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南海东部古扩张脊的俯冲机制

詹文欢 李健 唐琴琴

詹文欢, 李健, 唐琴琴. 南海东部古扩张脊的俯冲机制[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2017, 37(6): 1-11. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.06.001
引用本文: 詹文欢, 李健, 唐琴琴. 南海东部古扩张脊的俯冲机制[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2017, 37(6): 1-11. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.06.001
ZHAN Wenhuan, LI Jian, TANG Qinqin. SUBDUCTION OF THE PALEO-SPREADING-RIDGE IN EASTERN SOUTH CHINA SEA[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2017, 37(6): 1-11. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.06.001
Citation: ZHAN Wenhuan, LI Jian, TANG Qinqin. SUBDUCTION OF THE PALEO-SPREADING-RIDGE IN EASTERN SOUTH CHINA SEA[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2017, 37(6): 1-11. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.06.001

南海东部古扩张脊的俯冲机制


doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.06.001
详细信息
    作者简介:

    詹文欢(1963—),研究员,博导,从事海洋新构造与地质灾害研究,E-mail:whzhan@scsio.ac.cn

  • 基金项目:

    国家科技基础资源调查项目《南海及其附属岛礁地质环境历史资料整编》 2017FY201406

    中国科学院战略性先导科技专项(A类) XDA13010000

    国家自然科学基金项目 41376063

  • 中图分类号: P736.1

SUBDUCTION OF THE PALEO-SPREADING-RIDGE IN EASTERN SOUTH CHINA SEA

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-24
  • 修回日期:  2017-11-29
  • 刊出日期:  2017-12-28

南海东部古扩张脊的俯冲机制

doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017.06.001
    作者简介:

    詹文欢(1963—),研究员,博导,从事海洋新构造与地质灾害研究,E-mail:whzhan@scsio.ac.cn

基金项目:

国家科技基础资源调查项目《南海及其附属岛礁地质环境历史资料整编》 2017FY201406

中国科学院战略性先导科技专项(A类) XDA13010000

国家自然科学基金项目 41376063

  • 中图分类号: P736.1

摘要: 南海东部古扩张脊处于欧亚板块和太平洋板块的汇聚地带,其东侧为马尼拉海沟、北吕宋海槽和西吕宋海槽, 由于受到多个构造单元的相互作用, 使其处于复杂的构造环境中。南海东部古扩张脊俯冲过程的研究对深入理解南海海盆构造演化、火山及地震活动等具有重要意义,同时也是今后南海构造研究的重要方向之一。在总结前人研究基础之上,探讨南海东部古扩张脊俯冲时间、俯冲深度及动力学过程。南海板块在16Ma之后,由于菲律宾板块NW向仰冲的作用,使南海东部古扩张脊被动地沿马尼拉海沟进行俯冲,形成了现今马尼拉海沟中段的构造格局。古扩张脊俯冲深度为200~300km,并且在约100km处发生板片撕裂,造成古扩张脊两侧俯冲角度的不同。

English Abstract

  • 俯冲是指一个较大的构造单元或岩石圈板块下插到相邻构造单元或板块之下的一种构造作用,发生于板块的汇聚边界。俯冲带是全球板块相互作用最活跃和构造最复杂的地区之一,同时也是地震的频发地带。环太平洋地震带是全球最强烈的一个地震带,美国国家地震信息中心数据显示,在1965—2017年的半个多世纪中,全球超过85%的8级以上的大地震均发生在环太平洋的俯冲带区域(图 1)。西太平洋俯冲带是世界上最典型、最集中的俯冲带,太平洋板块在此与欧亚板块相互作用,以俯冲为主兼有碰撞,影响着板块边缘及板块内部的动力学过程、应力场特征及其构造运动[1]。南海海盆位于西太平洋的汇聚地带,是西太平洋的边缘海盆地之一,是在新生代期间亚洲东南缘形成的最大、最重要的边缘海盆地,呈NE—SW向的菱形展布[2]。南海边界复杂多变,南边是已停止活动的南沙海槽碰撞构造带,北边是南海北部张裂边缘构造带,西边是南北向越南陆坡大型平移断裂带,东边是正在活动的马尼拉海沟俯冲带[3, 4]。南海海盆根据其展布的磁条带形式和年龄可进一步划分为西南次海盆、西北次海盆和东部次海盆。已往研究表明,南海东部海盆作为南海3个海盆中最大的一个次海盆,存在着东西向的磁条带异常,在15°~16°N附近的黄岩海山链是南海古扩张脊的残余部分[5-7],处于欧亚板块和太平洋板块(菲律宾海板块)的汇聚地带,走向为NE50°,东西长约240km,古扩张脊停止扩张后受到后期的火山作用而被改造,形成黄岩海山链[7],其东侧为马尼拉海沟、北吕宋海槽和西吕宋海槽。

    图  1  南海及邻区地震与火山分布

    Figure 1.  Distribution of earthquakes and volcanoes in the South China Sea and its adjacent areas

    南海东部古扩张脊俯冲过程的研究一直受到中外地学界的广泛关注[8-14]。以往的研究主要集中在菲律宾岛弧的漂移与旋转、两侧海沟的形成时间、在民都洛等地碰撞的时间以及吕宋岛北部东西两侧火山弧的成因等构造问题[15, 16],而从南海东部扩张脊俯冲过程的角度进行的研究相对较少,尚存在着较多的争议[2, 17, 18]

    鉴于马尼拉俯冲带是揭示南海形成演化的关键区域,也是南海地震的活跃地带,且南海东部古扩张脊在马尼拉海沟为被动俯冲,在该俯冲带上覆岛弧东侧还存在着相向俯冲的东吕宋海槽-菲律宾俯冲体系。有鉴于此,迄今为止对南海东部古扩张脊俯冲过程的动力学机制还处于探索阶段。本文针对南海东部扩张脊的俯冲进行3个方面的探讨,包括古扩张脊的俯冲时间、俯冲深度以及动力学过程,希望对于理解南海形成演化过程有所俾益。

    • 南海及邻区的各板块交界地带均有地震和火山密集分布(图 1),主要分布在西、南、东三侧的岛弧区,即沿着印度板块-欧亚板块的交界处及欧亚板块-菲律宾海板块的交界处,而在南海及中南半岛内部则较少地震。南海东部的马尼拉海沟及台湾碰撞带区域,由于板块边缘接触带上的俯冲运动导致该地区地震频发。前人研究对南海海盆的形成年代曾存在着一定的争议[5, 14, 15, 19, 20],普遍认为形成于34~16Ma之间,误差0.5~2Ma。南海海盆东部的马尼拉俯冲带是南海唯一的俯冲带,由南海板块俯冲于菲律宾板块之下而形成。在中新世或10Ma之后,菲律宾海板块以每年约80mm的速度沿着NW斜向仰冲[21],产生的动能很大一部分为马尼拉海沟所调节。

      马尼拉俯冲系统北端与台湾碰撞带相连,向南一直延伸到民都洛岛西南陆架的海底峡谷附近,长约1 000km,地形上表现为向西凸出的弧形深水槽地(图 2),是一条正在活动的具有特殊构造意义的汇聚边界。马尼拉海沟的弧前盆地包含北吕宋海槽和西吕宋海槽,海槽已被沉积物填充。北吕宋海槽延伸范围为17.7°~21.5°N,自北向南深度逐渐增加; 西吕宋海槽位于斯图尔特浅滩的南部,一直延伸至14°N。南海海盆停止扩张后,南海东部的古扩张中脊由于火山作用的改造,形成现今的黄岩海山链,海山链沿着NE向在马尼拉海沟俯冲于菲律宾板块之下[5, 7]。以黄岩海山链为界,马尼拉俯冲系统可分为3段,即北吕宋区段、海山链区段和西吕宋区段[22]。马尼拉海沟14°~18°N之间的区段呈南北向展布,地震地球物理调查表明沿海沟沉积物厚度具有由北向南减薄的特征,从18.5°N的2.6km向南减至17.5°N的1.7km,而16.5°~15.5°N古扩张脊区沉积物厚度仅有0.5~0.3km。古扩张脊以南,沉积物主要集中在4~11km宽的狭长海沟洼地内,厚度一般为1.2km。上述变化趋势常被解释为海沟沉积物主要来自北部,因受古扩张脊的阻隔,南部沉积物较少[12]

      图  2  马尼拉海沟构造简图

      Figure 2.  Tectonic framework of theManila trench

    • 前人对南海古洋脊构造-地貌单元、演化历史和俯冲运动学等方面已有一定的研究,但对于南海东部古扩张脊(黄岩海山链)的俯冲时间,目前仍存在着争议。Taylor和Hayers[5]认为南海古扩张脊扩张止于17Ma,南海板块沿马尼拉海沟俯冲的时间为早中新世[23]。Yang等[24]通过对台湾-吕宋岛东、西火山链年龄和地球化学性质差异性的研究,提出了南海俯冲动力学模式。该模式认为,在6Ma时南海古扩张脊已经接近马尼拉海沟,但未发生碰撞,而此时欧亚板块沿马尼拉海沟的俯冲形成了西火山岛链; 在4~5Ma时南海古扩张脊与海沟接触并开始俯冲,而俯冲板块的重力和动能,引起了板块在深部的撕裂; 2Ma左右因古扩张脊受到阻碍而停止俯冲的板块重新开始俯冲,从而形成了东火山岛链,古扩张脊的俯冲作用会造成俯冲板块倾角的改变,并因此而引起南海洋陆过渡带的破裂,借助这个破裂带可以解释东火山岛链喷发岩浆中幔源成分的相对富集。李三忠等[2]认为,马尼拉海沟地震活动频繁,吕宋岛弧有现代火山活动,说明它们属于活动的弧-沟体系,南海海盆洋壳从中新世开始沿着马尼拉海沟俯冲于吕宋岛弧之下,至今已有上千千米的海底潜没消亡,南海海盆目前正处于闭合和衰亡的过程中。南海东部海盆24Ma后的晚期扩张为北北西—南南东向扩张而非南北向扩张,此时其代表古扩张中脊的黄岩海山链已向马尼拉海沟俯冲、挤入,并一直延伸至弧前盆地之下[2]

      随着南海海盆扩张作用的发展,至上新世或更新世早期,南海盆地的新生代洋壳板块开始向东移动,沿马尼拉海沟俯冲,消亡于菲律宾岛弧之下[25]。Boer等[26]和Hollings等[27]认为黄岩海山链从中新世开始沿马尼拉海沟向东俯冲于菲律宾吕宋岛北部之下。Schwelle等[23]认为菲律宾群岛沿马尼拉海沟仰冲的大概时间是早中新世。尹延鸿[28]提出吕宋微板块北端与台湾碰撞,南端在民都洛海峡与巴拉望北端碰撞的时间为5~7Ma,则古扩张脊的俯冲时间在5~7Ma之前。薛友辰等[29]根据俯冲系统特征,认为古扩张脊开始俯冲的时间为5~4Ma。

      各学者对南海东部古扩张脊的俯冲时间意见不一,从晚渐新世到中上新世,还有部分学者认为南海中央海盆存在边扩张边俯冲的现象。现在,随着地震、火山活动资料的积累和地震层析成像精度的提高,大部分学者认为古洋脊是在海盆扩张停止后向马尼拉海沟进行俯冲的,其开始俯冲时间为16Ma之后。丁巍伟等[8, 30, 31]提出,自中中新世以来,南海洋壳开始沿着马尼拉海沟向菲律宾海板块俯冲。尚继宏[32]根据恒春海脊的形成时间及地震剖面资料,认为马尼拉海沟俯冲带形成时间为中中新世早期(16Ma)。周蒂等[33]认为,南海中大量近南北向右行走滑断裂,可能是在中中新世(16Ma)以后受从赤道附近滑移北上并沿马尼拉海沟仰冲的菲律宾群岛所破坏的结果。范建柯和吴时国[34]提出,在14°N附近,南海板片的俯冲时间约为15.5Ma,16°N、17°N和18°N的板块俯冲时间相差不大,可能在8~9Ma同时发生俯冲,由南向北,南海板片的俯冲时间逐渐缩短,说明沿现今的马尼拉海沟的俯冲是由南面开始,逐渐向北扩展的,这主要是受菲律宾海板块的西北向运动的控制。

    • 南海东部边界是南海地震的集中带,通过对该区地震活动的分析可以探讨古扩张脊沿马尼拉海沟俯冲的深度。臧绍先等[35]利用国际地震中心(ISC)提供的1971—1987年6月发生于0°~24°N、116°~132°E的地震资料,提出马尼拉海沟存在一个东倾俯冲带,其俯冲深度由南向北逐渐变小,南部俯冲较深,最深可达250km,北部地震最大深度只有150km,故南海东部古扩张脊的俯冲深度在150~250km之间。朱俊江等[4]通过马尼拉海沟及邻区地震、火山活动和地震震源机制分析,认为马尼拉海沟深度在200km以下的地震多分布在12°~14°N之间,地震密集区出现明显的分段特征,从北到南深度逐渐变深,因此南海东部古扩张脊的俯冲深度应该大于200km。Yang等[24]统计台湾—菲律宾地区1967—1994年以来4级以上的地震震源深度及位置和薛友辰等[29]根据跨吕宋岛弧Mb>4.0级地震的剖面分布及相应俯冲带形态,认为南海东部古扩张脊的俯冲深度在200km左右。高翔等[36]对马尼拉海沟俯冲带热结构的模拟研究依据震源得出古扩张脊的俯冲深度小于200km。陈爱华等[37]根据剖面热结构模拟图得出南海东部古扩张脊的俯冲深度在300km左右。詹美珍等[16]根据震源深度分布,认为南海东部古扩张脊俯冲深度在200km左右。陈传绪等[38]由马尼拉海沟俯冲带的三维地震分布得出古扩张脊的俯冲深度在200~300km之间。

      美国国家地震信息中心地震目录的数据显示,1965年1月至2017年10月马尼拉俯冲带区域(12°~23°N、115°~126°E)共发生3.0级以上地震7 274次(图 3),其中6.0级以上地震129次,7.0级以上地震21次。图 3中12条地震分布剖面中可以直观地看出,马尼拉俯冲带主要以密集的浅源(h≤70km)地震为主,中深源地震主要分布在20°~23°N的北部区域和13°~15°N的南部区域,其中20°~23°N的北部区域最大震源深度达到200km左右,13°~16°N的南部区域最大震源深度达到250km左右。16°以北区域震源深度变浅,深部地震主要集中在100km左右。俯冲于菲律宾板块之下的南海板块的俯冲形态十分复杂。由图 3中L3—L5剖面可知,13°~16°N之间浅部俯冲倾角较平缓,而在150km深度以下转变为大角度俯冲,L6—L9剖面(16°~20°N)震源深度变浅,俯冲角度较缓,L10—L12剖面(20°~23°N)震源深度陡然加深,俯冲角度变大。马尼拉俯冲带15°~17°N区段是南海东部古洋脊俯冲深入马尼拉海沟的区域,南海板片的俯冲深度和俯冲角度的变化可能与其下存在的板片撕裂相关。古扩张脊俯冲至菲律宾板块之下,古扩张脊在深部发生板片撕裂,导致古扩张脊两侧板片的俯冲角度不同,因此两侧的俯冲深度也不同。

      图  3  马尼拉俯冲带M≥3.0级地震分布图

      Figure 3.  3Earthquakes(M≥3.0) distribution along theManila subduction zone

      Fan等[39]利用P波走时数据,获得马尼拉俯冲带深部速度模型(图 4),表明南海俯冲板块沿马尼拉俯冲带的俯冲形态从南至北发生了明显的变化。剖面FF'(16°N)显示南海板块的俯冲倾角从浅部近24°增加至400km处的近50°,剖面EE'(16.5°N)显示南海板块的俯冲倾角从250km处的近30°增加至450km处的近50°,俯冲倾角的变化与图 3中L5(15.5°N)和L6(16.5°N)地震剖面图相对应。然而南海板块的俯冲倾角在剖面DD′(17°N)和剖面CC'(17.5°N)处发生明显的变化,俯冲倾角从32°陡然增加至近90°。

      图  4  马尼拉俯冲带层析成像剖面图

      Figure 4.  Tomographic profiles section ofManila subduction zone

      根据已往研究成果,虽然对古扩张脊的俯冲深度还存在着不同的观点,但依据天然地震震中分布资料,可以认为俯冲的最大深度应在200~300km的范围内。由于俯冲的古扩张脊胶合时间不长,以及古扩张脊的构造薄弱性,带有古扩张脊的板块俯冲后,较热的软流圈沿古扩张脊向上蔓延导致俯冲的古扩张脊在约100km处发生上下撕裂。马尼拉海沟20°N附近存在着密度相对较低的海底高原,它们受到相对较高的浮力作用[39, 40],致使俯冲古洋脊两侧俯冲角度产生明显的不同。

    • 南海东部边界的火山分布主要集中在台湾和吕宋岛之间的岛弧区以及相邻的菲律宾群岛(图 4)。总数超过22个的火山岛位于台湾和吕宋岛间的区域内。包括吕宋岛东北端的卡瓜山(Mt Cagua)构成了台湾—吕宋弧的巴士段。大多数岛是具有近火山口相的成层火山岩的顶,近火山口相包括熔岩流、岩墙、火山口、火山颈、火山渣锥、火山角砾岩、凝灰岩和表生沉积岩。喷发产物主要是钙-碱性安山岩,包括一部分玄武岩和英安岩。所得的放射性年代资料表明,火山弧自早中新世即已开始活动,且有一部分延续至今,但另一部分则以平坦地形为特征,并被灰岩所覆盖。地幔源超镁铁捕虏体见于巴坦(Batan)和迪奥戈岛,北吕宋段由一些位于北吕宋中央科迪勒拉山系(Cordillera)的火山中心组成,中科迪勒拉山脉是一条经历了明显的上新世至现代抬升的山脉(自晚中新世以来抬升大于1km)。

      中新世以来,太平洋板块的北西西向运动、帕里西维拉海盆和四国海盆(特别是它们的扩张晚期)以及马里亚纳海槽的近东西向扩张,推动吕宋微板块向西推移并仰冲到南海洋壳之上,南海洋壳在马尼拉海沟被动俯冲于吕宋微板块之下[28]。菲律宾群岛是两板块之间的形变过渡带[41],在形变调整中起重要作用,使菲律宾海板块与南海板块之间的作用大大减弱。菲律宾西侧各俯冲带的存在,使南海板块总体上向东扩散及南海洋壳向东俯冲[35]。菲律宾断裂是马尼拉海沟东侧主要的断裂带,是一条贯穿吕宋岛弧的左旋走滑断裂,从吕宋岛的北部延伸至棉兰老岛的东南部,长达1 250km[42],其西边为马尼拉海沟,东边为东吕宋海槽和菲律宾海沟。菲律宾板块每年以约80mm的速度向北西方向仰冲[22],南海板块沿北东向俯冲于菲律宾板块之下,其俯冲速度自吕宋岛北部巴坦岛的85mm/a向南递减至民都洛岛北部的49mm/a[43],而菲律宾断裂的滑动速度由吕宋岛北部的24mm/a向南递增至40mm/a[44]。此外,以菲律宾大断裂为主干,延伸出一系列的分支,有些甚至延伸到马尼拉海沟内部,在菲律宾板块斜向仰冲的作用下,南海亚板块(古扩张脊)沿马尼拉海沟被动俯冲,马尼拉海沟、菲律宾大断层和民都洛断层起着应力调节的作用[4]

      晚中生代以来,在西太平洋构造域、特提斯构造域西段(印度)和东段(澳大利亚)先后发生了朝欧亚大陆不同方向和速度的汇聚,在这一复杂的动力学背景下,东亚陆缘发生了有地幔参加传动的“超级剪切”,导致南海海盆的扩张及洋中脊的形成,中中新世以后受从赤道附近滑移北上,洋中脊沿马尼拉海沟俯冲[33]。马尼拉海沟俯冲带形成于中新世,此时东部海盆古扩张脊已部分俯冲于马尼拉海沟增生楔之下,俯冲的古扩张脊并没有导致上部增生楔相关的岩浆活动,说明俯冲活动前海盆扩张已经停止。因此可能正是由于马尼拉海沟俯冲带的形成导致了南海海盆扩张的停止,菲律宾海板块向北西西的位移运动促使古扩张脊的斜向俯冲[12, 45]

      自古新世以来,整个欧亚大陆的东部陆缘都处于太平洋构造域伸展的构造环境。晚渐新世以来南海发生了海底扩张运动,并在早中新世开始沿着马尼拉海沟俯冲到菲律宾海微板块的下部,并非被动俯冲[8]。6Ma时南海古扩张脊已经接近马尼拉海沟,在4~5Ma时南海古扩张脊已经与海沟接触并开始俯冲,同时已经俯冲的板块所具有的重力和动能,引起板块在深部的撕裂[24],这主要是针对吕宋岛的东西火山岛链所提出的动力学模式。刘再峰等[11]针对台湾-吕宋岛双火山弧引入板片窗的概念来解释古扩张脊的俯冲动力学过程。

      南海海盆沿马尼拉海沟向东俯冲,形成了非火山弧(增生楔)-弧前盆地(北吕宋海槽和西吕宋海槽)-火山弧(吕宋火山弧)构造组合。在马尼拉海沟向下俯冲的早期,由于南海海盆即将闭合或刚闭合,南海古扩张脊胶合时间不长,加上20°N左右板块轻物质的作用,俯冲板片就从南海古扩张脊(17°N附近)处开始撕裂,由于板块轻物质具有相对较高的浮力[39-40],形成了马尼拉海沟南北段俯冲倾角不同的现象(图 5)。同时海沟体系俯冲板片裂开处存在平行于海沟方向的地幔流,加剧了裂开的程度,导致南北段倾角相差较大[46]。16Ma以后,南海海盆开始沿着马尼拉海沟向东俯冲,南海古洋脊所在的海山链区段,在俯冲增生机制的控制下,形成较小的前增生楔结构[47],同时在菲律宾板块NW向仰冲的作用下形成了现今马尼拉海沟俯冲带中段的构造特征。南海古扩张脊到达马尼拉海沟后,年轻的、热的洋脊增生到上覆板块中,以古洋脊为界,将弧前盆地分割为西吕宋海槽和北吕宋海槽两个子盆地,即南海古扩张脊到达马尼拉海沟时的位置位于现今的16°~18°N范围内[16]。南海古洋脊俯冲在约100km处发生撕裂,使撕裂以下俯冲板块不容易发生地震活动,影响深源地震的发生[37]

      图  5  南海板块沿马尼拉海沟俯冲示意图

      Figure 5.  Schematic map of the morphology of the subducted South China Sea slab along theManila Trench

    • 通过以上的综合分析,本研究初步得出南海东部古洋脊开始俯冲的时间为16Ma,俯冲深度在200~300km之间,俯冲板片在100km上下发生撕裂。由于古洋脊北部板块轻物质的存在造成洋脊两侧俯冲板块的俯冲角度南高北低的现象。本文针对南海东部古洋脊的研究进展,结合研究区域地震活动和火山活动的时空分布特征,探讨古洋脊的俯冲时间、俯冲深度、俯冲板片的撕裂以及俯冲机制,目前仍然存在着一定的不足和局限性。因此,需要进一步的更加详实的深部地球物理数据以及该区域火山岩的地球化学和定年数据的补充和验证。同时未来对于南海东部古扩张脊的研究应结合动力学、热力学等耦合情况下的数值模拟研究,反映其对马尼拉海沟及整个南海区域构造应力场的影响。

参考文献 (47)

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