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板块俯冲侵蚀雅浦岛弧的地形制约

张正一 董冬冬 张广旭 张国良

张正一, 董冬冬, 张广旭, 张国良. 板块俯冲侵蚀雅浦岛弧的地形制约[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2017, 37(1): 41-50. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.005
引用本文: 张正一, 董冬冬, 张广旭, 张国良. 板块俯冲侵蚀雅浦岛弧的地形制约[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2017, 37(1): 41-50. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.005
ZHANG Zhengyi, DONG Dongdong, ZHANG Guangxu, ZHANG Guoliang. TOPOGRAPHIC CONSTRAINTS ON THE SUBDUCTION EROSION OF THE YAP ARC, WESTERN PACIFIC[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2017, 37(1): 41-50. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.005
Citation: ZHANG Zhengyi, DONG Dongdong, ZHANG Guangxu, ZHANG Guoliang. TOPOGRAPHIC CONSTRAINTS ON THE SUBDUCTION EROSION OF THE YAP ARC, WESTERN PACIFIC[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2017, 37(1): 41-50. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.005

板块俯冲侵蚀雅浦岛弧的地形制约


doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.005
详细信息
    作者简介:

    张正一(1992—),男,硕士生,主要从事海洋地球物理研究

    通讯作者: 董冬冬(1982—),男,博士,副研究员,主要从事海洋地球物理研究,E-mail: dongdongdong@qdio.ac.cn
  • 基金项目:

    全球变化与海气相互作用专项 GASI-GEOGE-02

    国家自然科学基金项目 41506059

    国家自然科学基金项目 41476046

    中国科学院战略性先导科技专项(A类)资助 XDA11030102

  • 中图分类号: P736.1

TOPOGRAPHIC CONSTRAINTS ON THE SUBDUCTION EROSION OF THE YAP ARC, WESTERN PACIFIC

More Information
  • 摘要: 俯冲侵蚀是一种将地壳及岛弧物质从弧前搬运走的地质过程,会导致弧前物质的缺失,这种地质过程普遍地出现在汇聚型板块边缘。雅浦海沟位于加罗林板块与菲律宾海板块之间,是一个活跃的俯冲带。利用2015年中科院海洋所在西太平洋雅浦海采集的最新的多波束和地震数据,给出了雅浦海沟发生俯冲侵蚀的直接证据:(1)雅浦海沟具有异常短的沟弧间距(41 km);(2)海沟呈不对称的“V”字形,增生楔缺失;(3)俯冲板片基底起伏程度大,加罗林洋底高原上洋脊、海山、地垒地堑构造发育;(4)海沟内壁斜坡较陡,弧前斜坡坡度的平均值约8.69°,雅浦海沟的弧前增生楔缺失。揭示了雅浦海沟南北两侧俯冲侵蚀模式的差异,北部的俯冲侵蚀主要由于洋底高原上地垒地堑与上覆板块的摩擦造成,板块之间可能不是直接接触,存在“剥蚀带”;南部的俯冲侵蚀主要由于洋底高原上的海山与上覆板块的摩擦造成,板块之间可能是直接接触的。
  • 图  1  西太平洋雅浦海域及其邻区的水深图

    Figure  1.  Bathymetric map showing the Yap Sea and its vicinity in the western Pacific

    图  2  雅浦海沟北部(9°N以北地区)和南部(9°N以南地区)典型地形剖面图

    (剖面a、b、c和d的海沟轴线位置分别为10°07′N、9°38′N、8°58′N和8°49′N,具体位置见图 1)

    Figure  2.  Typical bathymetric profiles around the northern Yap trench(to the north of 9°N in Yap trench)and the southern Yap trench(to the south of 9°N in Yap trench)

    (The trench axis location of profiles a, b, c and d is 10°07′N, 9°38′N, 8°58′N and 8°49′N respectively. See Fig. 1 for the location of profiles)

    图  3  多波束地形图上识别的洋脊、海山、地垒地堑等构造

    (红色实线代表地震侧线位置)

    Figure  3.  The identification of ridges, seamounts and the structural belt of horst and graben on the basis of multi-beam topographic map

    (The red solid line represents the seismic line position)

    图  4  雅浦海沟南部(9°N以南地区)地震剖面图及解释

    (剖面位置见图 3的“YP15-2”)

    Figure  4.  The seismic reflection profile across southern Yap trench and its interpretations

    (the location of the seismic reflection profile can be seen in Fig. 3, "YP15-2")

    图  5  雅浦海沟北部(9°N以北地区)地震剖面图及解释

    (剖面位置见图 3的“YP15-1”)

    Figure  5.  The seismic reflection profile across the northern Yap trench and its interpretation

    (the location of the seismic reflection profile can be seen in Fig. 3, "YP15-1")

    图  6  从北至南(10°30′~7°30′N)雅浦海沟地形深度剖面追踪

    (在10°30′~7°30′N纬度范围内,每隔30′选取一个典型的地形剖面进行绘制,并计算弧前斜坡的平均坡度。可看出从北至南雅浦海沟岛弧一侧的斜坡有增大的趋势,这不仅暗示了雅浦海沟南北部俯冲开始时间的不同,也暗示了俯冲侵蚀方式的差异)

    Figure  6.  Bathymetric track across the Yap trench between 10°30′~7°30′N

    (The mean frontal slope was calculated over the typical bathymetric profiles taken every 30 minutes latitude. Mean frontal slope gradually increased from the north to the south. It implied that the time of initial subduction and subduction erosion mode are different)

    图  7  雅浦海沟北部和南部俯冲侵蚀模式

    (参考Huene等[38]和Kukowski等[33]提出的俯冲侵蚀模式)。(a)雅浦海沟北部的俯冲侵蚀主要由于俯冲板块上的地垒地堑与上覆板块的摩擦造成,由于地垒地堑中会有沉积物充填,所以板块之间可能不是直接接触,存在“剥蚀带”;(b)雅浦海沟南部的俯冲侵蚀主要由于俯冲板块上的海山与上覆板块的摩擦造成,板块之间可能是直接接触的。

    Figure  7.  Subduction erosion mode in the northern and south Yap trench

    (modified from Von Huene et al.[38]and Kukowski et al.[33]) (a)The subduction erosion in the northern Yap trench mainly resulted from friction between the structural belt of horst and graben and overlying plate. The structural belt of horst and graben initially might be filled with sediment, so there is a zone of basal erosion between the plate rather than direct contact; (b)The subduction erosion in the southern Yap trench mainly resulted from friction between the seamounts and overlying plate. The two plates contacted directly

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出版历程
  • 收稿日期:  2016-10-25
  • 修回日期:  2016-11-26
  • 刊出日期:  2017-02-28

板块俯冲侵蚀雅浦岛弧的地形制约

doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.01.005
    作者简介:

    张正一(1992—),男,硕士生,主要从事海洋地球物理研究

    通讯作者: 董冬冬(1982—),男,博士,副研究员,主要从事海洋地球物理研究,E-mail: dongdongdong@qdio.ac.cn
基金项目:

全球变化与海气相互作用专项 GASI-GEOGE-02

国家自然科学基金项目 41506059

国家自然科学基金项目 41476046

中国科学院战略性先导科技专项(A类)资助 XDA11030102

  • 中图分类号: P736.1

摘要: 俯冲侵蚀是一种将地壳及岛弧物质从弧前搬运走的地质过程,会导致弧前物质的缺失,这种地质过程普遍地出现在汇聚型板块边缘。雅浦海沟位于加罗林板块与菲律宾海板块之间,是一个活跃的俯冲带。利用2015年中科院海洋所在西太平洋雅浦海采集的最新的多波束和地震数据,给出了雅浦海沟发生俯冲侵蚀的直接证据:(1)雅浦海沟具有异常短的沟弧间距(41 km);(2)海沟呈不对称的“V”字形,增生楔缺失;(3)俯冲板片基底起伏程度大,加罗林洋底高原上洋脊、海山、地垒地堑构造发育;(4)海沟内壁斜坡较陡,弧前斜坡坡度的平均值约8.69°,雅浦海沟的弧前增生楔缺失。揭示了雅浦海沟南北两侧俯冲侵蚀模式的差异,北部的俯冲侵蚀主要由于洋底高原上地垒地堑与上覆板块的摩擦造成,板块之间可能不是直接接触,存在“剥蚀带”;南部的俯冲侵蚀主要由于洋底高原上的海山与上覆板块的摩擦造成,板块之间可能是直接接触的。

English Abstract

    • 在不同的俯冲带中,物质的运移模式有所不同,主要包括俯冲增生和俯冲侵蚀。对于世界上大多数的汇聚型大陆边缘来说,这两种过程是同时存在的[1]。根据俯冲增生和俯冲侵蚀发生相对强弱的程度,可以把汇聚型边缘分为两类:增生型边缘和侵蚀型边缘。它们主要位于太平洋和印度洋内,例如,缅甸、苏门答腊、爪哇等地区增生型边缘比较发育,而日本、伊豆-马里亚纳和南海等地区侵蚀型边缘比较发育[2]。俯冲增生主要表现为物质在挤压应力下的堆积,俯冲侵蚀则主要表现为物质的“缺失”[1],因此后者往往比前者更难识别。然而,相比于俯冲增生,俯冲侵蚀却更为普遍地出现在俯冲带中,全球约80%的俯冲带是以俯冲侵蚀作用为主的[3]。俯冲侵蚀发生的条件主要包括:(1)海沟处沉积物供应少;(2)俯冲板片表面基底起伏程度大;(3)板块汇聚速率大于60 mm/a[4]。作为一种将地壳物质从弧前搬运走的地质过程[5],俯冲侵蚀在壳幔物质循环过程中起到了极其重要的作用[6]。因此,若要充分认识一个俯冲带的构造样式、变形样式和演化过程,就必须要研究俯冲侵蚀的作用或强度。

      雅浦海沟位于马里亚纳海沟以南,由加罗林板块向菲律宾海板块下俯冲形成[7](图 1),长度约为700 km。雅浦岛弧形成时代早于晚渐新世或中新世[8],组成了雅浦俯冲带的沟-弧系统。作为一个相对年轻的俯冲带,雅浦海沟的俯冲活动是否还在进行尚存在争议。早期一些学者认为,当加罗林洋脊随着加罗林板块的俯冲与雅浦海沟发生碰撞时,由于洋脊的阻碍,俯冲活动就已经停止了[9, 10],这与雅浦岛弧火山活动停止时间(始新世—中新世)相吻合。后来,随着对雅浦地区地震活动性、重力和热流等数据的深入分析[7-9]以及火成岩和橄榄岩地球化学属性的研究[11],雅浦海沟被认为仍然在俯冲,但是速度极为缓慢,汇聚速率为0~6 mm/a[12]。目前海沟之下的浅源地震、海沟轴部极低的自由空气异常[13, 14]以及雅浦海沟西部的高热流值等特征都与俯冲活动正在进行相符。此外,该区域呈现出很多独特的地质特征和构造样式,如很短的沟弧间距[13],几乎不发育的海沟沉积物[8]等。

      图  1  西太平洋雅浦海域及其邻区的水深图

      Figure 1.  Bathymetric map showing the Yap Sea and its vicinity in the western Pacific

      然而,前人对雅浦海沟俯冲侵蚀的研究仍相对较少,且多着眼于海沟沉积物发育角度,缺乏综合的地质地球物理证据,所用的地形和地震剖面的精度也较低。本文主要利用雅浦海沟最新的多波束和多道地震等资料,给出雅浦海沟发生俯冲侵蚀的综合地球物理证据,进而讨论雅浦海沟不同位置俯冲侵蚀模式的差异。

    • 本文主要利用2015年1—3月由中科院海洋所在西太平洋雅浦海域采集的多波束和多道地震数据,并整合了美国地球物理数据中心的ETOPO1地形数据。该航次利用ELAC Nautik公司的SB3012型深水多波束系统开展走航式地貌调查,频率为12 kHz,波束可达918束,开角为140°;多道数字地震电缆的工作段长度为1 500 m,震源为4支气枪组成的枪阵,容量分别为520、380、250和150 in3,最大和最小炮检距分别为1 722和234.5 m。多道地震数据利用FOCUS软件采用二维叠前时间偏移进行数据处理,多波束和地震数据的解释分别使用Global Mapper和Geoframe软件来完成。

    • 雅浦海沟走向为NNE向(图 1),海沟最北部与马里亚纳海沟的西南端相交,向南延伸至7°30′N转为NWW向,雅浦岛弧的走向大致与雅浦海沟相同。为了尽可能准确地估计现今雅浦的沟弧间距,沿海沟轴线走向,在11°10′~7°30′N的纬度范围内,取70个地形剖面,剖面间距约为0.05°,可明显看出雅浦海沟地形在9°N的两侧表现出不同的特征(图 2)。分别计算每个剖面中雅浦海沟轴线与所对应岛弧的间距,距离精确到1 km,可得沟弧间距平均值约为41 km。

      图  2  雅浦海沟北部(9°N以北地区)和南部(9°N以南地区)典型地形剖面图

      Figure 2.  Typical bathymetric profiles around the northern Yap trench(to the north of 9°N in Yap trench)and the southern Yap trench(to the south of 9°N in Yap trench)

      在汇聚板块边界,板片俯冲至一定深度受热脱水,导致地幔楔水化而发生部分熔融,熔融物质上涌到地表,通常引发中酸性的安山质岩浆活动[15],形成岛弧或陆弧。根据数值模拟结果,成熟的岛弧形成于距海沟100~200 km处[16],对世界上大多数俯冲带来说,沟弧间距都符合这个结果,如马里亚纳海沟沟弧间距约为150 km[17]。但是如果俯冲造成上覆板块前缘的构造剥蚀,往往会造成岛弧前缘地壳的损失,进而导致沟弧间距的缩短,这在侵蚀型边缘是很常见的,如日本西南部[18]、南加利福尼亚陆缘[19]和智利中部的沟弧系统[20]。雅浦现今沟弧间距约为41 km,远小于正常的沟弧系统。Ohara认为雅浦弧的变质岩和火山岩的地球化学特征与岛弧类似,并不是帕里西维拉海盆的残余地壳[11];雅浦海沟被认为与马里亚纳海沟、帕劳海沟在形态上存在连续性[8];在40~30 Ma时属于现今伊豆-小笠原-马里亚纳俯冲带的一部分[21]。综上,雅浦海沟与马里亚纳海沟可能曾属同一条沟弧系统,当加罗林洋脊在雅浦海沟发生碰撞时,沟弧间距应该比现在大得多,后期因发生俯冲侵蚀而变短, 雅浦岛弧暴露的变质岩基底[8]和较少的火山岩[11]也支持俯冲侵蚀的发生。

      利用地形和岩石测年数据可以大致估算雅浦侵蚀速率的大小。加罗林洋脊在海沟发生碰撞前,雅浦岛弧火山活动持续进行,火山岩年龄为37.7~20.1 Ma[22, 23];碰撞之后,火山活动减少,两个事件在时间上具有一致性[9],因此可选取20.1 Ma(岛弧火山岩最小年龄)作为侵蚀开始的时间。取现今马里亚纳150 km的沟弧间距作为雅浦海沟发生碰撞时的沟弧间距,则缺失地壳宽度为109 km。假设被剥蚀的地壳全部为菲律宾海板块的基底,用马里亚纳海槽的地壳厚度近似代替雅浦弧前地壳厚度,取6.9 km[24],那么,从加罗林洋脊在海沟发生碰撞至今,海沟处俯冲侵蚀速率约为37 km2 /Ma。需要注意的是,本次估算未考虑马里亚纳海沟和雅浦岛弧基底的侵蚀,因此估算值偏低。

    • 为了更好地研究雅浦海沟内增生楔发育情况,我们依然通过3.1中所取的70个地形剖面和本航次获得的地震反射剖面(地震测线位置见图 3)来分析海沟的形态,海沟两侧斜坡的形态以及海沟底部沉积物发育情况,通过分析可知:(1)海沟呈不对称的“V”字形,其西侧为雅浦岛弧,东侧为加罗林洋脊,两侧均为高地形而且雅浦岛弧明显高于加罗林洋脊(图 2);(2)海沟两侧斜坡较陡,角度较大(图 4);(3)海沟底部未识别出明显的水平反射,雅浦海沟呈现“空”的状态(图 5)。由此可见,雅浦海沟内增生楔缺失。

      图  3  多波束地形图上识别的洋脊、海山、地垒地堑等构造

      Figure 3.  The identification of ridges, seamounts and the structural belt of horst and graben on the basis of multi-beam topographic map

      图  4  雅浦海沟南部(9°N以南地区)地震剖面图及解释

      Figure 4.  The seismic reflection profile across southern Yap trench and its interpretations

      图  5  雅浦海沟北部(9°N以北地区)地震剖面图及解释

      Figure 5.  The seismic reflection profile across the northern Yap trench and its interpretation

      海沟内的沉积物来源主要有两方面:俯冲板块刮削下来的物质和上覆板块掉落下来的物质。雅浦海沟在演化过程中因为受俯冲侵蚀的影响,导致增生楔的缺失。洋脊与海沟碰撞前,刮削下来的加罗林板片的洋壳物质可能会在雅浦海沟处堆积,而碰撞后,俯冲活动仍在进行,海沟与岛弧二者之间的距离不断缩短。海沟两侧斜坡坡度的变陡和沟弧距离的缩短,可能会增强加罗林洋脊和雅浦岛弧两处高地形对海沟的物质供应,但随着岛弧前缘地壳的剥蚀,雅浦海沟内的大部分沉积物和充填物通过俯冲通道进入到了地壳下部或地幔中,导致海沟处的增生楔不发育。

      海沟内沉积物的厚度既能够反映沉积物向海沟的输入速率,也能够反映板块汇聚的速率[4]。对于侵蚀型陆缘来说,海沟处的板块汇聚速率比较高,海沟内的沉积物厚度小于1 km[2]。然而,尽管雅浦海沟处的板块汇聚速率较低(约6 mm/a),海沟内仍无明显的沉积物发育,说明发生了较为强烈的俯冲侵蚀。因此,俯冲侵蚀的速率或强度不仅仅依赖于汇聚速率这个因素[4]

    • 俯冲板片的基底起伏程度对俯冲侵蚀具有重要的意义,Clift和Vannucchi(2004)指出有效的侵蚀主要受控于板块边缘处高地形的碰撞[2],尽管大多数高地形单元的碰撞过程很短暂,但它们对板块边缘处的物质运输和构造演化有着深远的影响[25]。加罗林洋脊的形成与晚渐新世加罗林弧后盆地中密集的热点火山活动相关[26, 27],洋脊基底以玄武岩和超镁铁质岩为主[28, 29],这些证据表明加罗林板块洋底高原的发育[30]和俯冲是导致雅浦海沟发生俯冲侵蚀的重要因素。洋底高原之上洋脊、海山以及地垒地堑等构造的存在,都会增加俯冲板片的基底起伏程度,有利于俯冲侵蚀的发育。

    • 加罗林板块位于菲律宾海板块与太平洋板块之间,是一个较为年轻的构造单元[31, 32]。加罗林板块上最高的地貌单元——加罗林洋脊,在加罗林板块与菲律宾海板块碰撞以及雅浦海沟的演化过程中起到了重要的作用。加罗林洋脊走向为SEE—NWW,平面上与雅浦海沟垂直相交,宽约300 km,平均地形比周边海域高约2 km。洋脊被中央的索罗尔海槽分为两部分:索罗尔海槽北部的加罗林岛脊和南部的西加罗林隆起,二者走向上近乎平行,随着加罗林洋脊的扩张而形成。

      多波束和地震反射剖面可明显看出,在索罗尔海槽(9°N)北部和南部,雅浦海沟和加罗林洋脊表现出不同的特征。在南部地震剖面中,可在雅浦岛弧弧前部位识别出前缘隆起(图 4),Lee在雅浦岛弧南部的12道地震剖面上也识别出了前隆构造[7]。前缘隆起的存在证明了加罗林板块向菲律宾海板块之下俯冲时,由于加罗林洋脊的碰撞导致上覆的菲律宾海板块受到挤压,在挤压应力下发生挠曲隆升,产生了较高的地形。同时,在雅浦海沟靠近岛弧一侧的斜坡上,发育一系列的正断层(图 4),反映了前隆顶部处于伸展的应力状态;而在北部的地震剖面未识别出明显的弧前隆起(图 5),Fujiwara等发现雅浦海沟北部的斜坡样式与南部存在明显差异[8]

    • 有“浮力特征”的板片密度较小,通常为高地形区,无明显沉积层发育,因此发生俯冲时,往往会使得上覆板片与俯冲板片直接接触而容易导致俯冲侵蚀的发生,如洋底高原、洋脊、海山的俯冲等[4]。海山的存在会大幅增加俯冲洋壳的基底起伏程度,其俯冲不仅会造成弧前岩石格架的破坏,加速俯冲通道内的水力压裂过程,而且会减弱上覆板片与俯冲板片间的耦合程度[33],加速俯冲带中大型逆冲断层的“蠕变”[34],使得沉积物与弧前碎屑以更快的速度进入俯冲通道中,因而成为俯冲侵蚀发生的重要因素。

      Hegarty和Weissel曾指出,加罗林洋脊的形成与晚渐新世加罗林弧后盆地中的热点火山活动密切相关[27],Keating等将加罗林岛脊144°E以东的部分解释为热点火山链[35]。在加罗林洋脊上可以识别出多个海山(图 34)。当海山俯冲到弧前地壳之下时,由于地形较高,会强烈摩擦上覆板片。根据Kukowski和Oncken提出的海山俯冲模型可知,海山的俯冲一方面会造成弧前物质的损失,另一方面会减弱弧前地壳的强度,海山的高地形可能会促进前缘隆起的发育,使原本的伸展应力状态加剧[35]。另外,多波束图上,在雅浦海沟的轴线处可以识别出很多断崖(scar),这是由海山向下俯冲时与海沟碰撞产生的,它的存在也是俯冲侵蚀发生的有力证据之一[36-39](图 3)。

    • 雅浦海沟的构造样式和变形样式在9°N的南北两侧存在明显的差异(图 3),实际上,9°N就是索罗尔海槽与雅浦海沟相接触的位置。Fujiwara等在雅浦海沟向海一侧的斜坡上识别出了地垒和地堑构造[8],Lee指出地垒地堑构造只发育在索罗尔海槽的北部的俯冲洋壳上,索罗尔海槽南部的洋壳上没有这样的特征[7]。本次研究我们从地震剖面上可以明显看出,9°N以北的加罗林板块上,地垒地堑构造比较发育(图 5)。加罗林俯冲板片前缘地垒地堑构造的存在,可能会通过高压磨损的方式破坏上覆板块[40]。地垒地堑构造主要发育在9°N以北的俯冲板片上,一方面说明此处主要以伸展的应力状态为主,与南部挤压应力状态不同;另一方面也暗示着俯冲侵蚀的方式在9°N的两侧存在差异。加罗林板块与雅浦海沟发生碰撞后,南部的西加罗林隆起俯冲时,板块处于挤压状态,此时的俯冲侵蚀主要是由西加罗林隆起前缘的海山与菲律宾海板块前缘的摩擦造成;而北部的加罗林岛脊俯冲时,板片处于伸展状态,地垒地堑构造发育,加罗林板块前缘被一系列正断层切断,增加了洋壳的基底起伏程度,当俯冲开始时,正断层会刮削上覆板块,造成俯冲侵蚀。但与南部的西加罗林隆起的俯冲侵蚀作用不同的是,地垒地堑的存在为沉积物和碎屑的充填提供了空间,因此正断层发育的俯冲板块与上覆板块之间不是直接接触的,而是存在一个“剥蚀带”,即上下板块之间充填着洋壳沉积物和弧前增生楔剥蚀下来的碎屑,上覆板块底部与沉积物之间相互作用的界面是活跃的,界面的位置会随着俯冲侵蚀的进行不断变化,这是断层发育的板块发生俯冲侵蚀的特点[38]

    • 构造侵蚀(俯冲侵蚀)会使海沟内壁斜坡变陡[41-43]。一般来说,在增生型边缘,海沟斜坡坡度小于3°,弧前锥顶角小于10°;而在侵蚀型边缘,斜坡坡度大于3°;弧前锥顶角大于7°[2]。在雅浦海沟分布的区域内(11°10′~7°30′N),根据前文所取的70个地形剖面图可以计算出雅浦海沟弧前斜坡的平均坡度,纬度跨越约0.5°取一次平均值,从而得到11°10′~7°30′N范围内雅浦海沟弧前斜坡坡度的变化情况(图 6)。可以看出,在加罗林洋脊与雅浦海沟相接触的地方,坡度平均值明显较大(大于3°),弧前斜坡的平均值为8.69°,坡度最大的地方出现在9°00′~8°30′N的范围内。同时,由索罗尔海槽南北两侧地震剖面可以清晰地看出,雅浦海沟的增生楔是缺失的(图 4图 5)。弧前锥顶角的大小可以由弧前斜坡坡度和俯冲板片的俯冲角度相加得到[2],因为缺乏雅浦海沟处加罗林板块俯冲角度的研究,所以无法精确计算弧前锥顶角的大小。但从地震剖面上大致可以看出,虽然索罗尔海槽南北俯冲板块前缘的构造样式不同,但总体来说锥顶角均比较大,而且坡度的最小平均值为6.95°,因此弧前锥顶角一定大于7°,这与侵蚀型边缘的特征基本吻合。

      图  6  从北至南(10°30′~7°30′N)雅浦海沟地形深度剖面追踪

      Figure 6.  Bathymetric track across the Yap trench between 10°30′~7°30′N

      由于加罗林洋脊与上覆板片的碰撞,使得俯冲板片前缘的弧前斜坡坡度显著增大,发生了俯冲侵蚀,而且雅浦海沟北部和南部俯冲侵蚀模式可能存在差异(图 7),索罗尔海槽北部的弧前斜坡的平均坡度比南部小,暗示着南部洋壳的俯冲碰撞更为剧烈。值得注意的是,雅浦海沟最南部的俯冲板块上没有洋脊发育(7°30′~7°15′N),但由于地形数据分辨率较低,而且缺乏地震剖面,我们无法准确判断该区域增生楔是否存在,进而不能判断目前海沟处是以俯冲增生为主还是俯冲侵蚀为主。但是从沟弧间的距离分析,此处地形剖面显示海沟与岛弧间的平均距离约为30 km(所取剖面数为4个),推测之前应该发生过较强的俯冲侵蚀。

      图  7  雅浦海沟北部和南部俯冲侵蚀模式

      Figure 7.  Subduction erosion mode in the northern and south Yap trench

    • 从全球来看,洋底高原俯冲造成侵蚀的典型实例,是希库朗伊山高原(Hikurangi Plateau)的俯冲,板块汇聚速率为50~240 mm/a[44, 45],俯冲板块厚15~23 km[45],俯冲侵蚀速率(自22 Ma以来)约为20 km2 /Ma[46]。我们估算的加罗林板片的俯冲侵蚀速率约为37 km2 /Ma,虽然与希库朗伊山高原(Hikurangi Plateau)的俯冲速率有差异,但与大多数侵蚀型边缘的俯冲侵蚀速率比较可以发现,二者的俯冲侵蚀速率都处于较低的水平(一般的侵蚀型边缘侵蚀速率>30 km2 /Ma,最高可达到100 km2 /Ma以上)[2]。俯冲板块上洋底高原的发育,是侵蚀型边缘形成的重要因素。

      菲律宾-加罗林板块的转动极位于帕劳海沟和阿玉海槽的交点,约6°N、134°E的位置,板块相对运动的速率约为0.7°/Ma,即沿雅浦和帕劳海沟的汇聚速率为0~6 mm/a[12]。如此低的汇聚速率,与世界上大多数侵蚀型板块边缘的汇聚速率(>60 mm/a)存在着明显的差异。汇聚速率极低(0~6 mm/a)却又发育俯冲侵蚀,这可能意味着侵蚀型板块边缘不一定有很高的汇聚速率,这与前人的认识有所不同。若俯冲侵蚀开始的时间取20.1 Ma,加罗林俯冲板片缺失的地壳宽度为109 km,可以算出加罗林板块前缘地壳平均以5.4 mm/a的速度损失,该值与目前测得的海沟处的汇聚速率(6 mm/a)很接近,说明自加罗林洋脊在雅浦海沟碰撞以来,板块的汇聚速率极慢而且可能一直保持在6 mm/a左右。事实上,大量的研究已表明,俯冲侵蚀不是一个稳态的过程,不同影响因素的短期变化都会对俯冲侵蚀的速率造成影响[47-49],影响因素主要包括沉积物供应、板块汇聚速率、俯冲通道的宽度、俯冲角度以及俯冲板片的“浮力特征”(如板片上是否存在洋底高原、洋脊、海山)等。俯冲增生或俯冲侵蚀的发生应该取决于上述影响因素的共同作用。因此,即使对于一个汇聚速率极低的板块边界来说,如果满足沉积物供应不足,或者俯冲通道很窄,或者俯冲板片上洋底高原、洋脊、海山、地垒地堑构造发育等条件,俯冲侵蚀也很有可能发生。

    • 雅浦海沟位于加罗林板块与菲律宾海板块的汇聚区,利用最新采集的多波束及多道地震资料揭示了俯冲带的多种构造及地貌特征,显示板块俯冲很可能仍以缓慢的速度进行,且正在发生着俯冲侵蚀。

      (1) 雅浦海沟具有异常短的沟弧间距,沟弧间距平均值为41 km;海沟呈不对称的“V”字形,增生楔缺失,说明洋脊与上覆板片碰撞后,俯冲活动仍在进行,且以俯冲侵蚀为主。

      (2) 雅浦海沟的构造和变形样式在索罗尔海槽(9°N)南北两侧存在明显的差异。加罗林板块洋底高原等高地形构造单元的存在,有利于俯冲侵蚀的发生。

      (3) 俯冲侵蚀的发生取决于多种影响因素的共同作用,汇聚速率并不一定决定俯冲侵蚀的发生。

参考文献 (49)

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