馬尼拉俯沖帶北段前淵構(gòu)造層特征及構(gòu)造含義

王 哲, 李學(xué)杰, 高紅芳, 姚永堅(jiān), 鞠 東, 孫美靜

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣州 510760; 2. 自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510760)

馬尼拉俯沖帶屬現(xiàn)今活躍的匯聚型板塊構(gòu)造邊界的實(shí)例,蘊(yùn)含了大量關(guān)于東亞陸緣、南海海盆及菲律賓海板塊形成與演化的重要信息[1-4]。19°N以南,南海洋殼沿馬尼拉俯沖帶向東俯沖于菲律賓島弧之下(圖1),地形、地震分布、深部層析成像均表現(xiàn)典型的洋殼俯沖特征[5]。19°N以北,馬尼拉俯沖帶逐漸向臺(tái)灣陸區(qū)弧陸碰撞帶發(fā)生復(fù)雜的構(gòu)造轉(zhuǎn)換,馬尼拉俯沖帶在該地區(qū)的地形表征相對(duì)模糊,加上前期地質(zhì)-地球物理資料覆蓋范圍與精度有限,導(dǎo)致對(duì)其深部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造沉積演化及與臺(tái)灣陸區(qū)構(gòu)造如何對(duì)接的認(rèn)識(shí)上往往存在爭(zhēng)議[6-11]。匯聚構(gòu)造背景下,碰撞帶向前陸遷移,其負(fù)載通常造成俯沖巖石圈發(fā)生撓曲,形成與褶皺沖斷帶近平行展布的前淵(圖2)。前淵沉積充填相對(duì)較厚,不僅可以反映前陸演化階段的抬升、侵蝕過(guò)程,而且其深部層序還揭示早期構(gòu)造、沉積演化過(guò)程。因此,前淵較完整地記錄了區(qū)域地質(zhì)演化的重要信息。本文基于近年來(lái)在南海東北部新獲取的地質(zhì)-地球物理資料,解析馬尼拉俯沖帶北段前淵的地震相、沉積、構(gòu)造特征,約束其構(gòu)造層格架,并梳理前淵層序發(fā)展、構(gòu)造特征對(duì)區(qū)域演化的響應(yīng)關(guān)系。

圖1 研究區(qū)地形特征及主要地質(zhì)構(gòu)造單元位置Fig.1 Topographic characteristics and main tectonic units of the study area

圖2 前淵構(gòu)造模式(據(jù)文獻(xiàn)[12]修改)Fig.2 Structural configuration of a foredeep

1 區(qū)域地質(zhì)背景

菲律賓海板塊自古新世形成之后朝西北位移[13-16], 期間南海巖石圈沿馬尼拉海溝向東俯沖于菲律賓海板塊之下形成呂宋島弧系統(tǒng), 隨后該島弧系逐漸逼近歐亞陸緣, 于中新世晚期6.5 Ma與其相遇,發(fā)生弧陸碰撞作用,并持續(xù)至今[17-21]。 早期研究認(rèn)為, 歐亞陸緣和呂宋島弧系初始走向斜交, 導(dǎo)致碰撞作用以60～90 km/Ma 的速率呈拉鏈?zhǔn)接杀毕蚰现饾u遷移[2-26]。 前人針對(duì)歐亞-菲律賓海匯聚板塊邊界北部取得的一系列研究成果, 包括臺(tái)灣弧陸碰撞演化[7, 19]、 前陸盆地構(gòu)造演化[27-28]、 增生楔構(gòu)造演化[29]、 弧形褶皺沖斷帶的構(gòu)造旋轉(zhuǎn)[3]等, 均與于此南向遷移演化模型密切相關(guān)。

馬尼拉俯沖帶總體呈南北向展布，范圍約14°N—22°N, 但構(gòu)造形跡蜿蜒曲折, 基于地形地貌、 地質(zhì)構(gòu)造、 地球物理等特征的差異, 其地質(zhì)構(gòu)造單元自西向東劃分為馬尼拉海溝、 馬尼拉增生楔、 北呂宋海槽弧前盆地及呂宋火山島弧(圖1)。 馬尼拉俯沖帶自19°N向北延伸過(guò)程中, 其平面構(gòu)造特征發(fā)生一系列趨勢(shì)性變化: 構(gòu)造線凸出方向由西轉(zhuǎn)為東, 馬尼拉海溝增生楔逐漸加寬, 呂宋島弧逐漸收窄, 北呂宋海槽弧前盆地逐漸關(guān)閉[19, 31]。

2 前淵構(gòu)造層特征

2.1 重要不整合界面及層序特征

結(jié)合馬尼拉俯沖帶北段前淵高分辨率多道地震剖面顯示的侵蝕削截、 頂超、 上超、 下超等反射波終止類型, 以及地震反射層組特征, 自海底之下識(shí)別出T2、 T6和Tg具有區(qū)域?qū)Ρ忍卣鞯牡卣鸱瓷浣缑?圖3)。 綜合圍區(qū)鉆井、 地層分層等資料, 對(duì)這3個(gè)反射界面進(jìn)行地質(zhì)屬性分析, 推測(cè)地震反射界面Tg為新生界底界面, T6為新近紀(jì)與古近紀(jì)地層的分界, T2為上新世與中新世地層的分界。

圖3 前淵地震層序地質(zhì)屬性分析(剖面位置見(jiàn)圖1)Fig.3 Seismic stratigraphy and attribute analysis of the foredeep

Tg基底不整合為最早的不整合,分隔前新生代和古近紀(jì)地層,地震剖面顯示中-低頻、強(qiáng)振幅、中-高連續(xù)地震反射特征。Tg界面上下地震反射特征差異明顯,界面之上總體是一套中-高連續(xù)的強(qiáng)振幅反射層組,界面之下為一套低連續(xù)弱反射或雜亂反射層,上覆地層呈平行或斜交接觸,有上超現(xiàn)象,下伏地層有削截現(xiàn)象。局部地區(qū)Tg地震反射波組呈雜亂反射,成層性很差,推測(cè)受到斷層影響。

T6界面總體呈中頻、強(qiáng)振幅、高連續(xù)、雙相位地震反射特征,界面之上平行接觸一套中-高連續(xù)的反射層組,界面之下為一套中-低連續(xù)或雜亂的反射層組,具有削截現(xiàn)象。T6界面在前淵中央?yún)^(qū)表現(xiàn)為連續(xù)沉積的整合界面,前淵邊緣則上超至Tg界面。

T2界面總體呈高頻、強(qiáng)振幅、高連續(xù)、雙相位地震反射特征,同相軸相對(duì)平直、穩(wěn)定,可連續(xù)追蹤,界面與上覆地層呈明顯斜交接觸,界面之下為一套高連續(xù)、穩(wěn)定的反射層組。地震剖面顯示T2界面?zhèn)认蜃兓@著,前淵東側(cè)接近碰撞帶部位轉(zhuǎn)變?yōu)椴徽匣蚣僬?前淵西側(cè)則過(guò)渡為一條明顯的上超面。

結(jié)合以上多道反射地震剖面揭示的反射層組特征與區(qū)域地質(zhì)資料分析表明,馬尼拉俯沖帶北段前淵新生代地層被普遍存在的2個(gè)區(qū)域性角度不整合面(T2、 T6界面)分隔為整體特征差異明顯的上、 中、 下3套層序(圖4)。地震剖面解釋結(jié)果表明,Tg—T6層序整體呈碟形,由前淵中央向兩翼大幅減薄,且切割該層序的斷層兩側(cè)地層具有明顯厚度差,顯示了正斷層伸展對(duì)該層序沉積的控制作用。 相對(duì)而言, T6—T2層序沿剖面厚度變化較小,且該套層序中以分布大量正斷層為顯著特征。T2以上層序整體呈自東向西減薄的楔形,僅有少量正斷層向上延伸至該層序。

圖4 馬尼拉俯沖帶北段前淵構(gòu)造層剖面特征(剖面位置見(jiàn)圖1)Fig.4 Interpretation of a seismic reflection profile of the structural layers in the foredeep of the northern Manila subduction zone

2.2 斷層發(fā)育特征

通過(guò)對(duì)地震資料進(jìn)行精細(xì)構(gòu)造解析發(fā)現(xiàn), 馬尼拉俯沖帶北段前淵發(fā)育的正斷層整體呈對(duì)稱分布,即前淵西側(cè)分布的正斷層以東傾居多,而前淵東側(cè)主要發(fā)育西傾正斷層,前淵兩翼部位的一些正斷層在剖面上表現(xiàn)上陡下緩的鏟狀形態(tài)。筆者對(duì)馬尼拉俯沖帶北段前淵發(fā)育的正斷層的延伸范圍、切割界面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以探討這些斷層的發(fā)育時(shí)間和活動(dòng)階段。

剖面上總共發(fā)育了13條向下切穿Tg的正斷層,整體表現(xiàn)為對(duì)稱分布, 控制了Tg—T6層序沉積。 這些斷層深部斷距較大, 下降盤通常表現(xiàn)同構(gòu)造沉積增厚, 指示古近紀(jì)伸展作用, 推測(cè)與歐亞陸緣裂谷作用相關(guān)。 有些斷層向下延伸與深部中生界斷層相連, 暗示其可能為老斷層后期活化作用的結(jié)果。 斷層向上貫穿的地層也不盡相同, 表明斷層活動(dòng)時(shí)間跨度大, 未錯(cuò)斷的最老地層為T6界面, 表明其中一些斷層在T6以后不再活動(dòng), 還有一些斷層向上延伸可接近海底, 表明其最近還在活動(dòng)。

有45條正斷層向下未切穿Tg,這些斷層為新生代以來(lái)發(fā)育的斷層,與先存基底斷層后期活化無(wú)關(guān)。其中：36條正斷層向下未切穿T6,推測(cè)為裂谷作用階段以后發(fā)育,這些斷層均勻分布于T6—T2層序;另外9條向下切穿T6界面的斷層集中分布于層序凹陷的中央。整體而言,這些斷層斷距較小,斷層兩側(cè)無(wú)明顯指示同構(gòu)造沉積的地層增厚現(xiàn)象,且這些斷層通常向上終止于T2界面附近,推測(cè)其為T2前后時(shí)間發(fā)育。

3 演化階段探討

馬尼拉俯沖帶北段前淵構(gòu)造層地質(zhì)屬性可與臺(tái)灣海峽、臺(tái)灣島西部及臺(tái)西南盆地的鉆井、露頭資料進(jìn)行大致對(duì)比。

反射地震資料顯示, 臺(tái)灣海峽及臺(tái)灣島西部海岸發(fā)育古近紀(jì)斷陷盆地, 其中的澎湖盆地經(jīng)鉆探證實(shí), 古近紀(jì)同張裂層序含鈣質(zhì)超微化石的中始新世頁(yè)巖, 其上被中新世后張裂層序不整合覆蓋(圖5)。 海岸平原PC-1井揭示下中新統(tǒng)不整合覆蓋于中始新世火山噴發(fā)巖及砂泥巖同張裂層序之上[32]。

圖5 臺(tái)灣海峽、臺(tái)灣海岸平原PC-1井及臺(tái)灣南投 西部麓山帶粗坑背斜剖面層序?qū)Ρ?據(jù)文獻(xiàn)[32])Fig.5 Stratigraphic correlation of the Taiwan Strait, the Well PC-1 in Taiwan coastal plain, and the Cukeng anticline section in the western foothills of Taiwan

臺(tái)灣中部南投縣境西部麓山帶粗坑背斜剖面(剖面位置見(jiàn)圖1), 由上而下出露漸新世最晚期五指山層, 中始新世平林凝灰?guī)r及中寮層。 五指山層(NP 25帶, ～25 Ma)不整合覆蓋于平林凝灰?guī)r之上, 平林凝灰?guī)r經(jīng)鋯石U-Pb(LA-ICP-MS)測(cè)年為38.8±1 Ma, 并含少量NP 16帶鈣質(zhì)超微化石, 平林凝灰?guī)r假整合在中寮層之上。中寮層含中始新世大型有孔蟲(chóng)化石和鈣質(zhì)超微化石NP 14-15帶化石。因此,五指山層與中始新世平林凝灰?guī)r兩者間的不整合面標(biāo)志著約14 Ma地層記錄的缺失。

臺(tái)西南盆地西部D21井2 700～3 182 m井段發(fā)現(xiàn)大量浮游有孔蟲(chóng),是早至中始新世P6—P9化石帶的典型分子(約55～45 Ma)[33](圖6),推測(cè)為始新世受斷陷作用影響發(fā)育的相關(guān)海相層序。

圖6 臺(tái)西南盆地D21井浮游有孔蟲(chóng)分布圖(引自文獻(xiàn)[33])Fig.6 Distribution of planktonic foraminifera in the Well D21 of the Taixinan Basin

綜上所述,臺(tái)灣海峽、臺(tái)灣西部麓山帶南投剖面及臺(tái)西南盆地D21井均揭示了始新世同裂谷斷陷層序和后裂谷層序,與本文利用多道地震資料揭示的馬尼拉俯沖帶北段前淵下、中構(gòu)造層特征及劃分方案吻合。

馬尼拉俯沖帶北段前淵發(fā)育的大量正斷層表明,直至造山運(yùn)動(dòng)期間,該區(qū)一直處于張裂構(gòu)造作用的環(huán)境,一些區(qū)域內(nèi)發(fā)育的早期正斷層持續(xù)活動(dòng)到更新世后期才停止。一些年輕正斷層的垂直斷距向深部增加,并伴有同裂谷層序的增厚,表明其形成于裂谷階段,并于后期前陸沉降階段復(fù)活。然而,大部分正斷層與先存構(gòu)造無(wú)明顯關(guān)系,這些斷層均勻分布于T6—T2層序,通常位移較小,旁側(cè)未表現(xiàn)增厚的生長(zhǎng)地層,應(yīng)為上新世時(shí)間前后發(fā)育,大致與6.5 Ma的弧陸碰撞作用同期,該期同造山伸展作用推測(cè)與東側(cè)相鄰的碰撞帶負(fù)載造成的俯沖板塊彎曲密切相關(guān)。

綜合以上分析,馬尼拉俯沖帶北段前淵發(fā)育的3套構(gòu)造層,分別對(duì)應(yīng)3期盆地演化階段,即古近紀(jì)裂陷盆地、中新世拗陷盆地及上新世以來(lái)的前陸盆地。

古近紀(jì),研究區(qū)受大規(guī)模裂谷作用影響,區(qū)域以發(fā)育斷陷盆地為主,通常以正斷層為邊界,這些斷層多為同生斷層,導(dǎo)致古近系厚度變化大,橫、縱向結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

中新世,裂谷斷陷開(kāi)始轉(zhuǎn)換為熱沉降的一套斷坳型結(jié)構(gòu)的海相地層,沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定,斷層活動(dòng)性減弱,主要以早期斷裂繼承性發(fā)育為主。

自上新世開(kāi)始, 歐亞俯沖板塊受到東側(cè)擠壓帶負(fù)載發(fā)生撓曲,發(fā)育T2界面分隔上覆沉積層序和下伏被動(dòng)陸緣地層,該界面向東側(cè)碰撞造山帶逐漸加深,表現(xiàn)非對(duì)稱楔體形態(tài),加上發(fā)育大量與撓曲相關(guān)的正斷層,指示研究區(qū)已由被動(dòng)陸緣轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)陸緣,進(jìn)入前陸盆地演化階段。

4 結(jié) 論

(1)馬尼拉俯沖帶北段前淵發(fā)育顯著的T2和T6不整合,將沉積充填劃分3套橫向形態(tài)差異明顯的構(gòu)造層：下構(gòu)造層呈中央厚兩翼薄的碟形；中構(gòu)造層大體等厚；上構(gòu)造層呈指向西的楔形。

(2)馬尼拉俯沖帶北段前淵發(fā)育大量正斷層,至少可分為兩期發(fā)育：先期為古近紀(jì)同生斷層,后期為上新世前后發(fā)育的正斷層,推測(cè)為俯沖板塊受東側(cè)碰撞帶負(fù)載發(fā)生撓曲所致,某些先期正斷層后期活化。

(3)馬尼拉俯沖帶北段前淵3套構(gòu)造層對(duì)應(yīng)該區(qū)3個(gè)構(gòu)造演化階段:古近紀(jì)裂陷階段；中新世拗陷階段；上新世以來(lái)的前陸盆地階段。