菲律賓海板塊與南海協同構造演化探討

劉偉, 趙西西, 林間, 趙明輝, 劉青松*

1 哈爾濱工業大學環境學院，哈爾濱 150006 2 南方科技大學海洋科學與工程系，廣東 深圳 518055 3 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)，廣州 511458 4 中國科學院邊緣海與大洋地質重點實驗室，中國科學院南海海洋研究所，廣州 511458

0 引言

自早新生代，印度板塊與歐亞板塊發生碰撞，太平洋板塊向西俯沖，導致東南亞及西太平洋地區構造活動強烈，其地形地貌及氣候系統也隨之發生重大改變(Zahirovic et al., 2014; Lallemand, 2016; Wu et al., 2016; Liu et al., 2017).除了板塊的整體剛性運動，東南亞及西太平洋地區還表現出更為復雜的剪切、塑性變形以及新盆地開啟與洋殼增生、俯沖過程，使得原有的一些島弧和一部分洋殼消失.因此，重構該區的構造演化歷史極具挑戰.研究該區詳盡的構造演化歷史，不但是全球板塊重建的重要前沿科學課題，更是深入理解該區礦產資源分布、邊緣海演化機制、氣候演化模型等重大地學問題的基礎(Hall, 2002; Tetley et al., 2019; Queao et al., 2020).

南海(South China Sea, SCS)與菲律賓海是位于東南亞與西太平洋交匯區域的兩個典型海盆.研究這兩個盆地的構造演化，對東南亞與西太平洋的區域構造乃至全球板塊重建具有重要意義.特別是近年來，隨著國際大洋鉆探計劃在這兩個盆地的開展，SCS與菲律賓海板塊(Philippine Sea Plate, PSP)的構造演化受到廣泛關注(Li et al., 2014; Reagan et al., 2019; Hou et al.,2019; 林間等, 2019; 孫珍等, 2021).本文詳細總結了這兩個海盆的古地磁學和海底磁異常條帶研究進展.結合地震層析成像結構和其他地質資料約束，進一步對SCS與PSP的演化模式及其協同演化關系進行了探討.

1 PSP與SCS地質構造背景

PSP北接日本島，南連卡洛琳板塊，西靠呂宋島弧，東鄰太平洋板塊；以九州—帕勞脊為界，PSP西部為年齡偏老的西菲律賓海盆地，東部為年輕的帕里西維拉盆地、四國盆地以及馬里亞納海槽(圖1).前人研究表明，西菲律賓海盆地于60 Ma (Hilde and Lee, 1984)、 54 Ma (Deschamps and Lallemand, 2002)或者52～51 Ma(Ishizuka et al., 2013)開始擴張，36～34 Ma (Sasaki et al., 2014)或者33～30 Ma(Hilde and Lee, 1984; Deschamps and Lallemand, 2002)停止擴張.而帕里西維拉盆地和四國盆地則形成于30～15 Ma(Okino et al., 1994, 1999; Sdrolias et al., 2004).在30 Ma之前，現今的九州—帕勞脊和伊豆—小笠原—馬里亞納 (IBM) 島弧為一個整體.30 Ma開始二者裂開，并逐步形成帕里西維拉盆地和四國盆地.馬里亞納海槽在7 Ma時才打開(Hussong and Uyeda, 1982; Yamazaki et al., 2003).在PSP中，還有大量的洋脊和海臺，包括沖大東脊、大東脊以及奄美海臺，這些地質單元的年代屬于白堊紀(Hickey-Vargas, 2005).

圖1 PSP與SCS地理位置及古地磁巖心分布黃色圓圈代表DSDP(深海鉆探計劃)、ODP(大洋鉆探計劃)、IODP(綜合大洋鉆探計劃、大洋發現計劃)鉆取的巖心，紫色圓圈代表海底鉆機取樣的巖心.紅色方塊代表采自陸上島嶼的定向巖心.①：伯寧島，②：塞班島，③：關島，④：帕勞島，⑤：Halmahera地區島嶼，⑥：北呂宋島.ODR:沖大東脊，DR:大東脊，AP:奄美海臺.橙色實線代表洋陸轉換帶，黑色實線代表島弧(洋脊)的中心位置連線，紅色虛線代表殘留海底擴張中心.Fig.1 Location of the Philippine Sea Plate (PSP) and South China Sea (SCS), and distribution of paleomagnetic sitesYellow circles denote sites in DSDP, ODP and IODP. Purple circles denote cores sampled by deep sea Boring Machine System. Red squares denote oriented cores of onshore islands. ①: Bonin, ②: Saipan, ③: Guam, ④: Palau, ⑤: Islands in the Halmahera area, ⑥: North Luzon. ODR: Oki-Daito Ridge, DR: Daito Ridge, AP: Amami Plateau. The solid orange lines denote ocean-continent transition, solid brown lines denote the central locations of oceanic arcs (ridges), and dotted red lines denote the remanent seafloor spreading centers.

PSP四周被俯沖帶圍繞，東邊是伊豆—小笠原—馬里亞納海溝，西邊是菲律賓海溝，南邊為雅浦海溝、帕勞海溝，北邊為琉球海溝與南海海槽.由于周邊俯沖帶的存在，PSP的古地理重建一直是研究的難點之一.

SCS北接華南板塊、南部為巴拉望地塊、西靠印支地塊，東與PSP相鄰.其周緣陸架上發育各類沉積盆地，中央發育洋殼，洋殼之上的海盆分為東部次海盆、西南次海盆和西北次海盆.東部次海盆與西南次海盆以中南斷裂為界.本文所說的SCS與PSP協同演化，指SCS的中央洋殼與PSP的洋殼協同演化過程.關于SCS中央洋殼形成，也就是海底擴張的時間曾存在長期爭議，IODP 349航次的系統研究發現：SCS東部次海盆先于33～15 Ma擴張，而SCS西南次海盆則在23～16 Ma后擴張(Li et al., 2014).西北次海盆的擴張時間短，展布范圍小，磁測資料多解性大，亦缺乏大洋鉆探資料支持，因此其準確的擴張時間還未定(Wang et al., 2020).

2 PSP古地磁研究

自1971年DSDP(深海鉆探計劃)第6航次的古地磁資料發表以來，不同的研究者在PSP和周緣地區開展了較為系統的古地磁研究.

2.1 海底巖心古地磁結果

DSDP、ODP(大洋鉆探計劃)、IODP(綜合大洋鉆探計劃、大洋發現計劃)等在PSP海底獲取了較為豐富的古地磁資料(圖2，表1).Louden(1977)基于西菲律賓海DSDP 290、292、294孔的古地磁數據，提出PSP起源于靠近赤道附近的南半球5°—10°位置，之后向北移動到現今地點.Kinoshita(1980)根據位于PSP北部的DSDP 442、443、444、445、446孔的古地磁結果，認為在42 Ma以來其古緯度向北漂移了約20°，指示該區以至少5 cm·a-1的速度向北漂移約2000 km.Keating(1981)以及Keating和Herrero(1981)對位于PSP中南部的DSDP 447、448、450孔進行古地磁學研究，顯示33 Ma以來板塊向北移動了約8.5°～12°.Bleil(1982)根據分布于馬里亞納海槽的DSDP 453、454、456、458、459孔的古地磁傾角，也同樣指出PSP經歷了北向運動.Haston等(1992)基于PSP東北部伊豆—小笠原島大洋鉆探的ODP 782、784、786孔的研究，認為PSP自始新世以來古緯度向北移動了約20°.隨著巖心定向技術的發展，Koyama等(1992)根據伊豆—小笠原區域ODP 787、792、793孔的古地磁資料，利用微電阻率成像測井和現代地磁場的黏滯剩磁方向對巖心定向，顯示30 Ma以來，該區域旋轉了約80°，向北移動約14°.由于該區位于PSP邊緣，80°的旋轉作用可能既包含了整個PSP的旋轉，也包含了局部構造導致的旋轉.

圖2 PSP鉆孔的緯度變化隨時間演化.緯度變化=現今緯度-古緯度Fig.2 Change in latitude versus age for sites from the PSP. Change in latitude=Current latitude-Paleolatitude

表1 PSP各鉆孔古地磁結果Table 1 The paleomagnetic resultsfor sites from the PSP

續表1

除了大洋鉆探的古地磁資料外，為了更好地限定PSP北部的古緯度演化，Yamazaki等(2010)沿著九州—帕勞脊北部及鄰區，利用海底鉆機系統地采集了古地磁樣品.古地磁結果顯示在50 Ma時，該區古緯度位于赤道附近.在50～25 Ma之間，該區快速向北移動，速度約為8 cm·a-1，15 Ma之后PSP趨向穩定，只向北運動了約2°.

近年來，在前期對大洋鉆探古地磁研究的基礎上，研究人員主要對PSP內部的長巖心序列進行古地磁研究，以期獲得PSP自形成以來的演化細節.Richter和Ali(2015)選取西菲律賓海最完整的長巖心序列ODP 1201孔進行系統的古地磁學研究，認為始新世PSP位于南半球，并一直北向運動，其中50～20 Ma期間，PSP以較慢的速度北移，在20 Ma時北移速度最低；同時其利用現代地磁場的黏滯剩磁方向對巖心進行定向，也得出PSP發生順時針旋轉的結論.Liu等(2021)則對四國盆地內部最老的大洋鉆探巖心ODP1177孔進行古地磁研究，得到～20 Ma時其古緯度為16.0°±4.5°N，與SCS的擴張中心在～20 Ma時的古緯度基本一致，并結合物源演化特征，提出SCS與PSP四國盆地在早中新世時為同一構造動力學演化系統.

以往的古地磁研究由于大多缺乏巖心的原位精準定向，導致對PSP的旋轉模式還存在爭議.最近Yamazaki等(2021)利用ROV(Remote Operated Vehicle)巖心定向取心系統，在九州—帕勞脊北部首次獲得PSP海底原位定向古地磁偏角數據，顯示PSP自中晚漸新世以來順時針旋轉～50°，向北移動了約5°.這一古地磁旋轉結果與前人的PSP旋轉模型具有較好的一致性 (Hall et al.,1995b; Sdrolias et al., 2004; Liu et al.,2021).

受到取樣技術限制，已發表的海底古地磁學數據大多缺乏定向，不能確定板塊的古地磁極，也無法受到野外剩磁穩定性檢驗的約束.因此，海洋古地磁數據質量不能完全滿足Van der Voo(1990)和Meert 等(2020)提出的7條判別標準.但海底巖心樣品也具有自己的優勢，其年齡均有可靠的磁性地層學和微體古生物學年齡的約束，也不需要地層校正，退磁步驟和數據統計方法都較明確.本文依據Van der Voo(1990)提出的α95≤16.0°的標準，對上述海底巖心的古地磁數據質量進行評判.舍去α95過大的數據和沒有完全退磁的數據后，數據趨勢更為一致(圖2)，顯示出PSP自始新世以來主要為北向移動.

2.2 板塊周緣陸上島嶼古地磁結果

PSP周邊出露于水面的島嶼，為直接進行古地磁偏角研究提供了便利.這些采樣地區(圖1中①—⑥紅色方塊)包括PSP東北部的伯寧島(Kodama et al., 1983)、東南部的塞班島、關島、帕勞島(Haston et al., 1988; Haston and Fuller, 1991)、南部Halmahera地區島嶼(Hall et al., 1995a,b,c)以及西部的北呂宋島(Queano et al., 2007).下面從PSP東北緣開始，按照順時針方向綜述古地磁結果.

古地磁樣品采樣地區①伯寧島處于PSP的東北邊緣，島上火成巖(熔巖流和巖墻)屬于始新世.Kodama等(1983)在該島獲得兩組古地磁結果，其中一組數據顯示正負極性：I=7°，D=110°，α95=14°；I=-10°，D=273°，α95=32°(I:磁傾角，D:磁偏角).在95%置信區間，該組數據可以通過地磁極性倒轉檢驗.這說明伯寧島在始新世時位于赤道偏北的地方，自始新世發生了差不多90°的順時針偏轉(圖3a).雖然該組數據處于負極性時的α95大于16°，但該組數據的品質因子Q=5，符合Van der Voo(1990)提出的Q≥4的標準，考慮到PSP陸上島嶼古地磁數據的稀少，以及正極性數據的α95小于16°，我們認為該組數據具有一定的可靠度，可做參考.將這組數據的負極性轉成正極性后平均，得到平均值為：I=7.7°，D=107.7°，α95=12.5°.另一組古地磁數據為I=3°，D=213°，α95=19°，但該組數據的地質構造背景不明確，相對前一組數據，可靠度較差(Kodama et al., 1983).

在PSP東南部分布著一系列島嶼，與伯寧群島相比，這里的地層相對廣泛，時代分布從早始新世到早中新世，剛好可以用來研究始新世以來PSP的旋轉細節.Haston和Fuller(1991)在塞班島、關島、帕勞島開展了古地磁學工作，獲取的古地磁數據均顯示品質因子Q≥4，具有較好的可信度.在采樣地區②塞班島獲得兩個可靠的古地磁數據，一個在早始新世(I=-12.0°，D=43.0°，α95=12.5°)，一個在中中新世(I=30.7°,D=28.1°,α95=8.4°).這說明塞班島在早始新世位于赤道以南，而到了中中新世，塞班島已經大幅度向北漂移.在采樣地區③關島亦獲得一個中漸新世的古地磁數據(I=15.1°，D=66.1°，α95=11.1°)，說明中漸新世這個地點位于赤道以北.結合前期大洋鉆探獲得的古緯度數據，Haston和Fuller(1991)提出自始新世以來，PSP經歷了約80°順時針旋轉(圖3a)，且古緯度向北漂移了至少20°.但Hall(2002)認為這80° 的旋轉可能既包含了板塊整體的旋轉，也包含了局部的旋轉.在采樣地區④帕勞島，古地磁偏角數據顯示中漸新世以來該島經歷了60°～70°的旋轉(圖3a)(Haston et al., 1988; Haston and Fuller, 1991).

在PSP的南部，Hall等(1995a,b,c)根據Halmahera地區(采樣地區⑤)的古地磁結果，提出PSP南部的旋轉歷史表現為不連續的旋轉.在50～40 Ma，該區順時針旋轉將近50°；在40～25 Ma，處于相對穩定狀態，沒有發生旋轉；而在25 Ma之后，該區再次發生將近40°的順時針旋轉和10°～20°的北向移動(圖3b，3c).在漸新世和中新世之交的25/23 Ma前后，澳大利亞板塊與PSP相撞 (Hall et al., 1995b; Hall, 2011)，可以解釋PSP在25/23 Ma之后的旋轉事件，亦能解釋區域廣泛存在的早中新世不整合.

圖3 PSP陸上島嶼鉆孔的磁偏角(a，b)和緯度變化(c，d)隨時間演化. 緯度變化=現今緯度-古緯度.(a)中的偏角數據經由Haston和Fuller(1991)校正，消除了海底擴張的影響Fig.3 Magnetic declination (a,b) and change in latitude (c,d) versus age for land sites from the PSP. Change in latitude=Current latitude-Paleolatitude. The declination data (a) were corrected by Haston and Fuller (1991) to eliminate the effect of seafloor spreading

在PSP西部，古地磁采樣地區⑥北呂宋島處于非常獨特的位置，Queano等(2007)認為自新生代以來的主要時間段內，北呂宋島是PSP的一部分.其古地磁結果表明，該區構造復雜，古地磁偏角數據較為分散，可能反映了局部塊體的構造旋轉，無法討論整個板塊構造旋轉問題.但是，古地磁傾角數據較為合理地記錄了呂宋島的古緯度演化特征.在晚始新世至漸新世，呂宋島相對穩定地處在赤道附近.晚漸新世以來，呂宋向北移動了約15°，與PSP的整體運動特征相當(圖3d).趙西西等(2021)報道了菲律賓呂宋島始新世—漸新世的古地磁學及鋯石U-Pb年代學結果，提出晚始新世—早漸新世呂宋島北部地區的古緯度運動軌跡與PSP類似.特別是古地磁數據展示的～35°順時針旋轉與已知的PSP旋轉歷史較為一致，表明呂宋島和PSP在新生代的古地理位置上具有一定的親緣性.

需要指出的是，雖然PSP南部的Halmahera地區(采樣地區⑤)和西部的北呂宋島(采樣地區⑥)獲取的古地磁資料的品質因子均大于等于4，古地磁結果也顯示這兩個地區和PSP具有親緣性，但也有學者認為北呂宋島(Hall, 2002)和Halmahera地區(Yamazaki et al., 2010)構造活躍，可能并不屬于PSP.盡管對這兩個地區的構造屬性存在爭議，但綜合其他地方的海底巖心和陸上島嶼的古地磁資料，經過近50年的努力，大家基本達成一致意見，認為PSP自形成以來發生了將約90°的順時針旋轉.同時，PSP從赤道附近逐漸向北漂移至現今位置(Hall, 2002；Yamazaki et al., 2010；Richter and Ali, 2015; Wu et al., 2016).

3 PSP磁異常條帶

雖然PSP的一級構造演化模型已經建立，但是進一步研究會發現，在不同區域，其構造模式并不完全一致.這是因為PSP在運動過程中，除了整體漂移和旋轉以外，其內部還發生了海底擴張而形成盆地，比如帕里西維拉盆地、四國盆地等.因此，只有確定板內盆地的形成演化歷史，才能深化對整個板塊演化的認識.

3.1 西菲律賓海盆地

西菲律賓海盆地是構成PSP的最大盆地.其西邊界是活動的琉球—臺灣—菲律賓溝弧體系，而東邊則是不活躍的九州—帕勞脊.自20世紀70年代以來，前人對該區的磁異常條帶做了大量工作.

Louden(1976)和Mrozowski等(1982)在西菲律賓海盆地鑒定出磁異常條帶C21—C17.Shih(1980)在西菲律賓海盆地中心斷裂帶鑒定出最年輕的磁異常條帶C7a，在西菲律賓海盆地北部鑒定出最老磁異常條帶C21，在西菲律賓海盆地南部鑒定出最老磁異常條帶C25，并認為西菲律賓海盆地經歷了持續的NE-SW向擴張.

Hilde和Lee(1984)則在西菲律賓海盆地鑒定出磁異常條帶C26—C13(圖4)，認為其經歷了兩期擴張，并被廣泛引用(Hall, 2002; Deschamps and Lallemand, 2002; Seton et al., 2012).具體而言，其在中心擴張區識別出磁異常條帶C13—C20.其中磁異常條帶C13—C19區域屬于慢速擴張特征，而在磁異常條帶C19—C20之間的區域，西菲律賓海盆地擴張速率和擴張方向都發生重大變化.在中心擴張區南北兩側，磁異常間距變寬，說明此時的擴張速率要快得多.在北部區域，識別出磁異常條帶C20—C24，而南部則識別出磁異常條帶C20—C26，年齡顯得稍老一些.

圖4 PSP與SCS磁異常條帶分布圖中黑線代表磁異常條帶，紅線代表磁異常條帶6a(～20 Ma).磁異常數據來源于Briais等(1989, 1993)，Hilde和Lee(1984)以及Sdrolias等(2004).AA′為SCS東部次海盆長度，BB′為四國盆地北部寬度.Fig.4 Distribution of magnetic anomaly in the PSP and the SCSBlack lines denote magnetic anomaly and red lines denote the magnetic anomaly 6a (～20 Ma). The magnetic anomaly data are from Briais et al. (1989, 1993), Hilde and Lee (1984), and Sdrolias et al. (2004). AA′ denotes the length of the East sub-basin in the SCS, and BB′ denotes the width of the northern Shikoku Basin.

很明顯，磁異常條帶特征暗示著西菲律賓海盆地經歷了兩期不同的擴張.在45 Ma(磁異常條帶C20附近)之前，西菲律賓海盆地的擴張方向為NE-SW，半擴張速率為4.4 cm·a-1，此次擴張形成北部磁異常條帶C20—C24(45～56 Ma)以及南部磁異常條帶C20—C26(45～60 Ma).45 Ma之后，擴張方向變為近N-S，相應的半擴張速率縮減到1.8 cm·a-1，此次擴張形成中心區域磁異常條帶C13—C19(45～35 Ma).需要說明的是磁異常條帶顯示的擴張方向是現今觀察到的方向，并不是地質歷史時期的方向.但45 Ma前后的擴張方向的變化，顯然應與構造事件有關，可能對應了古IBM弧區域的初始俯沖活動 (Hilde and Lee, 1984).

雖然西菲律賓海盆地最老的磁異常條帶只有60 Ma，但是這并不是說這部分板塊只有60 Ma的歷史.有很大的可能在60 Ma之前，它早已存在，只不過老于60 Ma 的部分已經淹沒在周邊的俯沖帶內.比如西菲律賓海盆地的西北部明顯已經俯沖到琉球海溝之下.而到了30 Ma時，西菲律賓海盆地則停止了擴張.

Hilde和Lee(1984)的海底擴張模型在很長的時間里占據主導地位.但Deschamps和Lallemand(2002)根據新采集的磁異常數據，結合海底地形地貌，認為西菲律賓海盆地在54 Ma開始擴張，在33/30 Ma停止擴張.Sasaki等(2014)基于三分量磁探頭獲得的海底磁異常數據，亦支持Hilde和Lee(1984)提出的兩階段擴張模型，但認為海底擴張的停止時間約為36 Ma，比通常認為的30 Ma要早.Doo等(2015)則將視角放在西菲律賓海盆地西北角，識別出呂宋島沖繩斷裂帶與加瓜海脊之間的磁異常條帶年齡為54～47.5 Ma，與西菲律賓海盆地的第一期擴張有關；花東海盆的磁異常條帶年齡為42～33 Ma，與西菲律賓海盆地的第二期擴張有關.

3.2 東菲律賓海盆地

東菲律賓海盆地主要包括帕里西維拉盆地、四國盆地、馬里亞納海槽(圖1，4).由于馬里亞納海槽展布范圍較窄，磁異常不是特別明顯，現主要論述帕里西維拉盆地和四國盆地的磁異常條帶特征.

Mrozowski和Hayes(1979)對帕里西維拉盆地的磁異常條帶進行了研究.磁異常條帶總體上呈N-S向分布，與盆地擴張中心平行.在盆地東部，磁異常條帶的數目遠遠小于西部，且模式更為復雜，比如，存在局部的E-W走向的異常.因此，帕里西維拉盆地的演化模式主要靠其西部磁異常條帶模式建立.大體上，可以識別出磁異常條帶C10—C5e/C5d，對應的時間約為30～18/17 Ma.也就是說，該盆地從30 Ma起向兩翼開始出現擴張，直到18/17 Ma 結束.在停止擴張前，巖漿供應不足，噴發呈現間歇式，造成年齡較小磁異常條帶的模式不易識別.隨后，Kasuga和Ohara(1997)以及Okino等(1998)根據新的水深、磁異常和大洋鉆探等資料，提出了帕里西維拉盆地的演化經歷了五個演化階段：島弧裂解與地殼減薄期(29～26 Ma)，E-W向擴張與擴張中心向北傳播期(26～23 Ma)，與四國盆地一道E-W向協同擴張期(23～21 Ma)，NE-WS向擴張期(20～15 Ma)，擴張后火山作用和變形期.

Watts和Weissel(1975)在四國盆地西部識別出平行于九州—帕勞脊的磁異常條帶C7—C5e(27～20 Ma)，而東部條帶則顯雜亂，這可能與伊豆—小笠原島弧與日本碰撞后導致盆地東部的基底地形崎嶇不平有關.Kobayashi和Nakada(1978)根據四國盆地的地形、磁異常和地震反射特征，提出了四國盆地的對稱擴張模式.認為四國盆地在最北端于30 Ma開始裂陷，并以10 cm·a-1的速度向南傳播.從25 Ma到22 Ma，盆地沿中央擴張軸以4 cm·a-1的半擴張速率開始兩側對稱擴張，22 Ma開始半擴張速率減慢至2.2 cm·a-1，至16/17 Ma時盆地停止擴張.Okino等(1994)則通過精細的磁異常和地形特征，提出了四國盆地30～15 Ma的演化模式，即島弧裂解期(30～27 Ma)、NEE-SWW向擴張期(27～23 Ma)、E-W向擴張期(23～20 Ma)、NE-SW向擴張期(20～15 Ma)和擴張后火山活動與變形期5個階段.

Sdrolias等(2004)全面系統地總結了前人的資料，將四國盆地與帕里西維拉盆地作為一個整體來研究(圖4)，鑒定出四國盆地與帕里西維拉盆地現存的最老磁異常條帶分別是C7o(25.2 Ma)和C9o(28 Ma)，同時推測四國盆地和帕里西維拉盆地初始擴張時間約為30 Ma，只是四國盆地北部已經俯沖到日本之下，而導致目前鑒定的條帶偏年輕.其將四國盆地與帕里西維拉盆地的構造演化分為5個階段：島弧裂解(30～28 Ma)，四國盆地擴張中心南移與帕里西維拉盆地擴張中心北移(28～23 Ma)，四國盆地與帕里西維拉盆地共享一個擴張中心，但各自擴張方向有所不同(23～20 Ma)，四國盆地與帕里西維拉盆地擴張中心與擴張方向皆一致的統一擴張(20～15 Ma)，以及擴張后的巖漿作用階段.

綜上所述，由于最老的磁異常條帶在盆地邊緣附近，不易鑒定，且部分條帶已經俯沖，導致PSP的最老磁異常條帶還不明確，盆地演化細節還存在爭議.但PSP海底擴張的共識是西菲律賓海盆地的擴張期在漸新世以前，東菲律賓海盆地的擴張期則在漸新世之后.考慮到SCS也在漸新世開始擴張，東菲律賓海盆地的擴張與SCS的擴張之間的地理親緣性和動力學聯系是一個前沿科學問題.

4 SCS古地磁與磁異常條帶

目前在SCS的大洋鉆探巖心中只有有關磁性地層學的報道，還未見基于巖心的構造古地磁學報道.金鐘等(2002,2004)對SCS的16座海山進行磁性反演，獲得了海山的古地磁數據，認為東部次海盆的9座海山向北移動了2.90°～11.06°，西南次海盆的7座海山向南移動了0.40°～9.00°.但由于是反演數據，反演精度尚存疑，且并沒有獲得確定時代的古緯度信息.Lee和Lawver(1995)基于Taylor和Hayes(1983)識別的海底磁異常條帶數據，給出了禮樂灘的古緯度演化信息，認為禮樂灘從32 Ma的～17.5°N逐漸向南運動到現今位置(圖5)，進而能對SCS西南次海盆的古地理位置做出約束.依據這一思路，可基于SCS周緣板塊的古緯度信息來約束SCS的古緯度.SCS北接華南地塊，而華南地塊自漸新世以來基本保持穩定(黃寶春等，2008)或者輕微向北運動(Cogné et al., 2013)，故SCS的古擴張中心位置可由海底磁異常條帶的位置來約束，即SCS北部的磁異常條帶的位置可大致認為是地質歷史時期的擴張中心.

圖5 禮樂灘古地理位置隨時間變化圖(修改自Lee和Lawver, 1995)Fig.5 Paleogeographic location versus age for the Reed Bank (Modified after Lee and Lawver, 1995)

關于SCS的磁異常條帶，前人做了大量的研究.Ben-Avraham和Uyeda(1973)首次在東部次海盆識別出近東西走向的線性磁異常條帶，說明SCS的擴張方向偏南北向，但其未給出磁異常條帶的年齡信息.Taylor和Hayes(1980，1983)結合新的磁異常資料，認為東部次海盆的擴張年代為32～17 Ma(C11—C5d磁異常條帶)，但其未能識別西南次海盆的磁異常條帶，而是根據重力資料，推測西南次海盆和東部次海盆的形成年代大致相同.中國學者隨后獲取了SCS西南次海盆的磁異常資料，但存在不同的海底擴張年齡解釋：126～119 Ma(陳圣源，1987)、70～63 Ma(呂文正等，1987)、42～35 Ma(姚伯初和曾維軍，1994).Briais等(1993)和Hayes等(1995)綜合研究了整個SCS的磁異常和水深資料，在西南次海盆識別出C6b—C5c磁異常條帶，在東部次海盆識別C11—C5c磁異常條帶，據此提出了頗具影響的SCS擴張年齡模型：SCS東部次海盆的擴張年齡為32～15.5 Ma，西南次海盆的擴張年齡為23～15.5 Ma.

進入21世紀，Hsu等(2004)根據在SCS北部新獲取的磁異常資料和磁異常模擬，認為SCS最古老洋殼的磁異常條帶為C17，從而認為SCS的擴張不晚于37 Ma.Li等(2007)基于地震反射特征，認為Hsu等(2004)提出的37 Ma對應的地殼并非洋殼，SCS北部陸緣最老的磁異常條帶應為C12(～32 Ma), 而南部陸緣最古老的磁異常條帶還不明確(Li and Song, 2012).Barckhausen等(2014)則將SCS的磁異常條帶年齡解釋為32～20.5 Ma.Chang等(2015)基于K-Ar 測年、化石組合等對Barckhausen等(2014)解釋的磁異常條帶所指示的SCS停止擴張年齡提出了質疑，認為海盆的停止擴張時間在15 Ma.Barckhausen等(2015)則回復稱K-Ar定年誤差較大，還需要更多的資料加以佐證.

由此可見，關于SCS海盆的擴張時代還存在較大爭議.主要表現為兩點：一是SCS東部次海盆擴張時間為漸新世-中新世，但起止擴張的具體時間還不確定.二是西南次海盆擴張時間到底是在東部次海盆擴張之前還是存在同步擴張.這些爭議主要是因為磁異常條帶的解釋具有非唯一性，且以前的磁測資料主要為船載磁測和航空磁測，離海底磁源較遠，造成測量的磁異常精度不高(Li et al. 2014).另外需要說明的是，1995年之前使用的磁異常條帶年齡是來自老的地磁極性年代表，但根據新的地磁極性年代表(Cande and Kent, 1995; Ogg, 2020)，識別的SCS擴張的磁異常條帶年齡應有所改正，為與原文保持一致，本文引用時并未根據新的地磁極性年代表做校正.雖然關于SCS磁異常條帶的識別存在較多爭議，但IODP 349航次結束后，Li等(2014)結合最新采集的深拖磁異常資料，同時進行磁異常模擬，與IODP 1433、1435孔巖心年齡相互標定，綜合認為SCS最先于東部次海盆開始擴張，初始擴張約為33 Ma，在15 Ma時東部次海盆停止擴張.東部次海盆擴張過程中發生洋中脊躍遷事件，23.6 Ma左右發生向南的躍遷，躍遷后擴張方向改變，從近N-S變為NNW-SSE.23.6 Ma也是西南次海盆初始打開的時間，并于16 Ma停止擴張.這一SCS擴張演化的年齡目前普遍為學界所接受.但最近Guan等(2021)發表的磁異常資料則顯示SCS的擴張年齡可能略有變化，東部次海盆的擴張年齡在29.7～15.6 Ma.另一方面，近年的研究則顯示SCS的初始擴張年齡可能更老.Zhong等(2018)基于在SCS獲取的斜長花崗巖的Ar-Ar定年結果，認為SCS的初始擴張年齡應早于～32 Ma.Jian等(2019) 則在SCS北部發現了晚始新世的深海相沉積，可能是SCS盆地的最早沉積，也可能是古南海北緣的殘余沉積.

SCS擴張結束后，運動并沒有停止，而是向PSP發生了俯沖.關于俯沖開始的時代，根據臺灣和呂宋島弧發育的蛇綠巖、巖漿巖等定年數據和相關推測，認為SCS向東的俯沖起始時間可能發生在早中新世-中中新世(Yang et al., 1995; Shao et al., 2015; Yu et al., 2022).顯然由于俯沖的穿時性，不同地點的俯沖起始時間不一樣，但與SCS停止擴張的時間出入不大.

5 PSP與SCS協同演化關系探討

5.1 PSP與SCS的古地理位置

前人對整個東亞的重建中提出了很多模型，由于SCS緊靠華南，所以對其古地理的爭議不大，但PSP存在旋轉和俯沖作用，其古地理重建則有較大爭議，從而導致PSP與SCS的相對古地理位置存在不確定性.比如，Hall(2002)和Queano等(2007)認為在～20 Ma時四國盆地與SCS靠的很近，Isozaki等(2010)和Raimbourg等(2017)則認為～20 Ma時四國盆地與SCS離得較遠，而離日本較近.這一方面是因為缺少對PSP精細的古地磁約束(即以前板塊重建利用的正演的古地磁資料精度不夠).另一方面通過PSP周緣地塊如日本的構造事件來反演推測PSP構造演化(Isozaki et al., 2010; Raimbourg et al., 2017)可能存在多解性，構造事件的精確年齡亦存在不確定性.

那么SCS與PSP在空間上到底是什么關系？

通過上述古地磁和磁異常條帶分析，可以建立SCS和PSP各自的一級演化模型：PSP在52 Ma時位于赤道附近，52～30 Ma，西菲律賓海盆地向北運動的過程中邊擴張、邊順時針旋轉，30 Ma時四國盆地和帕里西維拉盆地開始裂陷和擴張，至15 Ma時海底擴張停止.而SCS則于33/29.7 Ma開始海底擴張，在15/15.6 Ma時海底擴張停止.考慮到整個PSP的旋轉，在從赤道附近的低緯度旋轉到現今板塊位置的高緯度的過程中，必存在一個時間段，其古緯度和SCS的古緯度相當.這個時間段是什么時候？

Liu等(2021)系統地研究了四國盆地內部最老的鉆孔ODP 1177孔的古地磁和物源信息，發現四國盆地和SCS在～20 Ma(磁異常6a對應的年代，圖4)時的古緯度是基本一致的，在四國盆地也發現了和SCS一致的鋯石物源.由此提出四國盆地和SCS至少在20 Ma時就曾連接在一起(圖6a).考慮到澳大利亞板塊與東南亞地塊在～23 Ma(Hall, 2011)或者～20 Ma(Sdrolias et al., 2004)開始碰撞，其導致了PSP的旋轉和北移，進而促使～15 Ma時四國盆地已經與SCS分離(圖6b)，并發現有來自長江等地的沉積物(Clift et al., 2013).盡管現今ODP 1177孔的位置離珠江和長江有一定距離，和長江之間還隔著沖繩海槽，但沖繩海槽在～15 Ma 之前還沒形成(Clift et al., 2013)，而且濁流可以長距離搬運沉積物，搬運距離甚至超過1500 km(Talling et al., 2007)，在ODP 1177孔分別發現來自珠江和長江的物源是合理的，且與PSP的旋轉過程有很好的對應.

SCS與PSP四國盆地協同擴張模型一方面能很好地解釋“SCS東部次海盆先形成，西南次海盆后形成(SCS東寬西窄)；四國盆地北部先形成，南部后形成(四國盆地北寬南窄)”這一盆地演化過程.另一方面，這一模型亦能很好地解釋SCS的擴張方向在～23 Ma洋脊躍遷后由近N-S向轉變為NNW-SSE方向(磁異常條帶上表現為走向由近E-W向轉變為NEE-SWW向)：由于SCS與四國盆地形成之初即連在一起，磁異常條帶近E-W走向，海底擴張方向近N-S向；～23 Ma澳大利亞板塊與東南亞地塊發生碰撞，使四國盆地與SCS發生分離，分離時北向運動的四國盆地對SCS側向拖曳牽引，使得原本E-W走向的SCS轉變為NEE-SWW走向.

5.2 PSP與SCS的俯沖板片恢復

古地磁和磁異常條帶數據可以用來恢復SCS與四國盆地的運動軌跡，而地震層析成像結果從地震學的角度為SCS與四國盆地的板塊邊界、空間展布形態及板塊構造恢復提供空間上約束.隨著全球和區域地震臺網的地震數據的不斷增加，為精細刻畫與恢復已經俯沖下去的板片形態提供了堅實的數據基礎和極為重要的約束.

通過開展縱波速度結構及天然地震層析成像方面研究(Liu et al., 2018)，發現SCS已經沿馬尼拉海溝俯沖到地下深處400～500 km(Wu et al., 2016;Zhao et al., 2019)；如果將沿馬尼拉海溝俯沖下去的SCS洋殼部分恢復到地球表面上來，可獲得SCS停止擴張時的整個洋殼范圍(圖7a)；說明在SCS擴張結束時的洋殼面積比現今大約一倍，此處的SCS東部洋殼邊界就是后來馬尼拉俯沖起始的地方(Zhao et al., 2019).同樣，根據地震層析成像研究結果(Wu et al., 2016)，獲得了四國盆地沿著南海海槽向北俯沖下去的部分(圖7b).四國盆地以殘余擴張脊為界，分為東部和西部兩個海盆的俯沖板片，四國盆地東部板片達到920 km，西部板片達到720 km(圖7b).將SCS向東俯沖下去的部分和四國盆地向北俯沖下去的部分全部恢復出來，SCS與四國盆地應該可以連接在一起，連接處可能就是當時SCS與四國盆地統一的擴張中心(圖6a).

圖6 PSP與SCS在～20 Ma和～15 Ma時的構造重建(Liu et al., 2021)(a)四國盆地與SCS連在一起，在四國盆地ODP 1177孔發現與SCS X28孔一致的鋯石物源；(b)四國盆地與SCS分離，在四國盆地ODP 1177孔發現來自長江的物源.Fig.6 Tectonic reconstruction of the PSP and the SCS at ～20 Ma and ～15 Ma (Liu et al., 2021)(a) The Shikoku Basin was connected to the SCS, and the zircons of ODP Site 1177 were consistent with that of Site X28；(b) The Shikoku Basin was separated from the SCS, and the materials of the Yangtze River were detected in ODP Site 1177.

圖7 地震層析成像恢復的俯沖板片(a) SCS東向俯沖板片恢復(Zhao et al., 2019); (b) PSP北向俯沖板片恢復(Wu et al., 2016).Fig.7 Subduction slabs recovered by seismic tomography(a) Eastward subduction slab recovered in the SCS (Zhao et al., 2019); (b) Northward subduction slab recovered in the PSP (Wu et al., 2016).

我們認為SCS與四國盆地在～20 Ma具有地質上的親緣性是合理的，并進一步認為它們在形成之初就屬于同一個海底擴張系統.理由如下：(1)從時間上看，四國盆地的形成時間(30～15 Ma)與SCS的擴張時間(33/29.7～15 Ma)基本重合；(2)從空間上看，SCS東部海盆洋殼的長度(A-A′，圖4)與四國盆地北部的寬度大體一致(B-B′，圖4)；(3)從兩個盆地的基底看，SCS洋中脊玄武巖來源于印度洋型地幔源區 (Zhang et al., 2018)，而四國盆地的洋中脊玄武巖同樣為印度洋型地幔源區(Hickey-Vargas, 1998)；(4)從PSP旋轉過程看，Hall等(1995a,b,c)認為PSP在40～25 Ma古緯度相對比較穩定，無明顯的旋轉，而四國盆地在20 Ma與SCS連在一起(Liu et al., 2021)，說明SCS與四國盆地在形成之初的33/30 Ma也應該離得很近；(5)從SCS與四國盆地形成之前的鄰區構造背景看，45～33 Ma期間，蘇拉威西海與西菲律賓海連在一起 (Nichols and Hall, 1999)，則在33/30 Ma時，處于蘇拉威西海北部的SCS與處于西菲律賓海北部的四國盆地也很可能連在一起.

5.3 PSP與SCS的動力學聯系

要厘定SCS與PSP的動力學關系，首先需要確定SCS打開的動力學機制.關于SCS初始擴張打開的動力來源前人提出了不同的觀點，如碰撞側向擠出逃逸模型 (Tapponnier et al., 1982; Briais et al., 1993)、 古南海俯沖拖曳模型(Holloway, 1982; Hall, 2002)、弧后擴張模型(Karig, 1971; Ben-Avraham and Uyeda, 1973)、地幔柱模型(Flower et al., 1998; Zhang et al., 2018)，以及新特提斯洋俯沖模型等(孫衛東等，2018).其中最為流行的是碰撞側向擠出逃逸模型(動力來源于西邊)和古南海俯沖拖曳模型(動力來源于南邊).碰撞側向擠出逃逸模型認為印度板塊與歐亞板塊的碰撞導致印支地塊沿紅河—哀牢山斷裂向南走滑逃逸，進而導致了SCS的形成.這一模型與構造物理模擬實驗具有很好的一致性，也與SCS西緣印支地塊的擠出構造特征一致.但SCS若是由于青藏高原的碰撞擠出產生，則SCS最先應該在西部次海盆開始擴張，可事實恰好與之相反，故這種模型引起了不少爭議.古南海俯沖拖曳模型認為地質歷史時期在現今SCS南部存在一個古南海，古南海向南的俯沖在現今SCS處產生的伸展拉張使SCS打開.該模型能很好地解釋SCS的擴張方向，也能解釋SCS南部婆羅洲、巴拉望地區發育的蛇綠巖.但古南海周緣地塊的碰撞作用，導致古南海俯沖拖曳的速度逐漸減慢，在早中新世，僅靠古南海的拖曳拉張，可能不能導致SCS的持續打開(Huang et al., 2019).

顯然，單靠來源于西邊或者南邊的動力，都不足以解釋SCS的打開.近年來，Wang等(2019)和林間等(2019)提出了南海破裂的“板緣張裂”新模式，表明南海的張裂與傳統的大西洋型“板內張裂”模式明顯不同.Huang等(2019)提出SCS東邊的走滑斷裂在SCS打開的過程中扮演了重要作用.而東邊的走滑斷裂顯然與PSP的運動有關.這就將“PSP與SCS的動力學關系”這一課題擺在了前所未有的重要位置.

前人對PSP與SCS的動力學聯系有過為數不多的探討.Zhao等(2019)認為二者之間由大型的左旋走滑斷裂相連接，在區域動力學上存在緊密聯系.在西菲律賓海擴張的第一階段(60～45 Ma, Hilde and Lee,1984) 正是SCS陸緣發生第一期裂谷作用的階段(56～40 Ma, Lei et al., 2019).西菲律賓海擴張的第二階段(45～35 Ma, Hilde and Lee,1984) 正是SCS陸緣發生第二期裂谷作用的階段(40～33 Ma, Lei et al., 2019).在SCS停止擴張后，SCS與PSP的邊界由左旋走滑轉變成俯沖.Wu等(2016)認為西菲律賓海北部的琉球海溝俯沖帶會向西傳遞到SCS南部，伴隨著古南海的向北俯沖，導致SCS的弧后擴張打開.這一弧后擴張模型在目前的地表還缺少巖漿弧存在的證據，遭到了不少反對 (Zahirovic et al., 2014).但Wu等(2016)認為在地表上缺乏保留或識別的弧并不能完全拒絕這一SCS打開模型，而且這一模型與SCS及鄰區的地殼、地幔結構能很好的對應.

我們認為由于SCS從東部先打開，且東部的PSP擴張期次和SCS裂陷和擴張期次有如此好的對應性，SCS的打開一定不能忽略東部的動力來源.但僅僅依靠東部的走滑斷裂，顯然不足以將SCS打開.東部的走滑斷裂和南部的俯沖拖曳的聯合作用可能更有利于SCS的初始打開.雖然這還需要進一步的地球動力學模擬來加以驗證，但該模型表明了SCS與PSP四國盆地協同演化的特點，暗示了SCS與PSP四國盆地的洋殼結構和深部地幔地球化學性質應具有相關性，能很好地協調SCS從東部擴張到西部和四國盆地從北部擴張到南部的動力學過程，并為未來更進一步的地球動力學模擬奠定了古地理基礎.

5.4 PSP與SCS協同擴張模型

Liu等(2021)提出了SCS與PSP四國盆地協同演化模型，目前主要證據來源于20 Ma時的古地理重建.但是這一模型還需進一步研究.

就現有的板塊重建而言，在一級演化模型之下，新生代以來，特別是漸新世以來，東亞的古地理重建基本都將SCS北部的歐亞大陸固定不動.這就導致SCS的擴張中心在向南運動.而古地磁數據則顯示PSP的一級演化模型為北向運動.SCS的南向運動與PSP的北向運動似乎不支持兩者之間的協同演化和共享一個擴張中心.

但歐亞板塊漸新世以來真的是一直不動的嗎？Cogné等(2013)的古地理重建顯示歐亞板塊漸新世以來存在北移，能很好地解釋SCS與四國盆地擴張中心的一致性.另一方面，PSP北向運動的一級演化模型中是否可能在某一時間段存在南移？結合現有的古地磁數據(表1，圖2)，我們發現30～20 Ma之間并不能排除PSP內的部分塊體存在南向移動.這是因為PSP并非完全是一個剛體，由于俯沖帶以及海底擴張等的存在，板塊內部各塊體的演化細節絕非單純的北向移動.四國盆地擴張中心西側塊體在30～20 Ma之間的南向運動能很好地和PSP四國盆地與SCS協同演化模型相契合.

由此可見，SCS北部的歐亞板塊和PSP內部塊體的運動方式還不太明確.我們提出PSP四國盆地與SCS初始擴張時的三種可能模型(圖8).一是協同擴張中心的古緯度基本保持不動，這就要求歐亞板塊在漸新世以來存在向北的運動分量(圖8a).二是協同擴張中心的古緯度向南運動，這就要求地質歷史上四國盆地擴張中心以南的塊體(即現今擴張中心西側的塊體)在30～20 Ma之間存在南向運動分量，而歐亞板塊的古地理位置可以固定不動(圖8b).三是協同擴張中心的古緯度向北運動，這就要求歐亞板塊具有相當大的北向運動分量(圖8c).以上模式還有待于對歐亞板塊和PSP更精細的古地磁學研究.

6 結論與展望

根據前人獲取的PSP和SCS的古地磁數據、海底磁異常條帶資料，并結合其它地質證據，本文系統綜述了SCS和PSP的演化歷史以及協同演化過程.PSP四國盆地與SCS在漸新世開始就連在一起，共享一個海底擴張中心；早中新世澳大利亞板塊的北向運動，導致四國盆地逐漸與SCS發生走滑分離.但PSP與SCS的協同演化模型還不完善，需要加強以下方面的研究：

(1)四國盆地與SCS在～20 Ma同處一個構造演化單元，其擴張中心以南的塊體(即現今擴張中心西側的塊體)是否在30～20 Ma存在向南的運動分量，還有待高分辨率的古地磁學研究.在四國盆地西部的九州—帕勞脊以及西菲律賓海獲取的沉積年齡超過30 Ma的大洋鉆探巖心，是后續進行古地磁研究的理想材料.

(2)SCS的古緯度主要根據SCS磁異常條帶的位置來確定，缺少古地磁學數據支持.同時需要確定歐亞板塊漸新世以來的演化模式，加強對SCS古緯度的精細約束.

(3)PSP旋轉過程主要依賴于盆地邊緣島嶼的古地磁偏角測量，這可能既包含了整個板塊的旋轉，也包含了局部旋轉.如果想進一步精確厘定PSP的旋轉過程，由于海盆中央不受盆地邊緣構造影響，其巖心的古地磁偏角更具代表性.在后續的大洋鉆探中，對該區域的長序列巖心進行原位定向至關重要.

圖8 PSP四國盆地和SCS協同擴張的三種可能模型黃色虛線為擴張中心初始擴張時的古緯度，紅色方框指示擴張中心.Fig.8 Three possible spreading models for the co-evolution of the Shikoku Basin and SCSThe yellow dotted lines denote the paleolatitudes of the initial spreading center. The red squares denote the spreading centers.

(4)SCS與PSP四國盆地的協同演化過程主要基于古地磁、海底磁異常條帶和洋殼地震層析成像的約束，目前缺乏更加詳細的地質記錄驗證.因此，需要加強SCS與PSP的構造演化與其周緣塊體構造響應特征對比研究.在未來的地球動力學的模擬中，需要“跳出南海看南海”，在更大的“東南亞環形俯沖帶”的視野范圍內，關注SCS與PSP協同演化的動力學過程，將西太平洋板塊的俯沖、澳大利亞板塊與東南亞地塊的碰撞、印度洋板塊的俯沖過程與SCS與PSP的演化聯系在一起.

致謝感謝四位審稿人對本文提出的詳細而中肯的意見.感謝蓋聰聰博士、張強博士、仲義博士、馮婉儀博士、郭來銀博士、張偉杰博士生和王浩森博士生在前期資料準備過程中的貢獻.與南科大海洋磁學中心各成員的探討受益匪淺！