南海是西太平洋最大、结构最复杂的边缘海盆地之一,位于欧亚板块、太平洋板块和印澳板块的交界处。南海的形成演化机制一直受到国内外地质学家的关注,很多学者针对南海形成演化的动力学机制提出了不同的模式。研究区位于南海海盆及婆罗洲、巴拉望之间的南海南部区域,具有减薄的大陆地壳结构。最新大洋钻探成果认为南海岩石圈快速伸展过程中,并没有深部地幔的剥露,产生介于火山型和非火山型之间的被动大陆边缘。南海北部已经证实下地壳高速层的存在,然而南海南部是否存在高速层存在较大争议。火山活动集中在南海停止扩张之后,断裂处存在地壳厚度的突变,但是目前成因还不清楚;南海盆地的深部构造与浅层构造之间的关系也不明确。针对上述问题,在地震地质构造解释的基础上,开展地壳结构的重震联合反演和二维岩石圈结构模拟工作,分析地壳结构的空间变化特征和下地壳高速层成因;刻画盆地岩石圈热结构及速度密度结构特征。针对典型的地震剖面分析南海中南部地层层序、断层活动性以及火成岩的形成时代;结合前人关于南海构造演化的数值模拟结果,探讨南海南部深部结构成因。(1)重震联合反演建立了南海中南部地区地壳结构模型。利用区域地震剖面,识别刻画莫霍面异常反射特征。通过研究区高分辨率二维地震数据和重力数据的约束,进行了重震联合反演。莫霍面深度自南部陆缘向中央海盆逐渐变浅。盆地内部莫霍面起伏较大,各个盆地的莫霍面深度分布范围基本在10~24km之间。莫霍面西浅东深,这可能与古南海自西向东闭合、新南海自东向西打开有关。在南薇西盆地和北康盆地西部、南沙海槽盆地以及礼乐盆地的西部和南部均有分布厚度0.5~8km的下地壳高速层。(2)岩石圈结构模拟揭示了南海南部深部结构特征。运用研究区地形、布格重力异常和热流值等数据结合岩石学参数建立综合地球物理—岩石学二维岩石圈结构模型。西南次海盆岩石圈与软流圈边界(LAB)深度近于恒定,约72公里(1330°C等温线)。LAB面在南薇西盆地75km左右,礼乐盆地西南部不断加深到约80公里,整体下凹,该结果与前人通过瑞利波基本频散曲线的分析结果吻合性较好。与周边其他地区相比,现今南沙地块是低温块体,莫霍面温度低于或接近居里面温度。LAB面处存在p波速度突变,增长量0.1~0.15km/s;南沙地块70~150km范围内存在s波低速带,未识别出柱状通道,因此不支持海南地幔柱对南海扩张的作用。(3)分析了下地壳高速层成因。南海南部存在下地壳高速层,高速层按成因分为两类,北康盆地、南薇西盆地和礼乐盆地区伸展因子1.5~4左右;地壳减薄程度不足以使海水进入到地幔与橄榄岩反应发生蛇纹石化;火山喷发时代为中新世之后,推测此处的高速层为新生代残余岩浆,主要为南海扩张停止后形成。南沙海槽盆地区全壳伸展因子最高可达11.2,地壳强烈减薄可发育深大断裂切穿至下地壳,成为海水下渗的通道;高速层处最高温度420℃,具备保存蛇纹石的温度条件。火山喷发时代为中新世之后,推测此处高速层为发生蛇纹石化的橄榄岩与南海停止扩张后岩浆的混合体。(4)探讨了南海深部结构与浅部构造的关系以及成因。南海南部地区岩石圈厚度自洋盆至陆缘逐渐加厚,软流圈上涌对南海扩张具有促进作用,加速了古南海俯冲消亡与新南海的扩张。正是由于软流圈的上涌作用,地幔发生减压熔融形成MORB型玄武岩以及洋壳。23Ma时发生洋脊跃迁作用,致使新老扩张脊之间形成岩浆残留区,贮存部分熔融岩浆。在南海停止扩张之后,残存岩浆重新大的固相线,发生底侵作用沿着地上断裂喷出地表形成火山。莫霍面处残留的岩浆即下地壳高速层。现今南沙地块是低温块体,在南海扩张后期发生过快速冷却;热沉降阶段,地壳岩石圈收缩莫霍面下降,重新达到均衡状态,在洋陆过渡带诱发次级断裂。