冲绳海槽及邻区火山作用与形成演化

冲绳海槽是新月形的弧后扩张盆地，强烈的构造活动和广泛的火山作用是海槽重要的特征。本文作者主要借助对海槽火山岩的常量元素、微量元素、Sr-Nd 同位素和年龄数据分析，结合火山的时空分布及相关构造地质条件，揭示了海槽火山作用的演化过程及其与本地区构造活动的关系，以便更好地了解海槽和沟-弧-盆体系的形成演化历史。作者通过研究得出:①海槽的火山岩石地球化学特征表明岩石属钙碱性系列，主要包括玄武岩、玄武质安山岩和流纹岩，岩石组成具双峰结构。②在海槽的不同区段内，火山作用具有一定的差异。海槽不同区段内火山带岩浆源区深度的差异，是造成海槽不同区段火山活动性质变化的原因，而岩浆源深度受俯冲带形态和地壳厚度控制。海槽北、中段火山岩以流纹岩和安山岩为主，流纹岩分布在海槽盆地内，形成时代较新( <1Ma)，安山岩大部分分布在岛弧火山带中，形成时代是中、晚中新世。海槽南段火山岩由玄武岩和玄武质安山岩组成，从老到新分布在琉球火山弧(大约13Ma)、台北火山带(3Ma～现代)和南段中央凹陷(晚第四纪)中。③琉球火山弧形成于中、晚中新世(17～6Ma)。但大约12Ma发生的吕宋弧与欧亚板块的碰撞作用改变了本地区的动力条件，而宫古断裂对此次改变起了阻断作用，使海槽南段的张裂要晚于北、中段。另外，中新世琉球岛弧南段的形成确定了海槽南段的弧后盆地性质。 冲绳海槽是年轻的弧后盆地，其岩浆、构造活动发育。对海槽岩浆作用的研究可上溯至20世纪50年代，但由于海水及恶劣气候等条件的制约，几十年来对海槽研究程度仍很有限，且在不同区段有很大差异。特别是对区内岩浆作用的研究，极大地受到样品采集偶然性的限制。作者收集前人资料综合对比海槽不同区段内火山活动的异同，了解海槽火山活动研究中的成就与问题， 为进一步开展此项研究打下基础。     

冲绳海槽火山成因斜长石的分布及成分特征

对冲绳海槽表层样和柱状样中与火山作用有关的斜长石进行了初步研究，根据斜长石的分布特征和Ａｎ值演化特征讨论了该区岩浆－火山作用活动特点。     

冲绳海槽现代海底热液活动研究概况

1948年,瑞典“信天翁号”调查船在红海发现高温高盐溶液和多金属软泥,至此揭开了海底热液活动研究的序幕。随着全球范围内大洋调查活动的展开,先后在大洋中脊、断裂活动带、岛弧和弧后扩张盆地发现了众多的海底热液活动区以及颇具经济远景的海底热液多金属矿产资源,从而使海底热液活动的调查与研究成为地区中热点领域。冲绳海槽作为一个年轻的弧后扩张盆地,是环太平洋火山、地震带的一个重要组成环节,构造活动和火山作用频繁。其特殊的地理位置、地质现象引起了各国学者的注意,并从1984年开始在冲绳海槽(主要是中部)发现了多处热液活动区。…     

冲绳海槽断裂、岩浆构造活动和洋壳化进程

讨论了冲绳海槽断裂、岩浆构造活动特征和它们之间的关系,认为雁行排列的地堑斜交于陆架外缘隆起带,海槽北段断块隆脊、龙王构造带和海槽南段"棉花构造带"可能保留了海槽各幕断陷前的火山岩浆活动特征,而现在活动的吐噶喇火山岛弧可沿海槽南段岛坡追踪到台湾。吕宋岛向台湾的碰撞挤压引起的旋张活动加强了海槽南段的地壳拉张,诱发了地堑内火山岩浆活动,在洋壳化进程中起关键作用,其中最典型的八重山地堑已经形成洋壳。断裂和岩浆活动主要是单向地向岛弧侧迁移,由洋中脊扩张产生的对称条带状磁异常模式难以解释冲绳海槽的洋壳化进程。     

冲绳海槽北段的重磁场特征及地质意义

１９９２年之前,国内对冲绳海槽的调查研究主要集中在海槽的中部和南部,而对其北段的调查研究工作却很少。根据实测的重磁异常,较深入地分析了海槽北段的地球物理场特征,构造活动地壳结构及应力状态,结果表明冲绳海槽北段同样具有强烈的地壳构造活动。     

冲绳海槽北部的构造活动性硏究

西北太平洋各个边缘海盆虽同处于环太平洋构造活动带,但构造特征、形成机制和构造演化各不相同。例如南中国海发育在东亚大陆边缘,经过多次扩张形成了中央海盆,发育了大洋地壳,但洋陆壳边缘无火山弧发育,亦无明显的构造活动特征,地磁场平静,因此属于大西洋型边缘海盆。另一类边缘海盆如马里亚纳海槽,发育在两个海洋板块的汇聚带上,发育了活动的火山弧(马里亚纳弧)和残留弧(西马里亚纳弧),两列弧在北端合并为小笠原弧。四国海盆和帕里斯维拉(Parece Vela)海盆也属此类。 冲绳海槽与以上两类海盆不同,它发育在东亚大陆边缘地壳上,由陆壳张裂而成。在冲绳海槽和琉球海沟之间既发育了活动的火山弧(吐喀喇火山弧),也发育了大陆地壳性质的非火山弧(琉球弧主体)。东南亚地区的日本海、苏禄海槽(Sulu Trough)、班达海(Banda Sea)、安达曼海(Andaman Sea)属于这种类型的边缘海盆。但是如果把具有复杂的斜向张裂的安达曼海除外,冲绳海槽是世界上唯一一个典型的发育在大陆边缘,由陆壳张裂而成,处于裂谷作用最高阶段,海底扩张即将出现的弧后活动盆地。因此,冲绳海槽的现代构造演化将是这类边缘海盆演化的典型例证,对冲绳海槽构造活动性的深入分析研究将具有全球意义。 世界各国学者对冲绳海槽进行了许多调査研究,但主要集中在海槽的南部和中部,对海槽北部调查研极少,研究程度也最差。本文根据中国科学院海洋研究所自1988年以来在冲绳海槽北部完成的大量实测地质、地球物理资料,结合国内外其它单位的洋洋地球物理调查资料(包括海洋反射地震测量、海洋重力测量、海洋地磁场测量和水深测量),对冲绳海槽北部进行了较为详细的地质构造学研究。结果表明,冲绳海槽北部表现出强烈的构造活动特征,而不同于国内外本研究领域内流传的“冲绳海槽构造活动性南强、北弱”的观点。     

冲绳海槽的地质构造属性

冲绳海槽构造属性是地学界争论的问题之一,迄今已提出过断陷盆地、坳陷盆地、弧间盆地、弧后盆地、边缘海盆、张裂盆地等多种看法。本文作者在多次赴冲绳海槽调查和系统总结前人研究成果的基础上提出,冲绳海槽是一条现代活动裂谷,具有一系列典型的裂谷构造特征,其活动机制属于与洋壳俯冲作用有关的弧后裂谷。     

南沙海槽断裂带活动性初步分析

主要讨论了南沙海槽断裂带的活动性和构造演化过程,并对海槽及附近海域的地质稳定性因素进行了分析。发现南沙海槽有活动断裂、火山岩侵入、海底滑塌和地震等不稳定因素。南沙海槽形成演化过程较为复杂,经历过多期逆冲推覆变形和褶皱隆升等构造活动,其中逆冲和隆升等活动现今可能仍在进行,属于次不稳定区域。另外,海槽西南端有滑塌现象和海底阶梯存在,工程地质条件较差。所以,海槽及邻近海区的工程建设需要特别注意这些不稳定因素,应尽量避开不稳定地区或采取工程加固措施等。     

广角反射/折射地震探测揭示的冲绳海槽地壳结构

广角反射/折射地震探测是研究冲绳海槽地壳结构与性质的有效方法。通过收集整理冲绳海槽及邻区广角反射/折射地震研究成果,对冲绳海槽地壳结构性质进行了探讨。结果表明,冲绳海槽地壳厚度较薄,绝大部分地区属于减薄的陆壳,但局部已出现洋壳;海槽北、中、南三段处于不同的构造演化阶段,地壳厚度、结构、减薄方式等存在较大差异;琉球俯冲带不同分段活动特征及构造应力场的不同是造成冲绳海槽地壳结构性质和构造演化南北差异的主要原因;冲绳海槽内洋壳局限于海槽中、南段轴部,在轴部地堑沿走向方向布设OBS测线将有助于进一步确定洋壳的存在。     

冲绳海槽浮岩微量元素的特征及其地质意义

对冲绳海槽9个浮岩样品做了仪器中子活化分析。根据浮岩微量元素的特征讨论了岩浆的物质来源、结晶演化过程以及岩浆活动与冲绳海槽地质构造的联系。提出冲绳海槽黑色浮岩和灰白色浮岩不仅来自不同的岩浆源,而且经历了不同的形成过程。灰白色浮岩反映了冲绳海槽的地质构造性质,在成因上与海槽区的构造活动有关。     

东海陆架外缘区构造特征及其成因机制

东海陆架边缘的构造特征记录了有关冲绳海槽张裂过程的关键信息,对于进一步理解海槽的形成演化以及弧后张裂与弧-陆碰撞之间的相互作用至关重要。本文基于多道地震和重磁资料,分析了东海陆架边缘的地形和构造特征,并对冲绳海槽早期张裂过程、北西向断裂带的分隔控制作用、钓鱼岛隆起带南北构造差异和冲绳海槽的向西前展等问题进行了探讨。结果表明,冲绳海槽西侧陆坡存在的分段性,各分段在地形地貌、地层展布和构造特征等方面的不同,体现了其构造演化和现今构造活动性的差异。冲绳海槽中—北段的张裂始于陆架前缘坳陷,在晚中新世向东扩展至整个海槽,晚中新世至今以分散式张裂为主。北西向断裂带对东海陆架边缘不同分段的构造特征和构造活动起到了分隔控制和转换协调作用,控制了不同类型陆坡的形成和发育。受冲绳海槽在全宽度上向西前展的影响,钓鱼岛隆起带南段的基底隆起及其支撑的陆架边缘发生了破坏和沉降,形成基底起伏较大、地形崎岖不平的陆坡。     

重磁资料揭示的冲绳海槽及邻区断裂和岩浆岩分布北大核心CSCD

冲绳海槽及邻区是强烈的构造活动区,断裂和岩浆岩分布广泛。以1∶100万重磁数据为基础,计算了空间重力异常、布格重力异常和ΔT磁异常的垂向和水平方向一阶和二阶导数,通过对比计算结果,对冲绳海槽及邻区断裂和岩浆岩分布特征进行了研究。结果表明,冲绳海槽发育平行和垂直于海槽走向的两组断裂带,其中垂直于海槽走向的NW、NWW向断裂带为走滑断裂,在东海构造演化过程中长期发育并逐渐向东前展,受不同时期构造应力场变化的影响,走向自西向东发生变化,整体呈现NE向凸出的弧形;岩浆岩呈带状分布,海槽东侧自北向南纵贯海槽的岩浆岩带与琉球火山前锋相对应;与钓鱼岛隆褶带相对应的宽阔岩浆岩带南端终止于27°N的NW向断裂带附近;海槽南段轴部岩浆岩带与海槽现今的扩张活动有关,而陆架边缘和陆坡上部的台北-钓鱼岛火山岩带的构造属性不同于北部的钓鱼岛隆褶带。     

重磁资料揭示的冲绳海槽及邻区断裂和岩浆岩分布

冲绳海槽及邻区是强烈的构造活动区,断裂和岩浆岩分布广泛。以1∶100万重磁数据为基础,计算了空间重力异常、布格重力异常和ΔT磁异常的垂向和水平方向一阶和二阶导数,通过对比计算结果,对冲绳海槽及邻区断裂和岩浆岩分布特征进行了研究。结果表明,冲绳海槽发育平行和垂直于海槽走向的两组断裂带,其中垂直于海槽走向的NW、NWW向断裂带为走滑断裂,在东海构造演化过程中长期发育并逐渐向东前展,受不同时期构造应力场变化的影响,走向自西向东发生变化,整体呈现NE向凸出的弧形;岩浆岩呈带状分布,海槽东侧自北向南纵贯海槽的岩浆岩带与琉球火山前锋相对应;与钓鱼岛隆褶带相对应的宽阔岩浆岩带南端终止于27°N的NW向断裂带附近;海槽南段轴部岩浆岩带与海槽现今的扩张活动有关,而陆架边缘和陆坡上部的台北-钓鱼岛火山岩带的构造属性不同于北部的钓鱼岛隆褶带。     

南冲绳海槽岩石圈构造动力作用机制探讨

由最新获得的重磁、地震和多波束地形数据 ,结合多尺度的地幔流动力分析 ,展示了南冲绳海槽岩石圈构造动力的多样性特征和其内在的联系。从上新世开始的三幕张性断陷活动是在以前的压性断裂构造的基础上发展起来的 ,向岛弧侧迁移 ,岩浆、火山活动主要集中在正断层与平移断层的交汇处。深部动力源可归结为上地幔对流产生的菲律宾海板块俯冲 ,引起岛弧岩石圈挤压褶皱而向海沟旋张掀斜 ,产生弧后岩石圈的张性构造 ;进一步引起弧后软流圈挤压隆起 ,岩石圈与软流圈耦合作用导致海槽断陷张裂、岩浆活动。冲绳海槽仍是一个软流圈在汇聚的弧后盆地。全球性左旋压扭滑移背景 ,琉球海沟南段俯冲受阻小、强度大 ,台湾—吕宋的北向挤压 ,使海槽表现为剪张性 ,由平移断层调控使张性断裂左旋雁行排列 ,整个海槽张性构造由北往南推进 ,张应力方向由NW过渡到NNW。     

冲绳海槽弧后扩张证据及关键问题探讨

在冲绳海槽区采用国内最新勘测的多波束数据构建高分辨率的DTM(Digital Terrain Model),选择典型海区绘制了相应的三维海底形态图件,并在此图件基础上定量分析了冲绳海槽典型构造地貌形态：海底峡谷、海山、构造洼地和构造台地,统计分析表明冲绳海槽存在近似平行和近似垂直海槽轴向两种走向的构造地貌单元。对构造地貌的成因机制进行了推测,认为菲律宾板块和欧亚板块间的相互作用是产生与海槽走向垂直的构造形态和弧后扩张的动力源,而弧后扩张则产生了沿海槽走向分布的线性海山和雁行排列的构造洼地。在中部和南部海槽这两种作用力交织在一起,产生两类海底地貌形态共存的构造格局。对目前关于冲绳海槽构造研究的几个关键问题进行了探讨,阐述并支持了冲绳海槽弧后盆地扩张成因的观点;定量估算了冲绳海槽三幕构造运动的方向、扩张量和半速率;从动力学角度阐述了沟-弧-盆体系的形成演化过程;阐述了冲绳海槽三幕构造运动的演化过程和特征：中新世的拱顶、断陷,上新世—早更新世的被动拉张,晚更新世—全新世后的主动弧后扩张。三幕构造运动的方向、特征和动力机制明显不同,运动方向的多次改变导致海槽内多种走向构造地貌的存在。近代的海槽扩张有明显活跃和加速趋势。     

冲绳海槽沉积演化的时空特征

冲绳海槽是晚中新世(9～6Ma)以来形成的与板块俯冲作用密切相关的弧后盆地。将冲绳海槽的沉积演化分成3个阶段：中新世晚期(9～6Ma)-上新世末期(2Ma)、上新世末期-晚更新世(130ka)、晚更新世-现在。研究分析表明,冲绳海槽北段发育最早(中新世晚期),但盆地演化程度最低;中段发育次之而演化程度高;南段发育晚(上新世末期)而演化程度高。现阶段的冲绳海槽,其北段处于衰退期,而中段和南段处于扩阔期。构造活动在盆地的演化中占主导作用,它首先为海槽相当长的地质时期内提供宏观的初始沉积格局,其次为盆地沉积提供部分沉积物质(火山物质和热液)。在构造活动强烈的时期,地壳拉伸对沉积层序的影响大于沉积作用,当构造活动趋于缓和时,相对海平面变化控制了盆地内部沉积结构的变化。     

冲绳海槽断裂构造的研究

通过解释反射地震剖面,计算处理重磁资料,数学模拟构造应力场以及综合分析其它地质、地球物理资料可知,冲绳海槽是一个正在活动的弧后盆地,具有高热流、强地震、多火山、薄地壳、高重力、活断层等特征。海槽内发育了两组断裂构造,其中NW向断裂是具有分割控制作用的特殊断裂,NNE向断裂是梨形正生长断层;两组断裂从中新世活动至现代。     

冲绳海槽横断裂初探

冲绳海槽作为一个新生弧后盆地发育了北西向和北北东向两组断裂构造,其中北西向横断裂横切整个琉球沟弧盆体系向两端延伸.此类断裂具有规模大、断面陡、大致等间距分布、形成早并多期活动、分割控制两侧断块等特点.为一类控制海槽形成演化的重要断裂构造.     

冲绳海槽南部海底热液活动区地形地貌特征及成因分析

为了进一步理解构造地质过程对弧后盆地热液活动及成矿作用的影响和控制,以实测和收集的多波束资料为基础,对冲绳海槽南部多个海底热液活动区的地形地貌特征进行了精细刻画。结合前人研究成果,从构造地质学的角度分析了热液区地形地貌的成因机制。结果表明,冲绳海槽南部热液区均为海底火山成因地貌,不同热液区的海底地貌分属于不同类型岩浆作用的产物:D海丘受岛弧和弧后盆地岩浆作用的双重影响,A海丘群由岛弧为主的多源岩浆作用产生,C海丘和B海丘群属于琉球火山岛弧,雨花海丘形成于造山期后地壳伸展导致的岩浆上涌。冲绳海槽中央地堑与琉球火山岛弧的交汇处有利于形成大规模岩浆和地热活动。琉球火山岛弧的岩浆活动存在时空迁移,与海槽构造演化过程中由分散式裂陷向中心式裂陷的转换有关。唐印热液区的存在表明台湾北火山带在槽底北缘及陆坡区仍具有较强的岩浆和地热活动性,是未来冲绳海槽南部海底热液调查的重要靶区之一。     

以大洋钻探开展冲绳海槽热液活动研究的建议

关于沟弧盆构造体系下的海底热液活动,因涉及的问题繁多,一直是海洋地质学界十分注目的重要研究课题。相比之下,西太平洋沟弧盆体系的马里亚纳海槽和西南太平洋的汤加－斐济海盆中的劳海盆都有ＤＳＤＰ／ＯＤＰ的支撑,有关海底热液活动及其构造属性、地壳类型、形成时代等已有了十分明确的结论,唯冲绳海槽至今尚未有此机会。为了迎接１９９８年大洋钻探船来西太平洋海域,特建议在冲绳海槽设站钻探,可在地理座标２７°１５′～２７°３５′Ｎ,１２６°５６′～１２７°１０′Ｅ的范围、水深１３００～１５５０ｍ水域内海底热液活动活跃区选站,连续钻探４～５孔,其目的拟解决以下４个问题：１．冲绳海槽现代海底热液活动通道在岩层中的最大透过深度及其岩石学性质;２．冲绳海槽的热液类型和成岩成矿作用;３．热液活动与地壳性质;４．热液活动在沟弧盆体系演化中的意义。