南海东部边缘火山活动所反映的板片窗构造

从全球板块构造环境来看,与洋脊俯冲有关的板片窗占据绝大部分比例,俯冲洋脊板片正处于新生过程,热量大,具有正浮力(10 Ma),在俯冲过程中容易撕裂形成板片窗。南海古扩张脊沿马尼拉海沟向菲律宾海板块俯冲,南海东部边缘火山活动在吕宋岛上表现为东西双火山链,上新世期间,西火山链停止活动,而东火山链内的岩浆活动几乎完全是在第四纪。东西双火山链在20°N向南开始分支,东火山链在17.8°N停止,西火山链往南一直延伸到民都洛岛,东西火山链之间的火山空隙即反映了南海古扩张脊沿马尼拉海沟向菲律宾海板块俯冲形成的板片窗构造。同时,根据吕宋岛晚中新世以来埃达克岩的空间分布空隙和时间空隙特征,反映在吕宋岛17°~17.5°N存在板片窗构造。     

马尼拉海沟几何形态特征的构造演化意义

通过对马尼拉海沟海底地形地貌、构造特征及其相关地震等数据资料的分析,结合俯冲带动力学数值模拟成果,尤其是Schellart等的模式,详细讨论了马尼拉海沟几何形态、海沟南北段俯冲角度突变等构造特征。分析认为,南海中代表古扩张脊的黄岩海山链的俯冲挤入对马尼拉俯冲带的几何形态没有造成较大的影响,其几何形态较符合中等长度(2000～3000km)的海沟模型。由海沟后退和板片反转引起的平行于马尼拉海沟方向的地幔流加剧了海沟南北段俯冲角度的突变。     

台湾增生楔的构造单元划分及其变形特征

台湾增生楔位于欧亚板块、菲律宾海微板块和南海的结合部位,是现代弧陆碰撞研究的理想场所。通过对南海973航次在该区域的多道地震剖面的解释,对该增生楔进行了构造单元的划分,并分析了变形特征。认为台湾增生楔是由3个部分,即弧陆碰撞产生的增生部分、洋内俯冲产生的增生部分和增生楔后端在恒春海脊和北吕宋海槽之间的构造楔组成,研究区的高屏斜坡、恒春海脊和北吕宋海槽西端变形带分别是3个部分的反映。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微板块俯冲,形成增生楔中洋内俯冲增生部分;与此同时菲律宾海微板块开始向NW方向移动,前缘的吕宋岛弧自6．5Ma B．P以来与亚洲陆缘斜向碰撞,形成增生楔中弧陆碰撞增生部分。碰撞首先发生在台湾岛的北部,由于弧陆强烈的挤压作用,增生楔后端部分向北吕宋海槽倒冲楔人,使得上部的北吕宋海槽的沉积发生隆升变形。滨海的各个地貌单元可以和台湾陆上的地貌单元相联系,它们具有相似的地质特征,但是由于陆上部分增生历史久,不仅抬升为陆,而且地层的年代也更老。     

试探马尼拉海沟的成因

本文认为,中新世以来,在太平洋板块北西西向推移、帕里西维拉海盆及马里亚纳海槽东西向扩张的共同作用下,使得菲律宾海板块向西推挤,由此推动吕宋微板块向西移动,并向南海洋壳上仰冲,从而形成了马尼拉海沟.     

晚始新世以来雅浦海沟-岛弧构造演化模式

雅浦海沟-岛弧构造体系是菲律宾海板块与太平洋板块、卡罗琳板块相互作用而形成的构造俯冲带,其南北两段俯冲带在海底地形地貌、地球物理场、应力场特征等方面表现出显著的差异。北段俯冲方向为近东西向,总体表现为俯冲角度较小、俯冲深度浅、俯冲速度较快、应力场呈俯冲拉张型等特征;南段由东西方向的俯冲过渡至北北西向,总体表现为俯冲角度大、俯冲深度较深、俯冲速度极慢、应力场呈俯冲挤压型等特征。这些差异的形成经历了2个主要的构造演化阶段:菲律宾海板块与太平洋板块在晚始新世至晚渐新世期间相互作用并形成了古马里亚纳-雅浦海沟;晚渐新世以来菲律宾海板块与卡罗琳板块的相互作用对古海沟构造改造,进而造就了雅浦海沟-岛弧当今复杂的构造形态。     

日本南海海槽俯冲带的地质特征及其构造意义

日本西南部的南海海槽是一个典型的俯冲系统，由菲律宾海板块向欧亚板块俯冲形成，其俯冲板片包含了九州-帕劳洋脊（KPR）、Kinan海山链、四国海盆和伊豆-小笠原岛弧（IBA）等多种地质单元。为了研究不同地质单元的板块俯冲效应，本文系统分析了南海海槽的地球物理和岩石地球化学特征。重力和热流特征显示南海海槽中部具有低的重力异常（-20–-40 mGal）和高的热流值（60–200 mW/m²），而东西两侧的热流值（20–80 mW/m²）较低。地震模拟结果显示俯冲板块的地壳厚度为5–20 km。地球化学结果表明俯冲板块的下覆地幔成分从西到东逐渐亏损。无震洋脊（如KPR、Kian海山链和Zenisu洋脊）的俯冲是控制南海海槽俯冲效应的主要因素。首先，无震洋脊的俯冲可能使上覆板块发生变形，沿着增生楔前缘出现不规则的地形凹陷。其次，无震洋脊的俯冲是大型逆冲地震的止裂体，阻碍了南海海槽1944年Mw 8.1和1946年Mw 8.3地震破裂的传播。此外，KPR和热的、年轻的四国海盆的俯冲会导致俯冲板片熔融，在日本岛弧上出现埃达克质岩浆活动，并为斑岩铜金矿床提供成矿物质。地球物理和地球化学特征的差异表明尽管IBA已经和日本岛弧发生碰撞，但作为IBA的残留弧，KPR仍然处于俯冲阶段，与日本岛弧之间有明显的地形分界，呈现单向收敛的状态。     

日本九州俯冲带b值成像及其构造意义 *

日本九州俯冲带是菲律宾海板块与欧亚板块汇聚边界上一个独具特色的区域, 也是研究俯冲带内板块构造作用的理想场所。为了解该俯冲带内的板间应力状态和相互作用, 本研究利用震源深度大于20km的97251个地震事件, 通过b值计算详细刻画了该俯冲板片上表面以及垂直海沟走向的剖面特征。结果发现, b值表现出明显的空间变化, 整体上沿南海海槽和琉球海沟从东北往西南方向逐渐增大, 同时在俯冲的九州-帕劳海脊上存在显著的低值区。从b值与应力的负相关性推断, 进入俯冲带的海脊以及海脊东北侧的四国海盆洋壳与俯冲带上覆板片耦合作用较强; 而在海脊西南侧, 俯冲带内汇聚板片的耦合作用相对较弱。究其原因, 本文认为九州-帕劳海脊两侧俯冲洋壳在形成时代和汇聚速率上的差异起着重要作用。对于九州-帕劳海脊来说, 俯冲带浅部的低b值区主要是由于隆起的海脊增强了与上覆板块的耦合作用。随着俯冲深度的增加和俯冲板片倾角的急剧变陡, 沿海脊可能发生了板片撕裂, 从而释放了海脊与上覆板片间的挤压-剪切应力, 使耦合程度大大减弱。     

板块俯冲侵蚀雅浦岛弧的地形制约

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(41km);(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。     

南海南沙海槽深部热状态及其构造意义

南沙海槽是古南海俯冲消亡、南沙地块与婆罗洲碰撞的关键区域, 其构造演化史记录了南海前世今生的重要信息。为深入认识对其构造变形有重要影响的南沙海槽深部热状态, 本文首先利用热传输方程分析了滑坡体快速堆积的热披覆效应对海槽底部深水区海底观测热流的影响, 然后利用磁异常的频谱分析技术获取南沙海槽及其邻区的居里面深度。结果表明, 受沉积物快速堆积的影响, 南沙海槽底部深水区文莱滑坡范围内现今海底热流测量值仅为深部背景热流的60%~77%, 推测该区深部背景热流约为77~98mW·m^-2; 南沙海槽内居里面深度一般小于16km, 比位于其北侧的南沙岛礁区居里面深度(18~24km)小。现今南沙海槽区深部具有较高的背景热流, 该区较高的热状态与其地壳强烈减薄特征对应, 是华南陆缘裂陷和南海形成演化的结果。     

南海南部造山运动及其与古南海俯冲的成因联系

古南海的展布范围以及俯冲消亡过程等一直是地质学家们争论的焦点问题。这不仅与南海扩张诱因密切相关,而且对南海地球动力学研究有重大的指导意义。在研究前人文献的基础上,对南海南部造山运动以及古南海俯冲过程之间的关系进行详细的论述。结果表明,南海南部构造活动主要分为两期:第一期运动从早白垩纪到晚白垩纪,古太平洋的洋壳俯冲到婆罗洲岛下方,俯冲带位于现今卢帕尔线一带,引起了曾母-南沙地块不断向西南婆罗洲靠近,并于晚白垩纪引发了碰撞造山运动。由于婆罗洲自身是由众多地块拼合而成,所以在始新世期间发生了多期碰撞之后的地块变形重组事件。最终在晚始新世(37 Ma)完成最后一期变形(沙捞越运动)。第二阶段是晚始新世(35 Ma)到中中新世(15.5 Ma),位于西巴拉姆线以东至菲律宾卡加延一带的古南海从西巴拉姆线以东,向婆罗洲岛下方俯冲,随后扩散到沙巴以及巴拉望岛以南的地区,直至菲律宾的民都洛岛一带停止俯冲。由此产生的拖曳力是南海扩张的主要诱因。与古太平洋板块俯冲产生的效果相似,古南海的俯冲使得婆罗洲岛与南沙地块不断靠近。在中中新世(15.5 Ma),引起南沙地块与婆罗洲岛在沙巴地区的碰撞(沙巴造山)以及巴拉望北部陆壳与菲律宾岛弧的碰撞而停止。由此带来的不整合面在南海南部普遍可见,甚至到达了巴拉望岛一带。而现今南沙海槽与巴拉望海槽并非是俯冲带的前渊,前者是对沙巴新近纪增生楔重力驱动变形的响应,后者是巴拉望岛北侧伸展背景下产生的半地堑盆地,在后期增生楔的作用下发生强烈沉降所形成。真正的俯冲带则分别位于南沙海槽东南部以及巴拉望海槽东南部。据现有证据推测,最少在10 Ma之前古南海就在菲律宾民都洛一带停止俯冲,从而完成了整个古南海的封闭。     

冲绳海槽构造活动的差异性及其非同步发展

冲绳海槽的地质和地球物理特征,特别是其构造活动性表明,海槽轴部存在一个扩张应力场,是弧后扩张形成的边缘盆地。其基本特征和构造活动性从东北至西南差别明显,具有南北分段的特点。据此作者把海槽分为扩张作用非同步发展的三段;东北段处在扩张前以裂陷为主的地堑或半地堑阶段;中段处于初始扩张过程的裂谷阶段;西南段则处于相对高级扩张的弧后盆地阶段。这种非同步发展可能是由于菲律宾海板块向亚洲大陆俯冲过程中,其速度在时间和空间上的差异性所致。     

台湾岛与吕宋岛之间的马尼拉海沟北段地壳结构和变形

菲律宾海板块沿台湾岛和吕宋岛之间东倾的马尼拉海沟向欧亚板块仰冲。板块汇聚边缘自南而北逐渐由南海岩石圈的正常俯冲过渡到台湾造山带的初始碰撞。与俯冲相关的地震遍及台湾附近，往台湾方向增生体急剧增宽。为了认识这种以俯冲一碰撞转换带为特征的汇聚板块边缘，我们分析了12条位于吕宋岛与台湾岛之间横切马尼拉海沟的地震反射剖面。结果显示，南海海盆北部基底通常向东和向南倾。在马尼拉海沟北段，海沟充填沉积物南部比北部多，t0层序界面是近海沉积与海沟充填沉积物的界面。可能由于台湾地区的碰撞作用，t0层序北部坡度更平缓或者被抬升。构造分析显示，马尼拉海沟北段俯冲地壳具有三个特征带：正断层带（NFZ）、原始逆冲带（PTZ）和逆冲带（TZ）。正断层带主要由俯冲地壳顶部或上部的一系列正断层组成，在接近深海沟的部位，这些正断层逐渐被海沟充填沉积物所覆盖，暗示正断层带发生在地壳开始弯曲、并引起上部沉积层重力变化的地方。由于增生体附近板块边缘强烈的汇聚作用，一些被埋藏的正断层而被活化为隐伏逆冲断层。原始逆冲带位于正断层带和增生体的前缘逆冲带之间，含隐伏的逆冲断层或者褶皱而不是逆冲断层。海沟区正断层、隐伏逆冲断层和逆冲断层在地壳结构中的连续分布，指示隐伏逆冲断层是沿着之前拉张正断层的位置发育的。上部沉积层的脆性变形很可能是强烈的挤压作用和水分较少的原因所致，最终隐伏逆冲断层可能向上发展，成为海底逆冲断层。     

我国南海历史性水域线的地质特征

40a的海洋地质、地球物理实测研究表明,九段线不仅是显示我国南海主权的历史性水域线,而且总体上也是南海与东部、南部和西部陆区及岛区的巨型地质边界线。根据实测数据,本文将从地质成因、来源、演化的角度论述此南海历史性水域线的合理性。主要结论包括:历史性水域线的东段在地形上基本与马尼拉海沟一致,海沟西侧为南海中央海盆洋壳区,东侧为菲律宾群岛。根据国际地质研究的资料,菲律宾群岛始新世以前位于较偏南的纬度,后来于中晚中新世(距今16~10Ma)仰冲于南海中央海盆之上,因此菲律宾群岛是一个外来群岛。而黄岩岛在马尼拉海沟以西,是中央海盆洋壳区的一个岛礁,与菲律宾群岛成因不同。南海历史性水域线的南段在地形上基本与南沙海槽一致,伴随南沙地块由北部陆缘向南裂离,古南海洋壳沿此海槽以南俯冲至加里曼丹岛陆壳之下,因此南沙地块与加里曼丹陆块为两个来历不同的地块。南海历史性水域线西段的分布在地形上与越东巨型走滑断裂带基本一致,可能与西沙地块、中沙地块、南沙地块从南海北部陆缘向南滑移有关。南沙地块北缘陡直的正断层结构,突显中央海盆是拉裂形成,其基底和中新生代地层与北部珠江口盆地的地层结构可以对比,说明南沙岛礁原属我国华南大陆南缘,后因南海的形成裂离至现今的位置。     

南海中南—司令断裂带的延伸特征及其与南海扩张演化的关系

为了确定中南—司令断裂带在南海海盆及其在南部陆缘的延伸位置,并探讨其与南海扩张的关系,本文利用重磁异常、地震、莫霍面深度、P波速度特征、钻井拖网资料,对中南—司令断裂带的延伸位置进行了综合地质和地球物理研究,厘定了中南—司令断裂带在东部次海盆与西南、西北次海盆之间呈NS向延伸,并南延至南海南部陆缘之上,深度上切割至莫霍面。根据南海海盆中磁异常条带走向的变化,及磁异常条带、走滑/转换断裂、扩张方向的印证关系,结合前人对古南海"剪刀状"碰撞闭合、南海扩张演化、构造应力场的研究,提出在32~25 Ma,伴随着南海东部次海盆的NNW向扩张,南海海盆及南沙地块整体发生顺时针旋转,使中南—司令断裂走向由形成初期的NNW向转变为N—S向;23.5 Ma之后,顺时针旋转停止,南海东部次海盆继续NNW向扩张,西南次海盆呈NW—SE向渐进式扩张。作为一条切穿地壳的深大断裂,中南—司令断裂与红河-越东断裂、马尼拉海沟断裂三条深大断裂一起组成区域"滑线场",制约南海海盆的扩张与南沙地块的南移。     

西太平洋雅浦俯冲带的地貌及地层结构特征

2015年中科院海洋所在西太平洋雅浦海域首次开展了综合地球物理调查,并同步采集了重磁震及多波束、浅地层剖面等数据,主要利用采集的多道地震剖面及多波束数据研究了雅浦俯冲带主要构造单元的地貌及沉积地层结构特征,并进一步探讨了加罗林洋脊俯冲作用下的构造特征。研究表明弧后的帕里西维拉盆地为区域沉积中心,最厚处可能发育近千米沉积层,而雅浦海沟内未发育明显水平沉积,以俯冲侵蚀作用为主;加罗林俯冲板片之上的加罗林洋脊因其特殊的地形地貌改造了俯冲带的构造发育特征,可能造成了岛弧岩浆作用的南、北部差异;揭示了雅浦海沟北段的地貌及地质结构细节特征,认为加罗林洋脊的高地形可能导致了海沟附近的俯冲板片更大的挠曲拉张量,从而形成垒堑构造带;为索罗尔海槽的盆地张裂结构提供了多道地震剖面证据,并推测了海槽的形成年代。     

洋中脊-地幔柱、地幔柱-海沟与海沟-洋中脊相互作用

由热点假说的提出发展到静态地幔柱学说和动态地幔柱模式,到现在研究较多的大型火成岩省、脊-柱相互作用和脊-沟相互作用,海底构造研究取得了巨大进步。柱-脊相互作用可导致洋中脊的分段、跃迁与石化过程,反之,洋中脊的变化也可导致地幔柱的形态与直径等发生变化。洋中脊与地幔柱相遇可以出现不同的柱-脊相互作用。地幔柱除可以出现在离散型板块边缘外,还可以随板块迁移进入俯冲带,并出现柱-沟相互作用。地幔柱在俯冲带出现的位置不同,因而其对俯冲过程的影响和作用效果也相应不同,目前提出了6种地幔柱与海沟或俯冲带相互作用的可能模式。脊-柱相互作用和脊-沟相互作用对传统的板块俯冲作用过程是个重要突破。     

南海形成演化探究

通过分析前人对南海的研究,对南海扩张期次、扩张脊结构、动力来源等几个关键研究问题进行探讨。认为应将南海放入到欧亚板块、印度一澳大利亚板块和太平洋板块三大板块相互作用的统一构造应力场中进行研究。利用FLAC软件,首次对南海及邻区进行数值模拟分析,并进一步探讨了南海的形成演化机制,认为南海的打开和扩张是印度板块与欧亚板块的碰撞、地幔柱上涌以及太平洋板块向欧亚板块的俯冲共同作用的结果。     

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。     

南海热流分布特征

南海地热异常明显与主要构造断裂带和水热/岩浆活动有关。东部平行于马尼拉海沟的一条SN向低热流异常带起因于南海洋壳对吕宋岛的俯冲。南沙海槽及其南部陆缘的地温场比较复杂。南部的曾母盆地是一个显著的高地热异常区,它起因于年轻的构造拉张,其地幔热流高达中央海盆洋壳的地幔热流值。西南次海盆也是一个高地热异常区,虽然该次海盆形成较早,但与年轻的构造拉张有关。热流资料的分析结果表明,南海中央海盆西缘断裂带、西南次海盆和曾母盆地构成的NE向高热流异常带可能是一个大型的现代构造拉张带。     

南海东部俯冲洋脊区段地震静态库伦应力分析

根据对马尼拉海沟及其邻区地震分布和震源机制解所反映的最大主压应力轴分布特征的分析,并结合古洋脊俯冲区段地震产生的静态库伦应力分析,发现在马尼拉海沟区域地震分布具有明显的分带特性,北部以NW向挤压应力为主,俯冲洋脊区段以近EW向的挤压应力为主;1999年7.2级地震使得2000年6.2级地震和2011年6.0级地震震中位置的静态库伦应力分别增加了约0.5和0.3bar;2011年6.0级正断型地震和5.0级余震的静态库伦应力变化能较好地反映与余震分布的对应关系,大部分余震位于库伦应力变化值大于0.1bar的触发阈值区域;计算古洋脊俯冲区段强震产生的静态库伦应力变化,结果显示海沟西侧小于10km的深度范围内库伦应力增加值达到0.3~0.5bar,呈NE向展布,吕宋岛弧一侧20km深度范围内均表现为应力增加,应力增加区域与地震的分布较为吻合。