晚始新世以來雅浦海溝-島弧構造演化模式

瞿洪寶,鄭彥鵬,劉晨光,裴彥良,華清峰,李先鋒,馬 龍,李天光

(1.海洋沉積與環境地質國家海洋局重點實驗室,山東青島266061;2.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061; 3.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,山東青島266061; 4.海南省海洋地質調查研究院,海南海口570206)

晚始新世以來雅浦海溝-島弧構造演化模式

瞿洪寶1,2,3,4,鄭彥鵬1,2,3*,劉晨光1,2,3,裴彥良1,2,3,華清峰1,2,3,李先鋒1,2,3,馬 龍1,2,3,李天光1,2,3

(1.海洋沉積與環境地質國家海洋局重點實驗室,山東青島266061;2.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061; 3.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,山東青島266061; 4.海南省海洋地質調查研究院,海南海口570206)

雅浦海溝-島弧構造體系是菲律賓海板塊與太平洋板塊、卡羅琳板塊相互作用而形成的構造俯沖帶,其南北兩段俯沖帶在海底地形地貌、地球物理場、應力場特征等方面表現出顯著的差異。北段俯沖方向為近東西向,總體表現為俯沖角度較小、俯沖深度淺、俯沖速度較快、應力場呈俯沖拉張型等特征;南段由東西方向的俯沖過渡至北北西向,總體表現為俯沖角度大、俯沖深度較深、俯沖速度極慢、應力場呈俯沖擠壓型等特征。這些差異的形成經歷了2個主要的構造演化階段:菲律賓海板塊與太平洋板塊在晚始新世至晚漸新世期間相互作用并形成了古馬里亞納-雅浦海溝;晚漸新世以來菲律賓海板塊與卡羅琳板塊的相互作用對古海溝構造改造,進而造就了雅浦海溝-島弧當今復雜的構造形態。

雅浦海溝;菲律賓海板塊;卡羅琳板塊;板塊俯沖;構造演化

在大地構造位置上,雅浦海溝和雅浦島弧位于菲律賓海板塊與太平洋板塊、卡羅琳板塊交匯處。這些板塊之間的相互作用形成了多個由島弧、海溝、弧后盆地共同組成的溝-弧-盆構造體系:在北部,太平洋板塊經馬里亞納海溝北西向俯沖于菲律賓海板塊之下,形成馬里亞納海溝-島弧-弧后盆地體系;在南部,卡羅琳板塊經雅浦海溝、帕勞海溝俯沖于菲律賓海板塊之下,分別形成雅浦海溝-島弧體系和帕勞海溝-島弧體系。該地區獨特的板塊位置和復雜的地質構造特征引起國內外學者的廣泛關注,成為驗證和發展板塊構造科學理論的關鍵地區。

20世紀80年代以來,隨著海洋地球物理調查新技術的廣泛應用,美國、日本等國家[1-7]在雅浦海溝海域開展了若干海底地形、地震、熱流、巖石學及深潛等調查和研究工作,對卡羅琳海脊與雅浦海溝的俯沖過程、巖漿活動及其構造影響從板塊運動學、動力機制等方面加以論述和探究,但對構造單元之間時空演化關系研究較少。本文基于我國近年來在雅浦海溝和雅浦島弧調查獲得的地質地球物理資料,結合國外相關研究成果,闡述了雅浦海溝-島弧的地球物理場分布規律與構造特征,并對其板塊俯沖過程與演化進行了探討。

1 區域地質構造特征

對雅浦海溝和雅浦島弧的早期研究[8-11]主要集中在雅浦島出露的巖石類型和海底地形地貌方面。研究結果表明雅浦島基底巖石組成單元與活動島弧迥異,在溝-弧形態上也表現出獨特的特征[8,10],并以此建立了“晚漸新世卡羅琳海脊與雅浦海溝碰撞而導致板塊俯沖中止”的構造演化模式。最新研究成果表明,卡羅琳海脊在菲律賓海板塊之下的俯沖過程一直持續進行,具有高熱流值、地震頻發的特點,發生在雅浦海溝的板塊俯沖并未因卡羅琳海脊的碰撞而停止,只是俯沖速度變得極慢。雅浦海溝構造位置如圖1所示。

(陳 靖 編輯)

圖1 雅浦海溝構造位置Fig.1 Tectonic location of the Yap Trench

1.1 地形地貌特征

雅浦海溝位于馬里亞納海溝和帕勞海溝之間的構造走向轉換部位,軸部水深介于6 000～9 000 m范圍。依據海溝走向將雅浦海溝分為南、北兩段,北段大致呈北偏東30°方向延伸,逐漸向南轉為近E—W向的弧形。海溝外坡向大洋過渡帶在北段表現為地勢較低地形,在南段則表現為相對隆起的西卡羅琳海隆(圖2a)。

雅浦島弧位于雅浦海溝西側,表現為出露水面的雅浦島及一系列環礁組成的群島。雅浦島弧向西水深迅速變深至帕里西維拉海盆,向東地形陡峭,直接變為深海溝,弧前盆地極其不發育。

1.2 重力異常特征

水深數據源自GEBCO2014網格數據網站http:∥www.gebco.net;重力數據源自衛星重力網站http:∥topex.ucsd.edu;磁力數據源自NOAA網站http:∥www.ngdc.noaa.gov。

重力異常分布規律能夠反映雅浦海溝-島弧及其鄰域構造的深部地殼結構特征:

1)空間重力異常,雅浦海溝-島弧以東的卡羅琳板塊表現為區域正異常(圖2b),向海溝方向異常明顯降低形成梯度帶,表現為典型的海溝外緣洋殼向上撓曲的特征。在雅浦海溝與卡羅琳海脊相交地帶形成兩個異常低值圈閉,推測與俯沖板塊向下的拖曳作用有關。向西,帕里西維拉海盆空間重力異常變化平緩。空間重力異常基本上與海溝-海脊-海槽-深海盆地的地形變化相一致,呈正相關性。

2)布格重力異常,卡羅琳海脊表現為中部高、兩側低的異常特征(圖2c),中部的索羅爾海槽呈NW向延伸的高正異常,將卡羅琳板塊分隔為南、北兩個低正異常區,一直延伸至雅浦海溝外坡。在雅浦海溝底部和雅浦島弧則呈現為SW-NE延伸的異常低值條帶,表明板塊俯沖導致的地殼加厚。向西,帕里西維拉海盆布格重力異常表現為一系列塊狀高正異常,且變化幅度不大。

圖2 研究區海底地形與地球物理場特征Fig.2 Characteristics of seafloor terrain and geophysical field of the study area

1.3 磁力異常特征

雅浦海溝-島弧的東西兩側磁力異常特征具有明顯差別,體現出兩側板塊構造單元性質的不同。東側的卡羅琳板塊具有正負相間的條帶狀磁異常特征,被中部NW向延伸的索羅爾海槽分隔開來,索羅爾海槽的磁力異常值明顯高于兩側,磁力異常差值甚至超過了100 n T,推測索羅爾海槽為擴張裂谷成因,而卡羅琳板塊主要與古板塊擴張以及后期的熱點活動有關,形成巖石的磁化率系數相差較大[12-13]。西側的帕里西維拉磁力異常形態寬緩,呈塊狀異常特征,表現為典型的斷塊活動控制的大洋盆地磁力異常特征。

2 板塊俯沖作用與俯沖模式

2.1 應力場分布特征

板塊俯沖作用是誘發地震現象的主要原因之一,因而地震事件主要集中在板塊邊緣的俯沖帶附近,是反映板塊相對運動的重要信息。圖3為雅浦海溝-島弧及鄰域1990年以來發生的M4.5以上地震事件和震源機制解(centroid-moment-tensor,簡稱CMT),表現出雅浦海溝-島弧的地震震中位置、震源深度、分布模式等與馬里亞納海溝類似,但是地震數量要明顯減少。震源數據來自美國地質勘探局(USGS)網站http:∥www.usgs.gov,CMT數據來自美國哈佛大學網站http:∥www.globalcmt.org。大多數地震發生在島弧一側,大致與布格重力異常的低值相對應,這是由于菲律賓海板塊前緣仰沖導致地殼加積增厚,產生應力集中。海溝軸部無地震活動,向大洋側有零星地震分布,表明兩個板塊之間耦合較弱,俯沖板塊受到拉伸彎曲較小。

圖3 雅浦海溝海域震中分布和CMTFig.3 Distribution of the earthquakes along the Yap Trench and the CMT solutions of earthquakes

圖3 顯示雅浦海溝-島弧自北向南震源深度逐漸增大,由北部的不足50 km逐漸變深為100 km以深,表明俯沖板片的俯沖角度和深度的不同。地震震中在空間上分布在一個狹窄的帶內,推測卡羅琳板塊的俯沖板片年齡年輕,或者俯沖板片的脆性-韌性轉換發生在很淺的部位[4,14]。CMT也反映出區域應力場在北部為俯沖拉張型,南部為俯沖壓縮型,南北段應力狀態存在差異。

2.2 雅浦海溝的洋殼俯沖作用

Peacock等[15]和Kirby[16]將俯沖類型進一步分為冷俯沖型和熱俯沖型。北部的太平洋板塊是冷俯沖型的典型代表,表現為板塊年齡、俯沖帶厚度和俯沖深度都相當大的特征;與之不同的是,卡羅琳板塊年齡較新、熱而較薄,板塊俯沖深度淺,俯沖速度極慢(0～6 mm/a)[17],具有熱俯沖型的特征。

地震資料揭示沿雅浦海溝板塊俯沖深度及應力分布存在變化:北段俯沖角度較小且深度淺,應力場為拉張型;南段俯沖角度和深度均較大,應力場呈擠壓型。在空間重力上,索羅爾海槽兩側的卡羅琳海脊與雅浦海溝交匯處均具有非常小的異常值,分別形成2個-200×10-5m/s2的低值圈閉,這可能是板塊向下俯沖的拖曳作用導致的。此外,在海溝軸部少有或無沉積覆蓋[4]也表明卡羅琳海脊向海溝之下俯沖的持續性。地球物理建模分析[13]揭示卡羅琳海脊及索羅爾海槽的有效彈性厚度大致為5～7 km,而雅浦海溝外坡的高布格重力異常值也表明該區域之下缺少巨厚地殼,這可能是卡羅琳海脊能向海溝之下俯沖的原因。

卡羅琳海脊的俯沖作用使雅浦海溝-島弧構造體系的地質過程和構造變形極其復雜,表現出明顯的空間分段性。在北段,板塊運動方向為近E-W向[17-18],俯沖深度較小,并且受到太平洋板塊的側向牽引,俯沖速度約為2 cm/a[13,17]。卡羅琳海脊向島弧之下俯沖,使島弧地殼抬升,在海溝處產生巨大的負重力異常,而島弧區重力異常則較高,同時在俯沖板塊前緣產生一系列張性斷裂。在南段,卡羅琳板塊自NNW向俯沖于菲律賓海板塊之下,但是俯沖速度極慢,約為5 mm/a[3,17]。雅浦海溝南北段由于受不同俯沖板塊的影響,在俯沖方向、角度、速度、深度及應力分布等方面表現出差異性的構造運動特征(表1)。

表1 雅浦海溝-島弧南北段的運動特征[6,13,17]Table 1 Motion features of the northern and southern sections of the Yap Trench-Arc system[6,13,17]

2.3 板塊俯沖模式

前人對卡羅琳海脊與雅浦海溝的相互作用已做過多次研究。Hawkins等[8]、McCabe等[9]根據雅浦海溝-島弧獨特的構造特征,提出雅浦海溝的板塊俯沖已因卡羅琳海脊的碰撞中止;而Crawford等[1]、Fujiwara等[4]則依據巖石學、海底地形特征等的研究認為板塊的俯沖作用可能并未停止,只是俯沖速率變得極慢。一般來說,“碰撞”是發生在板塊邊界的兩個陸殼之間強烈的相互作用,如喜馬拉雅造山帶、臺灣島的碰撞造山作用等[14,19-20]。具有浮力的海山或海底高原向海溝之下俯沖,仰沖板塊前緣被抬升,可能的結果是減緩了俯沖速率和溝-弧系統的后撤,本文的卡羅琳海脊和馬里亞納北部的小笠原海臺都有很好的體現。

雅浦海溝在南北段構造運動存在差異,表明其在俯沖模式上也有變化。雅浦海溝與馬里亞納海溝在漸新世之前曾是一條呈直線型的古俯沖帶[4,6-7,21]。卡羅琳海脊在晚漸新世時期形成,不久便被索羅爾海槽裂解成南北兩部分,其北部隨太平洋板塊一起運動[13]并堵塞了古海溝南段,阻止了該段海溝的東向后撤并遲緩了板塊聚斂速度。同時,以北的太平洋板塊俯沖于古海溝之下的拖曳作用在該段產生側向和橫向的張性應力場,因此,索羅爾以北的卡羅琳島脊俯沖比南側更容易,俯沖角度較低。當海脊俯沖在島弧地殼之下時,浮力較大的下行卡羅琳板塊使雅浦島弧地殼抬升并逆沖推覆,深部巖石沿著海溝內壁上的逆沖斷層出露[4],在雅浦島形成變質蛇綠巖,板塊的拉伸產生張性應力場;而在索羅爾海槽以南的西卡羅琳海隆同樣堵塞了海溝,使俯沖速度變得極慢,板塊在橫向擠壓作用下形成陡峭的俯沖帶,應力場以壓縮型為主。在海脊俯沖的初始階段,雅浦海溝弧前表現出寬緩的特征,隨著俯沖作用減弱,島弧火山活動停止,島弧弧前區逐漸被構造侵蝕,進而縮短了海溝-島弧距離[6]。

3 雅浦海溝-島弧構造演化過程

雅浦海溝-島弧的形成與演化經歷了太平洋板塊俯沖于菲律賓海板塊之下形成古馬里亞納-雅浦海溝和卡羅琳板塊與菲律賓海板塊的相互作用對雅浦海溝-島弧構造改造2個主要階段(圖4)。

圖4 雅浦海溝構造演化示意圖[4,6,13]Fig.4 Tectonic evolution of the Yap Trench since 40 Ma[4,6,13]

3.1 晚始新世至漸新世期間(40～25 Ma)

古地磁研究結果表明[22],在42 Ma前太平洋板塊的運動方向由NNW向變為近E-W向,開始沿著古伊豆-小笠原俯沖帶俯沖于菲律賓海板塊之下,形成了古伊豆-小笠原-馬里亞納-雅浦海溝和由伊豆-小笠原、關島、帕勞島等組成古九州-帕勞海脊。在40～30 Ma期間,太平洋板塊持續向菲律賓海板塊之下俯沖,并伴隨著西菲律賓弧后海盆不斷擴張,下插的巖石圈板片在高溫下熔融上涌噴發,使古九州-帕勞海脊成為異常活躍的火山島鏈[23](圖4a)。

漸新世時期,西菲律賓海盆已停止擴張,而太平洋板塊相對菲律賓海板塊的運動未有變化,在古九州-帕勞海脊以東開始形成四國-帕里西維拉新的弧后擴張海盆[18]。古九州-帕勞海脊隨著弧后盆地打開而裂解,新的火山島弧向東漂移,殘留弧演變為現今的九州-帕勞海脊。隨著卡羅琳板塊NW向俯沖,其上馱的卡羅琳海脊在晚漸新世堵塞了古馬里亞納海溝南段的俯沖作用,島弧火山活動中止(圖4b)。

3.2 晚漸新世以來(25～0 Ma)

帕里西維拉海盆在20 Ma左右擴張方向由E-W向變為NE-SW向,擴張中心逐漸東移,并于15 Ma左右停止擴張[24]。弧后擴張伴隨的是馬里亞納海溝一直向東后撤,而在南段由于卡羅琳海脊對海溝的堵塞削弱了板塊的俯沖,這里既不發生弧后擴張也沒有海溝后退現象,在卡羅琳海脊與海溝交匯處北側附近形成一個海溝凹角(圖4c)。

馬里亞納海槽大約在10 Ma形成,并于5 Ma左右開始擴張[24-25],先期形成的馬里亞納島弧分裂為西馬里亞納殘留弧和馬里亞納海脊。菲律賓海板塊在4～3 Ma時向西俯沖于菲律賓海溝之下的速度加快[26],這使得雅浦海溝處的板塊聚斂速率大大減小。年輕而浮力較大的下行卡羅琳板塊使雅浦島弧地殼抬升并逆沖推覆,深部巖石沿著海溝內壁上的逆沖斷層出露,在雅浦島形成變質蛇綠巖。弧前區也被構造侵蝕而縮短了溝-弧距離。馬里亞納海槽的弧形擴張現今仍在活躍,馬里亞納海溝向東退去而顯得更加向東彎曲(圖4d)。

4 結 論

本文通過對雅浦海溝-島弧地球物理場特征、板塊俯沖模式和構造演化開展研究,獲得了如下認識:

1)海底地形、重力、磁力、地震機制解分布等特征呈現沿雅浦海溝-島弧構造走向上的差異變化,北段俯沖方向為近EW向,俯沖速度較快,俯沖深度較淺,應力場表現為俯沖拉張型;南段俯沖方向過渡至NNW向,俯沖深度和角度稍大,俯沖速度極慢,應力場表現為俯沖壓縮型。這些構造運動特征反映了雅浦海溝-島弧南、北段板塊俯沖模式的差異性。

2)雅浦海溝-島弧的形成演化可分為2個主要階段:晚始新世至漸新世的早期太平洋板塊俯沖形成古馬里亞納-雅浦海溝;晚漸新世以來卡羅琳海脊的俯沖、碰撞作用造就了雅浦海溝的構造格局,以及復雜的地質現象和構造特征。

目前,對海溝處發生板塊俯沖的驅動力與板塊年齡、俯沖速度的關系等科學問題還不甚了解,雅浦海溝-島弧則是開展俯沖帶成因、構造演化過程等假說的最佳地域,隨著該地區海洋地球物理、巖石學等資料的獲取與解釋,將有利于板塊構造理論的不斷完善和發展。

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Model of Tectonic Evolution for Yap Trench-Arc Since Late Eocene

QU Hong-bao1,2,3,4,ZHENG Yan-peng1,2,3,LIU Chen-guang1,2,3,PEI Yan-liang1,2,3,HUA Qing-feng1,2,3,
LI Xian-feng1,2,3,MA Long1,2,3,LI Tian-guang1,2,3(1.Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environmental Geology,Qingdao 266061,China; 2.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China;3.Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266061,China; 4.Marine geological survey institute of Hainan Province,Haikou 570206,China)

The Yap Trench-arc tectonic system is a subduction zone where the Philippines Sea Plate(PSP) interacts with the Pacific Plate(PP)and the Caroline Plate(CP).Based on differences in the seafloor topography,geophysical field,stress field and other geological aspects,the system can be subdivided into the north and south parts.The seafloor lithosphere subducts along the Yap Trench nearly from east to west in the northern part,whereas the direction turns to NNW in the southern part.The subduction rate in the northern part is relatively fast,and the subduction process is characterized by a low angle and shallow depth with a tension state of stress.Compared to the northern part,the subduction angle is larger in the southern part,and the subduction depth is also deeper with a compression state of stress.These diverse characteristics are caused by the two tectonic evolution stages.During the late Eocene to late Oligocene,the interaction between the PSP and the PP resulted in the formation of the proto-Mariana-Yap Trench.Since the late Oligocene,the trench was subsequently reconstructed by the interaction between the PSP and CP. Thus,the complicated structural pattern of the Yap Trench-arc system is resulted from the complex interaction among these three tectonic plates(PSP,PP and CP).

Yap Trench;the Philippines Sea Plate;the Caroline Plate;plate subduction;tectonic evolution

February 4,2016

P738

A

1671-6647(2017)02-0249-09

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.02.009

2016-02-04

國家自然科學基金項目——西菲律賓海盆擴張脊的構造特征及其地質意義(41176058);南北極環境綜合考察與評估專項——南極周邊海域海洋地球物理考察(CHINARE2014-01-03)和南極周邊海域與大陸資源潛力綜合評估(CHINARE2015-04-02)

瞿洪寶(1988-),男,貴州銅仁人,博士研究生,主要從事海底構造方面研究.E-mail:qhb@fio.org.cn

*通訊作者:鄭彥鵬(1972-),男,山東日照人,研究員,博士,主要從事海洋地球物理探測技術與海底構造方面研究.E-mail:zhengyp@fio.org.cn