는 별개의 석유 시스템을 생성할 수 있다. 예를 들어 주강구 분지는 신생대에 네 개의 열곡 분지를 발달시켰다.^[18]

충둥난 분지는 주강구 분지 서쪽에 위치하며, 둘 다 유사한 지각층서를 공유한다. 그러나 충둥난 분지의 침강 이력은 홍강 단층계의 횡단 운동이라는 추가적인 지각 요소의 영향을 받았다. 이 분지의 후열곡 퇴적층은 초기 마이오세 비정합면에 의해 동열곡 퇴적층과 분리되며, 이로부터 가스만 생산되었다.^[18]

잉거하이 분지의 열곡 구조는 두꺼운 신생대 상부 퇴적물 때문에 아직 확인되지 않았지만, 이 분지가 유사한 연대의 열곡 분지로 둘러싸여 있기 때문에 존재할 것으로 예상된다.^[20] 홍강 단층계를 따라 인도차이나 강괴의 시계 방향 회전은 분지의 횡단 인장 응력에 기인한 것으로 알려져 있다.^[21][22] 그러나 분지의 침강은 홍강 단층계의 초기 운동보다 선행한다.^[23][24] 이는 잉거하이 분지의 초기 확장이 주변 분지들이 겪었던 것과 동일한 지각 체제에 반응했을 수 있음을 시사한다. 인근 충둥난 분지와 유사하게, 이 분지에서는 후열곡 퇴적층을 동열곡 퇴적층과 분리하는 기저 마이오세 비정합면이 존재한다. 그러나 이 비정합면은 횡단 운동으로 인해 지역적으로 이시성을 띤다.^[20] 천연가스는 분지의 후열곡 퇴적층에서 발견되었지만, 동열곡 퇴적층의 탄화수소 잠재력은 아직 입증되지 않았다.