雅浦-卡羅琳海區精細地貌解譯與分析

劉喆昊，王 冰，張建興，宋永東，莊麗華，欒振東,4*

（1. 中國科學院海洋研究所 海洋地質與環境重點實驗室，山東 青島 266071；2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 山東石油化工學院 油氣工程學院，山東 東營 257061；4. 中國科學院 海洋大科學研究中心，山東 青島 266071）

西太平洋緊鄰歐亞大陸，發育了全球最典型的溝-弧-盆體系和復雜多變的海底地形結構，一直是全球地球科學研究的熱點區域。雅浦-卡羅琳海區位于菲律賓海板塊、太平洋板塊與卡羅琳板塊三大板塊的匯聚交匯處，各種構造應力的相互作用，塑造了該區海底豐富的海底地貌景觀。雅浦海溝是該海區最重要的構造單元，由于具有俯沖速率緩慢、溝弧距離較近以及海溝沉積物缺失等特殊的地質特征，被認為是新發育的不成熟俯沖帶，具有一定的研究價值[1-2]。自20 世紀70 年代起，圍繞板塊俯沖機制與海溝演化過程等科學問題，美國、日本在雅浦海溝附近開展了地形、地震、重磁、熱流以及巖石的調查工作[3-6]。我國的“向陽紅10”考察船在20 世紀80 年代開展的上海至加羅琳群島的重力調查中，獲取了該海區的重力剖面測量數據[7]。這些研究都深化了我們對雅浦海溝俯沖模式的理解。然而，前人調查獲得的水深數據分辨率低且測量范圍局限于雅浦海溝分散的特定區域，使我們無法對雅浦-卡羅琳海區整體的地形地貌特征進行精細分析。

2014—2019 年，“科學”號科考船對雅浦-卡羅琳海區及周邊海域進行了多次綜合考察，系統采集了地形地貌、地球物理、水文環境及生態系統等數據。利用“科學”號搭載的全水深多波束測深系統在雅浦-卡羅琳海區采集的全覆蓋高分辨率水深數據，本文繪制了不同尺度、不同類型的海底地形地貌圖件，對該海區的復雜地形地貌進行了多角度的解譯與分析，并對地貌類型進行了分類，旨在為西太平洋板塊構造演化、深海環流、生態系統等研究提供基礎地質信息支撐。

1 區域地質背景

雅浦-卡羅琳海區位于西太平洋東南端，地處菲律賓海板塊、太平洋板塊與卡羅琳板塊的交界處，主要包括雅浦海溝中部及其附近的海域，大致范圍為（136°～140°E，8°～10°N）（圖1）。研究區的中央是雅浦海溝與雅浦島弧。雅浦海溝北接馬里亞納海溝，走向大致為NNE 向，并向南轉為WNW 向與帕勞海溝相連，整體呈“J”字型，是菲律賓海板塊東部連續弓形海溝系統的一部分。在海溝的東側是卡羅琳海脊，其走向大致與雅浦海溝垂直，并被索羅爾海槽分割為北部的卡羅琳群島海脊，以及南部的西卡羅琳海隆。索羅爾海槽也是太平洋板塊與卡羅琳板塊的離散型邊界。而研究區的西側是帕里西維拉海盆的一部分，也是雅浦溝—弧—盆體系的弧后盆地。

圖1 研究區區域地質概況、地形和多波束測線分布Fig. 1 Geological setting, topography and surveying lines of the study area

目前普遍認為，卡羅琳海脊的碰撞在雅浦俯沖帶構造演化過程中起到了重要的作用。中始新世，太平洋板塊向菲律賓海板塊的俯沖，造成了伊豆-小笠原-馬里亞納俯沖體系（Izu-Bonin-Mariana, IBM）的形成與四國-帕里西維拉海盆的擴張[8]。晚漸新世，卡羅琳板塊的熱點作用形成了包含海底高原與一系列海山的卡羅琳海脊，并隨著卡羅琳板塊向西北移動，在25 Ma 與雅浦海溝發生碰撞[9-10]。早期對雅浦島的巖石學研究表明，卡羅琳海脊的碰撞導致了雅浦島弧火山活動的消失，并造成了雅浦海溝俯沖活動的停滯[11]。然而，后來的地球物理及巖石學證據表明，卡羅琳板塊目前仍在沿著雅浦海溝以0～6 mm/a 的極慢速率向菲律賓海板塊俯沖[2,4,5,12-13]。卡羅琳海脊的碰撞阻礙也造成了雅浦海溝與馬里亞納海溝橫向的運動差異，使二者分離并在連接處形成了尖端狀[14]。但是，也有學者結合地球物理及構造特征等證據認為加羅林海脊并沒有與雅浦島弧直接發生碰撞[15]。此外，在10～15 Ma 卡羅琳海脊中央在走滑-擴張環境下形成了裂谷，并演化成為索羅爾海槽，使卡羅琳板塊與太平洋板塊逐漸分離[16]。

2 研究數據及方法

本研究采用的高分辨率海底地形地貌資料來源于2014—2019 年期間“科學”號科考船在雅浦-卡羅琳海區多次調查時采集的多波束水深數據。水深測量使用ELAC Nautik 公司生產的SeaBeam 3012全水深多波束測深系統，并結合了運動姿態傳感器和高精度差分GPS 定位導航系統等附屬設備。累計完成多波束測線長度5 800 km，測區面積6.6 萬km2。由于研究區內水深與底質類型變化大，導致多波束測深作業時回波信息復雜，易產生錯誤信息，生成虛假地形。針對這種情況，采取了保持合適船速、調整激發能量、合理布設測線等方法，取得了較好的效果。此外，研究區內海溝區域水深可達6 000～8 000 m，根據SeaBeam 3012 全水深多波束系統的測量精度指標（在開角30°范圍內波束測量精度為0.2%），因此在本研究水深測量的誤差應小于20 m。

本研究主要利用多波束實測數據與GEBCO 網格為1′的全球水深地形數據，制作了雅浦-卡羅琳海區完整的水深地形圖。多波束水深數據利用CARIS HIPS & SIPS 軟件進行處理，該過程主要包括潮位校正、吃水校正、聲速校正以及數據清理等步驟。之后將獲取的數據網格化，并通過空間插值對數據空白點進行計算，得到200 m 網格的DEM 柵格數據。相比GEBCO 數據，實測多波束數據有更高的精度與分辨率，可以識別許多小型地貌類型如洼地、陡坡等，以滿足精細地貌分析的需要；而在科考船無法進行多波束作業的海島、珊瑚礁等區域，GEBCO 數據可對多波束資料進行補充。

3 雅浦-卡羅琳海區地形地貌特征

雅浦-卡羅琳海區面積約85 000 km2，海區內水深變化較大，水深最大處（位于雅浦海溝）可達8 590 m。研究區內地貌單元類型豐富，包含海脊、海溝、海盆等大型地貌單元，并可識別數量眾多的海山、海丘，以及深海洼地等小型地貌單元，反映了研究區地貌塑造過程的復雜性。其中，海山主要分布在雅浦-卡羅琳海區的西南區域（帕里西維拉海盆南部）與東北區域（索羅爾海槽與卡羅琳群島海脊）。它們成因多樣，形態各異，加深了研究區海底地形的復雜程度，是研究區內重要的地貌單元類型。

海底地形地貌的形成發育受到各種控制因素的共同影響。其中，地球內部營力作用會控制和限制某一地區的大、中型地貌單元的形成以及總體分布格局，而外部營力作用直接對海底進行改造，繼而塑造出千變萬化的地貌形態。在雅浦-卡羅琳海區，構造活動與火山活動是塑造現今地貌特征的主要控制因素，而外動力地質作用（如侵蝕沉積等過程）也改變了研究區的地貌形態。

在研究區中部由于雅浦海溝的存在，使得研究區整體呈現兩側高，中間低的特點。此外，雅浦海溝與雅浦島弧之間的溝弧距離僅約40 km，遠小于其他溝-弧體系中海溝與島弧的距離，可將二者視為統一的地貌體系，并將整個雅浦-卡羅琳海區自西向東分割成3 部分：雅浦弧后盆地地貌體系、雅浦俯沖帶地貌體系以及卡羅琳海脊地貌體系（圖2a）。

圖2 雅浦-卡羅琳海區水深地形與剖面aa'和剖面bb'Fig. 2 Topographic map and profiles aa' and bb' of the Yap-Caroline area

在雅浦-卡羅琳海區選取剖面aa'和剖面bb'兩個典型地形剖面（圖2b）。剖面aa'位于研究區北部，自西向東依次橫穿了帕里西維拉海盆北部、雅浦海溝以及索羅爾海槽，帕里西維拉海盆內地形起伏較小，而索羅爾海槽是研究區內海山發育密集的區域之一，其中許多海山的高度＞1 000 m，使地形更加復雜。剖面bb'自西向東橫穿了帕里西維拉海盆、雅浦海溝和西卡羅琳海隆的北部邊緣，海溝西側存在海山，而海溝東側的西卡羅琳海隆地形相對平坦。在這些剖面圖中，雅浦海溝地形呈“V”字形，海溝、島弧及海盆等地貌單元之間的界限都較為分明。

3.1 雅浦弧后盆地地貌體系

雅浦弧后盆地位于雅浦-卡羅琳海區西部，屬于帕里西維拉海盆的一部分，整體來看水深隨著與雅浦島弧之間距離的增加而逐漸變大。根據海底地形的差異，雅浦弧后盆地可劃分為南、北兩部分，二者的界線大致位于恩古盧環礁北部垂直海溝走向的WNW 方向（圖3a）。從剖面圖cc'（圖3b）可知，雅浦弧后盆地北部水深約4 500 m，地形起伏相對較小；而南部則發育有大量高度＞1 000 m的海山，整體地勢較高。

圖3 雅浦弧后盆地水深地形與剖面cc'Fig. 3 Topographic map and profile cc' of the Yap back-arc basin

脊-槽地貌是雅浦弧后盆地北部最重要的地貌類型，主要有2 種不同的走向。第一種走向為近N—S 向，分布在雅浦海溝與馬里亞納海溝交界處的西側，長約40～80 km，起伏高度為300～500 m（剖面dd'，圖4a）。第二種走向為ENE—WSW 向，分布在前者以南的雅浦海溝的西側，呈雁列狀排列，長50～70 km，起伏高度為100～200 m（剖面ee'，圖4b）。這些脊-槽地貌是帕里西維拉海盆擴張背景下形成的，而這種線狀正地貌或負地貌的走向一般垂直于拉伸應力下海底的擴張方向[18]。因此，雅浦弧后盆地的脊-槽地貌可能一定程度上記錄了雅浦弧后盆地擴張方向的改變：N—S 向的脊-槽地貌可能是早期馬里亞納-雅浦海溝向西俯沖，帕里西維拉海盆東西向擴張背景下形成的；ENE—WSW 向的脊-槽地貌反映了卡羅琳海脊碰撞后，雅浦海溝現今WNW 向的俯沖方向。

圖4 雅浦弧后盆地地貌與剖面dd'、剖面ee'Fig. 4 Topographic map and profile dd' and profile ee' of ridge-trough landforms

雅浦弧后盆地南部相較北部發育有大量的海山，反映了南北巖漿活動的不均衡。通過重力異常解釋可知，雅浦弧后盆地南部卡羅琳板塊向菲律賓海板塊俯沖的深度相較北部太平洋板塊的俯沖深度更大，代表了更高的俯沖程度，因此南部巖漿活動也較北部更加豐富[19]。這些海山的高度多為1 000～1 500 m，有的甚至可達到2 000 m 以上。宮士奇等[20]統計了這些海山的山頂直徑、山底直徑和高度等形態參數，認為雅浦弧后盆地尖頂海山數量較多，整體形態變化較小。此外，帕里西維拉海盆內海山的山坡傾角與地面半徑具有負相關關系，而與海山高度相關性較差，符合側向堆積的火山演化特征[21]。

3.2 雅浦俯沖帶地貌體系

雅浦俯沖帶地貌體系主要包括雅浦海溝與雅浦島弧兩個大的地貌單元，位于研究區的中部，在研究區內走向主要為NNE 向，長約300 km，寬約50～70 km，貫穿南北將雅浦-卡羅琳海區分割（圖2）。雅浦海溝與雅浦島弧之間的溝弧距離相比太平洋的其他溝弧體系明顯較短，張正一等[22]計算了雅浦俯沖帶70 條剖面中海溝軸部與對應島弧的間距，得知平均溝弧距離為41 km，遠小于北部和雅浦俯沖帶直接相連的馬里亞納俯沖帶（平均150 km），可能是卡羅琳海脊與雅浦海溝相撞后俯沖侵蝕的結果[16,22]。

研究區內雅浦海溝的水深最深點位于（137°54′E, 8°26′N），水深8 604 m，雅浦俯沖帶的水深等值線分布見圖5。從沿海溝軸線繪制的水深剖面ff'（圖6）可知，研究區內雅浦海溝軸線地形呈“W”形。以點（138°30′E, 9°35′N）與點 （137°55′E, 8°26′N）為中心，存在2 個水深＞8 000 m 的區域。而在這2 個區域中間點（138°15′E, 9°02′N），是索羅爾海槽與雅浦海溝的相交處，處于太平洋板塊、卡羅琳板塊與菲律賓海板塊的三聯點附近。雅浦海溝在該點水深最淺，約6 000～6 500 m，海溝的走向也發生了變化。產生這種現象的原因可能是在該點東部的俯沖板塊之上存在一座高度＞1 000 m的海山，在俯沖過程中進行了阻礙。

圖6 雅浦海溝剖面ff'～剖面ii'水深分布Fig. 6 Water depths for profiles (ff'—ii') of the Yap Trench

垂直海溝軸線的方向，自北向南作3 條剖面：剖面gg'、剖面hh'與剖面ii'，其中剖面hh'經過海溝水深最淺處（圖6）。雅浦海溝中心的剖面呈“V”字型，說明未被沉積物填充。海溝洋側斜坡的坡度較弧側斜坡更陡峭，且發育了許多陡坎，可能是由于俯沖洋殼板塊彎曲形成的正斷層。剖面圖gg'與剖面ii'顯示海溝弧側斜坡水深范圍4 000～6 000 m 的溝壁上存在地形趨勢發生變化的坡折，Dong 等[16]在弧前斜坡的地震剖面上識別了空白反射，以及2 期內部地震反射近似平行的滑塌體，因此該處存在海底滑坡。雅浦海溝北部的寬度相較南部更窄，但對稱性更好，反映了太平洋板與卡羅琳板塊俯沖活動的差異。

雅浦島弧走向與雅浦海溝大致平行，整體連續性較好，寬約25～40 m，呈現出中段窄、南北兩段寬的特點（圖5），反映了島弧形成時不同部分巖漿供應量的差異。島弧鏈頂部水深大致＜1 000 m，有多處＜500 m，其中僅有雅浦島及恩古盧環礁出露水面。通過地震剖面，可識別出雅浦島弧頂部被一定數量的正斷層所切斷，呈現出階梯狀形態，反映該處曾受到伸展應力作用[23]。

3.3 卡羅琳海脊地貌體系

研究區東部是太平洋板塊與卡羅琳板塊的一部分，主要屬于卡羅琳海脊的西端，地勢整體較高，索羅爾海槽將其分割為南北兩部分：北部為卡羅琳群島海脊（太平洋板塊）、南部為西太平洋海隆（卡羅琳板塊）（圖7a）。在卡羅琳海脊與雅浦海溝之間，存在一塊新月形的水深較深區域。剖面jj'自北向南縱切了卡羅琳海脊（圖7b），剖面地形顯示出卡羅琳群島海脊與西卡羅琳海隆地勢較高，并且發育陡崖與索羅爾海槽相連，界線明顯。卡羅琳群島海脊水深約3 000 m，西卡羅琳海隆水深約2 500 m，而索羅爾海槽水深較深，平均水深約4 500 m。在卡洛林群島海脊與索羅爾海槽分布有海山和海丘，而西卡羅琳海隆整體較為平坦。

圖7 卡羅琳海脊水深地形圖與剖面jj'Fig. 7 Topographic map and profile jj' of the Caroline ridge

卡羅琳群島海脊地形起伏較大。地震剖面顯示，與西卡羅琳海隆相比，卡羅琳群島海脊之上發育有更多正斷層，使得被錯斷的沉積地層向北傾斜，說明卡羅琳海脊北部的構造活動比南部更為強烈[24]。南部海山與索羅爾海槽相鄰，與海槽相同走向平行線狀排列，可能是海槽擴張背景下巖漿多期噴發作用形成的。M1 海山是卡羅琳群島南部的典型海山，中心位于（140°00′E, 9°25′N），南北寬約15 km，東西長約40 km，呈長條狀。M1 海山高度約2 000 m，水深最小處約1 200 m，海山南坡的坡度小于北坡，且坡面形態不規則，反映了海槽擴張應力的影響。在卡羅琳群島海脊的北部分布有數個大型平頂海山，有的頂部還發育有環礁。M2 海山是卡羅琳群島海脊北部的典型海山，中心位于（140°06′E, 10°28′N），東西寬約15 km，南北長約30 km，高度近2 500 m，水深最淺處＜50 m。海山頂部四周地形陡峭，隨深度增大坡度變緩，四周坡面形態相似。

索羅爾海槽是在晚中新世走滑-擴張應力下卡羅琳海脊裂解形成的[17,25]，走向大致為NW—SE 向，大致沿水深4 000～4 500 m 界線與卡羅琳群島海脊和西卡羅琳海隆分隔開來，最大水深＞5 000 m。索羅爾海槽西部對稱性較差，寬度約45 km；自西向東對稱性變好，寬度變寬至95 km，此外，東部水深也較西部更大。在海槽內深海洼地與海山鏈相間分布，他們的走向整體上與海槽走向一致。大型海山在海槽的南北兩側分布較多，呈線狀排列，高度為1 200～2 400 m，頂部較為平坦，坡度也較緩。甘雨等[21]統計發現該處海山的赫斯特指數與體積存在一定的線性關系，反映了早期形成的海山受到了更多后期的地貌改造，加大了表面的粗糙程度。深海洼地表現為狹長的凹陷地形，深度較周圍海底明顯增大200～300 m。

位于索羅爾海槽南端的西卡羅琳海隆雖然曾與卡羅琳群島海脊都是卡羅琳海脊的一部分，但二者地形特征相差較大，可能反映了后期構造應力的差異。西卡羅琳海隆地形起伏變化較小，北部與索羅爾海槽邊界處水深約2 000 m，向南水深緩慢增大至2 700 m 左右，趨于平緩，除西部含有少量高度小于1 000 m 的小型海山外，整體較為平坦，屬于海底高原地貌。

在雅浦海溝與卡羅琳海脊之間的水深較大的區域，長約200 km，自北向南寬度變窄，平均深度約4 500 m，該區域地貌最顯著的特征是發育了一系列的地壘地塹地貌。通過地震剖面，Lee[19]識別出了大量朝向海溝、切割半地塹的正斷層，并認為這些正斷層是俯沖板片受到擠壓發生撓曲進而形成的。張臻等[15]則認為該區域為帕里西維拉海盆擴張方向改變而重新暴露的俯沖洋殼板片。結合高分辨率的多波束地貌分析，我們可在該區域識別2 種走向不同的地壘地塹斷裂帶，故推測二者是在不同構造應力下形成的：在9°07′N 以北，地壘地塹構造斷裂的走向大致呈近垂直于俯沖方向的N—S 向，可能是卡羅琳群島海脊向雅浦海溝俯沖，板塊前緣的撓曲導致伸展環境下正斷層的發育，進而演化出北部的地壘地塹構造；在9°07′N 以南，斷裂帶的走向大致呈平行于海槽擴張方向的NE—SE 向，可能是索羅爾海槽在擴張背景下地幔上涌，地殼減薄，拉張應力作用下使南部形成地壘地塹。

4 雅浦-卡羅琳海區地貌分類

雅浦-卡羅琳海區有著復雜的構造演化歷史，在不同歷史時期受到了多種地質作用的影響，基于高分辨率的多波束海底測深數據，可以對雅浦-卡羅琳海區進行地貌分類，以滿足后期成圖和基礎研究的需要。本研究依據《海洋調查規范：第10 部分 海底地形地貌》[26]中“以構造地貌為基礎，內-外營力相結合，形態-成因相結合，分類和分級相結合”的原則，基于板塊構造地貌分類方法[27-28]，并在綜合前人海底地貌劃分研究成果的基礎上[29-30]，將雅浦-卡羅琳海區逐級劃分為4 級板塊構造地貌類型（表1）。

表1 雅浦-卡羅琳海區地貌類型Table 1 Classification of seafloor geomorphology of the Yap-Caroline area

1）一級地貌類型的劃分根據現代全球板塊構造環境與形態特征，同一地貌類型應處于相同的構造環境，并且可進一步劃分為若干個二級地貌類型。一級地貌類型規模巨大，板塊構造控制了其發育的基本格局。在雅浦-卡羅琳海區，可將卡羅琳海脊區域劃分為大洋地貌類型，將雅浦俯沖體系劃分為洋緣溝-弧-盆地貌類型。

2）二級地貌類型的劃分主要考慮地形水深、演化歷史等要素。二級地貌類型直接反映了板塊構造活動的基本特征，同一地貌類型內構造性質應相同。雅浦-卡羅琳海區可以識別的二級地貌類型有深海盆地、海溝、島弧和弧后盆地。俯沖板塊即卡羅琳板塊為深海盆地地貌類型；海溝與島弧分別指雅浦海溝及雅浦島弧；帕里西維拉海盆是馬里亞納海溝與雅浦海溝俯沖作用下弧后擴張產生的弧后盆地地貌類型。

3）三級地貌類型的主要劃分依據是地貌形態，一般反映了成因不同的內、外營力作用。索羅爾海槽是晚中新世卡羅琳海脊洋脊裂解形成的中央裂谷地貌類型。雅浦海溝除海溝溝底盆地與海溝洋向斜坡外，弧前斜坡應劃分為俯沖侵蝕型海溝弧向斜坡。島弧的三級地貌類型包括島架斜坡與島弧海嶺。弧后盆地即帕里西維拉海盆之上發育了大范圍不同走向的脊-槽地貌。除弧后盆地的主體海盆平原外，分布較為集中的海山與海丘組成了海山海丘群。

4）四級地貌主要依據形態進行劃分，可在不同的高級地貌類型中被識別。作為地貌分類中最低一級的地貌類型，四級地貌一般規模較小且成因要素較為單一。研究區內主要的四級地貌類型包括海山、海丘、海底平原、深海洼地和斷層陡坡等。

5 結 語

雅浦-卡羅琳海區受板塊運動及其他營力作用，演化歷史復雜，地形變化豐富。本研究獲取的船載多波束測深數據，相較前人工作覆蓋范圍更廣，精度及分辨率更高，可以識別海山海丘、脊-槽地貌與斷層陡坡等小規模地貌類型，以支撐精細地貌分析。研究發現帕利希維拉海盆內脊-槽地貌具有不同走向，可能記錄了雅浦弧后盆地擴張方向的改變。索羅爾海槽內分布有線狀排列的海山與深海洼地。卡羅琳海脊與雅浦海溝之間水深較深的區域存在兩種走向不同的地壘地塹斷裂帶，是不同構造環境控制下形成的。依據板塊構造地貌分類方法，可將雅浦-卡羅琳海區的海底形態劃分為4 級地貌類型，其中大型地貌類型包括大洋地貌類型和洋緣溝-弧-盆地貌類型，小型地貌類型包括海山、海丘、深海洼地和斷層陡坡等。