晚白堊世以來白令海構造成因及大地構造演化

劉松峰 楊楚鵬 鞠東 熊量莉 李學杰

研究論文

晚白堊世以來白令海構造成因及大地構造演化

劉松峰1,2楊楚鵬1,2鞠東1熊量莉1李學杰1

(1自然資源部中國地質調查局廣州海洋地質調查局, 廣東 廣州 510760;2南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州), 廣東 廣州 511458)

白令海是西北太平洋最大的邊緣海, 形成歷史跨越整個新生代, 其構造成因和演化對西太平洋邊緣海的研究具有重要意義。晚白堊世以來, 白令海處于北太平洋消減、北冰洋擴張和北美板塊總體向西南運動的大地構造體系。通過總結白令海區域最新地球物理、巖石地球化學和年代學等方面的關鍵地質證據認為: (1)晚白堊世至早始新世, 古太平洋板塊(庫拉板塊)沿白令海陸架邊緣-阿拉斯加半島南緣向北俯沖; (2)始新世, 太平洋板塊轉向導致俯沖跳躍至阿留申島弧, 庫拉板塊殘余形成阿留申海盆, 經歷復雜的構造變形變質作用形成希爾紹夫海嶺的雛形; (3)晚始新世至漸新世, 阿留申海盆向鮑爾斯海嶺下俯沖形成鮑爾斯島弧, 弧后擴張形成鮑爾斯海盆; (4)中新世, 太平洋板塊斜向俯沖到阿留申島弧之下, 形成右行走滑斷裂, 發生板片撕裂軟流圈上涌, 導致堪察加海盆打開。

邊緣海 白令海 阿留申海盆 捕獲板塊 構造演化

0 引言

白令海位于北美板塊和太平洋板塊交匯的大地構造位置, 由水深小于200 m的淺海陸架區和水深3 000～4 000 m的深海海盆區組成(圖1a), 是西北太平洋最大的邊緣海, 其形成歷史跨越了整個新生代[1]。白令海南部由阿留申島弧與太平洋分隔, 西北側堪察加和科里亞克高原屬于大陸增生-碰撞造山帶, 西部為俯沖-增生-島弧體系[2-3], 東北側是阿拉斯加火山半島(圖1a)。白令海深海海盆主要由阿留申海盆、鮑爾斯海盆和堪察加海盆組成, 分別被位于海盆西部的希爾紹夫海嶺和南部的鮑爾斯海嶺分隔(圖1b)。

自20世紀中葉, 地質學家開始對白令海的內部深海盆地和淺海海嶺以及阿留申島弧進行科學考察, 開展了海底地形地貌、磁異常條帶、重力異常值、海盆熱流值和地殼深部結構等綜合觀測。早期研究由于基礎地質-地球物理方面調查程度相對較低, 只能依靠單方面的研究提出相應的假說, 缺乏綜合全面的地質-地球物理分析, 由此造成白令海成因和構造演化認識存在爭議。目前, 白令海仍缺乏原位的洋殼樣品[4], 其成因有弧后盆地說[5]和“捕獲說”[1,6-7]兩種模式爭論。白令海內部的希爾紹夫海嶺和鮑爾斯海嶺的成因假說較多, 有外來島弧/地體說[8]、熱點成因(OIB)[9]、原地島弧說[10-12]、地幔柱成因[13]和強烈構造變形成因[14]等等。鮑爾斯海盆和堪察加海盆也有捕獲海盆[6]、弧后盆地[10-12,15]和走滑拉分盆地[16-17]等不同觀點。

2009年以來, 國際大洋鉆探(IODP)323航次、德國索納爾SO201-1b和SO249航次和美國MGL1111航次等獲得了一批珍貴的地質-地球物理數據以及拖網和鉆探巖心樣品(圖1b、圖2), 在地球化學、年代學和地球物理等方面取得了卓有成效的研究成果[11,14,18-20]。因此, 本文試圖梳理前人對白令海區域最新關鍵年代學、地球化學和地球物理方面的證據, 來綜合全面討論晚白堊世以來白令海各構造單元的成因與大地構造演化, 以期獲得更加清晰的認識, 并希望對極地地質和西太平洋邊緣海的研究提供一定的啟示。

1 白令海區域地質特征

1.1 白令海陸架

白令海陸架邊緣從阿拉斯加半島延伸1 500 km到西伯利亞東部, 陸坡水深200～2 800 m, 包括幾個深切峽谷, 發育地壘、地塹結構和一系列的基巖海嶺及狹窄的盆地。地震反射資料表明, 在白令海陸坡下存在厚9～10 km的沉積物增生楔[21](圖3)。

白令海陸架邊緣中部和北部有弧狀火山脊。拖網獲得噴出巖樣品類型主要為拉斑到鈣堿性系列玄武巖、玄武安山巖、安山巖和少量的英安巖、流紋巖, 侵入巖為穿插蛇紋石化橄欖巖的石英閃長巖脈, 全巖地球化學特征類似于阿留申島弧[6]。通過斜長石K-Ar法獲得噴出巖成巖年齡在54～50 Ma之間, 鋯石U-Pb法獲得侵入巖石英閃長巖脈年齡為53 Ma, 與K-Ar法年齡一致[6,21]。

圖1 a)白令海大地構造位置簡圖[1]; b)白令海主要地質單元和鉆孔分布圖[18,22]

Fig.1. a) Tectonic map of the Bering Sea[1]; b) Index map of the main geological units and drilled wells distribution in the Bering Sea[18,22]

1.2 阿留申海盆

阿留申海盆中央以連續沉積厚4 km的沉積物為特征, 向盆地邊緣厚度增加, 在科里亞克、白令海陸架和鮑爾斯海嶺東北部, 厚度大于9 km, 局部在6 km左右[23](圖3)。海盆內存在多條近南北向的磁異常條帶, 據此判斷其為洋殼屬性, 形成于早白堊世[24](圖2a)。阿留申海盆中央及東南側熱流值為53～62 mW·m?2, 比早白堊世洋殼的熱流值稍高, 相當于晚白堊世洋殼熱流值(在分析洋殼熱流值和對應形成年齡時, 應去除上覆沉積物生熱或保溫的影響), 而盆地最北邊熱流值稍低, 為43～53 mW·m?2 [1]。海盆內地殼平均厚度在14～16 km, 相對堪察加海盆地殼厚2～3 km[23]。

圖2 a)白令海地形地貌、磁條帶[5]和b)重力異常分布圖[25]. 白色線和橙色虛線分別為磁異常條帶和維特隆起區(Vitus Arch). 黑線和白點代表多波束測線和海底地震儀分布[19]

Fig.2. a) Seafloor bathymetry and onshore topography[5]and b) gravity anomaly map[25]of the Bering Sea. White lines and orange dashed line mark magnetic lineations and Vitus Arch, respectively. Black lines show wide-angle profiles, with ocean bottom seismometer (OBS) positions displayed by white circles[19]

由于水深和巨厚沉積物的覆蓋, 洋殼基巖鉆探難度較大。目前阿留申海盆內仍缺乏直接的洋殼樣品, 僅格羅瑪挑戰者號19航次190站位鉆孔獲得最古老的沉積物, 時代為早中新世-漸新世[1,4](圖1)。至今獲得的有可能代表阿留申洋殼的樣品是希爾紹夫海嶺上的斜長角閃巖, 通過鋯石U-Pb SHRIMP–II法獲得該樣品的精確成巖年齡為(73.0±1.4) Ma, 形成于晚白堊世[14]。

1.3 鮑爾斯海盆

鮑爾斯海盆水深3 900 m左右, 沉積物厚度約2.0～2.5 km(圖3)。海盆內分布著北北西向的磁異常條帶, 指示海盆形成時代可能為始新世至漸新世[5]。其熱流值約75 mW·m?2, 明顯高于阿留申海盆, 低于堪察加海盆, 表明其形成時代介于兩者之間。該海盆洋殼厚度為10～12 km, 但海盆內中央莫霍面升高2～3 km[23]。目前, 鮑爾斯海盆仍缺乏直接的洋殼樣品, 僅獲得洋殼上覆最老沉積物的年齡為漸新世[5]。

1.4 堪察加海盆

堪察加海盆又叫科曼多爾斯基海盆, 水深3 600～3 900 m, 沉積物覆蓋厚度不均勻僅1～2 km, 向堪察加半島和科里亞克陸坡沉積物厚度增大, 但不超過2 km(圖3)。海盆內存在近北東向和南北向的伸展構造, 被4條北西向大型右行走滑斷裂帶(由南向北依次為白令、阿爾法、伽瑪和德爾塔斷裂)分割[26]。在大型走滑斷列帶之間存在一系列近南北向磁異常條帶, 根據磁異常條帶判斷海盆打開的時間在早中新世(21 Ma)[26]。堪察加海盆熱流值在93～170 mW·m?2之間變化, 堪察加島北側Piip火山附近最大達220～230 mW·m?2 [26]。依據地震資料, 海盆洋殼第二層比一般洋殼要厚, 而第三層僅相當于一般洋殼的二分之一, 但海盆地殼的總厚度和一般洋殼厚度相當[23]。

格羅瑪挑戰者號19航次191鉆孔(900 m深)獲得上部上新世至更新世的沉積物, 下部沒有獲得沉積物樣品, 鉆孔鉆到拉斑玄武巖停止, 獲得玄武巖K-Ar年齡為9.8 Ma[27]。

1.5 鮑爾斯海嶺

鮑爾斯海嶺從阿留申島弧中部向北成弧狀凸出, 向西和西南延伸至希爾紹夫海嶺最南端, 隨延伸方向海嶺的高度降低、寬度變窄。鮑爾斯海嶺面向阿留申海盆的一側坡度較陡, 面向鮑爾斯海盆的一側坡度適中。海嶺上東側沉積物厚度約0.7～0.9 km, 局部有基巖出露, 兩側沉積物為非對稱分布(圖3)。地震資料顯示, 沿鮑爾斯海嶺北緣存在類似海溝的構造, 被中新世厚度達8～9 km的沉積物覆蓋[15]。鮑爾斯海嶺熱流值在80～85 mW·m?2之間, 地殼厚度為15～28 km, 平均厚度約25 km[1,15]。

圖3 白令海沉積物厚度分布圖[20]

Fig.3. Sediment thickness distribution maps in the Bering Sea[20]

1970年斯克利普斯海洋研究所(美國加利福尼亞)在鮑爾斯海嶺北坡拖網獲得安山質角礫巖, 但由于蝕變嚴重難以測年[7]。2009年索納爾SO201-1b航次在海嶺的西北部拖網獲得安山巖樣品[11], 同年IODP323航次在U1342鉆孔獲得基底火山巖樣品[11-12]。通過對獲取樣品的巖石學和全巖地球化學研究表明, 鮑爾斯海嶺基底主要由玄武巖-安山巖組成, 屬中-高鉀鈣堿性系列島弧火山巖, 并具有埃達克巖地球化學特征, 西側鮑爾斯海山含橄欖石玄武巖具有弱島弧微量元素特征和MORB-like型同位素組成[11-12,28]。通過40Ar/39Ar年代學獲得索納爾SO201-1b航次鮑爾斯海嶺5個年齡分別為(32.3±2.0)、(29.4±0.5)、(28.4±1.7)、(27.9±0.5)、(26.0±0.7) Ma和2個西側鮑爾斯海山的年齡為(24.4±0.8)、(22.2±2.7)Ma[11]; 獲得IODP323航次鉆孔U1342A 2個年齡為(32.4±1.0)、(26.8±2.6) Ma和鉆孔U1342B 5個年齡分別為(33.9±1.1)、(27.7±1.7)、(27.2±1.0)、(26.8±0.4)、(26.1±0.3) Ma[12], 表明鮑爾斯海嶺形成時代主要分為34～32 Ma和28～26 Ma 2個階段, 其西側鮑爾斯海山形成于24～22 Ma[11-12]。

1.6 希爾紹夫海嶺

希爾紹夫海嶺北接奧萊尤托斯基半島(Olyu-torsky Peninsula), 南端逐漸平滑地向鮑爾斯海嶺方向延伸, 由北向南延伸約550 km。希爾紹夫海嶺與北部奧萊尤托斯基半島沒有碰撞有關的地質記錄, 為斷層分割[1]。該海嶺具有非對稱結構, 東側緩坡覆蓋2～3 km的沉積物, 而西側沉積物厚度僅為東側的一半(約1～2 km), 并且兩側沉積物的厚度變化不具有海溝特征[23](圖3)。希爾紹夫海嶺基底表面并不平整, 有些地方基巖直接暴露在陡坡上, 尤其是西側。地震資料顯示, 希爾紹夫海嶺存在南北向的中央峽谷, 由一系列逆沖斷層分隔, 斷層面傾向阿留申海盆, 中央峽谷內充填中新世以后未變形的沉積物[29](圖4)。希爾紹夫海嶺北部和中部的熱流值為51～68 mW·m?2, 最南端可達77～78 mW·m?2, 根據熱流值判斷, 北部和中部形成于晚白堊世, 最南端形成于早漸新世[15]。希爾紹夫海嶺地殼厚度達18 km[30]。

1975年第一次在希爾紹夫海嶺的西南端拖網取樣, 獲取了表層帶有錳結殼的安山巖, 通過斜長石K-Ar法獲得這些巖石的形成年齡為27.8 Ma[7,23]。1982年門捷列夫調查船第29航次獲取了希爾紹夫海嶺相對完整的地質數據[1]。在海嶺的西北側, 拖網主要獲得3類樣品: (1)斜長角閃巖、輝綠巖、輝長巖和玄武巖; (2)深水硅質巖、硅質泥巖、凝灰質陸源沉積物, 根據所含放射蟲殘骸, 其時代分別是中-晚三疊世(?)、晚白堊世和早古新世; (3)淺海或濱海硅藻凝灰巖、凝灰質(砂、礫)巖, 其時代根據殘留的硅藻確定為漸新世和晚中新世, 此外, 還有綠片巖和糜棱巖[31]。其中斜長角閃巖(原巖輝長巖)地球化學特征具有洋殼屬性, 變質P-T條件達到高溫綠片-角閃巖相(壓力>6 kbar, 溫度450～500℃), 角閃石K-Ar法獲得其變質年齡為47 Ma,而鋯石U-Pb SHRIMP-II法獲得其年齡為(73.0± 1.4) Ma, 形成于晚白堊世[14]。2016年德國的索納爾SO249航次在希爾紹夫海嶺中西部DR112和DR114兩處拖網獲得基性-超基性巖(圖1b), 包括輝石巖、變輝長-輝綠巖、角閃石片巖和蛇紋巖等, 屬于蛇綠巖組合, 其原巖可能代表阿留申海盆洋殼[32]。

圖4 希爾紹夫海嶺地質構造剖面圖[1]

Fig.4. Geological section across the Shirshov Ridge[1]

1.7 阿留申島弧

阿留申島弧是白令海的南部邊界, 從阿拉斯加半島成弧狀延申至堪察加半島, 長約2 200 km, 寬160～225 km, 可分為3段(圖1)。東段為阿拉斯加半島以東, 是古生代到新生代形成的復雜洋-陸增生弧。西段為Buldir島向西到堪察加半島, 兩者之間為中段, 西段和中段是新生代形成的洋內弧[22,33-34], 巖石剖面可分為下、中、上3部分。下部基底由大量的火山巖和少量的侵入巖組成, 形成時代早于37 Ma[33]。中部由漸新世和中新世(約37～5.3 Ma)粗粒到細粒的火山碎屑巖組成, 局部有侵入巖(輝長巖、石英閃長巖、閃長巖和花崗閃長巖), 變形弱于基底巖石[35]。上部由中新世至全新世(小于5.3 Ma)未變形的火山巖和火山碎屑巖組成, 并且首次在Adak島發現了埃達克巖[35]。

值得關注的是, 太平洋板塊向阿留申島弧之下俯沖, 在不同的位置俯沖速率和角度不同(圖1)。東段阿拉斯加海灣俯沖速率為57 mm·a?1, 到阿留申島弧中段增加到72 mm·a?1, 西段為77 mm·a?1[36-38]。在阿留申島弧中段, 俯沖方向近垂直于板塊邊界, 向西俯沖方向和板塊邊界夾角逐漸變小, 到阿留申島弧最西端幾乎近平行關系, 由斜向俯沖過渡到剪切作用, 因此產生了大規模的右行走滑斷裂(圖1)。

傳統推測阿留申島弧形成最老的年齡在55～50 Ma, 但尚未發現55～50 Ma的樣品[1,4]。目前發現最老的玄武巖年齡為約46 Ma, 分別是在阿留申島弧中部基斯卡島(Kiska Island)附近拖網獲得的玄武巖[(46.3±0.9) Ma,40Ar-39Ar法][20]和在最西端Medny島的低鉀拉斑玄武巖[(46.2±1.5) Ma,40Ar-39Ar法][39]。此后, 阿留申島弧火山活動主要集中在38～29 Ma、16～11 Ma和10～6 Ma 3個階段[20]。

2 討論

不同大地構造背景下產生的地質體往往具有明顯差異的巖石組合和地球化學特征, 因此, 根據鉆探或拖網獲得的樣品可判斷相應地質體是否屬海底擴張形成的洋殼(MORB)、俯沖相關的島弧(Arc)或熱點成因的洋島(OIB)[40]。相比之下, 大洋鉆探樣品是新鮮、原位、具代表性的, 而拖網樣品往往蝕變嚴重, 來源也不確鑿, 尤其在極地地區巖石可能隨浮冰遷移(冰筏沉積)。海洋地質構造成因的判斷, 往往需要系統的巖石學、地球化學、地球物理、變形變質及運動學等方面的綜合分析。

海底磁異常條帶是在海底擴張熔巖降溫過程中被地磁場磁化保留的, 根據其剩余磁性可以判斷洋殼的形成時代。洋殼形成后是逐步降溫的過程, 年輕的洋板片熱流值較高, 而老的洋殼其熱流值相對較小, 但在分析洋殼熱流值和對應形成年齡時, 應考慮上覆沉積物生熱或保溫條件的影響[29]。同位素定年方法可以獲得精確的絕對年齡, 相較于磁異常條帶和熱流值定年更可靠, 對于玄武巖主要通過K-Ar法和Ar-Ar法定年, 輝長巖及中酸性巖以鋯石U-Pb同位素定年為主。海洋地質年代學通過磁異常條帶、熱流值和同位素定年等方法, 獲得主要地質體相對或絕對的地質年齡以確定年代學格架, 是討論區域構造演化的前提。

2.1 白令海各單元構造成因

白令海區域的構造成因主要有弧后盆地說[5]和“捕獲說”[1,6-7]兩種成因模式。白令海不是阿留申島弧的弧后盆地, 首先, 阿留申海盆磁異常條帶展布特征與近東西向的俯沖海溝明顯不協調; 其次, 阿留申海盆磁異常條帶和熱流值顯示其形成于早白堊世到晚白堊世, 明顯早于阿留申島弧啟動時間(46 Ma)。Cooper等[5]基于近南北向的磁異常條帶和海底變形特征, 提出位于阿留申海盆中央存在北東-南西走向的伸展構造維特隆起區(Vitus Arch)(圖2a), 認為其是在早古近世由阿留申海盆的左行剪切走滑形成, 可能代表弧后洋底擴張中心。但是, Christesona和Barth[19]通過美國MGL1111航次在維特隆起區進行一系列的OBS探測, 表明該區域海盆內洋殼的厚度和結構并沒有變化, 不支持弧后盆地模式。

大部分地質學者認為白令海屬捕獲古太平洋板塊(庫拉板塊)的一部分[1,7,24], 主要有以下幾方面原因: 第一, 上述證據已經證明阿留申海盆不是阿留申島弧的弧后盆地; 第二, 在白令海陸架邊緣存在54～50 Ma的火山島弧和古俯沖帶, 而阿留申島弧形成于46 Ma或稍早, 稍早的原因是阿留申島弧并沒有發現類似IBM (Irn-Bonin- Mariana)島弧上代表俯沖初始階段的玻安巖, 說明在50～46 Ma之間, 太平板塊俯沖帶可能沿洋殼構造薄弱帶發生了跳躍; 第三, 皇帝-夏威夷島鏈研究表明, 太平洋板塊在約47.5 Ma發生轉向造成區域上構造重新調整[41-43]; 與此時間相當, 阿留申海盆西部的奧萊尤托斯基島弧(Olyu-torsky Arc)與大陸碰撞[7]。因此, 在阿留申島弧俯沖啟動之前, 古太平洋板塊沿白令海陸架邊緣-阿拉斯加半島南緣俯沖, 經過構造調整太平洋板塊俯沖跳躍到現今阿留申島弧之下, 而殘留的庫拉板塊正是現在的阿留申海盆[6]。但是, 有一個問題值得思考, 為什么阿留申島弧46 Ma以來沒有形成相應的弧后盆地。

鮑爾斯海嶺的成因主要有以下幾種成因模型: 1)外來島弧/地體, 白堊紀在古太平洋板塊北部形成, 向北遷移至現今位置被阿留申島弧捕獲[8]; 2)熱點成因(OIB), 屬于90～80 Ma形成的皇帝-夏威夷島鏈北部的殘留[9]; 3)原地島弧, 由阿留申海盆俯沖成因[7,10-12]。2009年IODP323航次U1342鉆孔獲得基底火山巖樣品和索納爾SO201- 1b航次拖網樣品測試分析表明, 鮑爾斯海嶺是形成于漸新世(34～32 Ma, 28～26 Ma)的火山島弧[11], 并非洋島特征, 其形成時代晚于阿留申島弧和皇帝-夏威夷島鏈北部的殘留時代(90～80 Ma), 可以排除外來島弧/地體和熱點的成因。鮑爾斯海嶺更合理的解釋是漸新世阿留申海盆向南西俯沖原地形成的火山島弧, 其北側存在8～10 km的中新世沉積物覆蓋的海溝, 而動力來源可能與太平洋板塊向阿拉斯加半島俯沖產生右行走滑擠出構造[10]和北美洲板塊向西南移動有關[44]。

鮑爾斯海嶺北側中-基性鈣堿性島弧火山巖(32～26 Ma)具有埃達克巖的特征(高Sr/Y、La/Yb和Dy/Yb值, 低Y和Yb值), 而西側鮑爾斯海山含橄欖石玄武巖(24～22 Ma)具有弱島弧微量元素特征和MORB-like型同位素組成, 表明鮑爾斯海山形成時代稍晚于鮑爾斯海嶺且受俯沖作用影響較小。Wanke等[11]排除了下地殼重熔、年輕的熱板片俯沖成因, 提出鮑爾斯海嶺下高度的斜向俯沖(Oblique Subduction)可能伴有板片撕裂的模式, 即俯沖方向不是垂直于鮑爾斯島弧而是偏向西側, 鮑爾斯海山可能是俯沖過程中軟流圈沿板片上涌或者鮑爾斯海盆打開時形成的減壓熔融引起。

鮑爾斯海盆并非古太平洋板塊(庫拉板塊)的一部分, 而是在白令海內部形成的弧后盆地。雖然鮑爾斯海盆沒有獲得直接的洋殼樣品, 但是根據磁異常條帶和熱流值判斷, 大致形成于始新世到漸新世, 時代與鮑爾斯島弧相當, 其成因是阿留申海盆向鮑爾斯島弧下俯沖形成的弧后盆地[10-12,15]。

由于缺乏地質時代、地球化學和地球物理資料, 希爾紹夫海嶺的成因錯綜復雜, 至今尚沒有可信服的成因模式[9,13]。1975年在希爾紹夫海嶺拖網獲得的27.8 Ma安山巖, 是島弧成因的主要依據[7,23]。但是該安山巖是否是原位產出爭議較大, Cooper等[5]認為其類似于奧萊尤托斯基地區白堊紀和新生代的火山巖, 但不能確定是否是原位, 被解釋成隨浮冰漂移的產物。Scholl[7]同樣認為該拖網樣品并不是位于希爾紹夫海嶺上, 實際上是位于堪察加海盆走滑斷裂的海山上或者可能是中新世堪察加海盆形成時在阿留申島弧上斷離下來的碎片。Steinberger和Gaina[9]提出希爾紹夫海嶺是90～80 Ma形成的皇帝-夏威夷島鏈北部的殘留。也有學者提出希爾紹夫海嶺類似于鮑爾斯海嶺, 是阿留申海盆俯沖形成的島弧[10-12]。

根據1982年門捷列夫調查船第29航次和2016年德國的索納爾SO249航次獲取的資料, 希爾紹夫海嶺實際上是強烈變形變質的阿留申海盆洋殼, 其精確的形成時代為73 Ma, 變質年齡為47 Ma[14,32]。希爾紹夫海嶺為洋殼特征, 兩側均不存在類似海溝的俯沖結構, 因此, 其不可能是熱點和島弧成因。

希爾紹夫海嶺上覆的晚白堊世至始新世沉積物經歷了強烈的構造變形, 漸新世的沉積物變形程度弱, 而中新世的沉積物沒有變形記錄[1]。另外, 早漸新世的淺水沉積表明, 該海嶺的形態學結構, 在堪察加海盆打開(21 Ma)之前就已經存在[26]。希爾紹夫海嶺發育逆沖斷層系統, 斜長角閃巖變質年齡為47 Ma, 變質P-T條件達到高溫綠片-角閃巖相, 說明該海嶺經歷了強烈的變形變質事件。以上地質事實表明希爾紹夫海嶺經歷了多期次構造變形作用, 而漸新世(47 Ma)是最強烈的一期。希爾紹夫海嶺和北部奧萊尤托斯基半島沒有與碰撞有關的地質記錄, 為斷層分割, 可排除碰撞導致其變形的原因[1]。在區域上有3次構造事件對希爾紹夫海嶺影響較大: 一是47.5 Ma太平洋板塊的轉向, 二是阿留申海盆向鮑爾斯海嶺下俯沖, 三是堪察加海盆的打開。在時間上, 斜長角閃巖的變質時間(47 Ma)、地層強烈變形時代與太平洋板塊轉向時間(47.5 Ma)基本一致, 因此, 其形態學結構最早強烈變形變質的原因很可能與太平洋板塊的轉向有關, 由阿留申海盆經歷復雜的構造變形作用形成[14], 而新近紀希爾紹夫海嶺形成的不對稱結構, 與堪察加海盆的打開有關[32]。

堪察加海盆磁異常條帶顯示打開時間為21 Ma, 洋殼玄武巖形成于9.8 Ma, 在白令海3個海盆中最年輕, 因此, 堪察加海盆同樣是在白令海內部形成。但堪察加海盆的成因不是弧后擴張成因, 因為希爾紹夫海嶺不具島弧特征。堪察加海盆獨特的是在其內部存在近北東向和南北向伸展構造, 并被4條北西向大型右行走滑斷裂帶分割(圖5a), 說明該海盆的打開與大型的右行走滑斷裂有關。Yogodzinski等[16]提出在阿留申島弧的中西部太平洋板塊斜向俯沖到阿留申島弧之下, 在Buldir島和Attu島之間由于俯沖角度的不同產生了板片撕裂, 導致埃達克質火山巖的噴發[16-17](圖5b)。因此, 堪察加海盆打開的動力來源于太平洋板塊斜向俯沖過程中產生的右行走滑斷裂, 板片撕裂導致伸展環境軟流圈上涌, 形成走滑拉分海盆, 由南向北逐漸打開。

希爾紹夫海嶺南端和鮑爾斯海嶺西端在形態上均有明顯的凸向變化且平滑過渡(圖1b), 但是兩者構造成因并不相同。本文認為希爾紹夫海嶺南端向東平滑過渡的原因, 主要是受太平洋板塊斜向俯沖形成的右行走滑斷裂影響, 而鮑爾斯海嶺西端向西南凸起的原因是阿留申海盆向鮑爾斯海嶺下斜向俯沖造成。另外, 在阿拉斯加半島右行走滑擠出構造和北美洲板塊向西南移動構造背景下, 是否存在阿留申海盆曾發生過逆時針旋轉, 從而導致磁異常條帶走向與俯沖海溝不協調的可能性？本文認為這種可能性不大, 因為來自東北方向的應力已主要通過阿留申海盆向鮑爾斯海嶺下俯沖和阿留申海盆內西側右行走滑斷裂帶釋放。

2.2 白令海區域構造演化

晚白堊世以來白令海區域南側受到太平洋板塊總體向北北西或北西俯沖影響, 北側處于北冰洋擴張和北美板塊總體向西南運動的構造體系[1,44], 在約47.5 Ma太平洋板塊轉向對白令海構造演化產生了重要改變[1, 9, 45]。通過總結前人對白令海區域最新關鍵年代學、地球化學和地球物理方面的證據, 分析白令海各構造單元的成因, 認為白令海區域主要經歷以下演化階段(圖6)。

圖5 a)太平洋板塊向北俯沖于阿留申島弧中部之下和向西俯沖于堪察加半島之下, 發生板片撕裂的三維模式圖[16]; b)堪察加海盆成因模式圖[17]

Fig.5. a) Three-dimensional drawing model showing a torn Pacific plate subducting to the north beneath the central Aleutian Arc and to the west beneath Kamchatka Peninsula[16]; b) Tectonic cartoon for the origin of the Komandorsky Sea basin[17]

1)晚白堊世至早始新世(68～50 Ma)(圖6a), 古太平洋板塊(庫拉板塊)沿白令海陸架邊緣-阿拉斯加半島南緣向北俯沖, 形成阿拉斯加-白令海陸架大陸邊緣弧。在庫拉板塊-太平洋板塊轉換斷裂帶西側, 太平洋板塊俯沖形成一系列的島弧、弧后盆地和島弧地體, 陸續增生-拼貼到勘察加半島。

2)始新世(50～34 Ma)(圖6b), 在約47.5 Ma太平洋板塊發生轉向導致俯沖帶跳躍至阿留申島弧。庫拉板塊殘余被阿留申島弧“捕獲”, 形成阿留申海盆, 與此同時導致了希爾紹夫海嶺強烈的變形變質作用(47 Ma)[7,40-41]。奧利托爾斯基島弧地體此時或稍早碰撞-拼貼到堪察加半島之上, 而阿留申海盆經歷復雜的構造變形作用形成了希爾紹夫海嶺的雛形。

圖6 白令海區域晚白堊世以來構造演化模式圖. a) 68～50 Ma; b) 50～34 Ma; c) 34～26 Ma; d) 21～6 Ma[1,4]

Fig.6. Paleotectonic reconstructions of the Bering Sea region since the Late Cretaceous. a) 68～50 Ma; b) 50～34 Ma; c) 34～26 Ma; d) 21～6 Ma[1,4]

3)晚始新世至漸新世(34～26 Ma)(圖6c), 太平洋板塊向阿拉斯加半島俯沖產生右行走滑擠出構造[10], 同時北美洲板塊向西南移動[44], 導致阿留申海盆向鮑爾斯海嶺下俯沖形成鮑爾斯火山島弧, 弧后擴張形成鮑爾斯海盆。

4)中新世(21～6Ma)(圖6d), 太平洋板塊北側向阿留申島弧中部俯沖, 西側向堪察加半島俯沖發生板片撕裂, 形成右行走滑斷裂導致伸展環境軟流圈上涌, 堪察加海盆打開。

3 結論

1. 白令海海盆是阿留申島弧“捕獲”的古太平洋板塊的殘余, 在約47.5 Ma太平洋板塊運動轉向, 導致俯沖帶由白令海陸架邊緣跳躍至現今的阿留申島弧, 拉開了白令海構造演化的序幕。

2. 希爾紹夫海嶺變形變質強烈, 變質條件達高溫綠片-角閃巖相, 變質時代為47 Ma, 具有洋殼的巖石組合和地球化學特征, 原巖形成于73 Ma, 是阿留申海盆經歷復雜的構造變形作用形成的證明。

3. 鮑爾斯海嶺屬于島弧成因, 形成于34～26 Ma由阿留申海盆向西南斜向俯沖形成。弧后擴張形成鮑爾斯海盆。

4. 堪察加海盆是中新世太平洋板塊斜向俯沖過程中發生右行走滑-板片撕裂形成的走滑拉分海盆。

致謝 感謝兩名匿名審稿人對本文提出的寶貴修改意見。

1 CHEKHOVICH V D, SUKHOV A N, SHEREMET O G, et al. Cenozoic geodynamics of the Bering Sea region[J]. Geotectonics, 2012, 46(3): 212-231.

2 CHEKHOVICH V D, SUKHOV A N, KONONOV M V, et al. Geodynamics of the northwestern sector of the Pacific mobile belt in the Late Cretaceous-Early Paleogene[J]. Geotectonics, 2009, 43(4): 283-304.

3 SOKOLOV S D. Tectonics of northeast Asia: An overview[J]. Geotectonics, 2010, 44(6): 493-509.

4 VAES B, VAN HINSBERGEN D J J, BOSCHMAN L M. Reconstruction of subduction and back-arc spreading in the NW Pacific and Aleutian Basin: Clues to causes of Cretaceous and Eocene plate reorganizations[J]. Tectonics, 2019, 38(4): 1367-1413.

5 COOPER A K, MARLOW M S, SCHOLL D W, et al. Evidence for Cenozoic crustal extension in the Bering Sea region[J]. Tectonics, 1992, 11(4): 719-731.

6 DAVIS A S, PICKTHORN L B G, VALUER T L, et al. Petrology and age of volcanic-arc rocks from the continental margin of the Bering Sea: Implications for Early Eocene relocation of plate boundaries[J]. Canadian Journal of Earth Sciences, 1989, 26(7): 1474-1490.

7 SCHOLL D W. Viewing the tectonic evolution of the Kamchatka-Aleutian (KAT) connection with an Alaska crustal extrusion perspective[M]//EICHELBERGER J, GORDEEV E, IZBEKOV P, et al.Volcanism and Subduction: The Kamchatka Region. Washington, D. C.: American Geophysical Union, 2007: 3-35.

8 SUKHOV A N, BOGDANOV N A, CHEKHOVICH V D. Geodynamics and paleogeography of the northwestern Pacific continental margin in the Late Cretaceous[J]. Geotectonics, 2004, 38(1): 61-71.

9 STEINBERGER B, GAINA C. Plate-tectonic reconstructions predict part of the Hawaiian hotspot track to be preserved in the Bering Sea[J]. Geology, 2007, 35(5): 407-410.

10 REDFIELD T F, SCHOLL D W, FITZGERALD P G, et al. Escape tectonics and the extrusion of Alaska: Past, present, and future[J]. Geology, 2007, 35(11): 1039-1042.

11 WANKE M, PORTNYAGIN M, HOERNLE K, et al. Bowers Ridge (Bering Sea): An Oligocene-early Miocene island arc[J]. Geology, 2012, 40(8): 687-690.

12 SATO K, KAWABATA H, SCHOLL D W, et al. 40Ar-39Ar dating and tectonic implications of volcanic rocks recovered at IODP Hole U1342A and D on Bowers Ridge, Bering Sea[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2016, 125/126: 214-226.

13 MELEKESTSEV I V, SLEZIN Y B. Magma superflows in the Bering Sea. Part 1. The model and the geological and geomorphologic features[J]. Journal of Volcanology and Seismology, 2017, 11(1): 20-32.

14 SUKHOV A N, CHEKHOVICH V D, LANDER A V, et al. Age of the Shirshov submarine ridge basement (Bering Sea) based on the results of investigation of zircons using the U-Pb SHRIMP method[J]. Doklady Earth Sciences, 2011, 439(1): 926-932.

15 LUDWIG W J, MURAUCHI S, DEN N, et al. Structure of Bowers Ridge, Bering Sea[J]. Journal of Geophysical Research, 1971, 76(26): 6350-6366.

16 YOGODZINSKI G M, LEES J M, CHURIKOVA T G, et al. Geochemical evidence for the melting of subducting oceanic lithosphere at plate edges[J]. Nature, 2001, 409(6819): 500-504.

17 YOGODZINSKI G M, RUBENSTONE J L, KAY S M, et al. Magmatic and tectonic development of the western Aleutians: An oceanic arc in a strike-slip setting[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1993, 98(B7): 11807-11834.

18 Expedition 323 Scientists. Bering Sea paleoceanography: Pliocene-Pleistocene paleoceanography and climate history of the Bering Sea[R]. San Diego: Integrated Ocean Drilling Program Expedition 323 Preliminary, 2009: 1-201.

19 CHRISTESON G L, BARTH G A. Aleutian basin oceanic crust[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2015, 426(1): 167-175.

20 JICHA B R, SCHOLL D W, SINGER B S, et al. Revised age of Aleutian island arc formation implies high rate of magma production[J]. Geology, 2006, 34(8): 661-664.

21 MARLOW M S, COOPER A K. Regional geology of the beringian continental margin[M]. Dordrecht: Springer Netherlands, 1985: 497-515.

22 LU Z, DZURISIN D. InSAR imaging of Aleutian volcanoes[M]//Lu Z, Dzurisin D. InSAR Imaging of Aleutian volcanoes. Berlin, Heidelberg: Springer, 2014: 87-345.

23 COOPER A K, MARLOW M S, SCHOLL D W. Geologic framework of the Bering Sea crust[M]//Scholl D W, Grantz A, Vedder J G. Geology and Resource Potential of the Continental argin of Western North America and Adjacent Ocean Basins, Beaufort Sea to Baja California. [S.l.: s.n.], 1987: 73-102.

24 COOPER A K, MARLOW M S, SCHOLL D W. Mesozoic magnetic lineations in the Bering Sea marginal basin[J]. Journal of Geophysical Research, 1976, 81(11): 1916-1934.

25 SANDWELL D T, SMITH W H F. Global marine gravity from retracked Geosat and ERS-1 altimetry: Ridge segmentation versus spreading rate[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2009, 114(B1): B01411.

26 BARANOV B V, SELIVERSTOV N I, MURAV'EV A V, et al. The Komandorsky Basin as a product of spreading behind a transform plate boundary[J]. Tectonophysics, 1991, 199(2/3/4): 237-269.

27 SCHOLL D W, CREAGER J S. Geologic synthesis of leg 19 (DSDP) results: Far north Pacific, and Aleutian Ridge, and Bering Sea[R]. Washington, D. C.: U.S. Government Printing Office, 1973: 897-913.

28 KAWABATA H, SATO K, TATSUMI Y, et al. Description of basement volcanic sequences in Holes U1342A and U1342D on Bowers Ridge in the Bering Sea[M]//Takahashi K, Ravelo A C, Alvarez-Zarikian C A. Proceedings of the Integrated Ocean Drilling Program. [S.l.: s.n.], 2011, 323: 1-43.

29 LANGSETH M G, HOBART M A, HORAI K I. Heat flow in the Bering Sea[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1980, 85(B7): 3740-3750.

30 NEPROCHNOV Y P, SEDOV V V,MERKLIN L R, et al. Tectonic structure of the Shirshov Ridge, the Bering Sea[J]. Geotektonika, 1985, 19 (3): 21-37.

31 YURKOVA R M, PEYVE A A, ZINKEVICH V P, et al. Amphibolites of the Shirshov Ridge, Bering Sea[J]. International Geology Review, 1985, 27(9): 1051-1068.

32 SILANTYEV S A, KUBRAKOVA I V, PORTNYAGIN M V, et al. Ultramafic-mafic assemblage of plutonic rocks and hornblende schists of Shirshov Rise, Bering Sea, and Stalemate Ridge, northwest Pacific: Geodynamic interpretations of geochemical data[J]. Petrology, 2018, 26(5): 492-514.

33 VALLIER T L, SCHOLL D W, FISHER M A, et al. Geologic framework of the Aleutian arc, Alaska[J]. Geological Society of America, 1994, 1(1): 367-388.

34 HOLBROOK W S, LIZARRALDE D, MCGEARY S, et al. Structure and composition of the Aleutian Island Arc and implications for continental crustal growth[J]. Geology, 1999, 27(1): 31-34.

35 SCHOLL D W, VALLIER T L, STEVENSON A J. Geologic Evolution and Petroleum Geology of the Aleutian Ridge[J]. Geology and Resource Potential of the Continental Margin of Western North America and Adjacent Ocean Basins-Beaufort Sea to Baja California, 1987, 6(1): 12-155.

36 DEMETS C. Oblique convergence and deformation along the Kuril and Japan trenches[J]. Journal of Geophysical Research,1992, 97(B12): 17615-17625.

37 DEMETS C, GORDON R G, ARGUS D F, et al. Effect of recent revisions to the geomagnetic reversal time scale on estimates of current plate motions[J]. Geophysical Research Letters, 1994, 21(20): 2191-2194.

38 BUURMAN H, NYE C J, WEST M E, et al. Regional controls on volcano seismicity along the Aleutian arc[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2014, 15(4): 1147-1163.

39 LAYER P W, SCHOLL D W,NEWBERRY R. Ages of igneous basement from Komandorsky Islands, far western Aleutian Ridge[C]. San Francisco: AGU Fall Meeting Abstracts, 2007: 52-52.

40 鄭永飛, 陳伊翔, 戴立群, 等. 發展板塊構造理論: 從洋殼俯沖帶到碰撞造山帶[J]. 中國科學: 地球科學, 2015, 45(6): 711-735.

41 TARDUNO J, BUNGE H P, SLEEP N, et al. The bent Hawaiian-emperor hotspot track: Inheriting the mantle wind[J]. Science, 2009, 324(5923): 50-53.

42 O'CONNOR J M, STEINBERGER B, REGELOUS M, et al. Constraints on past plate and mantle motion from new ages for the Hawaiian-Emperor Seamount Chain[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2013, 14(10): 4564-4584.

43 JICHA B R, GARCIA M O, WESSEL P. Mid-Cenozoic Pacific plate motion change: Implications for the northwest Hawaiian Ridge and circum-Pacific[J]. Geology, 2018, 46(11): 939-942.

44 CHEKHOVICH V D, SHEREMET O G, KONONOV M V. Strike-slip fault system in the Earth's crust of the Bering Sea: A relic of boundary between the Eurasian and North American lithospheric plates[J]. Geotectonics, 2014, 48(4): 255-272.

45 COTTRELL R D, TARDUNO J A. A Late Cretaceous pole for the Pacific plate: Implications for apparent and true polar wander and the drift of hotspots[J]. Tectonophysics, 2003, 362(1/2/3/4): 321-333.

ORIGIN AND TECTONIC EVOLUTION OF THE BERING SEA SINCE THE LATE CRETACEOUS

Liu Songfeng1,2, Yang Chupeng1,2, Ju Dong1, Xiong Liangli1, Li Xuejie1

(1Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760, China;2Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China)

The Bering Sea is the largest marginal sea in the northwestern Pacific Ocean, with a history embraced the Cenozoic. The origin and tectonic evolution of the Bering Sea are very important for the understanding of the western Pacific marginal sea. Since the Late Cretaceous, the Bering Sea area has been affected by the subduction of the northern Pacific Ocean, the spreading of the ArcticOcean and the southwestward movement of the North American Plate. We analyzed key geological evidence, including research findings from geophysical, geochemical, and geochronological studies, and propose the following evolutionary history of the Bering Sea: (1) From the Late Cretaceous to the Early Eocene, the old Pacific Plate (Kula Plate) subducted northward along the Bering Sea shelf to the south of the Alaskan Peninsula; (2) During the Eocene, the subduction of the Pacific Plate jumped from the northern margin of the Bering Sea shelf to the Aleutian Arc, and the residual Kula Plate formed the Aleutian Basin. The complex deformation of the Aleutian Basin formed the prototype of the Shirshov Ridge; (3) From the Late Eocene to the Oligocene, the Aleutian Plate subducted beneath Bowers Ridge, and led to the formation of the Bowers volcanic arc and the Bowers back-arc basin; (4) During the Miocene, oblique subduction of the Pacific Plate beneath the Aleutian Arc led to right-lateral slab tearing, resulting in asthenosphere upwelling and the opening of the Kamchatka Basin.

marginal sea, Bering Sea, Aleutian Basin, captured plate, tectonic evolution

2020年4月收到來稿, 2020年5月收到修改稿

中國地質調查局地質調查項目(DD20190577、DD20190378、DD20190366)和南方海洋與工程廣東省實驗室(廣州)人才引進重大專項(GML2019ZD0106)資助

劉松峰, 男, 1987年生。博士, 工程師, 從事海洋地質調查和巖石成因大地構造研究。E-mail: liusongfeng_cug@163.com

10. 13679/j.jdyj.20200033