東印度洋Roo海隆區域屬性及其俯沖區域響應特征

冉偉民， 魯銀濤， 魏新元， 欒錫武， 劉鴻， 蔣陶，葉傳紅， 何明勇， 秘叢永， 尚魯寧

1 中國地質調查局青島海洋地質研究所， 青島 266071 2 青島海洋科學與技術試點國家實驗室， 青島 266237 3 中國石油杭州地質研究院， 杭州 310025 4 中國海洋大學海洋地球科學學院， 青島 266100 5 山東科技大學地球科學與工程學院， 青島 266590

0 引言

Roo海隆位于印度尼西亞爪哇島南部近海區域，經緯度范圍大致為108.00°—114.67°E和10.50°—14.83°S，屬于東印度洋沃頓海盆圣誕島海底火山群省最東段延伸部分，其東側與澳大利亞西北大陸架相隔阿爾戈深海盆地(圖1).海底高分辨率多波束掃描測深顯示Roo海隆為形狀不規則且坡度和緩的寬闊隆起區，表面有許多呈孤立形態的海山，海隆區域整體平均高度高于周圍平滑海底約2000 m(Kopp et al.，2006).Roo海隆最早被發現于1960年由美國科學家Bruce Heezen和Marie Tharp主導開展的印度洋海洋學調查航次，并在1965年美國地質學會正式出版的“印度洋地形圖”中首次被標注為“Roo”.2018年，在由IHO-IOC(國際海道測量組織和政府間海洋學委員會)聯合實施開展的通用大洋水深制圖項目《海底特征地名詞典》中將其正式命名為“Roo Rise”，構造類型正式定義為海隆(IHO-IOC，2018).

全球范圍內匯聚型板塊邊緣俯沖構造體系是最為活躍的板塊匯聚邊界地帶之一(Clift and Vannucchi，2004)，以板塊間匯聚、碰撞、俯沖、拆離、擴張等構造演化過程為主，其中，對于一些海底異常凸起構造形成的粗糙海底表面，主要包括洋脊、海嶺、海底高原(海臺)、海山和海隆等，在伴隨板塊俯沖匯聚過程中更加容易形成特殊俯沖構造體系(Huene et al.，2004；Dong et al.，2018；高金尉等，2018；何慶宇等，2021)，這些區域內復雜的構造動力背景通常伴隨活躍的流-固跨圈層物質能量交換過程(鄭永飛等，2016；李三忠等，2018)，廣泛的海底熱液與冷泉活動、多金屬硫化物噴發(孫衛東等，2010)和海底裂隙活動、空間聚集性淺層地震活動(Gao and Wang，2014，2017)等，因此，海底凸起構造俯沖研究一直是全球海洋地學研究的前沿與熱點.

東南亞巽他弧俯沖構造體系位于印澳聯合板塊與巽他大陸板塊匯聚邊緣，自始新世以來形成了長度超過5000 km的安達曼—蘇門答臘—爪哇海溝連續俯沖體系(Metcalfe，2011；Hall，2012，2018；汪品先，2017；Li et al., 2021)(圖1)，從東部的弗洛雷斯島和松巴群島一直向西北延伸到緬甸南部安達曼海區域，這段連續俯沖體系以印度洋90°E海嶺以東的開闊東印度洋洋殼俯沖為主，且大部分海底區域表面光滑平坦，因此大部分巽他弧俯沖體系曾經一直被認為是俯沖增生型板塊邊緣，發育較為典型的高壓增生棱柱體弧前隆起地貌特征.直到2006年，隨著海底高分辨率多波束掃描測深技術的發展與應用，Kopp等(2006)首次公開發表東爪哇南部近海區域高分辨率海底圖像，發現東印度洋沃頓海盆圣誕島海底火山群省最東段Roo海隆已經隨板塊運動到達爪哇海溝區域，并根據海底地貌特征認為該區域正在發生板塊俯沖侵蝕過程，且推測Roo海隆可能處于早期俯沖階段.至此，在巨大的巽他“溝-弧-盆”俯沖構造體系中發現了東爪哇南部近海Roo海隆區“隆-溝-弧-盆”局部新俯沖構造格局.

圖1 東南亞巽他弧俯沖構造體系與圣誕島海底火山群省(含Roo海隆)位置圖黃色陰影區域表示巽他古陸核范圍，其他顏色陰影區域表示中生代從岡瓦納大陸裂離并拼接到巽他古陸核陸塊碎片，據文獻(Metcalfe，2011，2021；Hall，2012，2017)標注.Fig.1 The location map of the Sunda arc subduction tectonic system and the Christmas Island Seamount Province (including Roo Rise) in Southeast AsiaThe yellow shaded areas indicate the extent of theSunda craton, while the other shaded areas indicate the Mesozoic fragmentation from Gondwana and splice into the Sunda craton，according to the literature(according to Metcalfe，2011，2021；Hall, 2012，2017).

與巽他弧相鄰區域正常洋殼俯沖過程相比，由于粗糙海底地形特征接近海溝，Roo海隆凸起構造在巽他弧體系中觸發了不同的俯沖地質過程.本文結合前人研究成果，全面梳理認識Roo海隆區域屬性特征，包括海隆巖性與年代學特征、起源爭議、“隆-溝”區域俯沖深部結構特征；進一步增強對弧前海隆早期俯沖侵蝕過程的認識，包括局部弧前增生棱柱體前緣碰撞侵蝕、差異性抬升和變形特征；首次利用二維多道地震資料，分析探討弧后盆地對“隆-溝-弧-盆”新俯沖構造格局的響應特征.

1 區域地質背景

Roo海隆屬于東印度洋圣誕島海底火山群省最東段，圣誕島海底火山群省延東西軸向展布超過2200 km，南北寬度超過550 km，覆蓋面積超過1200000 km2，自西向東包括四個次級海底火山群省，依次為科科斯—基林火山群省、維寧—曼尼斯火山群省，東沃頓海盆火山群省和阿爾戈深海盆地火山群省(Hoernle et al.，2011)(圖2).現今Roo海隆區域的印澳聯合板塊正以北東11°方向俯沖到巽他大陸下(Wallace et al.，2004)，而近東西向延伸的圣誕島海底火山群省與板塊俯沖方向近乎垂直，因此無法簡單套用太平洋板塊夏威夷—皇帝海山鏈固定熱點地幔柱理論解釋圣誕島海底火山群成因；在科科斯—基林火山群省和維寧—曼尼斯火山群省之間存在一條南北走向、長達2500km的調查者海脊破碎帶(Lange et al.，2010；Koulakov et al.，2016)，雖然調查者海脊破碎帶南北向貫穿圣誕島海底火山群省內部，但目前調查者海脊破碎帶對圣誕島海底火山群省的形成是否具有控制作用尚不明確.

圖2 圣誕島海底火山群省(含Roo海隆)區域地質年代學及磁異常條帶分布特征白色虛線為Roo海隆范圍(據IHO-IOC，2018)；綠色虛線為Roo海隆俯沖侵蝕區域；紅色實線和三角形為蘇門答臘—爪哇海溝；黑色實線圈定范圍代表為四個次級海底火山群省，科科斯—基林火山群省(CKVP)、維寧—曼尼斯火山群省(VMVP)，東沃頓海盆火山群省(EWBVP)和阿爾戈海盆火山群省(ABVP)，數字與空心圓圈代表測年及拖曳采樣位置(據Hoernle et al.，2011).縮略詞：MI，馬都拉島；RMKIZ，南望—馬都拉—康厄安反轉構造帶； K-MSB，肯登—馬都拉海峽盆地； CI，圣誕島； CKI，科科斯—基林群島； GAP，加斯科因深海平原；AAP，阿爾戈深海平原；BI，巴厘島；LI，龍目島；SWI，松巴哇島；SI，松巴島.Fig.2 Distribution characteristics of regional geochronology and magnetic anomaly bands in the Christmas Island Seamount Province (including Roo Rise)The white dotted line is the Roo Rise range (according to IHO-IOC, 2018). The green dotted line is the Roo Rise subduction erosion area. The solid red lines and triangles are the Sumatra-Java Trench. The definite range of the black solid lines represent by four sub-submarine volcanic provinces, Cocos-Keeling volcanic provinces (CKVP), Vining-Mannes volcanic provinces(VMVP), East Wharton Basin volcanic provinces (EWBVP) and Argo Basin volcanic provinces (ABVP). Numbers and hollow circles represent dating and drag-sampling locations (according to Hoernle et al., 2011). Acronym :MI, Madura Island. RMKIZ, Rembang-Madula-Kangean inversion tectonic zone; K-MSB, Kendeng-Madura strait basin. CI, Christmas island. CKI, Cocos-Keeling islands. GAP, Gascoyne abyssal plain. AAP, Argo abyssal plain. BI, Bali island. LI, Lombok island. SWI, Sumbawa island. SI, Soemba island.

Roo海隆地處東印度洋沃頓海盆北部地區，從全球板塊構造劃分來看，屬于印澳聯合板塊——巽他大陸俯沖匯聚體系.根據板塊模型重建顯示，中生代侏羅紀到新生代是東南亞區域長期且重要的板塊調整重組時期；晚侏羅世到白堊紀，多個陸塊碎片依次從南方岡瓦納大陸裂離(Li et al.，2018，2019)，經過長距離北向漂移運動，碰撞拼接到巽他古陸核上，這些陸塊碎片主要包括西南婆羅洲塊體(Metcalfe，2011)、東爪哇—西蘇拉威西塊體(Smyth et al.，2007；Emmet et al.，2009；Granath et al.，2011)、沙巴—北西蘇拉威西塊體(van Leeuwen et al.，2007)(圖1)，以上塊體均被認為從現今澳大利亞西北部埃克斯茅斯高原與新幾內亞島鳥頭之間的邊緣地帶裂離(Hall，2012，2017，2018).

研究發現在Roo海隆東側的阿爾戈深海平原與澳大利亞西北大陸架交接部位洋殼年齡大于155 Ma(Gradstein，1992)(圖2)，這意味著上述邊緣地帶發生裂谷作用時間會更早.侏羅紀隨著中特提斯洋殼向南俯沖，岡瓦納北緣發生弧后張裂作用，推測在160 Ma時西南婆羅洲塊體首先從現今外班達海區域開始裂離，同時，沙巴—北西蘇拉威西塊體近乎同時期從現今內班達海區域裂離，到155 Ma時，東爪哇—西蘇拉威西塊體從現今阿爾戈深海平原裂離.西南婆羅洲塊體大約在早白堊世115～110 Ma之間沿著從納土納(Natuna)地區向南延伸到勿里洞島的構造線拼接到巽他大陸南部邊緣.東爪哇—西蘇拉威西塊體和沙巴—北西蘇拉威西塊體在大約90 Ma時期與較早拼接到巽他大陸的西南婆羅洲塊體再次碰撞拼接(Hamilton，1979；Parkinson et al.，1998；Hall et al.，2009；Hennig et al., 2016)，這次碰撞拼接過程形成了梅拉圖斯縫合帶，并導致了巽他大陸南緣白堊紀俯沖過程的結束.

Roo海隆以北與東爪哇島相隔爪哇海溝，前人研究發現在東爪哇島弧前盆地與現今火山弧之間的基底為大陸塊體碎片，Smyth等(2007)根據碎屑鋯石年齡特征研究，發現東爪哇島南部基底中的太古宇-古生界鋯石年齡與澳大利亞西部皮爾布拉(Pilbara，3.5～2.9 Ga)和伊爾剛克拉通(Yilgarn，2.7～2.6 Ga)相一致，同時在西蘇拉威西地區也發現了與西澳大利亞年齡特征相似的太古宇鋯石(van Leeuwen et al.，2007)，驗證了板塊重建模型中東爪哇—西蘇拉威西塊體(圖1)從澳大利亞西北緣裂離，并經過板塊漂移后拼接到巽他大陸邊緣的運動過程.

晚白堊世到古新世，巽他大陸南緣為被動大陸邊緣，此時印澳聯合板塊與歐亞板塊匯聚活動處于近乎停滯狀態，到了始新世，印澳聯合板塊與歐亞板塊之間重新開始相對運動，現今東南亞構造格局下印澳聯合板塊——巽他大陸俯沖匯聚體系形成(Hall，2012，2017；Li et al.，2021).始新世至今，隨著印澳聯合板塊與巽他大陸之間持續俯沖碰撞擠壓過程，東南亞區域主要包括巽他大陸及其鄰域形成以“加里曼丹島”為中心，逆時針“鉸鏈式”旋轉收縮運動過程(Hall，2012，2017；Pownall et al.，2016).

2 Roo海隆區域屬性特征

2.1 Roo海隆區域巖性與地質年代學特征

Roo海隆及其鄰域海底地形圖顯示圣誕島海底火山群省以大小規模不一的海底火山結構為主要地貌特征，廣泛分布小型、孤立的火山錐、平頂海山和寬闊平坦的海底隆起狀高原.1998年，國際地圈-生物圈過去的全球變化研究計劃(IGBP-PAGES，International Geosphere-Biosphere Program Past Global Changes)深海沉積物取芯項目曾在Roo海隆靠近爪哇海溝一側，鉆獲長度為30.3 m的重力柱狀巖心(鉆孔編號MD982156，水深3884 m，位置見圖2)，巖心上段為保存完好的晚中新世至全新世沉積，下段為富含鈣十字沸石的古新世沉積地層，研究認為上下段之間的沉積間斷或不連續是由于區域在始新世到中中新世經歷構造侵蝕，同時，研究認為Roo海隆古新統地層富含的鈣十字沸石來源于火山活動產物，并隨后在長期沉海沉積作用下形成，推測該鉆孔中古新世地層沉積時位于洋中脊側翼(Kusnida，2009)，據此表明Roo海隆區域可能已經隨印度洋板塊進行了長距離漂移.Roo海隆區域的拖曳樣品中以強蝕變橄欖巖質熔巖碎塊、錳結殼和深海沉積物為主(van Hunen et al.，2002).

Hoernle等(2011)等通過開展大規模海底拖曳采樣工作，發現整個圣誕島海底火山群省區域巖石類型多樣，全區廣泛分布形成于上地殼的枕狀玄武巖和席狀巖脈，形成于下地殼的各種基性和長英質侵入巖以及層狀堆積巖，在靠近調查者海脊破碎帶附近偶見形成于上地幔的蛇紋巖，在一些未遭受侵蝕的海山區廣泛分布斑片狀和枕狀熔巖，在遭受侵蝕的平頂海山周緣區域常見原生火山碎屑沉積巖和碳酸鹽沉積物.

通過對圣誕島海底火山群省區域拖曳樣品進行40Ar/39Ar年齡測定(Hoernle et al.，2011)，發現全區域內海山巖石樣品年齡自西向東呈遞增趨勢，同時結合海底磁異常條帶發現，海山樣品年齡與其所在區域洋殼年齡相差約0～25 Ma；在最西側的科科斯—基林海底火山群省采集巖樣年齡為56～47 Ma，其周圍洋殼年齡自南向北約為67～61 Ma；中西部維寧—曼尼斯海底火山群省巖樣年齡為95～64 Ma，其周圍洋殼年齡約為100～78 Ma；中東部東沃頓海盆海底火山群省巖樣年齡為115～94 Ma，其周圍洋殼年齡約為120～105 Ma；最東部阿爾戈深海盆地火山群省巖樣年齡為136 Ma，阿爾戈深海盆地內洋殼年齡約為154～134 Ma.圣誕島和科科斯—基林群島是研究區兩座露出水面的海山，根據圣誕島火山巖樣分析(Taneja et al., 2015)，識別出現今圣誕島及其海底側翼兩次較年輕的板內火山活動，較老一期火山活動發生在始新世43～37 Ma期間，最新一期發生在上新世4.5～4.3 Ma，兩期火山活動相差約33 Ma；有研究人員推測，圣誕島沉積灰巖可能完全覆蓋了一次更古老的晚白堊紀火山活動事件，至今尚未發現相關地質露頭證據，但該推測與圣誕島所屬的維寧—曼尼斯海底火山群省拖曳巖樣年齡相對應，即圣誕島可能經歷三期火山活動，發生在新生代的后兩期火山活動將最古老的晚白堊世火山活動完全覆蓋.

2.2 Roo海隆區域俯沖體系深部結構特征

早期折射地震剖面顯示Roo海隆區域洋殼平均厚度為11.5 km(Curray et al.，1977).近來利用P波速度、重力建模和二維多道反射地震數據聯合反演，新建的復合構造模型較為清晰的揭示了Roo海隆區域俯沖體系的深部幾何結構特征(圖3)，Roo海隆區的地殼厚度在18～12 km之間，平均厚15 km，覆蓋面積約10萬km2；同時模型顯示，海溝以北弧前巽他大陸邊緣地殼的平均厚度為14 km，繼續向爪哇島陸域方向急劇增加至33 km(Shulgin et al.，2011).前人研究認為Roo海隆區域凸起構造特征造成的洋殼厚度增加，可能與洋底基性火山活動形成的輝長巖和玄武巖侵入有關(van Hunen et al.，2002).

二維多道地震反射成像(Lüschen et al.，2011)顯示，東爪哇弧前Roo海隆區俯沖板塊上表面形成一系列正斷層構造破碎帶，與高分辨率多波束海底測深顯示的一系列平行于海溝的小型斷層崖和陡坎相對應(Kopp et al.，2006).受二維多道地震采集與成像技術限制，正斷層構造破碎帶沿俯沖板塊上表面隱約可見向下延伸60～70 km(圖3).有學者認為東印度洋俯沖板片彎曲是洋殼上表面形成正斷層構造破碎帶的主要原因(Hall，2012)；同時，俯沖板片彎曲引起區域板塊應力機制與深部巖漿動力變化(Taneja et al.，2015)，可能也與上文提及的圣誕島上新世4.5～4.3 Ma最新一期火山活動相對應.

圖3 Roo海隆俯沖區域P波速度分布、重力建模與多道地震聯合反演(a) P波速度分布，數值與顏色表示速度大小，紅色三角形表示海底地震儀，黑色粗實線表示根據折射地震剖面解釋的莫霍面，虛線表示推測界面； (b) 區域密度分布模型剖面，數值為密度值，單位為g·cm-3； (c) 實測(黑色實線)與模型(藍色實線)計算自由空間重力異常； (d) Roo海隆俯沖區域深部結構聯合反演模型(據文獻修改Shulgin et al.，2011；Lüschen et al.，2011；Kopp et al.，2006).Fig.3 Gravity modeling and multi-channel seismic joint inversion of P-wave velocity distribution in Roo Hillong subduction region(a) P wave velocity distribution, the value and color represent the velocity magnitude, the red triangle represents the ocean-bottom seismometers (OBS), the thick black line represents the Moho surface interpreted according to the refraction seismic profile, and the dashed line represents the presumed interface; (b) Density distribution model section, the numerical value is density value, the unit is g·cm-3; (c) Observed (black solid line) and model (blue solid line) calculated free-air gravity anomalies; (d) Joint inversion model of deep structures in the Roo Rise subduction zone(according to Shulgin et al.，2011；Lüschen et al.，2011；Kopp et al.，2006).

本文利用最新衛星測高反演重力異常數據(Sandwell et al.，2014；Garcia et al.，2014)，繪制了東印度洋圣誕島海底火山群省區域及其鄰域自由空間重力異常圖(圖4)，網格精度達到1′×1′.自由空間重力異常對地表和近地表質量分布較為敏感，在陸地區，與地形高程呈正相關，在海洋區域，相關關系相對較弱.通過圖4可見，圣誕島海底火山群省區域呈彌散狀低異常分布特征，異常值主要集中在0～100 mGal，且海底火山群省在整個東印度洋殼區域沒有表現出明顯的自由空間重力異常特征，推測可能是由于存在低密度補償地殼山根，這在現今一些洋中脊擴張中心或其附近形成的海底火山的重力異常特征較為常見(Walther，2003).而在蘇門答臘島—爪哇島弧前區域，主要為兩條平行分布的負高異常條帶中間夾一條正低異常條帶，兩條負高異常條帶值為-100～-150 mGal，對應弧前盆地與海溝區域；正低異常條帶值約為0～80 mGal，對應于東印度洋殼俯沖在巽他大陸邊緣形成的增生棱柱體弧前隆起區.值得注意的是，正低異常條帶在東爪哇弧前Roo海隆俯沖區域被切斷，且Roo海隆正低異常區向海溝負高異常區擠壓，造成該海溝區域負高異常條帶向北凹陷.

圖4 東印度洋圣誕島海底火山群省區域及其鄰域自由空間重力異常圖Fig.4 Free-space gravity anomaly map of the Christmas Island Seamount Province in the eastern Indian Ocean and its adjacent regions

2.3 Roo海隆及圣誕島海底火山群省起源

Roo海隆及圣誕島海底火山群省的起源一直是印度洋海洋地學研究的前沿與熱點.圣誕島海底火山群省軸向呈近東西向彌散狀延伸，與所在區域內印澳聯合板塊北北東向漂移運動近似垂直，同時Hoernle等(2011)發現區域內部分平頂海山由于二期火山活動在其平臺上形成新的火山錐，及平頂海山與未被侵蝕的海山相間分布，表明在同一海山區域可能經歷多期次火山活動，或早期形成的火山錐經歷構造抬升侵蝕為平頂海山，后期構造沉降而重新發育新一期火山活動，這與圣誕島已經識別的兩期火山活動相符合，因此無法簡單套用太平洋板塊夏威夷—皇帝海山鏈固定熱點地幔柱理論解釋其成因.另外發育于現今印澳聯合板塊內的調查者海脊巖石圈深大斷裂帶，由于其南北走向，與圣誕島海底火山群省東西延伸方向垂直，所以巖石圈裂縫形成火山活動成因理論也不能較好解釋圣誕島海底火山群省起源.

Hoernle等(2011)根據圣誕島海底火山群省火山巖40Ar/39Ar年齡研究發現，區域內海山年齡主要為136～47 Ma，從西向東海山年齡逐漸增加，且與周圍洋殼年齡相比晚0～25 Ma，這與洋中脊附近形成的海底構造年齡特征相似.同時根據拖曳巖樣Sr、Nd、Hf、Pb同位素含量分析結果與Gplates板塊構造模型相結合，認為在中生代時期，南方岡瓦納大陸邊緣首先由于巖石圈拆沉減薄作用發生裂離，拆沉的澳大利亞邊緣古老大陸巖石圈地幔物質和中特提斯洋殼南向新俯沖的部分洋殼物質再次減壓熔融，被上升地幔流夾帶并沿新生洋中脊再次折返上涌，最終形成圣誕島海底火山群省，該過程稱為新生洋中脊大陸巖石圈地幔淺層再循環作用.同時該過程可能是陸緣裂解背景下新生洋盆海山省形成的重要機制，而對于較古老的太平洋板塊，洋中脊遠離大陸邊緣，其上涌巖漿中基本沒有古老大陸巖石圈地幔拆沉物質，因此東印度洋圣誕島海底火山群與太平洋板塊海山群是兩種完全不同的成因機制.

目前關于圣誕島海底火山群省起源的爭議主要集中在與圣誕島海底火山群省相關的洋中脊發育位置，該洋中脊被認為已經隨印澳聯合板塊俯沖消亡于巽他大陸之下.Hoernle等(2011)支持的Gplates板塊重建模型認為該洋中脊曾發育于西緬甸塊體與澳大利亞陸塊裂離的位置，且在該位置可能存在固定熱點地幔柱，可以解釋阿爾戈海底火山群省136 Ma和中東部東沃頓海盆海底火山群省115～94 Ma的火山活動，但不能較好解釋中西部維寧—曼尼斯海底火山群省93～70 Ma、西部科科斯—基林火山群省56～47 Ma和圣誕島4 Ma的火山活動.而Hall(2012，2017)的板塊重建模型認為該洋中脊曾經發育于澳大利亞西緣陸塊與裂離的東爪哇—西蘇拉威西塊體之間，主要依據是西緬甸塊體中一直未發現年齡超過2.8 Ga的太古代鋯石；基于此板塊重建模型可以較好解釋上述136 Ma，115～94 Ma，93～70 Ma和圣誕島44～37 Ma火山活動；同時，Hall(2012)又提出科科斯—基林火山群省和外海山更可能與轉換斷層火山活動成因相關，與洋中脊-熱點地幔柱成因似乎關系不大.

3 Roo海隆俯沖區域響應特征

3.1 弧前早期俯沖侵蝕過程

新生代以來印澳聯合板塊向巽他大陸之下持續俯沖，在上覆巽他陸塊邊緣發育較為典型的高壓增生棱柱體弧前隆起地貌，且弧前隆起頂部構造線走向與蘇門答臘—爪哇海溝走向近似平行且較為連續，等深線與海溝走向也呈近似平行分布.但在東爪哇島弧前Roo海隆俯沖區域，弧前隆起頂部構造線走向模糊且彎曲；與東西部較為連續展布的龍目弧前隆起(Planert et al.，2010)和西爪哇島弧前隆起(Kopp et al.，2006)相比，東爪哇島弧前隆起地貌呈多個孤立的較為清晰的海底山峰，平均高出周邊海底約800～1200 m(圖2，圖3)；Masson等(1990)推測這些孤立的海底山峰的位置可能是早期Roo海隆以北已經俯沖潛沒海山的對應位置，但同時發現觀測到的海底山峰的隆起體積大于推測的俯沖潛沒海山的體積.研究區融合部分高分辨率多波束掃描數據(Kopp et al.，2006)的海底地形圖顯示，Roo海隆俯沖區域在東爪哇島弧前增生棱柱體前緣已經形成了不規則碰撞疤痕，具體表現為俯沖區域內海溝平均向北方向凹陷約40 km，局部最大超過60 km；海溝內凹與增生棱柱體前緣后退，共同形成了一個面積約25000 km2大小的Roo海隆俯沖前緣侵蝕區(圖2，圖4).

為了更直觀的認識Roo海隆俯沖侵蝕特征，本文利用地形高程數據，計算并繪制研究區地形坡度圖(圖5).全區地形坡度較大的地區主要為巽他大陸邊緣海溝-火山弧區域、圣誕島海底火山群省和澳大利亞西北大陸架邊緣坡折帶.研究區地形坡度圖顯示圣誕島海底火山群省以大小不一的實心圓或空心圓高亮色填充為主要特征，表明區域內火山錐和平頂海山相間分布且較為高聳；西部地區南北向延伸的調查者大斷裂帶從中南段兩條高亮色填充平行線向北段逐漸收斂，表明海脊狀斷裂帶頂部北段更為尖棱，中南段相對平緩.在俯沖海溝區，巽他大陸邊緣弧前隆起前緣地形坡度最大，接近海溝處地形坡度平均約為3～4°，頂部坡度較小；弧前隆起區連續平行線性高亮填充清晰表明區域整體弧前隆起走向與海溝走向近似平行.但在Roo海隆俯沖侵蝕區，弧前隆起前緣呈斷續高亮填充，局部地區地形坡度可達5～6°，且同樣顯示出弧前隆起前緣凹陷特征；弧前隆起頂部呈不規則圓形高亮填充特征，與其多個孤立不規則形狀的海底山峰地貌相對應.

圖5 蘇門答臘—爪哇海溝及其鄰域地形坡度圖Fig.5 Topographic slope map of the Sumatra-Java Trench and its adjacent areas

另外，地形坡度圖顯示Roo海隆俯沖形成的弧前隆起區北向擠壓凹陷將西爪哇弧前盆地與東部龍目弧前盆地分割開來，造成東爪哇弧前盆地寬度變窄，發生明顯擠壓變形.根據弧前盆地地震-地質解釋剖面顯示(圖6)，盆地內淺層沉積較為連續，Kopp等(2006)將其解釋為爪哇島陸源碎屑與火山灰交替沉積，但缺乏地質年代約束；同時受限于當時地震采集與成像技術，深層地震反射特征無法清晰識別.弧前盆地內靠近弧前隆起一側淺部沉積地層整體向北側傾斜，可能是由于弧前隆起的掀斜抬升導致地層先沉積后構造彎曲過程所引起；同時在盆地內北部基底小規模隆起并向北側傾斜，推測是由于弧前盆地遭受自南向北擠壓導致；而弧前隆起頂部發育一系列張性斷層，說明該區域正經歷垂向隆起和構造抬升；以上弧前盆地與弧前隆起淺層構造與沉積特征均反映了該區域正經歷新一期構造運動，推測與Roo海隆早期俯沖階段相對應.

圖6 Roo海隆俯沖區域爪哇弧前盆地地震-地質綜合解釋剖面(剖面位置見圖2，據Kopp et al.，2006修改)Fig.6 Integrated seismic and geological interpretation section of the Javaforearc basin in the Roo Rise subduction region (section location is shown in Fig.2，modified according to Kopp et al., 2006)

根據Clift和Vannucchi(2004)總結的全球板塊匯聚邊緣的弧前地形坡度與板塊相對匯聚速率交會圖分析(圖7)，Roo海隆俯沖區域西側西爪哇弧前區域和東側龍目弧前區域均屬于板塊俯沖增生區域，而Roo海隆俯沖區域即東爪哇弧前區域為俯沖侵蝕區域.但與全球其他俯沖侵蝕區相比，Roo海隆俯沖侵蝕區弧前地形坡度與板塊相對匯聚速率變量均處于臨界值，結合上述弧前地形地貌特征分析，說明該區處于早期俯沖侵蝕階段.同時前文提到，Roo海隆弧前俯沖板塊形成的正斷層構造破碎帶，沿俯沖板塊向北延伸60～70 km，有學者結合區域板塊邊緣匯聚速率粗略推算Roo海隆俯沖開始于約1 Ma(Shulgin et al.，2011)，這也對應了Roo海隆區弧前早期俯沖侵蝕特征.

圖7 全球板塊匯聚邊緣的弧前地形坡度與板塊相對匯聚速率交會圖(板塊匯聚邊緣地名縮略詞請見Clift and Vannucchi，2004)Fig.7 Crossplot of forearc topographic slope and relative plate convergence rate at global plate convergence margins (please refer Clift and Vannucchi，2004 the geographic abbreviation of plate convergence margin)

3.2 弧后盆地構造變形響應

目前在東南亞巽他“溝-弧-盆”俯沖構造體系中存在由于東爪哇島南部近海Roo海隆俯沖形成的“隆-溝-弧-盆”新俯沖構造格局，但近年來研究重點傾向于Roo海隆起源、深部結構及其弧前俯沖碰撞過程方面；同時，由于一般在弧后地區很難保留直接地質記錄，因此，關于Roo海隆碰撞背景下弧后東爪哇盆地構造變形響應特征缺乏相關研究.

東爪哇盆地是位于加里曼丹島南部和東爪哇島現代火山弧之間的新生代弧后盆地，主要受始新世以來印澳聯合板塊和巽他大陸俯沖匯聚過程控制(e.g.Cole and Crittenden，1997；Kusumastuti et al.，2002；Sharaf et al.，2005；Smyth et al.，2007；Hutchison，2010；Hall，2012，2017，2018).東爪哇盆地基底組成主要由前白堊紀巽他古陸核，一些小型古陸塊碎片及縫合帶拼接而成，這些小型板塊碎片來源在地質背景中已作簡要介紹，主要包括早白堊世拼接的西南婆羅洲微板塊(Metcalfe，2011，2021)，中白堊世時期俯沖背景下發育的梅拉圖斯縫合帶(Hamilton，1979；Parkinson et al.，1998)，晚白堊世時期與巽他陸塊拼接的東爪哇—西蘇拉威西微板塊(Smyth et al.，2007；Emmet et al.，2009；Granath et al.，2011).新生代以來東爪哇盆地主要經歷了中始新世到漸新世的斷陷-裂后沉降期、中新世到現今的繼承性構造連續擠壓反轉期演化階段(Cole and Crittenden，1997；Kusumastuti et al.，2002；Sharaf et al.，2005，2014；Ran et al.，2019)(圖8)，另外盆地南部東爪哇島火山弧的幕式火山作用對盆地構造演化同樣產生重要影響(Lokier，2000；Smyth et al.，2007，2008；Waltham et al.，2008；Ran et al.，2020).

圖8 東爪哇盆地地質構造格架剖面(剖面位置見圖2，據Sharaf et al.，2005；Ran et al.，2019修改)Fig.8 Geological tectonic framework section of East Java Basin (section location is shown in Fig.2，modified after Sharaf et al., 2005; Ran et al., 2019)

有學者通過數學建模研究發現，新生代以來東爪哇盆地南部二級構造單元肯登—馬都拉海峽盆地(Kendeng-Madura Strait Basin)形成演化主要受南部火山弧負荷控制而發生沉降(Waltham et al.，2008).肯登—馬都拉海峽盆地位于東爪哇島南部第四紀火山弧與南望—馬都拉—康厄安反轉構造帶之間，從肯登陸域向東一直延伸至馬都拉海峽，東西狹長超過400 km，南北寬度較窄(約100～120 km)，與東爪哇島南部火山弧平行.東爪哇島南部主要包括兩條平行火山弧，分別為中始新世-中中新世(約42～18 Ma)南部古老火山弧和第四紀現代火山弧(圖2).前人通過建立火山弧負荷與盆地沉降線性正相關數學地質模型分析肯登—馬都拉海峽盆地演化過程，該數學模型假設盆地形成區域是由于存在物質密度差異導致的負荷而發生沉降，且該負荷由兩部分組成，分別是地面以下埋藏的巖漿巖與沉積巖密度差異負荷和地面以上火山建造負荷(圖9)；通過給出的東爪哇盆地充填密度、火山弧密度、地幔密度、地殼密度與厚度、盆地與火山弧寬度、地面火山坡度等參數，計算預測出東爪哇火山弧產生的負荷造成其北側肯登—馬都拉海峽盆地沉降深度約為6.9 km；同時利用該數學地質模型進行重力正演，發現模型預測的重力異常曲線與進行地形校正后的實測布格重力異常曲線具有較好相關一致性，說明該火山弧負荷-盆地沉降模型與肯登—馬都拉海峽盆地實際較為吻合，驗證了模型具有一定程度合理性，因此，研究人員認為東爪哇島南部火山弧負荷控制了肯登—馬都拉海峽盆地形成演化過程(Waltham et al.，2008).

圖9 (a) 肯登—馬都拉海峽盆地火山弧負荷成因盆地沉降地質模型; (b) 剖面實測與模型正演重力異常曲線圖(剖面位置見圖2，據Waltham et al.，2008修改)Fig.9 (a) Geological model of basin subsidence in genesis of volcanic arc loading in the Kendeng-Madura Strait Basin; (b) Curve of the observed and the forward modeling gravity anomaly in section (The section position is shown in Fig.2, modified after Waltham et al., 2008)

但是，本文認為該模型中巽他大陸邊緣地殼厚度參數(40 km)設置較大，與后來實際觀測地殼厚度33 km(Shulgin et al.，2011)相比誤差大于20%；同時模型中設置火山弧密度(2900 kg·m-3)和盆地寬度(150 km)也相對較大；因此，肯登—馬都拉海峽盆地形成演化過程必然存在其他控制因素.此前由于肯登—馬都拉海峽盆地缺乏地質露頭且沒有南北向地震測線數據貫穿盆地，研究人員推測弧后地殼伸展造成的盆地內伸展斷裂作用可能是其中一個因素；另外一個因素推測可能是在東爪哇南部火山弧噴發之前，由于巖漿分異作用，造成中酸性巖漿噴出，大量基性巖漿在深部聚集，從而形成深部高密度弧巖，其產生的負荷作用于盆地沉降過程，與模型中設置的高密度火山弧對應.

本文獲得一條馬都拉海峽盆地內南北向二維多道地震剖面，并利用鉆井約束進行地震-地質綜合解釋(圖10).馬都拉海峽盆地中部沉積層最厚達6 s，該厚度與前人利用數學模型計算預測的盆地沉降深度基本吻合.根據地震剖面解釋結果，馬都拉海峽盆地在晚上新世時期經歷了一期自南向北強烈擠壓構造運動，盆地南部地區發育逆沖推覆斷層，沿逆沖斷層向北強烈推覆，地層相當點推覆距離可能超過3 km；且南部晚中新世-早上新世沉積層遭受擠壓揉皺作用，內部以雜亂反射結構為主.盆地中部淺構造層發育兩個擠壓背斜構造，背斜構造底部初始層間滑脫層位于上上新統，背斜樞紐部位沉積層自下而上彎曲角度逐漸增大，并沿背斜軸面發育近乎垂直斷層；背斜兩側地層均向下彎曲形成小向斜構造，盆地中部淺構造層形成了“三向夾兩背”新構造格局，說明盆地正在經歷新一期較為強烈擠壓構造運動.

圖10 馬都拉海峽盆地N-S向二維多道地震-地質綜合解釋成果剖面Fig.10 The N-S direction 2D multi-channel integrated seismic and geological interpretation section of the Madura Strait Basin

目前Roo海隆區域板塊相對匯聚速率為67 mm·a-1，且東印度洋殼俯沖平面運動方向為N11°E(DeMets et al.，1994；Tregoning et al.，1994)，與東爪哇海溝呈近似垂直正交角度，同時震源機制解析區域內板片正以相對高角度(大于45°)俯沖至巽他大陸之下(Wallace et al.，2004；Spakman and Hall，2010；Hall and Spakman，2015)，東爪哇弧前為Roo海隆凸起構造背景下垂直正交快速高角度俯沖構造格局.同時，肯登—馬都拉海峽盆地與弧前爪哇海溝的間距僅為250 km左右，且緊鄰東爪哇島火山弧，與海溝和火山弧均相互近似平行，呈東西向狹長帶狀延伸.

綜上所述，本文認為肯登—馬都拉海峽盆地內正在發生的新一期擠壓構造運動，對應于Roo海隆凸起構造形成的垂直正交快速高角度新俯沖構造格局，其發育的淺層擠壓背斜構造特征是Roo海隆俯沖碰撞背景下弧后盆地內的直接構造變形響應.同時，擠壓背斜構造主要發育于盆地內淺構造層，說明該期次構造變形開始時間較晚，與弧前Roo海隆處于早期俯沖碰撞階段相對應.另外，除了上文提及火山弧負荷控制因素之外，我們認為Roo海隆俯沖對弧后肯登—馬都拉海峽盆地形成的構造擠壓，未來也將會隨著Roo海隆持續俯沖碰撞過程對弧后盆地區域產生進一步重要影響.

4 結論

早期研究認為巽他弧俯沖體系主要發育俯沖增生型板塊邊緣，形成較為典型的高壓增生棱柱體弧前隆起地貌特征；近來研究發現東印度洋沃頓海盆圣誕島海底火山群省最東段Roo海隆已經隨板塊運動到達爪哇海溝區域，與巽他弧其他區域正常洋殼俯沖過程相比，由于粗糙海底地形特征接近海溝，Roo海隆凸起構造在巽他弧體系中觸發了不同的俯沖地質過程.本文結合前人研究成果，全面梳理認識Roo海隆區域屬性特征，包括海隆巖性與年代學特征、起源爭議、“隆-溝”區域俯沖深部結構特征；進一步增強對弧前海隆早期俯沖侵蝕過程的理解，包括局部增生棱柱體前緣碰撞侵蝕凹陷、弧前隆起差異性抬升、弧前盆地擠壓破碎變窄.

本文首次通過二維多道地震資料分析，探討弧后盆地對“隆-溝-弧-盆”新俯沖構造格局的響應特征；目前弧后肯登—馬都拉海峽盆地內正在發生新一期擠壓構造運動，我們認為其發育的淺層擠壓背斜構造特征是Roo海隆凸起構造形成的垂直正交快速高角度新俯沖構造格局下弧后盆地內的直接構造變形響應.

全球海底凸起構造俯沖侵蝕在殼幔物質循環過程中表現出物質缺失，通常難以被記錄，相反俯沖增生形成的物質增加過程容易保留地質記錄；同時，由于一般在弧后地區很難保留或難以發現直接地質證據，因此對于海底凸起構造俯沖區域響應過程的研究一直是科學難點.基于Roo海隆垂直正交快速高角度俯沖過程、弧前與弧后盆地緊鄰且直面弧前Roo海隆俯沖區域的優越地理條件，東印度洋Roo海隆區域是開展海底異常凸起構造俯沖體系研究的天然實驗室.

致謝本文使用了最新公開全球海洋與陸地地形模型與衛星測高反演重力異常網格數據.感謝中國石油杭州地質研究院海外項目研究團隊提供的二維多道地震數據.