西太平洋若干溝-弧-盆體系及板內巖漿成因研究進展*

張國良 王 帥 張 吉 羅 青 李鐵剛,

(1. 中國科學院海洋研究所 海洋地質與環境重點實驗室 青島 266071; 2. 青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋地質過程與環境功能實驗室 青島 266061; 3. 國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061)

地球是太陽系及系外明確已知有板塊構造的唯一一個行星(Nimmoet al, 2000; Lenardicet al, 2012)。板塊構造啟動以后, 固體地球內外物質交換的形式發生了巨大改變(Korenaga, 2013; Duncanet al,2017)。大洋板塊俯沖是板塊構造的關鍵環節, 不僅形成島弧巖漿作用, 也使得大洋巖石圈重返地幔, 重返地幔的大洋巖石圈(洋殼或巖石圈地幔部分)又可以重新熔融形成板內巖漿作用(如地幔柱作用)(Hofmann,1997; Sobolevet al, 2005)。西太平洋(黃帝嶺-夏威夷以西)分布了地球上 60%以上的溝-弧-盆體系, 其中聚集了全球幾乎所有的洋內俯沖帶, 并有全球分布密度最高的板內火山活動(海山和洋底高原)(圖1)。主要島弧系統從北向南, 包括阿留申俯沖帶、勘察加俯沖帶、琉球俯沖帶、伊豆小笠原-馬里亞納俯沖帶、雅浦-帕勞俯沖帶、馬努斯俯沖帶、湯加-科瑪迪克俯沖帶, 及其相關的弧后盆地系統(圖 1)。盡管這些島弧俯沖帶距離大陸邊緣遠近不同, 但對島弧火山巖的放射性定年表明, 這些島弧都形成于始新世以來(＜50Ma)(Arculuset al, 2015a; Reaganet al, 2013)。島弧開始形成的年齡, 大致對應于黃帝嶺-夏威夷海山鏈所記錄的太平洋從北西西向北北西轉向的時間(Setonet al, 2015)。因此, 有研究普遍認為西太平洋板塊俯沖與太平洋板塊向西的運動轉向有關(Setonet al, 2015)。但是, 關于太平洋向西運動和西太平洋俯沖帶形成的因果關系還存在較大爭議(Setonet al,2015)。尤其是, 中國陸地中生代以來存在古太平洋板塊的向西俯沖, 但沒有證據顯示現代西太平洋俯沖帶與古太平洋板塊俯沖的相關性(Zhouet al, 2000;Sunet al, 2007)。也有研究認為, 太平洋向北運動期間形成了南北方向轉換斷層, 后來這些轉換斷層在始新世以后轉換為俯沖帶(Uyedaet al, 1972; Muelleret al, 1991; Collotet al, 1995)。為了研究西太平洋島弧的發育歷史, 國際上在近年來對馬里亞納島弧系統開展了一系列大洋鉆探工作(IODP 350-352)。其中研究早期島弧演化, IODP 350航次在伊豆后弧進行了鉆探。IODP 351航次基于對IBM島弧形成的問題研究, 在九州-帕勞海嶺的西側進行鉆探, 獲得的樣品對于理解初始俯沖和隨后的島弧演化有重大意義(Arculuset al, 2015b)。IODP 352航次通過對前弧的鉆探來驗證初始俯沖的過程。通過鉆探獲得的樣品和數據, 有助于對弧前的地殼演化和初始俯沖過程有更好的了解(Pearceet al, 2015)。

大洋板塊在海溝處俯沖進入地幔之前經歷了脫水/熔融作用, 這是導致島弧地幔楔加水熔融的關鍵因素(Pearceet al, 1995; Kelleyet al, 2006)。通常認為,島弧和弧后盆地火山巖中較高的揮發分(包括水)含量和廣泛的親流體元素(如Cs, Rb, Ba, U等)富集, 體現了俯沖板塊脫水對島弧巖漿的影響(Pearceet al, 1995;Kelleyet al, 2006)。大洋板塊在俯沖帶經歷的脫水或熔融過程, 會直接影響殘留并最終進入地幔的板塊組成。然而, 關于俯沖板片是否通過部分熔融對島弧巖漿產生貢獻, 還存在較大爭議(Castilloet al, 2009)。通過同一島弧的不同俯沖板塊組成、或通過同一俯沖板塊俯沖形成的不同島弧系統火山巖進行對比研究,有助于分析俯沖板塊組成變化對島弧巖漿的影響,從而揭示俯沖過程因素和板塊熔融/脫水過程對島弧系統巖漿成因的控制機理(Castilloet al, 2009)。弧后盆地通常是由于板塊俯沖在島弧后側形成的弧后拉張所致。西太平洋的海盆, 除了與已知島弧的弧后拉張有關以外, 一些則并沒有對應明確的現代島弧。如菲律賓海盆、加洛林海盆、南海海盆等(圖 1)。由于這些海盆都位于現代西太平洋島弧靠陸地一側, 通常認為這些海盆的形成也與弧后拉張有關(Sunet al,2016; Deschampset al, 2002)。弧后拉張形成的巖漿主要反映了上地幔源區的組成。西太平洋弧后盆地玄武巖的地球化學組成顯示, 巖漿的地幔源區廣泛存在Dupal異常。Dupal異常是指地幔的Pb同位素組成在208Pb/204Pb vs.206Pb/204Pb圖上位于北半球參考線以上(Hart, 1984; Dupréet al, 1983)。Dupal異常通常在南半球的中低緯度地區廣泛存在, 因此通常也叫南半球同位素組成異常。后來研究發現, 無論是在南半球還是北半球的西太平洋海盆, 也存在著 Dupal異常(Hickey-Vargas, 1998; Floweret al, 2001; Miyazakiet al, 2015)。關于Dupal異常是否來自南半球軟流圈, 或是西太平洋地幔固有的組成特征, 還是西太平洋地幔受到俯沖板片熔融作用并對弧后盆地上地幔產生混染的結果, 目前還有很大爭議(Hickey-Vargas, 1998;Floweret al, 2001; Miyazakiet al, 2015)。

西太平洋除了廣泛存在溝-弧-盆體系以外, 還是全球大洋板內巖漿較為集中的海區。馬里亞納島弧前緣的太平洋板塊具有全球最高的海山分布密度, 多個海山鏈交錯分布。除了海山以外, 這里還分布著多個洋底高原。如Ontong Java洋底高原、Manihiki洋底高原、Hikurangi洋底高原、本漢姆隆起(Benham)、Urdaneta隆起、加洛林洋底高原等。根據基巖組成類型(拉斑或堿性玄武巖)和年齡分布規律, 可以分為有年齡序列和無年齡序列兩種不同類型。典型的海山鏈有年齡序列, 其形成最可能來自地幔柱活動, 源區可能與俯沖-再循環的俯沖大洋板塊有關(Abouchamiet al, 2005)。近年來, 研究認為一些海山的形成(尤其是無年齡序列的海山)可能不需要地幔柱的存在。例如,大洋板塊內部剪切帶形成的巖漿活動(Conradet al,2011), 淺部物質小尺度地幔對流形成的巖漿活動(Hoernleet al, 2011; Kipfet al, 2014)。一部分海山的形成明顯不與地幔柱有關。例如, Petit spots的海山形成于古老的太平洋之上的年輕海山, 不是來自地幔柱活動(Hiranoet al, 2006)。海山是由板內火山活動形成, 實際上西太平洋海山大多由堿性玄武巖組成。但是, 堿性玄武巖的形成機制還存在著較大爭議(Kogisoet al, 2003; Dasguptaet al, 2006)。認識西太平洋海山的形成機制, 必須對堿性玄武巖的形成機制進行詳細研究。

圖1　西太平洋構造和地形分布圖Fig.1 Topography and tectonics of the western Pacific

1　西太平洋溝-弧-盆體系和板內火山活動的年齡框架

1.1　主要溝-弧-盆體系的構造和年齡

伊豆-小笠原-馬里亞納島弧、雅浦島弧和帕勞島弧構成了菲律賓海板塊的東南邊界, 是菲律賓海板塊、太平洋板塊和卡羅琳板塊之間的匯聚型板塊邊界,也是全球典型的在大洋內部發育的島弧。從馬里亞納島弧到九州-帕勞海脊, 自東向西依次分布著: 馬里亞納島弧, 其島弧火山活動仍舊活躍, 弧前區有古近紀的火山巖; 馬里亞納海槽, 是活動的弧后盆地; 西馬里亞納海脊, 是島弧火山活動已經停止的殘留弧;帕里西維拉海盆, 是停止擴張的弧后盆地, 中部帕里西維拉裂谷為海盆的擴張軸; 九州-帕勞海脊, 是島弧火山活動已停止的殘留弧(圖1)。

在西太平洋匯聚板塊邊界中, 馬里亞納島弧最為典型。馬里亞納島弧發育了完整的“溝-弧-盆”體系,發育成熟程度高(Kimet al, 2009), 研究程度也相對較高。Karig最先提出島弧裂解和弧間擴張的假說(Karig, 1971, 1974), 認為馬里亞納俯沖帶的后撤形成了一系列殘留弧和弧后海盆。隨后進行的DSDP59航次的結果表明, 在九州-帕勞海脊的 448站位獲取的安山玄武巖年齡為 34—32Ma, 帕里西維拉海盆的449、450站位的基底年齡分別為24和17Ma (Scottet al, 1980)。西馬里亞納海脊的451站位獲取的火山巖年齡為 11Ma。DSDP60航次鉆探結果表明馬里亞納海槽是早上新世以來形成的。馬里亞納島弧的構造運動和火山活動至今仍然活躍。馬里亞納島弧火山巖類型為玄武質、安山質和英安質, 年齡不超過上新世。前弧地區存在拉斑和鈣堿性系列的火山巖, 它們的產生可能與始新世到早漸新世, 晚漸新世到古新世的兩次大規模的火山活動有關(Shirakiet al, 1978)。ODP125和 ODP126航次在伊豆-小笠原-馬里亞納弧前區獲得的巖石以玻安巖為主, 基底年齡為始新世—早漸新世(Lapierreet al, 1992), 海溝內側溝壁巖石類型以拉斑玄武巖、安山巖為主(Sternet al, 2003)。這些研究成果支持 Karig(1971)提出的弧間擴張和殘留弧模式。因此, 本文總結出馬里亞納島弧早漸新世以來的演化歷史: 30Ma左右, 初始IBM島弧開始裂解, 島弧火山作用逐漸停止, 四國海盆、帕里西維拉海盆開始擴張; 15Ma左右, 四國海盆和帕里西維拉海盆擴張停止, 現今九州-帕勞海脊殘留弧基本形成;11Ma左右, 伊豆-小笠原-馬里亞納島弧處的火山活動重新活躍; 5Ma左右, 島弧開裂為西馬里亞納海脊和馬里亞納島弧, 擴張形成馬里亞納海槽。

雅浦島弧系統東側受卡羅琳洋底高原俯沖, 東北部與馬里亞納海溝近直角相交, 北連帕里西維拉海盆擴張中心, 南接帕勞島弧。雅浦島弧基本由變質巖組成, 火山巖也有零星分布。缺乏活動性的島弧火山活動(Shiraki, 1971; Hawkinset al, 1977, Oharaet al,2002); 加洛林洋脊從東向西俯沖于雅浦海溝, 但弧后擴張盆地并不發育(Satoet al, 1993, Kobayashi,2004)。成熟島弧的溝弧間距一般在100—200km(Satoet al, 1993; Kimet al, 2009), 而雅浦島弧的溝弧間距異常短, 約為50km (Fujiwaraet al, 2000)。弧前無明顯沉積物發育, 增生楔缺失。地震活動性很弱, 震源深度不超過40km(Oharaet al, 2002)。關于雅浦島弧的成因并沒有一致的結論。McCabe等(1983)研究認為在早中新世時, 卡羅琳洋脊的碰撞使雅浦島弧的火山作用停止, 并導致雅浦的弧前地區遭受俯沖侵蝕。Fujiwara等(2000)通過地球物理的結果認為現今雅浦島弧的主體部分代表帕里西維拉海盆的洋殼。Ohara等(2002)通過研究雅浦海溝的橄欖巖和火山巖認為, 橄欖巖來源于島弧拉斑玄武巖漿產生之后的殘余地幔物質, 是與雅浦弧前環境相關的超基性巖,并不是來自帕里西維拉海盆地或者捕獲的洋殼巖石圈物質。

帕勞島弧火山巖類型為玄武巖、安山巖和英安巖,其 K-Ar年齡為 37.7—20.1Ma (Hastonet al, 1988,1991)。帕勞海溝和雅浦海溝的俯沖速率都很低(帕勞海溝為3—0mm/yr, 雅浦海溝為6—3mm/yr), 遠小于馬里亞納海溝的俯沖速率(40—30mm/yr)。馬里亞納、雅浦、帕勞島弧形成了一個連續的島弧體系, Matsuda等(1997)研究認為帕勞、雅浦、馬里亞納島弧可能分別代表島弧演化三個不同階段: 帕勞島弧代表島弧發展的初始階段; 雅浦島弧代表島弧的埋藏或區域變質階段; 馬里亞納島弧代表島弧發展的成熟階段。

西太平洋的海盆的形成主要與弧后拉張環境有關, 主要形成于新生代以來(表1)。其中, 菲律賓海是西太平洋溝-弧-盆體系最大的海盆。九州-帕勞海嶺及其西馬里亞納海嶺將菲律賓海分為三部分; 菲律賓海的西部由西菲律賓海盆和奄美高原組成。西菲律賓海盆是菲律賓海最大最深的海盆, 對于海盆的形成目前還存在較大的爭議(Hildeet al, 1984)。其中最主要的觀點是菲律賓海盆的打開分為兩個階段: 在中央盆地斷裂帶第一階段在 60—45Ma沿東西向打開,在這一階段形成的高原和隆起可能是由巖漿活動形成的; 第二階段在45—35Ma沿北東—南西向平行于九州-帕勞海嶺打開(Hildeet al,1984; Okinoet al,1999)。

卡羅琳板塊位于太平洋板塊, 菲律賓海板塊, 印度-澳大利亞板塊之間, 主要由卡羅琳海盆、索羅爾海槽、西卡羅琳洋脊構成。索羅爾海槽為卡羅琳板塊與太平洋板塊的分界(Bird, 2003), 將卡羅琳洋脊分為近乎平行的兩部分: 東卡羅琳洋脊和西卡羅琳洋脊。海底地磁條帶研究顯示加洛林海盆年齡為兩個階段:42—25、18—13.7Ma (Bracey, 1975)。DSDP 62、63鉆孔的研究結果確定了卡羅琳基底的年齡為37—24Ma (Gainaet al, 2007)。最初研究認為, 卡羅琳海盆沿歐里匹克隆起(Eauripik Rise)東西向擴張, 但后來的研究表明海盆的擴張方向為南北向(Braceyet al, 1974)。一般認為, 卡羅琳板塊向南俯沖, 弧后擴張形成了卡羅琳海盆(Weisselet al, 1978)。

菲律賓海盆以西的亞太地區還存在這一系列新生代時期形成海盆, 這里處于歐亞板塊的巽他陸架、澳大利亞-新幾內亞板塊及太平洋-菲律賓海板塊的交界處, 具有復雜的構造環境。主要包括: 南海、蘇祿海、西里伯斯海。南海位于歐亞大陸、太平洋、印度洋的交界處, 形成于東南亞大陸裂解后形成的擴張盆地。通過地磁條帶和鉆孔玄武巖年代學研究, 認為南海擴張發生在33—16Ma(Briaiset al, 1993; Liet al,2014)。由于南海海盆的獨特構造背景, 關于南海擴張形成和演化的動力學原因是極具爭議的。南海擴張有關的動力學模型, 包括印支半島的構造侵入(Briaiset al, 1993)、作為弧后擴張盆地而形成(Karig, 1973;Hildeet al, 1977; Sunet al, 2016)、海南地幔柱的影響(Floweret al, 1998), 或者與古南海(proto-South China Sea)俯沖拖拽有關(Holloway, 1982; Tayloret al,1982)。2014年, IODP 349航次首次對南海海盆基巖進行了科學鉆探, 獲得了東部次海盆和西南次海盆殘留脊附近的玄武巖, 證實了南海海盆是由海底擴張形成的洋殼組成。隨后的IODP 367、368航次連續對南海北部進行了鉆探, 也獲得了洋殼玄武巖。詳細的巖石學和地球化學研究, 可以為南海形成和相關地幔深部信息提供重要約束。

蘇祿海西與北婆羅洲的沙巴州相鄰, 東與菲律賓群島相鄰, 南邊蘇祿群島將蘇祿海與西里伯斯海分開, 北邊巴拉望島將南海與蘇祿海隔開。內部北東向的卡洛延嶺將蘇祿海分成了西北水深 1000—2000m和東南水深 4500—5500m兩個海盆。整個蘇祿海西北海盆具有較厚的島弧型的洋殼(Murauchiet al, 1973; Jolivetet al, 1989)。蘇祿海東南海盆具有典型的洋殼特征, 洋殼向蘇祿海溝的方向逐漸傾斜。關于蘇祿海東南海盆的成因主要存在兩種爭議: 弧后擴張(Uyedaet al, 1979; Mitchellet al, 1986)和自班達海到蘇祿海一個連續的洋盆(Leeet al, 1986; Spadeaet al, 1996)。也有研究認為蘇祿海東南海盆是弧后擴張的結果。地磁條帶異常及周邊島嶼的構造演化相關研究認為, 自班達海到蘇祿海最初是一塊連續的大洋基底(Leeet al, 1986; Parsonset al, 1977)。地磁條帶異常研究認為, 蘇祿海盆的打開年齡在 41—45Ma(McCabeet al, 1982; Muelleret al, 1991)。Taylor和Hayes認為N80°E地磁異常具有低振幅, 低強度的特點與南海的洋殼有密切聯系, 蘇祿海為南北向打開的(Tayloret al, 1983)。在古近系時西里伯斯海在卡洛延嶺的位置俯沖到蘇祿群島的下面, 在早漸新世的時候(30—37Ma)島弧南移, 此時蘇祿海東南海盆在蘇祿海嶺北邊以弧后擴張的形式打開(Mitchellet al,1986)。據蘇祿海盆的地球動力學研究, 蘇祿海的打開及其俯沖終止經歷了10—15Myr (Uyedaet al, 1979)。而關于關閉的原因可能與巽他陸架的側向碰撞有關,并導致了蘇祿海海盆的傾斜(Rangin, 1989)。Leg 124-768的生物地層樣品得到了蘇祿海洋殼的年齡最少為17—18Ma (Muller, 1991; Roeser, 1991), 根據地磁條帶異常獲得的蘇祿海盆的打開年齡在 30—37Ma(Müller, 1991; Roeser, 1991)。對于西里伯斯海的研究對其成因有三種觀點: 大陸邊緣裂解的盆地, 古老海盆的碎片或弧后擴張(Murauchiet al, 1973; Leeet al,1986)。對于這兩個海盆的形成年齡的研究主要基于地磁條帶、熱流值、生物地層、及同位素地球化學測年方法。西里伯斯海的年齡主要通過地磁條帶, 熱流值及其生物地層得出的形成時間在42—47Ma(Nicholset al, 1999; Shyuet al, 1991)。然而, Lee 和McCabe對地磁條帶和熱流值的解釋為西里伯斯海的打開時間為65—72Ma (Leeet al, 1986)。根據取自卡洛延嶺Site769及Site771的玄武巖樣品進行K-Ar測年得到卡洛延嶺的年齡在23.9—25.8Ma (Bellonet al,1991)。

表1　西太平洋主要海盆的形成時代Tab.1 Ages of major ocean basins in the Western Pacific

1.2　板內火山活動年齡和分布

西太平洋存在大量板內火山活動形成的海山鏈。其中, 馬里亞納島弧以東, 是全球大洋海山最為集中的海區。這里有Japanese-Joban鏈(103.6—94 Ma)、北Wake (113—109 Ma)及南 Wake海山鏈(119.7—89.7Ma)、Magellan海山鏈(117.8—87.1Ma)、Gilbert海山鏈(77.9—65.7Ma)、Tokelau 海山鏈(72.1—66.1Ma)等。相關研究認為, 這些海山大多與位于中太平洋的超級地幔柱在早白堊—晚白堊期間的活動有關(Suetsuguet al, 2009)。南半球西太平洋的主要海山鏈有路易斯維爾(Louisville)海山鏈, 其最老一端與湯加-科瑪迪克島弧相交, 年齡為 78Ma (Kopperset al,2004)。這是僅次于黃帝嶺-夏威夷海山鏈以外的第二長海山鏈, 通常被認為形成于一個長期的地幔柱活動。西太平洋海山鏈還存在于邊緣海盆中, 如, 南海海盆中存在多個海山, 尤其是, 南海擴張停止后沿殘留脊形成了一個海山鏈(～16Ma)(Liet al, 2014)。

除板內海山以外, 也形成了大量規模巨大的洋底高原。其中, Ontong Java高原是現存海洋中最大的洋底高原, 形成于124—119Ma期間的一個地幔柱活動(Larson, 1997)。最近的研究認為, Ontong Java洋底高原只是代表了這次地幔柱活動形成的洋底高原的一部分, 而西太平洋的Manihiki和Hikurangi洋底高原也是該次地幔柱活動的產物, 由于中生代時期古太平洋擴張中心的活動, 將Manihiki和Hikurangi洋底高原與Ontong Java洋底高原分離并位于現在的位置(Taylor, 2006)。Benham隆起位于西菲律賓海盆的西部邊緣, 是一個相對較小的長方形隆起。關于Benham隆起的形成時間: McKee使用Benham隆起南側的Site 292的樣品用K-Ar法測得了年齡在37.5Ma(McKee, 1975)。Hilde等(1984)認為Benham隆起是在菲律賓海打開的第二階段, 沿中央海盆斷裂帶通過巨量巖漿活動形成。相對應地, 位于東北部的Urdaneta隆起與Benham隆起相對中央裂谷帶具有相同的距離, 被認為是同一隆起, 巖漿作用之后通過轉換斷層分開成為現在的兩個隆起, 然后伴隨海盆的打開運動到現在的位置(Hildeet al, 1984)。Karig(1975)認為Benham隆起可能代表了一種沿呂宋島東邊的俯沖結束的撓曲, 也可能是代表了一種西菲律賓海盆形成后的大規模的巖漿活動。對Benham隆起的巖石學及其地球化學性質的認識, 主要是基于在 DSDP Site292鉆孔在 Benham隆起南緣的玄武巖巖芯。Benham隆起的基底玄武巖主要為堿性玄武巖, Pb同位素組成顯示玄武巖具有Dupal異常。Dupal異常原因可能是其形成時位于南半球Dupal異常區, 或是形成過程受到菲律賓海板塊巖石圈地幔的混染(Daleet al, 2008)。

加洛林洋底高原-海山鏈是新生代以來太平洋北半球唯一一個與夏威夷海山鏈平行的海山鏈(圖 1)。自西向東海山鏈(Truk、Ponape、Kusaie)的年齡逐漸變年輕, 且海山玄武巖同位素組成也非常均一, 被認為是來自一個地幔柱活動(Keatinget al, 1984)。加洛林海山鏈與位于雅浦島弧東側的東、西加洛林脊相連接, 兩者之間存在一個索羅爾海槽。但東、西加洛林脊的基底性質長期以來缺少基巖采樣, 這使得兩者的成因一直神秘莫測。有研究推測西加洛林脊代表一個曾經活動的島弧, 其殘留俯沖帶位于西加洛林脊的南側。2015年熱帶西太平洋專項對加洛林脊進行了詳細的巖石基底采樣, 發現均由洋島型玄武巖組成。這說明加洛林洋脊可能代表分裂的洋底高原, 與該洋底高原以東的加洛林海山鏈可能具有成因聯系。

2　主要科學問題和研究進展

2.1　西太平洋地幔組成異常成因研究

Dupal異常最早是由 Hart(1984)提出, 通常是指玄武巖在208Pb/204Pb vs.206Pb/204Pb 和207Pb/204Pb vs.206Pb/204Pb相關圖上位于北半球參考線之上。最早發現于南半球中低緯度的洋島玄武巖, Dupal異常(也稱南半球同位素異常)最初被認為是南半球軟流圈專有特征, 如印度洋、南大西洋(Hart, 1984, 1988; Agranieret al, 2005)。后來發現南半球的印度洋和大西洋的洋殼玄武巖普遍具有Dupal異常, 被稱為印度洋型玄武巖。相應地, 太平洋和北大西洋的洋殼玄武巖通常不存在Dupal異常, 被稱為太平洋型玄武巖。上地幔存在Dupal異常的起源(或印度洋型地幔的來源)還存在不同的認識, 包括地幔柱的混染、大陸下地殼或巖石圈地幔拆沉/混染、再循環沉積物的影響等。然而, 隨著Dupal異常在北半球的洋中脊玄武巖(MORB)中發現[例如在北冰洋Gakkel洋脊(Goldsteinet al, 2008)、菲律賓海(Hickey-Vargas, 1998)], 已經認識到北半球歐亞大陸邊緣海盆軟流圈也存在Dupal異常。隨著研究逐漸增多, 發現西太平洋海盆也普遍存在Dupal異常, 例如菲律賓海、日本海、馬里亞納海槽、勞海盆等(Hickey-Vargas, 1998)。西太平洋的島弧玄武巖也主要體現了Dupal異常的特征, 或者是印度洋型玄武巖(Castillo, 1996)。然而, 關于西太平洋海盆玄武巖Dupal異常的來源還存在很大爭議, 其與印度洋Dupal異常的關系存在不同認識(Hickey-Vargas, 1998,Floweret al, 2001)。北半球西太平洋的擴張海盆玄武巖(如菲律賓海盆、Mariana海槽、帕里西維拉海盆)的Dupal異常來源一直存在爭議: 如來自于向北遷移的南半球軟流圈特征(Hickey-Vargaset al, 1998), 還是來自東亞大陸下部混染的軟流圈(Floweret al,2001)。盡管如此, 長期以來仍未知道西太平洋Dupal異常是否延伸到亞洲大陸下部的軟流圈。

介于三個板塊之間的南海特殊位置對于認識北半球軟流圈的 Dupal異常分布有重要意義。在“海洋專項”的資助下, 作者對南海IODP 349航次獲得南海擴張期玄武巖進行了詳細的元素和同位素(Sr-Nd-Pb-Hf)地球化學分析, 發現南海擴張期海盆玄武巖具有Dupal異常(圖2), 同位素組成與印度洋洋中脊玄武巖相似(未發表), 且南海玄武巖具有很寬的 Pb同位素組成范圍(206Pb/204Pb, 17.6—18.6)(圖2)。這說明西太平洋菲律賓海板塊和中國華南大陸之間的軟流圈存在Dupal異常的連續性。同位素地球化學結果也顯示,產生南海地幔 Dupal異常的富集端元與菲律賓海板塊地幔端元存在明顯差異。這顯示, 南海軟流圈的Dupal異常來源可能與菲律賓海板塊不同。菲律賓海盆與南部特提斯洋之間的俯沖帶可能阻隔了軟流圈向北流動(Floweret al, 1998, 2001)。南海位于印度洋板塊以北, 兩者被Sunda-Java島弧隔開。Sunda-Java島弧自古特提斯洋俯沖以來就長期存在(至少 150Ma以前)(Metcalfe, 2011), 是長期以來東南亞大陸和印度洋之間軟流圈之間的天然屏障。古特提斯和印度洋板塊的向北俯沖可能導致了 Sunda-Java島弧俯沖帶以北的軟流圈向南遷移。因此, 南海的Dupal異常不可能是來自南部的印度洋軟流圈流動。南海海底的開始擴張(～33Ma)明顯比 Sundaland俯沖帶年輕很多,這說明南海玄武巖地幔源區的 Dupal異常是反映了南海裂開之前東南亞大陸下的軟流圈特征。為解釋南海海盆玄武巖的同位素組成, 作者通過地幔端元混合計算, 認為南海地幔的Dupal異常是在南海打開過程中形成的, 不僅受到大陸裂解過程中大陸下地殼的混染, 還受到了海南地幔柱的影響(未發表)。對南海的地幔端元起源的認識, 對于理解南半球軟流圈Dupal異常來源有著重要參考價值。

圖2　南中國海IODP 349航次玄武巖(U1431-U1434)Pb同位素組成Fig.2 Pb isotope compositions of the South China Sea seafloor basalts collected during Cruise IODP 349

2.2　西太平洋板內島弧巖漿物質來源研究

位于板塊匯聚邊界的島弧俯沖體系是地球上最活躍的構造單元(Pearceet al, 1995)。大洋板塊在俯沖帶返回地幔的過程中脫水/熔融, 從而直接影響了島弧巖漿的組成和作用機制。一般認為, 受俯沖大洋板塊脫水的影響, 島弧巖漿的形成是由于弧下地幔楔加水熔融導致的(Pearceet al, 1995)。然而, 有研究認為俯沖板片對島弧巖漿的貢獻不只是含水流體, 而是板片俯沖過程中也發生了部分熔融, 對島弧巖漿也產生了貢獻(Castilloet al, 2009)。目前, 島弧巖漿的成因機制還存在不同見解。通常認為, 影響島弧巖漿組成的因素包括弧下地幔楔的組成、俯沖板片的組成變化、以及俯沖過程(如俯沖板片角度、俯沖速率等)。對島弧巖漿巖的地球化學研究表明, 地幔楔的虧損程度及俯沖物質的組成都會影響島弧巖漿成分(Johnsonet al, 1999; Elliott, 2003; Turneret al, 2009;Timmet al, 2013; Priceet al, 2016)。同時, 在地球物理探測和數值模擬方面的進展有助于約束俯沖過程的物理條件。其中, 俯沖帶的溫度結構控制了板片脫水/熔融的條件(van Kekenet al, 2002, 2011; Syracuseet al, 2010), 進而影響島弧巖漿熔體的產生(Kelleyet al, 2006)。俯沖巖石圈年齡、俯沖帶剪切熱、俯沖角度及俯沖速率都會影響俯沖帶的溫度結構(Peacock,1990, 1996; Zellmeret al, 2015)。實際上, 過去關于地幔楔組成和板片組成對島弧火山影響研究較多, 而關于板片俯沖過程的研究則相對較少。

湯加-科瑪迪克俯沖體系的俯沖速率南北差異較大(湯加島弧北部約為 83mm/yr, 科瑪迪克南部約為46mm/yr), 且島弧巖漿巖的地球化學成分存在明顯差異, 是研究島弧巖漿作用控制因素的理想場所。Ewart等(1987)根據島弧巖漿巖的微量元素及Nd、O、Sr、Pb同位素數據發現, 從湯加島弧北部到Kermadec南部, 島弧拉斑玄武巖和玄武質安山巖從極度虧損高場強元素(high field-strength elements, HFSEs)變化為接近N-MORB型富集HFSE, 指示了島弧下方的巖漿源區(地幔楔)存在不相容元素虧損程度上的差異。Regelous等(1997)分析了湯加-科瑪迪克島弧年輕巖漿巖的 Th、Sr、Pb同位素數據, 認為沿島弧的地球化學變化是由于島弧下部俯沖材料的不同引起的,南部湯加-科瑪迪克島弧巖漿巖中更高的Pb同位素來自于俯沖沉積物的貢獻, 而湯加島弧巖漿巖中的 Pb異常則來自于俯沖洋殼的脫水。Turner等(1997)認為,島弧巖漿中至少含有四種成分, 包括地幔楔、俯沖沉積物、俯沖海山的火山碎屑及沉積物, 以及蝕變洋殼脫水形成的流體。Ewart等(1998)進一步分析認為, 進入俯沖帶的物質的量和成分的不同, 以及上地幔原本的不均一性是導致湯加-科瑪迪克島弧巖漿巖出現南北差異的主要原因: 科瑪迪克俯沖帶更厚的沉積物導致科瑪迪克島弧巖漿中有更高的Th/U和更具放射性的 Pb同位素, 而湯加島弧西側弧后盆地勞海盆的擴張則導致湯加島弧下方的地幔楔更加虧損。

為了驗證溫度結構對島弧巖漿作用的影響及其控制因素, 本項目研究對湯加-科瑪迪克島弧巖漿巖的地球化學數據進行了進一步整理和分析。通過對比發現, 俯沖速率更快的湯加島弧與俯沖速率較慢的科瑪迪克島弧相比, 巖漿巖具有更低的 TiO2含量和更高的Ba/Th、U/Th比值, 指示了更低的俯沖帶溫度和更多的俯沖流體貢獻。由此推斷, 較高的俯沖速率在單位時間內使更多的冷洋殼進入俯沖帶, 導致俯沖帶溫度降低, 并使俯沖板片以脫水為主, 導致島弧巖漿巖中的流體特征(高 LILE/HFSE比值)(大離子親石元素, large ion lithophile element, LIFE)更明顯(Luoet al, 2017)(圖3)。這一結論有助于更好的理解島弧巖漿作用, 以及地球長期的化學分異過程。

2.3　西太平洋板內巖漿成因研究

除了島弧和弧后盆地擴張相關的巖漿活動之外,西太平洋存在大量板內巖漿作用形成的大火成巖省。這些大火成巖省包括洋底高原(如Ontong Java)和有年齡序列的海山鏈(如黃帝嶺-夏威夷), 這些被認為可能形成于地幔柱活動(Larson, 1997; Abouchamiet al,2005; Taylor, 2006)。盡管如此, 西太平洋還有很多海山并不能歸因于地幔柱活動。關于這些板內海山巖漿的成因存在著不同認識, 如巖石圈下部小尺度的淺部地幔對流(Ballmer,et al, 2010); 軟流圈相對巖石圈流動過程中的粘滯性運動(King, 2011); 沿著巖石圈內與板塊運動方向相同的裂隙形成巖漿(McNuttet al, 1997)。

西太平洋海山主要是由堿性玄武巖組成(Kogisoet al, 2003), 但堿性玄武巖的成因, 目前還存在較大爭議。一般認為, 堿性玄武巖來自地幔源區較低的部分熔融程度。然而, 高溫高壓熔融實驗顯示, 干的地幔橄欖巖部分熔融不能形成堿性玄武巖的母巖漿,而 CO2參與熔融下的橄欖巖熔融可以產生富堿的玄武質熔體(Dasguptaet al, 2007)。關于CO2的參與下形成的巖漿如何形成并演化成堿性玄武巖, 認識還遠遠不足。例如, 碳酸鹽化的熔體具有Nb、Ta負異常,如何演化為Nb、Ta正異常的堿性玄武巖還尚不清楚。南中國海擴張停止后, 沿著擴張殘留脊形成了一個海山鏈, 主要由堿性玄武巖組成(Tuet al, 1992)。IODP 349航次在南海殘留脊附近獲得了一系列火山碎屑巖。研究發現, 這些火山碎屑巖是通過富集磷、稀土元素及有 Nb-Ta負異常特征的碳酸鹽化熔體與巖石圈地幔反應, 最終演化成堿性玄武巖(圖 4)(Zhanget al, 2017)。這對于深刻認識板塊內部火山巖作用機制和深部碳循環有重要科學意義。

圖3　板塊俯沖速率對湯加-科瑪迪克俯沖帶巖漿作用的控制示意圖(根據Luo et al, 2017修改)Fig.3 The control of plate subducting rate on Tonga-Kermadec system (Modified based on Luo et al, 2017)

2.4　雅浦島弧的基巖性質

雅浦島弧位于馬里亞納島弧的南端。從雅浦島弧發育結構看, 其具有比一般島弧狹窄的海溝/島弧距離。其中, 馬里亞納溝弧間距約100—150km, 而雅浦島弧僅為50km(張正一等, 2017)。雅浦島弧后也沒有發育相應的弧后盆地(圖 1)。一般認為, 雅浦島弧保留了板塊初始俯沖的島弧形態(Matsudaet al, 1977)。實際上, 雅浦島弧不僅在自身形態上與眾不同, 其海溝前緣正在俯沖的板片也與一般俯沖帶存在很大差別。在雅浦海溝前俯沖的是加洛林洋底高原, 這使得板塊俯沖的速率很低(＜6mm/yr)(Senoet al, 1993)。為查明雅浦島弧海山的基巖性質, “海洋專項”對雅浦島弧進行了基巖采樣, 發現雅浦島弧主要由變質巖組成, 包括角閃巖和少量綠片巖(未發表)。隨后, 該項目對雅浦島弧變質巖進行了電子探針微區分析, 采用角閃石單礦物溫度壓力計、斜長石-角閃石 Na-Ca交換溫度計和角閃石-斜長石 Al-Si壓力計來計算變質溫度/壓力(P/T)條件。計算結果表明: 雅浦島弧角閃巖變質P/T條件為(560—780oC)/(3—6Kbar), 為中等P/T型變質相系(未發表)。根據計算獲得的變質溫壓條件, 研究認為雅浦島弧至少經歷了埋藏變質和變質巖出露兩個過程。雅浦島弧可能經歷了島弧火山巖被剝蝕的過程, 這個過程是由于加洛林洋底高原俯沖侵蝕導致的。這說明洋底高原的持續俯沖對島弧產生了強烈侵蝕, 并最終將原島弧物質帶入俯沖帶地幔中(張吉等, 2017)(圖5)。

圖4　碳酸巖質熔體向堿性玄武巖轉化示意圖(修改自Zhang et al, 2017)Fig.4 Evolution from carbonated melt to alkali basalt (modified from Zhang et al, 2017)

2.5　湯加-科瑪迪克俯沖前緣板塊年齡和成因

湯加-科瑪迪克俯沖帶前正在俯沖的板塊介于Manihiki和 Hikurangi兩個洋底高原之間, 一個東西向的殘留擴張中心(Osbourn海槽)橫穿板塊(Zhanget al, 2012)。地磁條帶研究顯示, 這個板塊形成于白堊紀正極性超時階段(124—80Ma)。但板塊的年齡和形成時的擴張速率長期以來不確定, 尤其是近年來研究顯示這個板塊的形成是在Manihiki和Hikurangi洋底高原形成后不久分離而形成的。Manihiki和Hikurangi洋底高原被認為是與Ontong Java同樣形成于一個地幔柱(主要有 125Ma和 90Ma兩期)(Taylor,2006)。盡管如此, 這個地幔柱與Osbourn擴張中心的關系一直不明確。IODP U1365站位于Osbourn殘留脊的北側 250km處。作者對 U1365玄武巖進行了Re-Os同位素研究, 結果顯示玄武巖年齡為(103.7±2.3)Ma。根據該年齡計算獲得的Osbourn擴張中心擴張速率至少為190mm/yr (Zhanget al, 2016)。據此, 本項研究認為, Osbourn擴張中心代表早期太平洋擴張中心的西段。Pb-Hf同位素結果也顯示,IODP U1365站玄武巖也受到明顯的地幔柱組分的影響(Zhanget al, 2016)。研究認為, 在Osbourn擴張中心擴張過程中的地幔源區受到Ontong Java地幔柱組分的影響。

3　結論

圖5　雅浦島弧下部巖石學結構恢復示意圖Fig.5 Modeling showing lithological structure beneath the Yap arc

西太平洋在全球板塊構造體系中占據重要地位。西太平洋集中了大量大洋內部形成的溝-弧-盆體系和板內火山活動。本文總結了西太平洋代表性島弧俯沖帶形成的構造背景、時代和洋內島弧的可能成因以及西太平洋海盆形成時代和構造環境; 分析了主要島弧和海盆的火山巖的巖石學和地球化學組成, 揭示了西太平洋的地幔Dupal異常分布特征; 總結了西太平洋板內火山作用的組成和分布特征(形成時代、巖石組成和成因)。通過綜述分析, 也指出還有重要的地球科學問題還沒有解決。這些科學問題包括: 西太平洋洋內島弧形成基本機制、俯沖板塊對島弧巖漿的控制機理、弧后盆地Dupal異常的分布來源以及板內巖漿的成因等。在中國科學院“海洋專項”的資助下, 作者對西太平洋雅浦島弧體系、加洛林洋脊、南中國海、湯加-科瑪迪克俯沖帶及前緣俯沖板塊, 進行了巖石學、地球化學和年代學研究, 針對以上科學問題, 取得了一定成果: 雅浦島弧基底主要為變質巖-角閃巖組成, 島弧受到了強烈的加洛林板塊的俯沖侵蝕; 湯加-科瑪迪克島弧火山巖直接反映了俯沖板片俯沖速率的影響, 闡明了俯沖大洋板塊對島弧巖漿作用的控制機理; 通過 Re-Os同位素測定了湯加-科瑪迪克俯沖前緣板塊的年齡為～103.7Ma, 最低擴張速率為190mm/yr, 代表了古太平洋擴張中心; 在南海發現碳酸鹽化的硅酸巖巖漿向堿性玄武巖轉化的現象,并為板內堿性玄武巖提出了新的成因鏈條; 西太平洋Dupal異常連續延伸至南中國海盆。這些新的認識,對認識西太平洋溝-弧-盆體系的成因和板內巖漿作用機理, 以及深刻理解西太平洋在板塊構造體系中(板塊俯沖導致的物質循環、板塊構造動力學)的關鍵作用, 具有重要意義。

致謝感謝科學號全體船隊員的通力合作和共同努力。

張正一, 董冬冬, 張廣旭等, 2017. 板塊俯沖侵蝕雅浦島弧的地形制約. 海洋地質與第四紀地質, 37(1): 41—50

Abouchami W, Hofmann A W, Galer S J Get al, 2005. Lead isotopes reveal bilateral asymmetry and vertical continuity in the Hawaiian mantle plume. Nature, 434(7035): 851—856

Agranier A, Blichert-Toft J, Graham Det al, 2005. The spectra of isotopic heterogeneities along the mid-Atlantic Ridge. Earth and Planetary Science Letters, 238(1—2): 96—109

Arculus R, Bandini A N, Ishizuka Oet al, 2015b. International ocean discovery program expedition 351 preliminary report.International Ocean Discovery Program, 1—66

Arculus R J, Ishizuka O, Bogus K Aet al, 2015a. A record of spontaneous subduction initiation in the Izu-Bonin-Mariana arc. Nature Geoscience, 8(9): 728—733

Ballmer M D, Ito G, van Hunen Jet al, 2010. Small-scale sublithospheric convection reconciles geochemistry and geochronology of ‘Superplume’ volcanism in the western and South Pacific. Earth and Planetary Science Letters,290(1—2): 224—232

Bellon H, Rangin C, 1991. Geochemistry and isotopic dating of Cenozoic volcanic arc sequences around the Celebes and Sulu Seas. In: Proceedings of the Ocean Drilling Program,Scientific Results, Vol.124. College Station, TX: Ocean Drilling Program

Bird P, 2003. An updated digital model of plate boundaries.Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 4(3): 1027, doi:10.1029/2001gc000252

Bowin C, Reynolds P H, 1975. Radiometric ages from Ryukyu Arc Region and an40Ar/39Ar age from biotite dacite on Okinawa. Earth and Planetary Science Letters, 27(3):363—370

Bracey D R, 1975. Reconnaissance geophysical survey of the Caroline Basin. Geological Society of America Bulletin,86(6): 775—784

Bracey D R, Andrews J E, 1974. Western Caroline Ridge: relic island arc? Marine Geophysical Researches, 2(2): 111—125

Briais A, Patriat P, Tapponnier P, 1993. Updated interpretation of magnetic anomalies and seafloor spreading stages in the South China Sea: implications for the tertiary tectonics of southeast Asia. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 98(B4): 6299—6328

Castillo P R, 1996. Origin and geodynamic implication of the Dupal isotopic anomaly in volcanic rocks from the Philippine island arcs. Geology, 24(3): 271—274

Castillo P R, Lonsdale P F, Moran C Let al, 2009. Geochemistry of mid-Cretaceous Pacific crust being subducted along the Tonga—Kermadec Trench: implications for the generation of arc lavas. Lithos, 112(1—2): 87—102

Chekhovich V D, Sukhov A N, Sheremet O Get al, 2012.Cenozoic geodynamics of the Bering Sea region.Geotectonics, 46(3): 212—231

Collot J Y, Lamarche G, Wood R Aet al, 1995. Morphostructure of an incipient subduction zone along a transform plate boundary: Puysegur Ridge and Trench. Geology, 23(6):519—522

Conrad C P, Bianco T A, Smith E Iet al, 2011. Patterns of intraplate volcanism controlled by asthenospheric shear.Nature Geoscience, 4(5): 317—321

Cooper A K, Marlow M S, Scholl D Wet al, 1992. Evidence for Cenozoic crustal extension in the Bering Sea region.Tectonics, 11(4): 719—731

Dale C W, Luguet A, Macpherson C Get al, 2008. Extreme platinum-group element fractionation and variable Os isotope compositions in Philippine Sea Plate basalts: tracing mantle source heterogeneity. Chemical Geology, 248(3—4):213—238

Dasgupta R, Hirschmann M M, Smith N D, 2007. Partial melting experiments of peridotite + CO2at 3 GPa and genesis of alkalic ocean island basalts. Journal of Petrology, 48(11):2093—2124

Dasgupta R, Hirschmann M M, Stalker K, 2006. Immiscible transition from carbonate-rich to silicate-rich melts in the 3 GPa melting interval of eclogite + CO2and genesis of silica-undersaturated ocean island lavas. Journal of Petrology, 47(4): 647—671

Deschamps A, Lallemand S, 2002. The West Philippine Basin: an Eocene to early Oligocene back arc basin opened between two opposed subduction zones. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 107(B12): EPM 1-1—EPM 1-24

Duncan M S, Dasgupta R, 2017. Rise of Earth’s atmospheric oxygen controlled by efficient subduction of organic carbon.Nature Geoscience, 10(5): 387—392

Dupré B, Allègre C J, 1983. Pb-Sr isotope variation in Indian Ocean basalts and mixing phenomena. Nature, 303(5913):142—146

Elliott T, 2003. Tracers of the slab. In: Eiler J ed. Inside the Subduction Factory. Washington, DC: American Geophysical Union, 138: 23—45

Ewart A, Collerson K D, Regelous Met al, 1998. Geochemical evolution within the Tonga-Kermadec—Lau arc—back-arc systems: the role of varying mantle wedge composition in space and time. Journal of Petrology, 39(3): 331—368

Ewart A, Hawkesworth C J, 1987. The Pleistocene-recent Tonga—Kermadec arc lavas: interpretation of new isotopic and rare earth data in terms of a depleted mantle source model. Journal of Petrology, 28(3): 495—530

Flower M F J, Russo R M, Tamaki Ket al, 2001. Mantle contamination and the Izu-Bonin-Mariana (IBM)‘high-tide mark’: evidence for mantle extrusion caused by Tethyan closure. Tectonophysics, 333(1—2): 9—34

Flower M, Tamaki K, Hoang N, 1998. Mantle extrusion: a model for dispersed volcanism and Dupal-Like asthenosphere in East Asia and the western Pacific. In: Mantle Dynamics and Plate Interactions in East Asia. Washington, DC: American Geophysical Union

Fujiwara T, Tamura C, Nishizawa Aet al, 2000. Morphology and tectonics of the Yap Trench. Marine Geophysical Researches,21(1—2): 69—86

Gaina C, Müller D, 2007. Cenozoic tectonic and depth/age evolution of the Indonesian gateway and associated back-arc basins. Earth-Science Reviews, 83(3—4): 177—203

Goldstein S L, Soffer G, Langmuir C Het al, 2008. Origin of a'Southern Hemisphere' geochemical signature in the Arctic upper mantle. Nature, 453(7191): 89—93

Hart S R, 1984. A large-scale isotope anomaly in the Southern Hemisphere mantle. Nature, 309(5971): 753—757

Hart S R, 1988. Heterogeneous mantle domains: signatures,genesis and mixing chronologies. Earth and Planetary Science Letters, 90(3): 273—296

Haston R, Fuller M, Schmidtke E, 1988. Paleomagnetic results from Palau, West Caroline Islands: A constraint on Philippine Sea plate motion. Geology, 16(7): 654—657

Haston R B, Fuller M, 1991. Paleomagnetic data from the Philippine Sea Plate and their tectonic significance. Journal of Geophysical Research, 96(B4): 6073—6098

Hawkins J, Batiza R, 1977. Metamorphic rocks of the Yap arc-trench system. Earth and Planetary Science Letters,37(2): 216—229

Hickey-Vargas R, 1998. Origin of the Indian Ocean-type isotopic signature in basalts from Philippine Sea plate spreading centers: an assessment of local versus large scale processes.Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 103(B9):20963—20979

Hilde T W C, Lee C S, 1984. Origin and evolution of the West Philippine Basin: a new interpretation. Tectonophysics,102(1—4): 85—104

Hilde T W C, Uyeda S, Kroenke L, 1977. Evolution of the western Pacific and its margin. Tectonophysics, 38(1—2):145—165

Hirano N, Takahashi E, Yamamoto Jet al, 2006. Volcanism in response to plate flexure. Science, 313(5792): 1426—1428 Hoernle K, Hauff F, Werner Ret al, 2011. Origin of Indian Ocean Seamount Province by shallow recycling of continental lithosphere. Nature Geoscience, 4(12): 883—887

Hofmann A W, 1997. Mantle geochemistry: the message from oceanic volcanism. Nature, 385(6613): 219—229

Holloway N H, 1982. North Palawan Block, Philippines—its relation to Asian Mainland and role in evolution of South China Sea. AAPG Bulletin, 66(9): 1355—1383

Johnson M C, Plank T, 1999. Dehydration and melting experiments constrain the fate of subducted sediments.Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 1(12): 1007

Jolivet L, Huchon P, Rangin C, 1989. Tectonic setting of western Pacific marginal basins. Tectonophysics, 160(1—4): 23—47 Karig D E, 1971. Origin and development of marginal basins in the western Pacific. Journal of Geophysical Research, 76(11):2542—2561

Karig D E, 1973. Plate convergence between the Philippines and the Ryukyu Islands. Marine Geology, 14(3): 153—168

Karig D E, 1974. Evolution of arc systems in the western Pacific.Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2: 51—75 Karig D E, 1975. Basin genesis in the Philippine Sea. In: Karig D E, Ingle J C Jr eds. Initial Reports, DSDP. Washington, DC:U.S. Government Printing Office, 31: 857—879

Keating B H, Mattey D P, Helsley C Eet al, 1984. Evidence for a hot spot origin of the Caroline Islands. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 89(B12): 9937—9948

Kelley K A, Plank T, Grove T Let al, 2006. Mantle melting as a function of water content beneath back-arc basins. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 111(B9): B09208

Kim Y M, Lee S M, Okino K, 2009. Comparison of gravity anomaly between mature and immature intra-oceanic subduction zones in the western Pacific. Tectonophysics,474(3—4): 657—673

King S D, 2011. Volcanism: eruptions above mantle shear. Nature Geoscience, 4(5): 279—280

Kipf A, Hauff F, Werner Ret al, 2014. Seamounts off the West Antarctic margin: a case for non-hotspot driven intraplate volcanism. Gondwana Research, 25(4): 1660—1679

Kobayashi K, 2004. Origin of the Palau and Yap trench-arc systems. Geophysical Journal International, 157(3):1303—1315

Kogiso T, Hirschmann M M, Frost D J, 2003. High-pressure partial melting of garnet pyroxenite: possible mafic lithologies in the source of ocean island basalts. Earth and Planetary Science Letters, 216(4): 603—617

Koppers A A P, Duncan R A, Steinberger B, 2004. Implications of a nonlinear40Ar/39Ar age progression along the Louisville seamount trail for models of fixed and moving hot spots.Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 5(6): Q06L02

Korenaga J, 2013. Initiation and evolution of plate tectonics on Earth: theories and observations. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 41: 117—151

Lapierre H, Taylor R N, Rouer Oet al, 1992. Mineral chemistry of forearc volcanic rocks from the Ize-bonin arc, Holes 792E and 793B1. In: Proceedings of the Ocean Drilling Program,Scientific Results, Vol.12. College Station, TX: Ocean Drilling Program

Larson R L, 1997. Superplumes and ridge interactions between Ontong Java and Manihiki Plateaus and the Nova-Canton Trough. Geology, 25(9): 779—782

Lee C S, McCabe R, 1986. The Banda-Celebes-Sulu basin: a trapped piece of Cretaceous-Eocene oceanic crust? Nature,322(6074): 51—54

Lenardic A, Crowley J W, 2012. On the notion of well-defined tectonic regimes for terrestrial planets in this solar system and others. The Astrophysical Journal, 755(2): 132

Li C F, Xu X, Sun Zet al, 2014. Ages and magnetic structures of the South China Sea constrained by deep tow magnetic surveys and IODP Expedition 349. Geochemistry,Geophysics, Geosystems, 15(12): 4958—4983

Luo Q, Zhang G L, 2017. Control of subduction rate on Tonga-Kermadec arc magmatism. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, doi: 10.1007/s00343-018-7026-8

Matsuda J I, Zashu S, Ozima M, 1977. Sr isotopic studies of volcanic rocks from island arcs in the western Pacific.Tectonophysics, 37(1—3): 141—151

McCabe R, Almasco J, Diegor W, 1982. Geologic and paleomagnetic evidence for a possible Miocene collision in western Panay, central Philippines. Geology, 10(6):325—329

McCabe R, Uyeda S. 1983. Hypothetical model for the bending of the Mariana Arc. In: Hayes D E ed. The Tectonic and Geologic Evolution of Southeast Asian Seas and Islands:Part 2. Washington, DC: AGU, 27: 281—293

McKee E H, 1975. K-Ar ages of deep-sea basalts, Benham rise,west Philippine basin, leg 31, deep sea drilling project. In:Initial Reports of DSDP. College Station, TX, United States:Ocean Drilling Program, 31: 909—929

McNutt M K, Caress D W, Reynolds Jet al, 1997. Failure of plume theory to explain midplate volcanism in the southern Austral islands. Nature, 389(6650): 479—482

Metcalfe I, 2011. Tectonic framework and Phanerozoic evolution of Sundaland. Gondwana Research, 19(1): 3—21

Mitchell A H G, Hernandez F, Cruz A P D, 1986. Cenozoic evolution of the Philippine Archipelago. Journal of Southeast Asian Earth Sciences, 1986, 1(1): 3—22

Miyazaki T, Kimura J I, Senda Ret al, 2015. Missing western half of the Pacific Plate: geochemical nature of the Izanagi-Pacific Ridge interaction with a stationary boundary between the Indian and Pacific mantles. Geochemistry,Geophysics, Geosystems, 16(9): 3309—3332

Mrozowski C L, Hayes D E, 1979. The evolution of the Parece Vela Basin, Eastern Philippine Sea. Earth and Planetary Science Letters, 46(1): 49—67

Mueller S, Phillips R J, 1991. On the initiation of subduction.Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 96(B1):651—665

Müller C, 1991. Biostratigraphy and geological evolution of the Sulu sea and surrounding area. In: Proceedings of the Ocean Drilling Program, Scientific Results. College Station, TX:Ocean Drilling Program, 124: 121—131

Murauchi S, Ludwig W J, Den Net al. 1973. Structure of the Sulu Sea and the Celebes Sea. Journal of Geophysical Research, 78(17): 3437—3447

Nichols G, Hall R, 1999. History of the Celebes Sea Basin based on its stratigraphic and sedimentological record. Journal of Asian Earth Sciences, 17(1—2): 47—59

Nimmo F, Stevenson D J, 2000. Influence of early plate tectonics on the thermal evolution and magnetic field of Mars. Journal of Geophysical Research: Planets, 105(E5): 11969—11979 Ohara Y, Fujioka K, Ishizukaet al, 2002. Peridotites and volcanics from the Yap arc system: implications for tectonics of the southern Philippine Sea Plate. Chemical Geology,189(1—2): 35—53

Okino K, Ohara Y, Kasuga Set al, 1999. The Philippine Sea: new survey results reveal the structure and the history of the marginal basins. Geophysical Research Letters, 26(15):2287—2290

Parson L M, Hawkins J W, 1994. Two-stage ridge propagation and the geological history of the Lau backarc basin. In: Proc.ODP, Scientific Results. College Station, TX: Ocean Drilling Program, 135: 819—828

Parsons B, Sclater J G, 1977. An analysis of the variation of ocean floor bathymetry and heat flow with age. Journal of Geophysical Research, 82(5): 803—827

Peacock S M, 1990. Numerical simulation of metamorphic pressure-temperature-time paths and fluid production in subducting slabs. Tectonics, 9(5): 1197—1211

Peacock S M, 1996. Thermal and petrologic structure of subduction zones. In: Gray E B ed. Subduction Top to Bottom. Washington, DC: American Geophysical Union, 96:119—113

Pearce J A, Peate D W, 1995. Tectonic implications of the composition of volcanic arc magmas. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 23: 251—285

Pearce J A, Aaron J A, Reagan M Ket al, 2015. International ocean discovery program expedition 352 preliminary report.In: International Ocean Discovery Program, Preliminary Report. International Ocean Discovery Program, 1—86

Price A A, Jackson M G, Blichert-Toft Jet al, 2016. Geochemical evidence in the northeast Lau basin for subduction of the cook-austral volcanic chain in the Tonga trench.Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 17(5): 1694—1724

Rangin C, 1989. The Sulu Sea, a back-arc basin setting within a Neogene collision zone. Tectonophysics, 161(1—2): 119—141

Reagan M K, McClelland W C, Girard Get al, 2013. The geology of the southern Mariana fore-arc crust: implications for the scale of Eocene volcanism in the western Pacific.Earth and Planetary Science Letters, 380: 41—51

Regelous M, Collerson K D, Ewart Aet al, 1997. Trace element transport rates in subduction zones: evidence from Th, Sr and Pb isotope data for Tonga-Kermadec arc lavas. Earth and Planetary Science Letters, 150(3—4): 291—302

Roeser H A, 1991. Age of the crust of the Southeast Sulu Sea basin based on Magnetic anomalies and age determined at Site 768. In: Proceedings of the Ocean Drilling Program,Scientific Results. College Station, TX: Ocean Drilling Program, 124: 339—44

Sato T, Matsu'ura M, 1993. A kinematic model for evolution of island arc-trench systems. Geophysical Journal International,114(3): 512—530

Scott R, Kroenke L, Zakariadze G, 1980. Evolution of the south Philippine Sea: Deep Sea Drilling Project Leg 59 Results. In:International Ocean Discovery Program, Preliminary Report.International Ocean Discovery Program, 803—815

Seno T, Stein S, Gripp A E, 1993. A model for the motion of the Philippine Sea plate consistent with NUVEL-1 and geological data. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 98(10): 17941—17948

Seton M, Flament N, Whittaker Jet al, 2015. Ridge subduction sparked reorganization of the Pacific plate mantle system 60-50 million years ago. Geophysical Research Letters,42(6): 1732—1740

Shih T C, 1980. Magnetic lineations in the shikoku basin. In:Proceedings of the Deep Sea Drilling Project, Scientific Results. Washington, DC: U.S. Government Printing Office,58: 783—788

Shiraki K, Kuroda N, Maruyama Set al, 1978. Evolution of the tertiary volcanic rocks in the Izu-Mariana arc. Bulletin Volcanologique, 41(4): 548—562

Shiraki, Keiichi. 1971. Metamorphic basement rocks of Yap Islands, Western Pacific: possible oceanic crust beneath an island arc.Earth and Planetary Science Letters, 13: 167—174.

Shyu J P, Merrill D, Hsu Vet al, 1991. Biostratigraphic and magnetostratigraphic synthesis of the Celebes and Sulu Seas,Leg 124. In: Proceedings of the Ocean Drilling Program,Scientific Results. College Station, TX: Ocean Drilling Program, 124: 11—38

Sobolev A V, Hofmann A W, Sobolev S Vet al, 2005. An olivine-free mantle source of Hawaiian shield basalts.Nature, 434(7033): 590—597

Spadea P, D’Antonio M, Thirlwall M F, 1996. Source characteristics of the basement rocks from the Sulu and Celebes Basins (Western Pacific): chemical and isotopic evidence. Contributions to Mineralogy and Petrology, 123(2):159—176

Stern R J, Fouch M J, Klemperer S L, 2003. An overview of the Izu-Bonin-Mariana subduction factory. In: Inside the Subduction Factory. Washington, DC: American Geophysical Union, 138: 175—222

Suetsugu D, Isse T, Tanaka Set al, 2009. South Pacific mantle plumes imaged by seismic observation on islands and seafloor. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 10(11):Q11014

Sun W D, Ding X, Hu Y Het al, 2007. The golden transformation of the Cretaceous plate subduction in the west Pacific. Earth and Planetary Science Letters, 262(3—4): 533—542

Sun W D, Lin C T, Zhang C Cet al, 2016. Initiation and evolution of the South China Sea: an overview. Acta Geochimica, 35(3): 226

Syracuse E M, van Keken P E, Abers G A, 2010. The global range of subduction zone thermal models. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 183(1—2): 73—90

Tamaki K, Suyehiro K, Allan J, 1992. Tectonic synthesis and implications of Japan sea ODP Drilling. In: Proceedings of the Ocean Drilling Program, Scientific Results. College Station, TX:Ocean Drilling Program, 127—128: 1334—1349

Taylor B, 1979. Bismarck Sea: Evolution of a back-arc basin.Geology, 7(4): 171—174

Taylor B, 2006. The single largest oceanic plateau: Ontong Java—Manihiki—Hikurangi. Earth and Planetary Science Letters, 241(3—4): 372—380

Taylor B, Hayes D E, 1982. Origin and history of the South China Sea Basin. In: Hayes DE ed. The Tectonic and Geologic Evolution of Southeast Asian Seas and Islands:Part 2. Washington, DC: American Geophysical Union, 27:23—56

Taylor B, Karner G D, 1983. On the evolution of marginal basins.Reviews of Geophysics, 21(8): 1727—1741

Taylor B, Zellmer K, Martinez Fet al, 1996. Sea-floor spreading in the Lau back-arc basin. Earth and Planetary Science Letters, 144(1—2): 35—40

Timm C, Bassett D, Graham I Jet al, 2013. Louisville seamount subduction and its implication on mantle flow beneath the central Tonga—Kermadec arc. Nature Communications, 4:1720

Tu K, Flower M F, Carlson R Wet al, 1992. Magmatism in the South China Basin: 1. Isotopic and trace-element evidence for an endogenous Dupal mantle component. Chemical Geology, 97(1—2): 47—63

Turner S, Handler M, Bindeman Iet al, 2009. New insights into the origin of O—Hf—Os isotope signatures in arc lavas from Tonga—Kermadec. Chemical Geology, 266(3—4):187—193

Turner S, Hawkesworth C, Rogers Net al, 1997.238U-230Th disequilibria, magma petrogenesis, and flux rates beneath the depleted Tonga-Kermadec island arc. Geochimica et Cosmochimica Acta, 61(22): 4855—4884

Uyeda S, Ben-Avraham Z, 1972. Origin and development of the Philippine Sea. Nature Physical Science, 240(104):176—178

Uyeda S, Kanamori H, 1979. Back-arc opening and the mode of subduction. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,84(B3): 1049—1061

van Keken P E, Hacker B R, Syracuse E Met al, 2011.Subduction factory: 4. Depth-dependent flux of H2O from subducting slabs worldwide. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 116(B1): B01401

van Keken P E, Kiefer B, Peacock S M, 2002. High-resolution models of subduction zones: implications for mineral dehydration reactions and the transport of water into the deep mantle. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 3(10):1056

Verzhbitsky E V, Kononov M V, 2006. Geodynamic evolution of the lithosphere of the Sea of Okhotsk region from geophysical data. Izvestiya, Physics of the Solid Earth, 42(6):490—501

Weissel J K, Anderson R N, 1978. Is there a Caroline plate? Earth and Planetary Science Letters, 41(2): 143—158

Zellmer G F, Edmonds M, Straub S M, 2015. Volatiles in subduction zone magmatism. Geological Society, London,Special Publications, 410(1): 1—17

Zhang G L, Smith-Duque C, Tang S Het al, 2012. Geochemistry of basalts from IODP site U1365: implications for magmatism and mantle source signatures of the mid-Cretaceous Osbourn Trough. Lithos, 144—145: 73—87

Zhang G L, Chen L H, Jackson M Get al, 2017. Evolution of carbonated melt to alkali basalt in the South China Sea.Nature Geoscience, 10(3): 229—235

Zhang G L, Li C, 2016. Interactions of the Greater Ontong Java mantle plume component with the Osbourn Trough.Scientific Reports, 6: 37561

Zhou X M, Li W X, 2000. Origin of Late Mesozoic igneous rocks in Southeastern China: implications for lithosphere subduction and underplating of mafic magmas.Tectonophysics, 326(3—4): 269—287