杜學(xué)鑫，祝文君，牟明杰，尚魯寧，李攀峰，尉佳，虞義勇，孟元庫(kù)，胡剛

1.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266590

2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266237

3.壽光市海洋漁業(yè)發(fā)展中心，壽光 262700

菲律賓海板塊地處歐亞板塊、太平洋板塊和印度-澳大利亞板塊的交匯處，四周幾乎全部被俯沖帶所包圍，在西太平洋板塊構(gòu)造格局中占據(jù)特殊地位。受板塊俯沖、海底擴(kuò)張以及地幔柱活動(dòng)等多重因素的影響，菲律賓海板塊的形成演化過(guò)程表現(xiàn)為多階段性，形成了現(xiàn)今復(fù)雜的構(gòu)造格局，是開展西太平洋板塊重建的關(guān)鍵區(qū)域菲律賓海蘊(yùn)含豐富的前沿地球科學(xué)問(wèn)題，是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、沉積學(xué)、古海洋學(xué)以及全球變化研究的熱點(diǎn)地區(qū)。自1969年以來(lái)，DSDP-ODP-IODP在菲律賓海及鄰區(qū)共完成了25個(gè)航次的鉆探工作。鉆探為“弧前增生楔結(jié)構(gòu)和孕震機(jī)理”、“菲律賓海板塊的形成演化”、“島弧巖漿作用和大陸邊緣陸殼增生機(jī)制”以及“西太平洋古氣候和古海洋環(huán)境演變”等重大科學(xué)問(wèn)題的研究提供了基礎(chǔ)。然而，絕大部分鉆探航次和站位位于俯沖帶發(fā)育的主動(dòng)大陸邊緣，集中于日本南海海槽、伊豆-小笠原-馬里亞納溝-弧-盆系統(tǒng)等區(qū)域，少量鉆孔分布在板塊內(nèi)部的海底高原和海脊地區(qū)，深海盆區(qū)僅有零星鉆孔分布，制約了諸如花東海盆基底屬性、俯沖起始過(guò)程與島弧演化等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的研究。針對(duì)前期大洋鉆探工作的局限，預(yù)研未來(lái)該海域鉆探選址與井位建議，不僅可揭示制約菲律賓海構(gòu)造演化與沉積效應(yīng)認(rèn)知的關(guān)鍵地球科學(xué)問(wèn)題，而且對(duì)未來(lái)我國(guó)自有大洋鉆探船鉆探井位儲(chǔ)備具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

菲律賓海板塊呈南北向狹長(zhǎng)的菱形走向，東部邊界為伊豆-小笠原-馬里亞納海溝、雅浦海溝、帕勞海溝和阿玉海槽，西部邊界為南海海槽、琉球海溝、馬尼拉海溝和菲律賓海溝（圖1）。以中央南北走向的九州-帕勞海脊將菲律賓海盆分為東、西兩個(gè)大型的海盆：西菲律賓海盆和四國(guó)-帕里西維拉海盆。總體來(lái)說(shuō)，基于磁異常與鉆探數(shù)據(jù)，西菲律賓主海盆形成時(shí)間約為61～33/30 Ma[1]，四國(guó)海盆形成時(shí)間約為25～15 Ma[2]， 帕里西維拉海盆形成時(shí)間約為30～17 Ma[3]，馬里亞納海槽初始擴(kuò)張時(shí)間約為6.5 Ma且尚處擴(kuò)張時(shí)期[4]。

菲律賓海范圍較大，南北跨越0°～35°N，東西橫跨124°～147°E，面積達(dá)5.4×106km2（圖1）。海底地形十分復(fù)雜，發(fā)育有海溝、島弧、海脊、海山、海盆、裂谷等地形，是一個(gè)海嶺與海盆并列、具有洋殼基底的大型邊緣海，全區(qū)水深3 000～6 000 m，平均水深約為4 500 m，總體表現(xiàn)為“西部深、東部淺”的特點(diǎn)（圖1）。海盆整體位于菲律賓海板塊之上，周邊環(huán)繞島弧與深海溝俯沖帶，中部九州-帕勞海脊呈反轉(zhuǎn)“S”形南北延伸，長(zhǎng)約2 750 km，寬約50～90 km，海脊中段為一系列斷續(xù)分布的鏈狀海嶺，海山與凹地相間分布，兩側(cè)呈明顯不對(duì)稱，東側(cè)陡、西側(cè)緩[5]。

西菲律賓海盆和帕里西維拉海盆地區(qū)，沉積基底面與海底地形起伏基本平行，其上主要是覆蓋了一層第四紀(jì)沉積物，平均厚度約500 m，基本為等厚度分布，沉積速率非常低，沉積物來(lái)源具有空間差異性，基本以遠(yuǎn)洋自生沉積[6]、火山成因[4,7]和內(nèi)陸風(fēng)成沉積物質(zhì)為主[8-10]，沉積物直接覆蓋在海底玄武巖層之上。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

本文所用多道地震資料取自2020年9月執(zhí)行的“深海科學(xué)鉆探井位選址調(diào)查”項(xiàng)目菲律賓海調(diào)查航次，測(cè)量船舶為青島海洋地質(zhì)研究所“海洋地質(zhì)九號(hào)”，在菲律賓海九州帕勞海脊和中央海盆斷裂帶東端共完成二維多道地震和同步多波束測(cè)量552.4 km（圖1）。

多道地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用SERCEL公司Sercel Seal 428系統(tǒng)，配以Sercel SSRD固體電纜，數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)采用Seal 428 version1.1，震源系統(tǒng)采用SERCEL公司GII型氣槍，空壓機(jī)系統(tǒng)采用LMF 51S型空壓機(jī)，拖纜控制系統(tǒng)采用ION公司PCS version 8.30，本次多道地震主要采集參數(shù)為接收360道，道間距12.5 m，炮間距37.5 m，震源容量為6 000 立方英寸，記錄長(zhǎng)度12 s，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of seismic data acquisition system

圖1 西太平洋海底地形和構(gòu)造單元簡(jiǎn)圖紅線代表實(shí)測(cè)多道地震測(cè)線。Fig.1 Sketch map of topography and tectonic units in the Western PacificThe red lines represent new acquired multichannel seismic profiles.

3 菲律賓海已有鉆探科學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)與重要科學(xué)問(wèn)題進(jìn)展

迄今為止，DSDP-ODP-IODP在菲律賓海及鄰區(qū)共完成了25個(gè)航次的鉆探工作，在98個(gè)站位共完成鉆孔218口，絕大部分鉆探航次和站位集中于日本南海海槽、伊豆-小笠原-馬里亞納溝-弧-盆系統(tǒng)，少量鉆孔分布在板塊內(nèi)部的海底高原和海脊地區(qū)（圖2）。鉆探主要以“弧前增生楔結(jié)構(gòu)和孕震機(jī)理”、“菲律賓海板塊的形成演化”、“島弧巖漿作用和大陸邊緣陸殼增生機(jī)制”以及“西太平洋古氣候和古海洋環(huán)境演變”等為科學(xué)主題。

3.1 菲律賓海已有鉆探航次目標(biāo)和基本認(rèn)識(shí)

3.1.1 深海鉆探計(jì)劃（DSDP）階段

為了查明整體上菲律賓海盆的形成時(shí)代和盆地演化的歷史，科學(xué)家們?cè)谖魈窖蠛头坡少e海實(shí)施了DSDP- Leg6、31航次的鉆探工作，航次成果首次揭示了菲律賓海盆東部的年齡為古近紀(jì)或新近紀(jì)，證明菲律賓海板塊是獨(dú)立于太平洋板塊之外的新生板塊[11]；確定了菲律賓海板塊形成和演化的年代學(xué)框架、古海洋環(huán)境變遷和古板塊位置，拉開了菲律賓海形成演化過(guò)程重建的序幕[12]。為了詳細(xì)探究不同具體位置的演化信息，科學(xué)家開展了DSDP-Leg 58航次，探究的是四國(guó)海盆的擴(kuò)張作用和大東嶺海盆起源的工作，四國(guó)海盆是由海底擴(kuò)張作用形成的，而且可能存在單向擴(kuò)張，大東盆嶺區(qū)的巖石組成具有很大的非均一性，包括變質(zhì)巖、火山巖和沉積巖[13]。隨后科學(xué)家開展了DSDP-Leg 59、60的工作，確定基底年齡和盆地形成的機(jī)制，弧后盆地的擴(kuò)張速率和火山弧的起源與性質(zhì)[7]。確定了九州-帕勞海脊處的TTR型三聯(lián)點(diǎn)，推測(cè)馬里亞納海溝的俯沖是一個(gè)平穩(wěn)的過(guò)程，幾乎不涉及來(lái)自太平洋板塊的物質(zhì)[14]。

圖2 菲律賓海及鄰區(qū)DSDP-ODP-IODP鉆探站位分布圖Fig.2 Distribution of DSDP-ODP-IODP drilling holes in the Philippine Sea and adjacent areas

3.1.2 大洋鉆探計(jì)劃（ODP）階段

1990年前后在伊豆-小笠原-馬里亞納島弧實(shí)施了ODP-Leg125、126航次的鉆探工作，目的是為了探究島弧地區(qū)的成因和演化問(wèn)題。主要的科學(xué)成就是：揭示了弧前臺(tái)地上更年輕的巖漿活動(dòng)；弧前盆地中心以下火成巖基底為高鎂系列安山巖以及低鎂系列熔巖；從晚中新世到全新世和始新世—漸新世為火山活動(dòng)的高峰[15-16]。后期為了探究日本南海海槽與伊豆-馬里亞納島弧的關(guān)系，相繼開展了ODP-Leg131[17]、190[18]、195[19]、196[20]航 次 的 工 作，對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩地區(qū)均有流體流動(dòng)的過(guò)程和地震活動(dòng)的特征。伊豆-馬里亞納島弧有來(lái)自中央火山帶的蛇紋巖漿，而日本南海海槽形成了大型逆沖推覆帶，表現(xiàn)為粗粒物質(zhì)從島弧向海溝運(yùn)移轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向運(yùn)移，運(yùn)移系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變使得沉積物從日本東部區(qū)域沿海溝軸線向下運(yùn)移，為橫斷面的沉積物提供了來(lái)源。

3.1.3 綜合大洋鉆探計(jì)劃（IODP）階段

該階段主要研究區(qū)域是日本南海海槽，分為多階段的南海海槽孕震帶試驗(yàn)（NanTroSEIZE），第一階段實(shí)施了IODP314航次的工作，運(yùn)用了最先進(jìn)的隨鉆測(cè)井（LWD）技術(shù)，得到了天然氣水合物賦存狀態(tài)的重要信息；第一階段后續(xù)的IODP315、316航次是在314航次4個(gè)站位的基礎(chǔ)上增加了新的鉆孔工作。主要研究的目標(biāo)是斜俯沖中增生棱柱體與弧前盆地應(yīng)變分量的構(gòu)造研究，根據(jù)地層記錄重建棱柱體和弧前盆地演化以及闡明巨型帚狀斷層系統(tǒng)淺部的特征、行為和演化信息[21]。IODP319、322作為第二個(gè)階段，技術(shù)更加先進(jìn)，主要科學(xué)目標(biāo)包括在可能安裝觀測(cè)裝置的深度或附近采集巖芯并進(jìn)行井下試驗(yàn)，推斷出四國(guó)海盆的粗粒火山沉積物可能是從位于東側(cè)的火山鏈通過(guò)海底等途徑運(yùn)過(guò)來(lái)的，并成功地采集了構(gòu)成基底的枕狀玄武巖樣品。2010年實(shí)施了第二階段的IODP332、333的工作，在原有鉆孔的基礎(chǔ)上安裝了井眼觀測(cè)臺(tái)，主要成果有完成了對(duì)四國(guó)海盆半遠(yuǎn)洋沉積物上層沉積物理性質(zhì)轉(zhuǎn)換帶的取芯，對(duì)沉積物/玄武巖界面下方100 m范圍內(nèi)的玄武巖進(jìn)行取芯等。南海海槽第三階段鉆探計(jì)劃主要為IODP326、338和348航次，主要針對(duì)深部板塊邊界及斷裂帶進(jìn)行隔水管大口徑鉆探，獲取大型地震發(fā)育機(jī)理。

3.1.4 大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（IODP）階段

2014年國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃實(shí)施了350—352航次的科學(xué)鉆探工作。IODP350航次是在伊豆弧后鉆探的第一航次，以前IODP站位都位于伊豆-小笠原島弧或弧前地區(qū)，導(dǎo)致對(duì)伊豆弧巖漿作用的認(rèn)知并不完整。因此，IODP350航次的主要目的是揭示俯沖工廠“失蹤的那一半”的演化歷史[22]。第二航次，即IODO351航次將聚焦于九州-帕勞海脊西側(cè)，本區(qū)被認(rèn)為記錄了IBM弧早期的基礎(chǔ)、起源和演化過(guò)程[23]。第三航次，即IODP352航次將通過(guò)鉆探IBM島弧外側(cè)的弧前地區(qū)，來(lái)研究俯沖起始過(guò)程[24]。這3個(gè)航次重點(diǎn)研究了地球化學(xué)不對(duì)稱的島弧地殼的起源、弧后巖漿活動(dòng)、原始地殼與地幔性質(zhì)、島弧在古近紀(jì)的成分演化、俯沖開始后的地幔熔融演化過(guò)程、俯沖開始與初始島弧地殼形成過(guò)程等科學(xué)問(wèn)題。

綜上所述，DSDP階段的航次解決了菲律賓海盆的地質(zhì)形成年代和演化歷史的問(wèn)題，對(duì)四國(guó)海盆和大東嶺海盆的擴(kuò)張起源問(wèn)題有了初步的認(rèn)識(shí)，確定了九州-帕勞海脊火山活動(dòng)的時(shí)間和性質(zhì)，提出了TTR型三聯(lián)點(diǎn)：ODP階段探究了伊豆-小笠原-馬里亞納島弧的起源和演化問(wèn)題，并與南海海槽做了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)均有物質(zhì)的遷移和地震帶活動(dòng)的特征；IODP階段分為多階段的南海海槽孕震帶試驗(yàn)，探明了天然氣水合物和增生棱柱體的信息，推測(cè)四國(guó)海盆沉積物的來(lái)源以及深部取芯；IODP階段重點(diǎn)研究了地球化學(xué)不對(duì)稱的島弧地殼的起源、弧后巖漿活動(dòng)以及俯沖開始與初始島弧地殼形成過(guò)程等科學(xué)問(wèn)題。但同時(shí)，仍有一些關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題制約著對(duì)菲律賓海及鄰域構(gòu)造沉積過(guò)程的全面認(rèn)識(shí)。

3.2 菲律賓海前沿地球科學(xué)問(wèn)題

3.2.1 花東海盆的年代和構(gòu)造屬性

花東海盆位于臺(tái)灣島東側(cè)，是西太平洋地球系統(tǒng)中一個(gè)重要的盆地，位于菲律賓海板塊與歐亞板塊的交匯處及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，構(gòu)造位置極為重要[25]，是研究西太平洋板塊從白堊紀(jì)到新生代構(gòu)造演化與動(dòng)力學(xué)機(jī)制的關(guān)鍵區(qū)域[26]（圖3）。目前，對(duì)花東海盆的年齡和構(gòu)造屬性存在較大的爭(zhēng)議，是西太平洋板塊重建的關(guān)鍵。

在新生代時(shí)期，菲律賓海板塊侵位于歐亞板塊與西太平洋板塊之間，古地磁數(shù)據(jù)顯示，在白堊紀(jì)時(shí)期花東海盆和菲律賓海板塊位于赤道附近[27-28]，隨后相對(duì)于歐亞板塊沿著巨型剪切帶一起向北移動(dòng)，大位移地（近2 200 km）運(yùn)行到現(xiàn)今的位置[27]，而花東海盆的洋盆性質(zhì)最初是基于在海盆中識(shí)別出4個(gè)E-W向磁異常條帶[11]，推斷盆地的年齡有：41～36 Ma[1]、15～30 Ma[29]、52～43 Ma[30]等，據(jù)此認(rèn)為它是菲律賓海板塊的一部分，是菲律賓海板塊楔入體的前鋒[31]。后來(lái)拖網(wǎng)采得輝長(zhǎng)巖樣品[32]，單礦物40Ar/39Ar 測(cè)年為131～119 Ma，據(jù)此推斷花東海盆年齡為早白堊世，是板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)遺留給人類的、在菲律賓海盆與歐亞大陸之間唯一的中生代白堊紀(jì)洋盆[33]。因此，花東海盆形成時(shí)代和構(gòu)造屬性、與菲律賓板海板塊的相關(guān)作用關(guān)系是重建中生代時(shí)期太平洋板塊與歐亞板塊之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)關(guān)系一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。

3.2.2 俯沖啟動(dòng)和島弧形成過(guò)程

沒(méi)有俯沖帶就沒(méi)有板塊構(gòu)造，俯沖帶成因是理解板塊構(gòu)造的關(guān)鍵，然而長(zhǎng)期以來(lái)俯沖帶的起始俯沖機(jī)制一直是板塊構(gòu)造理論中最為薄弱的部分，西太平洋邊緣海存在多個(gè)初始擴(kuò)張中心和可能的初始俯沖帶[34]，是研究初始俯沖的優(yōu)良靶區(qū)。與被動(dòng)大陸邊緣的初始擴(kuò)張相比，起始俯沖以及由此產(chǎn)生的洋內(nèi)弧的研究才剛剛起步[35]。

圖3 琉球俯沖板片結(jié)構(gòu)和花東海盆的構(gòu)造屬性[31]a.琉球俯沖板片的重建結(jié)果，b.俯沖之前的菲律賓海板塊結(jié)構(gòu)，c.琉球俯沖板片三維結(jié)構(gòu)。Fig.3 The structure of the Ryukyu subduction plate and the tectonic nature of the Huatung basin[31]a.The floated slab mesh connected at the Ryukyu Trench to the Philippine Sea Plate.b.Structure of the Philippine Sea Plate prior to subduction.c.3D structure of the Ryukyu subducted slab.

菲律賓海四周幾乎全被俯沖帶包圍，其東側(cè)伊豆-小笠原-馬里亞納（IBM）俯沖帶是由古老的西太平洋板塊俯沖到菲律賓海板塊與馬里亞納微板塊之下而形成的，造就了典型的溝-弧-盆體系[36]。以往該地區(qū)的大洋鉆探對(duì)IBM 50 Ma演化過(guò)程中近25 Ma的歷史，通過(guò)火山灰和火山碎屑研究已取得顯著進(jìn)展。然而，對(duì)于IBM形成演化的前半段歷史，尤其是島弧形成的起始過(guò)程，卻知之甚少。九州-帕勞海脊曾經(jīng)與現(xiàn)代IBM島弧連為一體，在約30 Ma的海底擴(kuò)張形成四國(guó)海盆和帕里西維拉盆地之前一起組成了古IBM島弧，大洋鉆探發(fā)現(xiàn)計(jì)劃連續(xù)三個(gè)航次在IBM展開[22-24]，但九州-帕勞海脊作為俯沖起始和島弧形成演化的重要起源區(qū)[37]，開展的鉆探工作明顯不足，制約了對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。因此，以九州-帕勞海脊區(qū)為目標(biāo)，對(duì)俯沖起始機(jī)制進(jìn)行研究，依舊是板塊構(gòu)造學(xué)理論體系中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

同時(shí)，加瓜海脊介于西菲律賓海盆和花東海盆之間，構(gòu)成了兩個(gè)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、形成時(shí)代截然不同的海盆的邊界。最新的多道地震和OBS探測(cè)結(jié)果表明[38]，加瓜海脊之下的地殼厚度相對(duì)于兩側(cè)海盆顯著增厚，海脊地殼的增厚是非對(duì)稱的，可能代表了中新世期間形成的一條夭折俯沖帶，俯沖啟動(dòng)之后短時(shí)間內(nèi)終止，俯沖帶結(jié)構(gòu)被“定格”在了加瓜海脊之下。因此，加瓜海脊可能也是研究俯沖啟動(dòng)過(guò)程的理想場(chǎng)所[34]。

3.2.3 菲律賓海板塊的形成演化和板塊重建

菲律賓海是東亞三大板塊包圍而成的最大邊緣海。三大主要板塊的運(yùn)動(dòng)符合基于海底擴(kuò)張和熱點(diǎn)參照系確定的全球板塊運(yùn)動(dòng)模型[39]。然而菲律賓海板塊自早始新世形成以來(lái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，一直是不確定和有爭(zhēng)議的。

多年來(lái)，不同學(xué)者提出了許多截然不同的菲律賓海板塊重建方案[39-45]?，F(xiàn)今菲律賓板塊與太平洋板塊均以WNW方向高速移動(dòng)，需要其與太平洋板塊之間存在較強(qiáng)的耦合才能實(shí)現(xiàn)。根據(jù)菲律賓海板塊磁條帶確定的海底年齡和擴(kuò)張模式，為在一定誤差范圍內(nèi)部分重建過(guò)去的板塊幾何結(jié)構(gòu)提供了可能[1,32,46]，對(duì)于漸新世末到現(xiàn)在的菲律賓海擴(kuò)張過(guò)程，已發(fā)表的菲律賓海年齡模型之間的差異相對(duì)較小。菲律賓海板塊過(guò)去的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與現(xiàn)今的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)截然不同，古地磁傾角數(shù)據(jù)表明菲律賓海板塊晚中生代以來(lái)板塊漂移中發(fā)生了110°的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)[43]，但是卻很難區(qū)分古地磁數(shù)據(jù)代表的是全板塊旋轉(zhuǎn)還是局部塊體旋轉(zhuǎn)。Lee和Hilde[40]的年齡模式被廣泛用于菲律賓海板塊的重建，認(rèn)為西菲律賓海盆的擴(kuò)張始于59～56 Ma。相反，基于最新放射性測(cè)年結(jié)果識(shí)別出的沖大東熱點(diǎn)遺跡建立的新模型則認(rèn)為西菲律賓海盆的擴(kuò)張始于更晚的54～50 Ma[32,47]。這種年齡與轉(zhuǎn)向差異的不同直接影響了菲律賓海板塊形成與演化重建的結(jié)果。

同時(shí)，西菲律賓海作為規(guī)模較大的不活動(dòng)弧后盆地，其擴(kuò)張作用終止的動(dòng)力過(guò)程仍不明確。西菲律賓海盆殘留的中央擴(kuò)張中心呈NW-SE向，發(fā)育顯著的中央裂谷，被近N-S向的古轉(zhuǎn)換斷層切割，擴(kuò)張作用終止的動(dòng)力學(xué)機(jī)制被認(rèn)為是“失去動(dòng)力”的主動(dòng)停止過(guò)程，但消亡擴(kuò)張中心在巖石圈結(jié)構(gòu)、擴(kuò)張末期熔體作用過(guò)程和物質(zhì)組成等方面的差異，是進(jìn)一步揭示海底擴(kuò)張作用終止過(guò)程和機(jī)制的基礎(chǔ)。

3.2.4 海洋風(fēng)成沉積及其古環(huán)境記錄

海洋風(fēng)塵沉積是指陸源沉積物通過(guò)大氣環(huán)流傳輸并在特定的海區(qū)沉降而形成的沉積物。每年大約有2 000億t風(fēng)塵進(jìn)入大氣層，其中25%落在海洋使得風(fēng)塵沉積成為許多深海沉積物的重要組成部分[48]，而且亞洲是世界上最大的風(fēng)塵源區(qū)之一，觀測(cè)結(jié)果表明，亞洲風(fēng)塵對(duì)海洋沉積物組成和全球氣候變化具有重要的影響[49]。風(fēng)塵通量和粒度變化是海洋風(fēng)塵沉積研究中常用的古氣候代用指標(biāo)。ODP885/886孔的風(fēng)塵粒度記錄了11.8 Ma以來(lái)西風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度的演化歷史，風(fēng)塵粒徑在4.6 Ma時(shí)增加，反映了晚中新世由于氣候變冷所引起的西風(fēng)加強(qiáng)[50]。風(fēng)塵通量的顯著增加反映了亞洲內(nèi)陸干旱化程度的加劇[51]，而且干旱程度變化也會(huì)在石英通量上有所體現(xiàn)[52-53]，風(fēng)塵通量的變化表現(xiàn)為明顯的冰期-間冰期旋回特征，冰期的高風(fēng)塵輸入可能與亞洲內(nèi)陸干旱化程度和東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)有關(guān)[54]。但是，西菲律賓海風(fēng)塵沉積物的不同源區(qū)物質(zhì)輸入通量還無(wú)法定量劃分，風(fēng)塵沉積物在海流與西風(fēng)環(huán)流的耦合搬運(yùn)機(jī)制仍不清晰，同時(shí)亞洲風(fēng)塵與大陸沉積尚缺少更長(zhǎng)時(shí)間尺度和更高分辨率的比對(duì)記錄，未來(lái)在菲律賓海盆鉆取關(guān)鍵站位形成南北和東西斷面對(duì)比，有望揭示新生代亞洲內(nèi)陸干旱程度歷史-西風(fēng)強(qiáng)弱過(guò)程和東亞冬季風(fēng)演化耦合過(guò)程及風(fēng)塵沉積過(guò)程與機(jī)制。

4 科學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)與站位選擇

針對(duì)菲律賓海板塊及周邊地區(qū)的前沿地球科學(xué)問(wèn)題，結(jié)合DSDP-ODP-IODP工作程度、實(shí)測(cè)多道地震數(shù)據(jù)以及菲律賓海板塊調(diào)查研究工作進(jìn)展，并綜合考慮通過(guò)深海鉆探解決科學(xué)問(wèn)題的可行性和難易程度，聚焦3個(gè)科學(xué)目標(biāo)，確定了未來(lái)可能的鉆探井位，主要包括：①俯沖啟動(dòng)和島弧早期演化；②三聯(lián)點(diǎn)巖漿作用過(guò)程；③西菲律賓海盆年代和古地磁。

4.1 科學(xué)目標(biāo)1—俯沖啟動(dòng)和島弧早期演化

了解俯沖帶的肇始機(jī)制，以及洋-洋俯沖產(chǎn)生的洋內(nèi)火山島弧的形成和演變過(guò)程，是板塊構(gòu)造理論最核心的問(wèn)題之一。九州-帕勞海脊和加瓜海脊是不同類型俯沖啟動(dòng)的產(chǎn)物，是研究俯沖啟動(dòng)和島弧早期形成演化的理想場(chǎng)所。在此開展鉆探，不僅獲取俯沖啟動(dòng)和島弧演化早期的巖漿活動(dòng)和沉積記錄，甚至鉆獲夭折俯沖帶之下的俯沖洋殼，能夠?yàn)槠平飧_啟動(dòng)和島弧形成演化過(guò)程提供可能。

九州-帕勞海脊曾經(jīng)與現(xiàn)代IBM島弧連為一體，在約30 Ma的海底擴(kuò)張形成四國(guó)海盆和帕里西維拉盆地之前一起組成了古IBM島弧，是古太平洋板塊向菲律賓海板塊俯沖的產(chǎn)物，視為古IBM的殘留弧。九州-帕勞海脊及周緣原始洋殼基底之上與島弧侵位同時(shí)期的火山碎屑沉積層，記錄了俯沖板塊對(duì)俯沖起始響應(yīng)過(guò)程的證據(jù)，是了解板塊如何起始俯沖的關(guān)鍵場(chǎng)所。

PSP-1站位的位置由2020年采集的MCS-2多道地震剖面控制，位于九州-帕勞海脊西側(cè)，距離海脊頂部邊緣約20 km，站位水深約5 460 m。PSP-1井以鉆穿沉積層并揭露九州-帕勞海脊西側(cè)的玄武巖洋底為目標(biāo)，計(jì)劃完鉆深度6450 m，其中水深約5 460 m，沉積層和基底硬巖鉆進(jìn)990 m。預(yù)計(jì)將在海底之下790 m，即6250 m深度鉆遇玄武巖基底。推測(cè)5 460～6 250 m深度的沉積層以深遠(yuǎn)海沉積物為主，巖性為深海軟泥、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，夾少量陸源碎屑和火山碎屑。6 250～6 450 m為九州-帕勞海脊演化早期形成的中-酸性熔巖和火山碎屑巖，該層之下局部可能發(fā)育枕狀玄武巖和輝長(zhǎng)巖巖脈（圖4）。

PSP-2站位的位置由2020年采集的MCS-2多道地震剖面控制，位于九州-帕勞海脊頂部，站位水深約3 380 m。PSP-4井以鉆穿沉積層并揭露九州-帕勞海脊頂部的島弧基底為目標(biāo)，計(jì)劃完鉆深度4 200 m，其中水深約3 380 m，沉積層和基底硬巖鉆進(jìn)820 m。預(yù)計(jì)將在海底之下540 m，即3 920 m深度鉆遇島弧基底。推測(cè)

3 380～3 920 m深度的沉積層以深遠(yuǎn)海沉積物為主，巖性為深海軟泥、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，夾少量陸源碎屑和火山碎屑。3 920～4 200 m為九州-帕勞海脊演化早期形成的中-酸性熔巖和火山碎屑巖（圖4）。

4.2 科學(xué)目標(biāo)2——板塊演化與三聯(lián)點(diǎn)巖漿作用過(guò)程

西菲律賓海盆中央斷裂帶東端與九州-帕勞海脊交匯處存在已經(jīng)消亡的三聯(lián)點(diǎn)。中央斷裂帶是西菲律賓海盆最后一期海底擴(kuò)張的中心，而九州帕勞海脊代表太平洋板塊向西菲律賓海盆之下俯沖形成的洋內(nèi)弧。由于中央斷裂帶的形成時(shí)代早于俯沖作用且與俯沖帶高角度相交，先存洋殼破裂帶的存在勢(shì)必會(huì)對(duì)俯沖作用引起的熔體作用過(guò)程產(chǎn)生顯著影響，而俯沖作用也可能導(dǎo)致彼時(shí)已經(jīng)停止活動(dòng)或即將停止活動(dòng)的擴(kuò)張中心再次活化。二者之間的復(fù)雜相互作用過(guò)程，可能導(dǎo)致不同來(lái)源的深部熔體發(fā)生大規(guī)模的相互作用，并在海底巖石類型和同位素組成上留下顯著的痕跡。

圖4 菲律賓海深海科學(xué)鉆井預(yù)測(cè)圖Fig.4 Diagram of sequence and lithology of the proposed drilling holes

位于西菲律賓海盆中央裂谷北側(cè)隆起的PSP-3站位由2020年采集的MCS-1多道地震剖面控制，距離中央裂谷軸部約30 km，站位水深約4 460 m。該井以鉆穿沉積層并揭露西菲律賓海盆中央裂谷與九州-帕勞海脊三聯(lián)點(diǎn)巖石組成為目標(biāo)，計(jì)劃完鉆深度4 850 m，其中水深約4 460 m，沉積層和基底硬巖鉆進(jìn)390 m。預(yù)計(jì)將在海底之下220 m，即4 680 m深度鉆遇基底(圖4)。

位于西菲律賓海盆中央裂谷南側(cè)的PSP-4站位由2020年采集的MCS-1多道地震剖面控制，位于中央裂谷東端南側(cè)隆起之外的一個(gè)小型海底火山型凸起之上，距離中央裂谷軸部約80 km，站位水深約4 900 m。該井科學(xué)目標(biāo)與PSP-3井相同，利于裂谷兩側(cè)對(duì)比，計(jì)劃完鉆深度5 180 m，其中水深約4 900 m，沉積層和基底硬巖鉆進(jìn)280 m。預(yù)計(jì)將在海底之下180 m，即5 080 m深度鉆遇基底，該井層序地層格架與巖性與PSP-3井基本相同（圖4）。

4.3 科學(xué)目標(biāo)3—西菲律賓海盆年代和古地磁

古老的西菲律賓海盆年齡和運(yùn)動(dòng)軌跡解釋存在的顯著差異，制約了菲律賓海構(gòu)造演化與板塊重建研究。菲律賓海板塊的構(gòu)造發(fā)展史在很大程度上依賴于古地磁研究，然而，迄今為止用于菲律賓海板塊古地磁測(cè)量的樣品幾乎全部來(lái)自易受局部塊體旋轉(zhuǎn)影響的板塊邊界附近，難以區(qū)分古地磁數(shù)據(jù)代表的是全板塊旋轉(zhuǎn)還是局部塊體旋轉(zhuǎn)。因此，通過(guò)鉆探，在板塊內(nèi)部穩(wěn)定區(qū)域盡可能多地采集樣品，開展古地磁和放射性測(cè)年的研究，是準(zhǔn)確開展菲律賓海板塊重建的基礎(chǔ)。

位于西菲律賓海盆的PSP-5站位由2020年采集的MCS-1和MCS-2多道地震剖面控制，位于MCS-1和MCS-2測(cè)線交點(diǎn)附近，距離九州-帕勞海脊約60 km，站位水深約5 550 m。PSP-5井以鉆穿沉積層并揭露西菲律賓海盆中央裂谷東端北側(cè)的海盆基底巖石組成為目標(biāo)，計(jì)劃完鉆深度6 250 m，其 中 水 深 約5 550 m，沉 積 層 和 基 底 硬 巖 鉆 進(jìn)700 m。預(yù)計(jì)將在海底之下550 m，即6 100 m深度鉆遇基底。推測(cè)5 550～6 100 m深度的沉積層以深遠(yuǎn)海沉積物為主，巖性為深海軟泥、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，夾少量陸源碎屑和火山碎屑。6 100 m之下以西菲律賓海盆海底擴(kuò)張形成的枕狀玄武巖為主，局部可能受九州-帕勞海脊演化早期形成的中-酸性熔巖和火山碎屑巖影響（圖4）。

4.4 菲律賓海鉆探井位匯總

本文根據(jù)目前的調(diào)查研究程度與研究進(jìn)展，選擇西菲律賓海盆中央斷裂帶與九州-帕勞海脊交匯處的三聯(lián)點(diǎn)關(guān)鍵區(qū)域，選取鉆探站位5個(gè)（表2、圖5）。其中，PSP-1、PSP-2站位在九州-帕勞海脊探索可能的俯沖啟動(dòng)過(guò)程；PSP-3和PSP-4站位主要針對(duì)三聯(lián)點(diǎn)巖漿作用；PSP-5站位目的在于獲得額外的古地磁和年代學(xué)樣品，為西菲律賓海盆的形成演化提供約束。

圖5 菲律賓海深?？茖W(xué)鉆探選址關(guān)鍵區(qū)域及井位分布圖Fig.5 Distribution of the proposed wells in the Philippine Sea

PSP-1孔設(shè)計(jì)終孔深度6 450 m，沉積層厚度約790 m，基底硬巖鉆進(jìn)200 m，采用全取芯鉆探；PSP-2孔設(shè)計(jì)終孔深度4 200 m，沉積層厚度約540 m，基底硬巖鉆進(jìn)280 m，采用全取芯鉆探；PSP-3孔設(shè)計(jì)終孔深度4 850 m，沉積層厚度約220 m，基底硬巖鉆進(jìn)170 m，采用全取芯鉆探；PSP-4孔設(shè)計(jì)終孔深度5 180 m，沉積層厚度約180 m，基底硬巖鉆進(jìn)100 m，采用全取芯鉆探；PSP-5孔設(shè)計(jì)終孔深度6 250 m，沉積層厚度約550 m，基底硬巖鉆進(jìn)150 m，采用全取芯鉆探。

表2 菲律賓海科學(xué)鉆探建議井位位置Table 2 Proposed well locations of Philippine Sea Scientific Drilling

5 結(jié)論

（1）系統(tǒng)分析了在菲律賓海及鄰區(qū)已完成的DSDP-ODP-IODP的25個(gè)鉆探航次進(jìn)展與問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)絕大部分鉆探航次和站位集中于日本南海海槽、伊豆-小笠原-馬里亞納溝-弧-盆系統(tǒng)，少量鉆孔分布在板塊內(nèi)部的海底高原和海脊地區(qū)，深海盆區(qū)僅有零星鉆孔分布。鉆探目標(biāo)以弧前增生楔結(jié)構(gòu)和孕震機(jī)理、島弧巖漿作用和大陸邊緣陸殼增生機(jī)制等為科學(xué)主題。

（2）菲律賓海蘊(yùn)含的花東海盆年齡與構(gòu)造屬性、板塊俯沖起始與弧后盆地?cái)U(kuò)張停止機(jī)制、菲律賓海盆年代等科學(xué)問(wèn)題等是制約菲律賓海板塊構(gòu)造演化、板塊重建和古氣候環(huán)境重建的關(guān)鍵。

（3）根據(jù)已有研究進(jìn)展與實(shí)測(cè)資料，在國(guó)際大洋鉆探稀少或空白區(qū)，在九州-帕勞海脊附近選定區(qū)域，聚焦不同科學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)甄選了未來(lái)深海鉆探站位5個(gè)PSP1-5。

（4）根據(jù)地震資料和前期研究成果，對(duì)目標(biāo)層位的深度和巖性特征進(jìn)行了初步預(yù)測(cè)，鉆探實(shí)施預(yù)計(jì)將推進(jìn)以下科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)：①進(jìn)一步揭示俯沖啟動(dòng)機(jī)制和島弧早期演化過(guò)程；②進(jìn)一步揭示三聯(lián)點(diǎn)巖漿作用過(guò)程；③獲取更多的西菲律賓海盆年代和古地磁數(shù)據(jù)，為菲律賓海及鄰區(qū)的板塊重建提供證據(jù)。

致謝：在論文評(píng)審過(guò)程中，審稿專家提出了專業(yè)細(xì)致的評(píng)審意見(jiàn)，使得文稿質(zhì)量大幅提升；在此表示感謝，一并感謝2020年“海洋地質(zhì)九號(hào)”西太航次調(diào)查全體船員及工作人員。