董冬冬 張正一, 張廣旭 白永良 范建柯

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所中國(guó)科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049;3. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 青島 266580)

海底擴(kuò)張對(duì)大陸邊緣及大洋盆地的形成演化具有重要的作用, 同時(shí)還與俯沖帶的物質(zhì)循環(huán)和變形密切相關(guān)并相互影響(Leroyet al, 2004; Martin, 2007;Handyet al, 2010)。板塊俯沖誘發(fā)地幔物質(zhì)熔融, 在上覆板塊上形成島弧(Wyllieet al, 1984), 同時(shí)俯沖后撤為弧后地殼的張裂提供空間(石耀霖等, 1993), 從而產(chǎn)生新的擴(kuò)張中心。作為上述過(guò)程的重要結(jié)構(gòu)單元-海盆擴(kuò)張中心與島弧, 其構(gòu)造特征不僅能夠反映俯沖系統(tǒng)的演化歷史(Uyedaet al, 1974; Lachenbruch,1976; Zhaoet al, 1997; Talwaniet al, 2013), 而且可以印證板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)的主要過(guò)程, 具有極為重要的研究意義。

西菲律賓海盆是菲律賓海板塊內(nèi)最大的盆地(圖1)。海盆中部的裂谷是西菲律賓海盆的古擴(kuò)張中心,呈北西-南東向; 九州-帕勞海脊是海盆的東部邊界,近南北向伸展。中央海盆裂谷與九州-帕勞海脊為同一溝弧盆系統(tǒng)內(nèi)的古構(gòu)造, 海盆的擴(kuò)張方式與海脊的裂解方式制約西菲律賓海盆以及海脊東部弧后盆地的演化, 因此對(duì)中央海盆裂谷與九州-帕勞海脊沉積構(gòu)造特征進(jìn)行對(duì)比和分析, 對(duì)充分認(rèn)識(shí)菲律賓板塊的演化特征具有重要的意義。前人曾對(duì)中央海盆裂谷和九州-帕勞海脊做過(guò)許多有關(guān)地貌(如 Fujiokaet al, 1999; Deschampset al, 1999, 2002a; Okinoet al,2003)和地殼結(jié)構(gòu)(Mrozowskiet al, 1982; Hildeet al,1984; Nishizawaet al, 2005, 2007; Lallemand, 2016)以及少量巖石學(xué)工作(如Ishizukaet al, 2011), 但對(duì)人工地震剖面的研究較為缺乏, 無(wú)法直接觀測(cè)到深部的沉積構(gòu)造特征。

2015年中國(guó)科學(xué)院海洋研究所對(duì)西菲律賓海盆開(kāi)展了綜合地球物理考察, 采集了1400km長(zhǎng)的多道地震測(cè)線(xiàn), 并同步獲得重磁及多波束等寶貴數(shù)據(jù)(圖1)。地震剖面穿過(guò)了西菲律賓海盆的古擴(kuò)張中心和九州-帕勞海脊, 為裂谷和海脊沉積構(gòu)造特征的研究提供了寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文主要利用地球物理大斷面,并結(jié)合最新的重力數(shù)據(jù), 對(duì)比、分析了西菲律賓海內(nèi)部古擴(kuò)張中心(中央海盆裂谷)和殘留弧(九州-帕勞海脊)的沉積地貌和地殼結(jié)構(gòu)特征, 并探討了其對(duì)海盆演化過(guò)程的指示作用。

1　構(gòu)造背景

菲律賓海板塊于歐亞板塊與太平洋板塊之間(圖1), 板塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 存在大洋盆地、殘留或活躍的擴(kuò)張中心、火山弧、無(wú)震洋脊等構(gòu)造單元。作為菲律賓海板塊內(nèi)最大的盆地, 西菲律賓海盆的演化模式至今存在爭(zhēng)議, 目前普遍認(rèn)為海盆起源于弧后盆地的擴(kuò)張(Deschampset al, 2002b)。本文主要介紹海盆內(nèi)的中央裂谷構(gòu)造和作為海盆東邊界的九州-帕勞海脊, 并基于深海鉆探計(jì)劃(DSDP)的巖心數(shù)據(jù)介紹這海盆和海脊內(nèi)發(fā)育的主要地層。

1.1　西菲律賓海盆中央裂谷

中央海盆裂谷(Central Basin Fault, 簡(jiǎn)寫(xiě)為CBF)或中央海盆擴(kuò)張中心(Central Basin Spreading Center,簡(jiǎn)寫(xiě)為 CBSC)是西菲律賓海盆的古擴(kuò)張中心, 海盆在其兩側(cè)對(duì)稱(chēng)擴(kuò)張(Mrozowskiet al, 1982; Hildeet al,1984), 擴(kuò)張時(shí)間約為 54—33/30Ma。大致以裂谷內(nèi)129°30′轉(zhuǎn)換斷層為界, 中央海盆裂谷附近的地貌在東西兩側(cè)表現(xiàn)出不同的特征。東部表現(xiàn)出非火山型擴(kuò)張作用控制下的“慢速擴(kuò)張”特征(Small, 1994;Okinoet al, 2003), 發(fā)育深裂谷及節(jié)點(diǎn)盆地, 兩側(cè)多發(fā)育崎嶇海山; 而西部表現(xiàn)出“快速擴(kuò)張”特征, 擴(kuò)張中心出現(xiàn)交叉重疊, 且內(nèi)部發(fā)育火山, 兩側(cè)的海山構(gòu)造較為平滑。海盆擴(kuò)張停止后, 30—26Ma在海盆中東部發(fā)生了一期短暫的無(wú)巖漿伸展事件(Deschampset al, 2002a), 擴(kuò)張方向?yàn)楸睎|-南西向,形成北西-南東向的深裂谷, 切穿早期的東西向擴(kuò)張構(gòu)造。該特征同樣也是在129°30′轉(zhuǎn)換斷層以東表現(xiàn)更為典型。

1.2　九州-帕勞海脊

九州-帕勞海脊(Kyushu-Palau Ridge, KPR)是位于中央海盆裂谷東側(cè)的正地形單元, 比周邊洋底高2000—3000m, 是菲律賓海板塊上最長(zhǎng)的無(wú)震脊(Lallemand, 2016), 南北伸展近 2600km。老的九州-帕勞海脊形成于始新世至漸新世, 是太平洋板塊俯沖形成的島弧, 之后海溝的后撤導(dǎo)致島弧發(fā)生裂解中間發(fā)育了四國(guó)-帕里西維拉海盆及馬里亞納海槽等一系列弧后盆地, 島弧西側(cè)殘留在原地形成現(xiàn)今的九州-帕勞海脊, 東側(cè)逐漸發(fā)育為現(xiàn)今的伊豆-馬里亞納(IBM)島弧(Nishizawaet al, 2007; Parket al, 2009)。

1.3　DSDP站位

研究區(qū)主要位于西菲律賓海盆中央海盆裂谷和九州-帕勞海脊, 附近海域距離最近的深海鉆探(DSDP)站位為DSDP31-290和DSDP59-448。兩個(gè)站位的鉆孔數(shù)據(jù)為本文提供的重要的基礎(chǔ)資料和約束。

DSDP31-290站位位于九州-帕勞海脊以西150km 的西菲律賓海盆內(nèi)部, 水深約 6000m, 其中290鉆孔總長(zhǎng)為255m(Ingleet al, 1975)。淺部為晚漸新世以來(lái)沉積的90m厚的褐色富泥黏土, 下部為49m的超微化石軟泥。超微化石軟泥向黏土的轉(zhuǎn)換標(biāo)志著西菲律賓海盆在晚漸新世沉降到碳酸鹽補(bǔ)償深度之下。超微化石軟泥下部為厚度超過(guò)80m的火山泥(晚始新世或早漸新世), 形成了海脊西側(cè)大型沉積扇的遠(yuǎn)端。底部的沉積單元是厚達(dá)30m的火山角礫巖(晚始新世或早漸新世早期), 是由局部高地形的滑塌所形成。盡管未鉆遇基底, 但是碎屑中的玄武巖碎片和超微化石暗示基底年齡為晚始新世。

DSDP59-448站位位于九州-帕勞海脊內(nèi), 水深約3500m, 448和448A鉆孔總長(zhǎng)分別為583和914 m, 主要鉆遇地層的巖性為沉積物和玄武巖(Kroenkeet al,1981)。兩個(gè)鉆孔都沒(méi)有鉆遇洋殼基底, 但是都鉆遇島弧基底(定義為首次鉆遇的島弧型火山巖)。從鉆孔的綜合層序來(lái)看, 上部沉積物厚度約 320 m, 可劃分為五個(gè)巖性單元, 主要由超微化石軟泥和粉末、玻屑凝灰?guī)r和細(xì)玻屑凝灰?guī)r組成, 最年輕的沉積物為中中新世超微化石軟泥, 其上的沉積物全部被侵蝕。下部為玄武巖與火山碎屑巖互層(中漸新世), 熔巖流的最大傾角為 45°, 上覆的凝灰?guī)r及火山灰最大傾角為20°, 而非火山巖的白堊層未發(fā)現(xiàn)明顯的傾斜。這種現(xiàn)象表明, 很可能在火山作用期間或停止后短期內(nèi)地層不斷發(fā)生傾斜。中漸新世末期, 隨著火山作用的停止, 洋脊開(kāi)始緩慢沉降, 而幾乎沒(méi)有發(fā)生大規(guī)模的構(gòu)造擾動(dòng)。

2　數(shù)據(jù)與方法

2.1　數(shù)據(jù)來(lái)源

依托中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng), 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所2015年利用“科學(xué)”號(hào)考察船在西菲律賓海盆采集了1400km長(zhǎng)的地球物理大斷面, 包括多道地震和重磁多波束等的同步采集。所用地震電纜的工作段長(zhǎng)度為1500m, 震源為4支氣槍組成的槍陣, 容量分別為520in3, 380in3, 250in3和150in3, 最大和最小炮檢距分別為 1722m和 234.5m, 其他記錄參數(shù)如表 1所示; 水深數(shù)據(jù)采用 2009年美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心發(fā)布的 ETOPO1數(shù)據(jù)(Amanteet al,2009); 地殼厚度反演所用的重力異常數(shù)據(jù)采用 2014年美國(guó)Scripps海洋研究所Sandwell小組發(fā)布的衛(wèi)星測(cè)高反演重力異常(Sandwellet al, 2014); 沉積層厚度分布數(shù)據(jù)主要來(lái)自于 NGDC發(fā)布的全球沉積層厚度數(shù)據(jù)集(Divins, 2003; Géliet al, 2007); 中央海盆裂谷的多波束地形數(shù)據(jù)主要參考 Deschamps 等(2002a)的研究結(jié)果。

圖1　菲律賓海板塊構(gòu)造單元圖Fig.1 The tectonic units of the Philippine Sea Plate

表1　多道地震采集參數(shù)Tab.1 Parameters of the multichannel seismic acquisition

2.2　研究方法

2.2.1 地震數(shù)據(jù)處理地震數(shù)據(jù)處理采用特色2DPSTM(2D Pre-Stack Time Migration, 二維疊前時(shí)間偏移)處理流程。利用專(zhuān)業(yè)地震處理軟件, 針對(duì)深水資料特點(diǎn), 部分應(yīng)用自編軟件模塊, 并重點(diǎn)從振幅補(bǔ)償、疊前保幅綜合去噪、組合反褶積、多次波衰減、精細(xì)偏移速度場(chǎng)建立、二維疊前時(shí)間偏移成像等方面, 優(yōu)選處理模塊和參數(shù)建立了一套適用本海區(qū)的地震處理流程, 完成了所有地震資料精細(xì)處理。

2.2.2沉積物厚度計(jì)算本研究區(qū)主要位于西菲律賓海盆中央海盆裂谷和九州-帕勞海脊, 附近海域分布有5口DSDP鉆井。根據(jù)數(shù)據(jù)的豐度和精度, 分別選取DSDP31-290和DSDP59-448井的聲波速度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)開(kāi)展時(shí)深擬合。首先利用深度速度數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算得到深度時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì), 然后利用二次多項(xiàng)式擬合得出時(shí)深轉(zhuǎn)換公式。研究區(qū)內(nèi)的沉積物厚度較薄, 二次函數(shù)可獲得較好的擬合結(jié)果(周蒂等, 2008)。擬合結(jié)果見(jiàn)圖 2, 其中, 縱坐標(biāo)為從海底算起的深度(m), 橫坐標(biāo)為雙程反射時(shí)間(s)。

圖2　沉積物時(shí)間深度關(guān)系擬合曲線(xiàn)Fig.2 Fitting of the time-depth relation in sediment a: DSDP31-290 in the West Philippine Basin; b: DSDP59-448 in the Kyushu-Palau Ridge

2.2.3地殼厚度反演地殼厚度反演主要參考Bai等(2014)提出的反演流程。島弧和洋底高原地殼密度設(shè)定為 2.7g/cm3, 正常洋殼區(qū)域設(shè)定密度為 2.85g/cm3;從自由空間重力異常場(chǎng)中剝掉由海水層、沉積層、地殼、巖石圈地幔引起的重力異常, 剩余異常即為由莫霍面起伏引起的異常。以CRUST1.0給定的莫霍面埋深為約束, 在頻率域內(nèi)反演出莫霍面埋深(Parker,1973); 在反演得到的莫霍面埋深的基礎(chǔ)上, 減去水深和沉積層厚度, 得到地殼厚度。

3　地震剖面解釋

地球物理大斷面呈北西-南東向展布, 主要穿過(guò)西菲律賓海盆中央裂谷及其兩側(cè) 50km以?xún)?nèi)的洋殼,最南端橫穿九州-帕勞海脊進(jìn)入其東側(cè)的帕里西維拉海盆。地震剖面清晰揭示了中央海盆裂谷及其鄰近洋殼和九州-帕勞海脊等構(gòu)造單元沉積層及地殼的反射特征, 可以進(jìn)一步指示裂谷和海脊的構(gòu)造演化信息。

3.1　沉積層反射特征

西菲律賓海盆中央裂谷周邊區(qū)域形成于海盆擴(kuò)張的最后階段, 即晚始新世或早漸新世, 形成不久開(kāi)始接受穩(wěn)定的沉積。在地震剖面上, 地震層序基本表現(xiàn)為上下兩套層序, 上部為平行或近平行的地震層序, 顯示穩(wěn)定的沉積環(huán)境; 平行層序底部識(shí)別出一條強(qiáng)振幅反射軸, 下部無(wú)法清晰識(shí)別出地震層序, 因此將該反射識(shí)別為聲學(xué)基底, 命名為 R1(圖 3), 反映海盆擴(kuò)張停止事件, 應(yīng)該對(duì)應(yīng)于DSDP31-290站位地震剖面所揭示的基底反射(Ingleet al, 1975)。R1上部的地震層序反映海底擴(kuò)張停止后接受的沉積?？傮w上看,研究區(qū)的沉積層序分布不均, 厚度較薄。多數(shù)區(qū)域的沉積厚度不足100m, 反映了以遠(yuǎn)洋沉積為主的特征。但是在海底擴(kuò)張形成的局部凹陷或盆地內(nèi), 沉積物厚度較大, 最厚約 300m, 主要物源應(yīng)來(lái)自周邊的火山碎屑物質(zhì)(Ingleet al, 1975)。圖3a展示的沉積盆地位于 18°N, 128.5°E, 是洋中脊和轉(zhuǎn)換斷層相互作用形成的節(jié)點(diǎn)狀盆地(nodal basin)。其沉積層序的時(shí)間厚度超過(guò) 300ms, 根據(jù)圖 2a的時(shí)深轉(zhuǎn)換公式計(jì)算其厚度約為 280m。該盆地的水深為 6600m, 比周邊海底深1300m, 巨大的地形差使得其接受了來(lái)自周邊的大量火山碎屑, 從而形成區(qū)域沉積中心。地震剖面揭示, 裂谷軸部擴(kuò)張中心處的沉積物較少, 說(shuō)明裂谷軸部年齡新, 沉積歷史短。局部可識(shí)別出穩(wěn)定分布的薄層沉積, 沉積物底部均可清晰地識(shí)別出代表洋殼頂面的強(qiáng)反射軸, 可以此約束中央海盆裂谷停止活動(dòng)的時(shí)間。

九州-帕勞海脊以西近 200km 的地震剖面顯示,除部分海山之外, 該區(qū)的沉積物變厚且分布較為穩(wěn)定, 厚度約為 160—200m(圖 3b), 呈現(xiàn)大規(guī)模披覆沉積的特征。推測(cè)主要受九州-帕勞海脊的火山碎屑物源的影響。地震剖面揭示九州-帕勞海脊由多個(gè)隆起的火山脊排列而成, 在火山脊之間形成多個(gè)盆地, 沉積有較厚的地層, 可達(dá)380m(圖4)。圖4所示的沉積層序中間可明顯識(shí)別出一條角度不整合面, 上部層序在地震剖面上呈現(xiàn)水平反射, 無(wú)明顯構(gòu)造擾動(dòng); 而下部層序清晰的呈現(xiàn)為向斜褶皺特征, 且發(fā)育較大規(guī)模的正斷層, 反映了復(fù)雜的構(gòu)造事件, 可能與島弧裂解有關(guān)。

圖3　沉積物分布特征Fig.3 The distribution of sediment a: within the Central Basin Fault; b: nearby the Kyushu-Palau Ridge

圖4　九州-帕勞海脊內(nèi)部盆地沉積構(gòu)造特征Fig.4 The tectonic and sedimentary features of the basin in the Kyushu-Palau Ridge

3.2　洋殼反射特征

地震剖面清晰地揭示出中央海盆裂谷和九州-帕勞海脊構(gòu)造單元的洋殼反射特征。以 129°30′E處的轉(zhuǎn)換斷層為界, 海盆可大致分為東西兩部分, 本文主要研究中央海盆裂谷軸部及軸外50km以?xún)?nèi)區(qū)域, 即最年輕的洋殼部分。海盆兩部分的洋殼結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)較明顯的差異并暗示了不同的構(gòu)造演化過(guò)程。圖5a地震剖面位于西部中央裂谷的北側(cè), 具有西部海盆典型的反射特征。地震剖面和多波束地形圖均反映出海底呈現(xiàn)明顯的擴(kuò)張構(gòu)造, 即海脊和海槽(或坳陷)相間發(fā)育。圖 5a剖面可識(shí)別出三個(gè)較大的坳陷, 分別命名為D1、D2和D3。淺部發(fā)育穩(wěn)定的遠(yuǎn)洋沉積物, 之下可識(shí)別出清晰連續(xù)的基底強(qiáng)反射, 代表了沉積物形成前的海底擴(kuò)張事件。其下洋殼的內(nèi)部反射特征以低振幅雜亂反射為主, 基本無(wú)法識(shí)別出有效反射層, 反映出下部洋殼的巖性變化較小(圖5a)。整體來(lái)看, 海盆西部的地殼結(jié)構(gòu)較為均一, 只有在局部區(qū)域可識(shí)別出強(qiáng)振幅的丘狀反射, 可能代表了擴(kuò)張過(guò)程中的火山活動(dòng)。與此相對(duì), 海盆東部的洋殼內(nèi)部廣泛分布較強(qiáng)振幅的丘狀反射以及高角度的傾斜連續(xù)反射,而且反射體的規(guī)模很大。圖5b地震剖面位于東部中央裂谷的南側(cè), 具有東部海盆典型的反射特征。洋殼內(nèi)部發(fā)育大規(guī)模強(qiáng)振幅反射, 單個(gè)反射可延伸超過(guò)5km, 反映了東部洋殼復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過(guò)地震剖面和多波束地形的對(duì)比發(fā)現(xiàn), 高角度的傾斜連續(xù)反射為斷面波反射, 自北向南依次識(shí)別了F1-F4四條較大的斷裂。其中F1和F2的傾向與地震測(cè)線(xiàn)的夾角較小, 所以在地震剖面上表現(xiàn)為較緩的視傾角, 約 10°,斷裂的下部則近于水平, 且斷面崎嶇不平, 推測(cè)可能是斷塊后期經(jīng)受了構(gòu)造擠壓所致。與此不同的是, F3和F4的視傾角為60°, 推測(cè)接近真實(shí)傾角。值得注意的是, 在斷面波附近及斷塊內(nèi)部大量發(fā)育強(qiáng)振幅的丘狀反射, 是否與水巖作用有關(guān)？下文將作探討。沿中央海盆裂谷軸部的多波束水深數(shù)據(jù)顯示, 以129°30′E為界, 東西軸部地形存在較大差異。西部平均水深為5500m, 而東部則為6200m, 即東部海底比西部深 700m?？紤]到裂谷軸部的沉積物厚度較薄且東西差異不大, 因此水深數(shù)據(jù)同樣也揭示了東部洋殼頂面的深度比西部深數(shù)百米(圖6)。

4　討論

4.1　西菲律賓海盆中央裂谷洋殼結(jié)構(gòu)

前人研究發(fā)現(xiàn), 雖然西菲律賓海盆中央裂谷東西部的海底擴(kuò)張速率相同, 但二者存在與擴(kuò)張速率相關(guān)的構(gòu)造地貌差異。東部呈現(xiàn)“慢速擴(kuò)張?zhí)卣鳌? 多發(fā)育深裂谷和節(jié)點(diǎn)狀盆地, 擴(kuò)張脊兩側(cè)發(fā)育崎嶇的深海海山; 西部呈現(xiàn)“快速擴(kuò)張?zhí)卣鳌? 存在重疊的擴(kuò)張中心, 擴(kuò)張軸內(nèi)發(fā)育火山(Deschampset al, 2002a;Okinoet al, 2003)。巖漿的供應(yīng)量多少是形成“快速”和“慢速”擴(kuò)張?zhí)卣鞯闹饕?。然? 前人研究主要利用了多波束地形和重力異常數(shù)據(jù), 無(wú)法對(duì)洋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接研究, 鑒于此, 本文利用穿過(guò)西菲律賓海盆中央裂谷的地震剖面對(duì)裂谷及其附近洋殼的地震反射特征開(kāi)展了分析。研究發(fā)現(xiàn), 以129°30′E的轉(zhuǎn)換斷層為界, 裂谷東西部洋殼在地震反射結(jié)構(gòu)上存在差異。西部洋殼主要發(fā)育低振幅雜亂反射, 無(wú)明顯反射界面, 表明洋殼內(nèi)的巖性變化不大, 結(jié)構(gòu)較為均一(圖5a)。相反, 海盆東部洋殼內(nèi)部廣泛分布較強(qiáng)振幅的丘狀反射以及高角度的斷面波, 且斷裂的發(fā)育與強(qiáng)振幅丘狀反射的分布相關(guān)(圖5b)。同時(shí), 沿裂谷軸部的水深數(shù)據(jù)也間接反映了東部洋殼頂面的深度比西部深數(shù)百米(圖6)。

圖5　典型洋殼結(jié)構(gòu)Fig.5 Typical crustal structure in western part (a) and the eastern part (b) adjacent to the Central Basin Fault, respectively; andSwath bathymetric map around seismic profile a (c) and around seismic profile b (d)

西菲律賓海盆西部中央裂谷的南北兩側(cè)分別發(fā)育了本哈姆隆起和烏爾達(dá)內(nèi)塔高原, 它們是在 45—50Ma期間形成于擴(kuò)張中心處(Hildeet al, 1984), 反映了在西菲律賓海盆擴(kuò)張階段, 洋中脊處可能發(fā)育有小尺度地幔柱, 盆地西部受地幔柱影響較大, 具有較充足的巖漿供應(yīng)(Okinoet al, 2003), 巖石圈表現(xiàn)為更熱的狀態(tài), 地貌及地殼結(jié)構(gòu)從而表現(xiàn)出了“快速擴(kuò)張”的特征, 相反, 東部更接近“慢速擴(kuò)張”的特征。巖石圈的熱結(jié)構(gòu)和較高的巖漿供應(yīng)一般在快速擴(kuò)張中心形成高地形的洋中脊, 而相反在慢速擴(kuò)張中心由于熱的巖漿供應(yīng)不足往往形成深的裂谷, 因此擴(kuò)速擴(kuò)張中心的洋底地形比慢速擴(kuò)張中心通常高幾百米(Macdonald, 1982)。西菲律賓海盆的水深數(shù)據(jù)揭示的洋底深度暗示中央裂谷西部比東部更接近快速擴(kuò)張的構(gòu)造特征。

莫霍面作為殼幔物質(zhì)分界的重要界面, 其深度分布特征是巖石圈構(gòu)造研究的重點(diǎn)內(nèi)容(高山等,1997; 郝天珧等, 2014), 結(jié)合莫霍面埋深與沉積物厚度及水深可以獲得地殼厚度。我們利用全球最權(quán)威的衛(wèi)星重力數(shù)據(jù), 結(jié)合地形、沉積物厚度數(shù)據(jù), 利用反演方法獲得了西菲律賓海盆中央裂谷帶區(qū)域的地殼厚度(圖7)。結(jié)果顯示, 西菲律賓海盆西部的地殼厚度大多超過(guò) 5km, 而東部地殼的厚度普遍小于5km, 西部地殼的平均地殼厚度大于東部, 因此, 地殼厚度反演結(jié)果也支持西部的巖漿供應(yīng)比東部充足的觀點(diǎn)。

圖7　西菲律賓海盆地殼厚度Fig.7 The crustal thickness of the West Philippine Basin

受地幔柱的影響, 西菲律賓海盆西部的巖石圈比東部更熱, 更易產(chǎn)生塑性形變, 不易發(fā)育大規(guī)模斷裂, 而東部巖石圈更冷, 容易產(chǎn)生脆性形變, 從而形成大規(guī)模的斷裂和深裂谷。圖6的水深數(shù)據(jù)揭示在裂谷東部發(fā)育了水深超過(guò)7500m的深大裂谷, 同時(shí), 地震剖面也顯示中央海盆裂谷的東部發(fā)育大量的斷裂,部分?jǐn)嗔训拇┩干疃冗_(dá)兩秒(圖5b)。假設(shè)地殼的聲波速度為 5km/s, 則斷裂向下延伸了 5km, 切穿整個(gè)地殼。在這種情況下, 海水可以沿?cái)嗔褲B入至地殼甚至地幔, 容易與地殼內(nèi)的玄武巖發(fā)生水巖相互作用而形成蝕變玄武巖, 或者與地幔橄欖巖發(fā)生水巖相互作用而形成蛇紋石化橄欖巖(Keareyet al, 2009)。圖5b所示剖面在深大斷裂的下部斷塊內(nèi)可識(shí)別出強(qiáng)振幅反射, 很有可能是水巖作用導(dǎo)致的巖石相變?cè)诘卣鹌拭嫔系姆从?。事?shí)上, 蛇紋石化橄欖巖在慢速擴(kuò)張洋殼及薄洋殼區(qū)的分布非常廣泛, 甚至在斷裂帶以外也可以產(chǎn)生, 比如中大西洋洋脊(Cannatet al,1995)。蛇紋石化橄欖巖和下地殼的輝長(zhǎng)巖或者上地幔的橄欖巖之間形成強(qiáng)反射界面, 從而在地震剖面上形成大量的強(qiáng)振幅丘狀反射。而西部的巖漿融體供應(yīng)充足, 洋殼厚度大且不發(fā)育大規(guī)模斷裂, 不具備發(fā)生大規(guī)模水巖相互作用的條件, 而是發(fā)育大規(guī)模穩(wěn)定的地殼, 巖性較為均一, 從而以低振幅的雜亂反射為主, 缺乏有效的大反射振幅(圖5a)。

4.2　九州-帕勞海脊的裂解

老的九州-帕勞海脊為始新世至漸新世形成的島弧, 海溝的后撤導(dǎo)致島弧發(fā)生裂解, 四國(guó)-帕里西維拉海盆逐漸形成(Nishizawaet al, 2007; Parket al,2009), 殘留弧逐漸形成現(xiàn)今的九州-帕勞海脊。目前對(duì)于這一構(gòu)造演化過(guò)程基本沒(méi)有爭(zhēng)議, 但是對(duì)于島弧裂解(rifting)和海盆擴(kuò)張(spreading)的時(shí)間還存有比較大的爭(zhēng)議。Scott等(1980)研究發(fā)現(xiàn)九州-帕勞海脊在 42—29Ma之間火山活動(dòng)活躍。Okino等(1998)認(rèn)為島弧的裂解開(kāi)始于 29Ma, 但是在帕里西維拉海盆識(shí)別出的最老磁異常條帶年齡為26Ma, 因此29—26Ma被認(rèn)為是島弧的裂解和地殼減薄期, 26Ma之后帕里西維拉海盆開(kāi)始擴(kuò)張。較新的40Ar/39Ar年齡顯示, 九州-帕勞海脊的火山活動(dòng)持續(xù)時(shí)間為48—25Ma,但是主要的火山作用發(fā)生在最后階段, 即28—25Ma,由此認(rèn)為島弧裂解發(fā)生在 25Ma, 且在島弧的不同位置幾乎同時(shí)開(kāi)始(Ishizukaet al, 2011), 島弧裂解和海盆擴(kuò)張的開(kāi)始也幾乎同時(shí)。但仍有學(xué)者認(rèn)為九州-帕勞海脊的裂解期持續(xù)了數(shù)個(gè)百萬(wàn)年(Straub, 2003)。DSDP59-448站位的巖石學(xué)分析發(fā)現(xiàn)九州-帕勞海脊中晚漸新世的火山相關(guān)沉積層序發(fā)生了很大的傾斜,火山作用停止之后, 海脊開(kāi)始緩慢的沉降, 沒(méi)有遭受大的構(gòu)造擾動(dòng)(Kroenkeet al, 1981)。綜上, 九州-帕勞海脊裂解到帕里西維拉海盆張開(kāi)的轉(zhuǎn)換發(fā)生在 25Ma左右, 之后開(kāi)始接受穩(wěn)定沉積。圖4的地震剖面揭示的角度不整合面即由島弧的裂解事件形成, 年代約為25Ma。其下部可識(shí)別出傾斜的裂前及裂解期層序,其上部裂后期層序幾乎未遭受構(gòu)造形變, 反映了帕里西維拉海盆擴(kuò)張后海脊持續(xù)沉降, 沉積穩(wěn)定。結(jié)合鉆井的沉積學(xué)分析來(lái)看, 裂后期的地層主要由超微化石軟泥和碳酸鹽組成, 基本不含火山物質(zhì), 而裂解期及前裂解期地層主要由凝灰?guī)r和火山碎屑巖組成。從地震剖面解釋的構(gòu)造形態(tài)來(lái)看, 裂解期的構(gòu)造發(fā)育了典型的高角度正斷層, 但同時(shí)也發(fā)育有擠壓性質(zhì)的褶皺構(gòu)造(圖 4), 反映了裂解過(guò)程較為復(fù)雜。擠壓構(gòu)造應(yīng)力可能與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的轉(zhuǎn)變有關(guān)。Deschamps等(2002b)認(rèn)為太平洋板塊運(yùn)動(dòng)方向在大約 33Ma發(fā)生轉(zhuǎn)變, 在西菲律賓海盆甚至日本海區(qū)域形成拉張應(yīng)力場(chǎng), 進(jìn)而在區(qū)域最弱的西菲律賓海盆中央裂谷發(fā)育一期無(wú)巖漿擴(kuò)張事件, 持續(xù)時(shí)間大約為30—26Ma, 直到帕里西維拉海盆在26Ma發(fā)生的海底擴(kuò)張吸收了全區(qū)的拉張應(yīng)力才停止。該期無(wú)巖漿擴(kuò)張事件基本與九州-帕勞海脊的裂解作用重合。西菲律賓海盆的西邊界在33Ma以來(lái)基本為閉鎖的邊界, 因此中央裂谷的無(wú)巖漿擴(kuò)張事件會(huì)對(duì)海盆的東邊界, 即九州-帕勞海脊產(chǎn)生擠壓作用。地震剖面解釋的褶皺構(gòu)造很可能是這種擠壓效應(yīng)的產(chǎn)物。

5　結(jié)論

(1) 西菲律賓海盆中央裂谷內(nèi)部發(fā)育遠(yuǎn)洋沉積為主的沉積物, 沉積層序分布不均, 局部凹陷或節(jié)點(diǎn)狀盆地內(nèi)沉積物厚度可達(dá)300m。九州-帕勞海脊之上發(fā)育的盆地發(fā)育了最厚的沉積物, 與充足的火山碎屑物源有關(guān)。

(2) 以129°30′E的轉(zhuǎn)換斷層為界, 裂谷東西部洋殼結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)較為明顯的差異, 分別體現(xiàn)“慢速”和“快速”擴(kuò)張?zhí)卣? 受巖漿供應(yīng)量的控制。東部洋殼巖漿供應(yīng)較少, 厚度較小, 發(fā)育較多斷裂, 且在斷裂附近可能發(fā)生水巖作用; 西部洋殼巖漿供應(yīng)較多, 厚度較大, 結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定均一。盆地西部發(fā)育的小規(guī)模地幔柱可能影響了盆地東西部的結(jié)構(gòu)差異。

(3) 九州-帕勞海脊內(nèi)部由多個(gè)火山脊和盆地構(gòu)成, 沉積物較厚且分布穩(wěn)定, 沉積層序下部的角度不整合面代表島弧的裂解事件, 張裂與擠壓構(gòu)造共同發(fā)育反映了復(fù)雜的裂解過(guò)程。

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