Provenance analysis for surface sediments in different depositional environments of the middle-south Okinawa Trough
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摘要: 对冲绳海槽中南部3种不同沉积环境（东海外陆架、东海陆坡和冲绳海槽）表层沉积物进行了稀土等元素地球化学分析，结果显示，冲绳海槽和陆坡表层沉积物具有与台湾物质来源类似的稀土元素配分模式，La/Sm-Gd/Yb散点图也显示海槽和陆坡沉积物主要分布在台湾物源端元区，表明冲绳海槽中南部海槽和陆坡表层沉积物主要来源于台湾，而外陆架沉积物明显的重稀土亏损与大陆河流（特别是长江、黄河）沉积物来源较为一致。为进一步判断外陆架表层沉积物来源，对外陆架沉积物重矿物进行分析鉴定，结果显示，外陆架沉积物重矿物以普通角闪石-绿帘石-石榴石-赤褐铁矿为组合特征，与长江沉积物重矿物组成特征类似，其明显缺乏台湾河流来源的典型重矿物锆石、黄河来源典型重矿物云母、浙闽沿岸来源典型重矿物磁铁矿，说明台湾、黄河和浙闽沿岸并非研究区外陆架表层沉积物主要物源。根据以往测年等研究成果，研究区外陆架沉积物年代较老，应为古长江物质经东海现代环流体系不断改造而成。Abstract: In this paper, surface sediments taken from three different depositional environments, i.e. the outer continental shelf, slope, and trough, of the middle-south Okinawa Trough were analyzed for rare earth elements (REE). The results suggest that the REE distribution patterns of the surface sediments from the continental slope and the Okinawa Trough are quite similar to those from Taiwan. The discrimination plot of La/Sm-Gd/Yb also shows that the surface sediments from continental slope and the Okinawa Trough are mainly located in the diagram close to the provenance end of Taiwan, further supporting the conclusion that the surface sediments of the continental slope and the Okinawa Trough are doubtlessly sourced from Taiwan. The obvious loss of heavy REE in the sediments of the outer continental shelf is consistent with the source of continental river sediments. In order to recognize the source of surface sediments in the outer shelf sedimentary area, the heavy mineral compositions of these sediments were analyzed. The results show that the heavy mineral assemblages of the outer continental shelf sediments are mainly composed of common hornblende, epidote, garnet, limonite, similar to the source composition of the Changjiang river. The outer continental shelf sediments are lack of zircon, mica, and magnetite, typical heavy minerals found in Taiwan, Huanghe river, and Minjiang river sediments respectively, which suggests that Taiwan, Yellow River, and the coast of Zhejiang and Fujian are not the main contributors to the outer continental shelf sediments. According to the results of previous dating data, the sediments of the outer shelf are relatively old, suggesting that the outer shelf sediments should be formed by the rework of the palaeo-Changjiang river materials by the modern circulation system of the East China Sea.
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Keywords:
- provenance /
- rare earth elements /
- heavy minerals /
- surface sediments /
- Okinawa Trough
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板块俯冲系统对地球板块运动起着至关重要的作用，它在关闭大洋的同时也带来了岩石圈内的岩浆活动并导致上覆板片的地壳增生和下插板片的回落，在威尔逊循环中起到了承前启后的作用，是地球构造演化不可或缺的一环。其俯冲过程重要的一个阶段—俯冲作用的起始过程对应着构造应力环境的转变，但由于这种地质现象不易观测到，俯冲起始过程因此成为板块构造理论中一个需要解决的问题[1]。针对起始过程的研究包括了俯冲起始机制的模拟和俯冲带形成的构造环境的控制因素两方面的内容。目前关于板块俯冲初始机制的大部分模式都来自数值和物理模拟的理论研究，缺乏直接的观测证据。其原因不仅在于俯冲带需要海陆联合观测，也因处于俯冲初始阶段的俯冲带数目非常有限[2]。Robert J Stern在回顾了全球针对俯冲带机制的研究后[3]，根据俯冲带的起始机制将俯冲带分为两类[4-5]，诱发俯冲型（Induced Subduction Initiation，简称ISI）和自发俯冲型（Spontaneous Subduction Initiation，简称SSI）。将可以自我维持进行的板块俯冲作为起始俯冲作用完成的标志的话[6]，那么ISI型需要在长时间压应力作用下，使已经存在的薄弱结构在主导走向上逐渐收敛，使俯冲板片俯冲到一定深度直至其板块运动可以自我维持进行。而另一种SSI型，通常发育在大洋转换断层或者被动大陆边缘颈缩地区，一般是在走滑断裂导致或经岩石圈伸展的薄弱位置处发生。由于该地区两侧不同性质的板片的重力失稳进而塌陷，导致一侧板块的下插俯冲。这两种初始机制的分类是依据早期对由菲律宾海转换断层发育的伊豆-小笠原-马里亚纳（Izu-Bonin-Marianas）弧前火山弧和阿曼地幔蛇绿岩（Ophiolite of Oman）剥露的研究证据所建立的，但由于两个研究区俯冲作用至少已经分别持续了50和90 百万年[7-10]，所以，仅依靠来自两个地区的岩石学证据和模拟实验结果来检验俯冲起始机制模式仍然比较困难。特别是由于针对俯冲初始过程所带来深部地幔脱水、深部岩浆运移、上覆地壳形变和增生范围等地质现象的观测还远远不足，因此导致对地幔深部作用机理研究较为薄弱。究其原因就是缺乏足够的、针对处于俯冲初始阶段的俯冲带深部地震观测和探测数据，影响了俯冲初始机制和地幔深部作用机理的研究。
印度尼西亚东部海域（苏拉威西海、北班达海）有着世界上最丰富的板块俯冲系统，其形成年代较晚，现今活动俯冲带主要发育在早中新世（约20 Ma）以后[11]。该地区俯冲带并不像世界上其他处于起始阶段的俯冲带—发育自洋中脊的转换断层地区（如南大西洋南三明治海沟和地中海直布罗陀弧），而是发育自被动大陆边缘—俯冲带不是由两个构造板块在压应力环境下发育，而是由伸展应力环境转变发育而成[11]。位于班达海的苏拉深渊（Sula Deep）和Tolo海槽，苏拉威西海的科托巴托海沟（Cotabato trench）和北苏拉威西海沟（North Sulawesi trench），它们的俯冲分别起始于洋中脊的转换断层或被动陆缘的洋陆过渡带（Ocean-Continent Transition）地区，属于典型的自发型俯冲。更为重要的是，以上4个俯冲带都是独立发育，并处于初始俯冲状态下的不同阶段，因此具有研究俯冲起始机制的独特优势。我们选择北苏拉威西俯冲带开展深部地震学观测，不仅可以获得其俯冲带岩石圈结构和浅层孕震区的地震活动性，还可以利用初始俯冲阶段的岩石圈结构开展动力学模拟，从而讨论自发型俯冲过程的构造控制因素。
1. 区域地质构造背景
印度尼西亚群岛被环太平洋俯冲带所围绕，是世界上火山活动最频繁的国家。通常认为，火山活动代表着板块已经俯冲到岩石圈300 km以下，同时也标志着俯冲系统进入了稳定的威尔逊循环。印尼东部地区位于欧亚大陆板块、印度-澳洲板块和菲律宾板块的汇聚边缘之间，不仅存在俯冲作用所导致的陆壳隆升、海沟后撤、增生杂岩等典型地质现象，而且在苏拉维西海还存在着俯冲转换传递边缘[12]、对向俯冲系统等独特的地质构造（图1）。
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图 1 苏拉威西海及苏拉威西岛构造简图主要俯冲带、磁条带及断裂带位置根据Kopp等. 1999[13]）。古俯冲带为灰色虚线加三角，磁条带为蓝色虚线，俯冲带为黑色实线加三角，黑色实线为主要的断裂带Figure 1. Tectonic sketch of Celebes Sea and Sulawesi IslandMajor subduction zones, magnetic isochrons and fault zones referred to Kopp et al. 1999[13]）. The paleo-subduction zone is shown by gray dashed line with triangle, the magnetic strip shown by dotted line, the subduction zone shown by black solid line with triangle, and the black solid line with arrows indicate the main fault zone苏拉维西海在20世纪80—90年代经过海洋地球物理探测和海底钻探实验后（ODP leg 124）[14-19]基本确定了其边缘海的属性，它在海底扩张时期属于大洋的一部分，与西菲律宾海一样同为俯冲作用形成弧后盆地[20]。Robert Hall综合了前人的构造地质及地球物理证据，对东南亚区域开展了古板块重建研究[21]：苏拉威西海自晚始新世开始扩张（磁条带20，约47 Ma，位置见图1），持续了大约8 Ma，其洋壳与另一个正在扩张的大洋（西菲律宾海）通过一条转换断裂带相连。中始新世（～40 Ma）苏拉威西海扩张停止，而西菲律宾海持续扩张至早渐新世（～32 Ma），两个海洋板块之间转换断层因为不同的扩张速度和持续时间，断裂逐渐发育。晚渐新世（～24 Ma）随着澳洲板块持续向菲律宾板块俯冲，连接苏拉威西海与菲律宾海的转换断裂逐渐发育为新的俯冲带—摩鹿加海俯冲。摩鹿加板块俯冲到苏拉威西海东部之下，形成了桑义赫岛弧/海沟。在同一时期，位于苏拉威西岛南支（位置参考图1）与澳洲板块之间转换断层（Palu-Koro断裂的前身）也停止了活动，苏拉威西岛东南支随着俯冲作用从澳洲板块漂移，逐渐与南支拼接，同时苏拉威西岛的东支与北支开始缝合，形成了现今苏拉威西岛的原型。晚始新世也同时是南海扩张的活跃期，南海南部陆缘（现今南沙地块）随着南海的扩张，以南海西端为轴顺时针旋转，其陆缘与婆罗洲开始碰撞；这一时期巽他古陆南部（包括苏门答腊岛、巽他陆架、婆罗洲、爪哇岛等）也开始以古陆中心为轴逆时针旋转；巽他海沟范围也开始扩大，爪哇俯冲带向东延伸，小巽他群岛火山弧发育。中中新世（～15 Ma）随着南海关闭，南海的南部陆缘与西北婆罗洲（沙捞越地区）的碰撞也逐渐停止，这时由苏拉威西海向苏禄群岛的西北向俯冲，苏禄海开始了弧后海底扩张的过程。晚中新世（～12 Ma）随着爪哇俯冲带继续向东延伸，另一个弧后边缘海（北班达海）开始扩张。晚中新世至早上新世（～12～5 Ma）由于同时受到了南沙地块的板块碰撞和苏拉威西海的板块俯冲的双重作用，沙巴地区开始了造山运动，在此期间，苏拉威西-苏禄俯冲带边俯冲边后撤，爪哇俯冲带在后撤的同时也一直向东生长；早上新世（约5 Ma），苏拉威西-苏禄俯冲带停止了俯冲，苏禄海也停止其海底扩张的过程。难以理解的是在这一时期苏拉威西海另一侧陆缘开始了俯冲作用，俯冲方向调转为南向，苏拉威西海板块向苏拉威西岛北支下插入，而位于苏拉威西岛南支、北支和东支之间的古近纪断裂带重新活动。自上新世以来，随着苏拉威西海的南向俯冲作用，北苏拉威西海沟持续向北后撤（图2），导致了位于俯冲带上覆板块的岛北支和未受到俯冲作用的岛南支之间的古近纪断裂发展为Palu-Koro左旋走滑断裂，岛北支也同时以其东端为轴，开始顺时针方向的旋转（参见图2）且旋转角速度大约为4°/Ma，因此北苏拉威西俯冲带的板片俯冲速度是西快东慢。此外沿着海沟走向，长度大于500 km的增生楔前缘由于不同的俯冲速度，增生楔（或推覆岩席）的范围和厚度都不相同[22]。
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经过5百万年的俯冲作用，虽然苏拉威西海古洋脊已经俯冲至苏拉威西岛北支之下，但是由于其俯冲深度有限[23]，该俯冲并未在岛北支形成对应的火山弧（而位于岛北支东端的火山群是由于摩鹿加海俯冲作用形成的火山弧）。此外位于滑脱面的增生楔范围有限且保留了较为完整的变形序列[13]，俯冲带从被动陆缘发展成主动陆缘这一过程仅仅持续了不到5百万年，且该俯冲带东西两侧板片俯冲程度也不同—由于岛北支的旋转，其俯冲速度自东向西线性递增。针对改俯冲带开展三维地震观测研究，可以在同一俯冲带下观测不同俯冲速度作用下的岩石圈结构，为研究自发俯冲型的初始机制提供第一手地震观测资料。
2. 三维地震观测设计
为了能够较为完整地观测北苏拉威西俯冲系统，地震台网的设计需要涵盖未受俯冲带影响的苏拉威西海洋盆、俯冲增生楔和弧前盆地地区。但是由于北苏拉威西俯冲带年龄仅有5百万年，尚未形成弧前盆地[13]，为此，可将海底地震观测台网布设于增生楔后的陆坡上，同时还要考虑俯冲带转换边缘的影响，需要在岛北支西侧布设地震台以控制俯冲转换边缘（Palu-Koro断裂带）的地质结构。据此设计理念，中国科学院地质与地球物理研究所和英国剑桥大学地球科学系的科研人员共同合作，设计出北苏拉威西海俯冲带三维地震观测台网（图3）。2019年8月15—25日，中国科学院、英国剑桥大学、印尼万隆科技学院的科研人员使用印尼国家海洋地质研究所的科学调查船“海洋地质三号”和中国科学院地质与地球物理研究所研发的长周期宽频带海底地震仪（OBS），完成了OBS投放航次，共投放27台OBS，站位间隔为 50～70 km（图3），三维地震观测区域为苏拉威西海南部及望加锡海峡北部海区（俯冲转换边缘）。三维OBS台网预计观测时间为2019年9月至2020年6月，从而获得第一手的天然地震数据观测资料。
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图 3 三维海底地震观测及OBS投放位置图红色五角星为实际OBS投放点；白色三角为当地永久地震观测台站，灰色三角为剑桥大学临时地震观测台站，紫色三角为火山Figure 3. Deployment locations of OBS and 3-D seismic survey（The red dots are the originally designed location of OBS, and the orange stars are the actual deployment location. The white triangles are the local permanent seismic stations. The grey triangles are the temporary seismic stations of University of Cambridge. The purple triangles are volcanos）3. 关键问题
在苏拉威西岛北支及其周边海域开展关于北苏拉威西俯冲系统的三维地震观测研究的主要目的，是为了揭示该俯冲系统在有限的俯冲深度和角度作用下的上地幔活动过程，认识板块转换陆缘与海沟后撤之间的联系。在这个地区进行海底地震观测并开展天然地震学研究，可以利用陆地永久地震台数据和前人的地震探测数据（图4），开展不同尺度的地震学成像研究，获得北苏拉威西俯冲带的岩石圈结构、自东向西由于海沟后撤速度不同导致的增生楔/褶皱变形带的构造变化，并通过对比俯冲转换边缘两侧的岩石圈三维结构与属性，分析俯冲转换边缘在初始俯冲系统中扮演的角色，并讨论该俯冲带与古俯冲带形成的对向俯冲系统与该区域唯一的火山una-una活动之间的联系。以该区的地震学俯冲带深部结构研究为基础，利用有限元数值模拟分析技术，分析不同俯冲速度下岩石圈的形变程度，还原北苏拉威西海俯冲带的演化过程，为进一步认识自发俯冲型俯冲带的初始机制提供新的地球物理证据。
本项研究工作需要在国际合作基础上开展，主要以中国科学院地质与地球物理研究所和英国剑桥大学地球科学系、自然资源部第二海洋研究所等机构于2018年开始的针对研究区科学问题的国际合作为基础，同时得到了国家自然科学基金委员会重大研究计划“西太平洋地球系统多圈层相互作用”下属项目“苏拉威西海与古南海对向俯冲系统的三维地震观测与板块活动机制”的支持。
4. 研究展望
以揭示对向俯冲板片系统构造及地幔活动过程为目标，通过对海陆天然地震联合数据的处理，获得北苏拉威西俯冲带的岩石圈结构、自东向西由于海沟后撤速度不同所导致的增生楔/褶皱变形带的构造变化，并以此为基础开展有限元模拟，还原苏拉威西海俯冲演化过程，为研究自发型俯冲系统的初始机制提供重要的地球物理证据。因此，针对研究区的大规模的海底地震观测是实现以上目标的基础与关键，国家自然科学基金重大研究计划的设立与实施为实现这一目标提供了良好的契机与强有力的支撑。
致谢：感谢国家自然科学基金重大研究计划“西太平洋地球系统多圈层相互作用”项目的支持和国家重点研发计划资助项目国家质量基础的共性技术研究与应用“战略性新兴产业关键国际标准研究课题（2016YFF0202704）的资助。本项研究同时也得到了自然资源部第二海洋研究所李家彪院士的学术指导和中国科学院地质与地球物理研究所游庆瑜研究员及其OBS研发团队的大力支持，OBS投放航次是由中科院地球物理研究所郝天珧研究员团队与剑桥大学地球科学系Nick Rawlinson教授团队合作完成，航次得到了印尼合作方万隆科技学院和印尼海洋地质研究所的支持，特别是印尼科学调查船“海洋地质三号”的全体船员为投放航次的完成提供了有力保障，在此一并致谢！
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图 3 海槽-陆坡-外陆架典型样品上地壳标准化稀土元素配分模式
Figure 3. REE UCC-normalized patterns for typical samples from Okinawa Trough, slope, outer continental shelf
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图 4 普通角闪石、绿帘石、石榴石颗粒百分含量分布
Figure 4. Distribution of common hornblende, epidote and garnet in the surface sediments
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图 5 Al、K、Mg、Co、Cu、V元素丰度分布
Figure 5. Some major and trace elements distribution of the surface sediments
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表 1 研究区典型样品稀土元素含量
Table 1 REE concentrations of typical samples
μg/g 水深/m La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 陆架 128.4 37.2 73.2 8.5 31.9 5.7 1.1 4.9 0.71 3.7 0.75 2.0 0.32 2.0 0.32 128.0 32.0 67.6 7.6 28.1 5.0 1.0 4.3 0.61 3.2 0.61 1.7 0.26 1.6 0.25 127.3 31.9 61.9 7.4 27.9 5.1 1.0 4.4 0.63 3.4 0.67 1.9 0.30 1.9 0.29 140.0 26.4 52.2 6.4 24.1 4.4 0.9 3.7 0.52 2.7 0.53 1.4 0.22 1.4 0.21 125.0 22.0 42.4 5.2 19.6 3.6 0.7 3.1 0.44 2.4 0.47 1.3 0.20 1.2 0.18 110.0 23.6 46.3 5.7 21.6 3.9 0.9 3.3 0.47 2.5 0.48 1.3 0.19 1.2 0.18 112.0 28.2 55.4 6.7 25.2 4.6 0.9 4.0 0.58 3.2 0.62 1.7 0.26 1.6 0.25 128.0 28.1 54.2 6.5 24.5 4.4 1.0 3.9 0.55 2.9 0.58 1.6 0.24 1.5 0.22 118.0 38.0 73.8 8.6 31.3 5.4 1.1 4.8 0.71 3.9 0.81 2.4 0.37 2.4 0.36 170.0 28.8 56.7 6.8 25.3 4.5 0.8 3.8 0.52 2.7 0.51 1.4 0.20 1.3 0.20 陆坡 975.5 24.4 48.9 5.5 20.8 4.1 0.9 3.9 0.54 3.3 0.67 2.0 0.29 1.9 0.29 573.9 36.7 73.4 7.9 29.3 5.7 1.1 5.2 0.70 4.1 0.81 2.3 0.33 2.2 0.34 671.7 29.0 57.3 6.2 23.0 4.5 0.9 4.0 0.55 3.3 0.66 2.0 0.27 1.9 0.28 956.6 33.9 67.7 7.3 27.5 5.2 1.1 4.8 0.66 4.0 0.80 2.4 0.34 2.3 0.34 790.5 31.2 62.4 6.8 25.5 5.0 1.1 4.8 0.74 4.5 0.90 2.7 0.37 2.4 0.35 830.0 30.0 60.0 6.6 24.9 4.8 1.0 4.3 0.59 3.5 0.71 2.1 0.30 2.0 0.29 966.1 33.8 66.5 7.2 26.8 5.2 1.1 4.9 0.73 4.4 0.90 2.7 0.38 2.5 0.37 987.1 32.2 63.6 7.0 26.4 5.1 1.1 4.8 0.65 4.1 0.83 2.4 0.36 2.4 0.35 898.1 30.5 60.4 6.6 25.0 4.8 1.0 4.3 0.61 3.6 0.73 2.2 0.31 2.1 0.31 929.3 31.2 61.9 6.7 25.3 4.9 1.0 4.5 0.66 3.9 0.78 2.3 0.33 2.3 0.33 海槽 2112.2 32.7 65.6 7.1 26.8 5.2 1.1 5.0 0.75 4.4 0.88 2.7 0.39 2.6 0.38 2125.6 34.0 68.0 7.4 27.8 5.3 1.1 5.1 0.73 4.3 0.87 2.6 0.37 2.5 0.37 2070.3 28.3 57.2 6.3 24.1 4.8 1.1 5.0 0.74 4.4 0.90 2.7 0.39 2.6 0.37 2079.7 31.0 61.0 6.7 25.2 4.8 1.1 4.6 0.65 3.8 0.78 2.3 0.34 2.3 0.34 2050.7 33.8 67.0 7.4 27.9 5.4 1.2 5.2 0.75 4.3 0.86 2.6 0.38 2.5 0.37 1322.6 33.9 68.0 7.6 28.3 5.4 1.1 4.9 0.68 4.1 0.83 2.5 0.36 2.4 0.36 1701.9 35.1 71.1 7.7 28.5 5.4 1.1 5.1 0.68 4.1 0.82 2.5 0.36 2.5 0.36 1840.3 34.5 69.4 7.9 29.9 5.8 1.2 5.4 0.79 4.8 0.95 2.8 0.40 2.8 0.41 2068.0 35.1 69.7 7.9 30.0 5.8 1.2 5.4 0.76 4.5 0.93 2.8 0.40 2.7 0.40 2058.2 34.7 69.8 8.0 30.3 6.0 1.3 5.5 0.77 4.7 0.96 2.8 0.40 2.8 0.41 
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表 2 重矿物含量数据统计
Table 2 Statistics on data of heavy mineral provinces
矿物统计 最小值/% 最大值/% 平均值/% 标准偏差 偏度 峰度 角闪石类 19.97 45.06 32.75 5.87 0.04 –0.81 帘石类 5.50 33.57 17.27 4.71 0.39 0.64 金属矿物 1.78 22.00 7.99 4.00 0.97 0.79 云母类 0 1.10 0.14 0.22 2.00 4.13 ZTR 0 2.01 0.75 0.38 1.07 1.48 石榴石 0.93 11.94 4.30 1.97 0.80 1.17 榍石 0 1.85 0.62 0.39 1.17 1.13 辉石类 0 2.00 0.20 0.21 4.49 35.90 岩屑 8.06 53.45 31.20 8.36 0.01 –0.11
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