雅浦–马里亚纳海沟连接处地貌特征研究

雅浦海沟是西太平洋“沟–弧–盆”体系的重要组成部分。在雅浦海沟北部,雅浦海沟与马里亚纳海沟呈典型的垂直相交。本文对该海域的地貌进行了详细的研究。结果表明,两条海沟连接处附近,海沟的水深、形态、剖面等都发生明显变化,且具有分段性,两侧斜坡上拥有隆起、凹陷、断裂等地貌,这些特征与海沟连接处特殊的俯冲位置具有密切的联系;通过地貌特征和板块扩张速度判断,20 Ma前帕里西维拉海盆扩张中心应位于137°35′34″E附近,雅浦海沟很可能是由帕里西维拉海盆暴露出来的扩张中心转变而成。     

雅浦沟-弧体系构造演化过程

雅浦沟-弧体系具有十分独特的地质特征,雅浦岛弧以变质岩为主,岛弧岩浆作用较为缺乏,同时雅浦沟-弧距离异常短,增生楔缺失。在总结雅浦沟-弧系统及其邻区的地球化学、地球物理以及构造特征等证据的基础上,探讨了雅浦沟-弧系统的构造演化过程。雅浦岛上的变质基底具有相对较高的K_2O含量、高Ti含量以及较低的~(87)Sr/~(86)Sr比值,表明雅浦岛上的变质基底为帕里西维拉海盆洋壳的一部分。雅浦海沟东侧存在一块水深较深的三角形区域将雅浦岛弧与加罗林海岭间隔开来,地球物理特征显示该区域并没有受到加罗林热点的影响,说明加罗林海岭并没有与雅浦岛弧直接碰撞。结合帕里西维拉海盆在20～15 Ma的NE-SW向扩张以及与之相关的海盆东西两侧洋壳发生的左旋相对移动,推测雅浦海沟很可能是雅浦岛弧东侧的扩张中心暴露转变成的俯冲带,而雅浦海沟东侧的三角形区域则为俯冲板片重新暴露的结果。     

马里亚纳“沟−盆”深水沉积环境稀土元素特征与物源约束

通过对西太平洋帕里西维拉海盆东南部的C-P19柱状样和马里亚纳海沟南坡的L3柱状样进行粒度和稀土元素地球化学分析,探讨了二者物源的异同。结果表明:研究区沉积物的稀土元素含量基本不受沉积物粒度控制,主要受控于物源变化。物源判别结果指示二者的物源具有同源性,其中西马里亚纳海脊剥蚀下来的火山物质对研究区的物质来源贡献最大。火山物质中的重矿物可以影响到稀土元素的含量,例如锆石的含量和稀土元素总量(ΣREY)的相关系数可达0.86。来自中国内陆黄土的陆源风尘物质对两个研究区的物源供给也有一定贡献,但其贡献程度较小。由于马里亚纳海沟南坡更加远离大陆且纬度更低,其接受的亚洲风尘也比帕里西维拉海盆和挑战者深渊更少。此外,南极底层水流经研究区,对海盆和海沟的沉积物都造成一定影响,而且在马里亚纳海沟南坡更加活跃,因而帕里西维拉海盆东南部的沉积物比马里亚纳海沟南坡更易于保存。     

菲律宾海构造地貌特征

菲律宾海地处西太平洋边缘,位于两大俯冲带之间,四周被深海沟所环绕,陆源物质较少汇入,海底保存了较为原始的构造地貌特征。通过收集的精细水深测量数据,结合已有研究成果,以板块构造为基础对该区域划分四级构造单元,并对主要构造地貌进行系统研究。研究结果表明,菲律宾海地貌的形成、分布受构造活动控制,西菲律宾海盆因以中央裂谷带为中心的海底扩张形成了一系列NW—SE向的大型构造地貌;其东侧因太平洋板块的俯冲形成了近南北走向的"沟-弧-盆"体系。西菲律宾海盆中央裂谷带线状海岭、海山,海盆内不断转向的海岭,帕里西维拉海盆雁形裂谷等特殊地貌形态的存在,都与其形成过程中的特殊性有关,能与其复杂发育史相印证。     

菲律宾海的地势特征

菲律宾海位于西太平洋大陆边缘,它的周边被岛弧和深海沟所环绕,海域内有数条近南北向的构造脊。近南北向和近东西向的构造将菲律宾海海底地势分割成不同的部分,构成明显不同的地势特征:(1)深海沟呈链状环绕着海域周边分布。(2)近南北向的九州 帛琉海岭将海底分成东西两半,东半部主要是岛弧区,西半部主要是海盆区。(3)海脊与岛弧呈近南北向伸展并贯穿全区,海脊与岛弧之间为海盆。海盆底多为丘状起伏,并有轻度切割。(4)海岭、海台呈块状分布在海盆之上,长垣分布在菲律宾海沟的东侧。(5)岛弧周围分布有岛架和岛坡地势。菲律宾海的地势特征和它的构造特征相一致。     

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.     

菲律宾海的地势特征

菲律宾海位于西太平洋大陆边缘,它的周边被岛弧和深海沟所环绕,海域内淡数条近南北向的构造脊。近南北向和近东西向的构造将菲律宾海海底地势分割成不同的部分,构成明显不同的地势特征：（１）深海沟呈链状环绕着 海域周边分布。（２）近南北向的九州－帛琉海岭将海底分面东西两半,东半部主要是岛弧区,西半部主要是海贫区。（３）海脊与岛弧呈近南北向伸展并贯穿全区,海脊与岛弧之间为海盆。海汾底多为丘状起伏,并有轻度切割     

九州-帕劳海脊两侧深海盆地浅部地层结构特征与分析

由于欧亚板块、澳大利亚板块与太平洋板块运动的作用,菲律宾海盆形成了全球最为复杂的海底地形地貌。以九州-帕劳海脊为界,西菲律宾海盆与帕里西维拉海盆呈现不同的构造走向与地形特征,海脊两侧发育丰富的深海地质现象与地貌特征。参量阵浅地层剖面仪因其差频窄波束的发射特点,能够获得深海海底浅地层的高分辨率剖面。本文利用参量阵浅地层剖面仪在九州-帕劳海脊获取的高分辨率浅地层剖面,分析了横跨海脊东西走向的海底滑坡发育特点、丘状起伏沉积差异、浅层气以及海底流体运移等地质特征,并结合构造与地形地貌特点对上述特征的成因机制进行了探讨,在垂向小时间尺度上完成了对研究区浅部地层结构的特征研究,为该区域的沉积学和地质学研究提供了思路。     

海底地形特征对东菲律宾海表层黏土矿物分布的影响

对东菲律宾海帕里西维拉海盆南部的125个表层沉积物样品的黏土矿物组成、含量及其矿物学特征进行了分析。研究结果表明,研究区黏土矿物组成以蒙脱石为主,平均含量为49%;其次是伊利石,平均含量为35%;绿泥石平均含量为11%;高岭石含量最少,平均含量为5%。通过将研究区黏土矿物组合特征与潜在物源区进行对比,并结合主要黏土矿物的结晶学特征,认为蒙脱石主要来源于帕里西维拉海盆周边的海山或海脊物质的风化和蚀变,其分布可能主要受控于底层洋流;伊利石和绿泥石主要来自于亚洲大陆,风力吹扬为其主要输运方式。黏土矿物表层分布显示伊利石主要富集于地势较低处,蒙脱石在靠近帕劳海脊和雅浦海脊等地势较高处呈现高值。由于较少受到周边海山或海脊物质稀释和底层洋流侵蚀作用的影响,东菲律宾海深水区沉积物中风尘组分通量最能代表亚洲大陆风尘对研究区的实际贡献量,这一研究将对从东菲律宾海沉积物中提取亚洲大陆风尘物质输入信号进而追溯亚洲大陆的古气候演化历史具有重要意义。     

帕里西维拉海盆西北部表层沉积物中粘土矿物的分布特征及物源分析

提要应用X射线衍射(XRD)方法对菲律宾海帕里西维拉海盆西北部的257个表层沉积物样品<2μm粘土组分进行了分析。结果表明,本研究区粘土矿物的组合特点是伊利石含量最高(平均含量47%),蒙皂石含量次之(平均含量35%),高岭石和绿泥石含量均很低(平均含量小于10%)。根据该区表层粘土矿物中伊利石、蒙皂石相对含量的分布,可以大体上分为两种含量组合类型,据此也可以划分出两个组合分区:Ⅰ.富伊利石分区,主要位于帕劳海脊和帕里西维拉海沟之间的大部分区域的地形平坦处;Ⅱ.富蒙皂石分区,主要位于研究区东部帕里西维拉海沟附近和南部零星区域。根据粘土矿物的平面分布特征,结合个别样品的扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱(EDS)分析,认为伊利石主要来源于研究区以西陆地及周边岛屿。伊利石的化学指数和结晶度指数表明,伊利石形成于物理风化较强的气候环境并可能与中国内陆黄土有关系,区内大部分蒙皂石具有富铁并含少量镁的特征,基性火山物质的蚀变是其主要成因,高岭石和绿泥石以陆源为主;风力的吹扬是研究区伊利石物质来源的主要输送方式,洋流作用对粘土矿物,尤其是蒙皂石矿物的分布具有一定影响。     

雅浦俯冲带北段地球物理场及构造活动性分析

雅浦俯冲带北段和马里亚纳俯冲带西南端均受加罗林岛脊俯冲影响,但是二者的地球物理特征存在显著差异。通过分析雅浦俯冲带北段和马里亚纳俯冲带的地球物理特征,对比了二者之间的海底地形、重力异常、地震活动和应力场等特征。结果表明：①雅浦海沟北段外缘发育垒堑构造带,马里亚纳海沟西南端加罗林岛脊俯冲区域水深明显变浅,加罗林岛脊俯冲最前端形成凹角。②雅浦岛弧北段和马里亚纳岛弧西南端加罗林岛脊俯冲区域高布格异常值反映了强烈的构造侵蚀可能导致火山弧地壳缺失,岛弧之下高密度物质上涌。③雅浦俯冲带北段和马里亚纳俯冲带西南端地震活动性弱并且缺乏高震级地震,说明加罗林海脊岛脊的俯冲阻塞降低了俯冲带的构造活动性。马里亚纳俯冲带西南端存在少量的中源地震,表明该区域板片俯冲深度比雅浦俯冲带北段更深。④马里亚纳俯冲带西南端的地震存在更多的走滑分量,与加罗林板块的倾斜俯冲、加罗林岛脊的倾斜碰撞有关。⑤加罗林岛脊相对于海沟走向的俯冲角度是造成雅浦俯冲带北段和马里亚纳俯冲带西南端的地球物理特征存在差异的主要原因。     

台湾岛以东海域海底地形特征及其构造控制

基于2000年5~6月在台湾岛以东海域调查获得的多波束全覆盖测深等地质和地球物理资料,对该海域海底地形特征进行了研究,探讨了构造对海底地形的控制作用及其构造地质意义.研究表明,琉球岛弧岛坡区和琉球海沟表现为典型的西太平洋沟-弧-盆体系控制下的构造地形;台湾岛东部岛坡等深线近南北向平行密集排列,地形坡度大,弧陆碰撞造就了该区独特的地形特征;花东盆地海底峡谷发育,其形成主要受基底起伏和走滑断裂的控制;加瓜海脊东西两侧水深和地形特征明显不同,但其基底可能属于花东盆地,加瓜海脊的东侧对应了两个不同性质板块的边界;西菲律宾海盆表现为北西向线状脊-槽相间排列,并遭受北东向转换断层的切割,根据海底地形、转换断层和磁异常条带的方向推测,研究区海底形成于距今60~45Ma的西菲律宾海盆北东-南西向扩张期.     

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。     

雅浦-马里亚纳海沟附近海域的精细地貌特征研究

利用西太平洋地区的雅浦-马里亚纳海沟附近海域的多波束水深数据,获得了9.8°N—13.2°N、132.2°E—145°E矩形区域内的高精度水深地形图。通过对精细地貌进行研究发现,马里亚纳海沟南部的洋坡上发育有大范围的地垒、地堑型地貌,雅浦海沟北部存在明显的分段性特征,菲律宾海盆和帕里西维拉海盆内存在不同展布方向的大规模脊-槽地貌。研究结果表明此处复杂的地形地貌特征主要受板块运动的控制。最后结合已有研究成果,对该区域的地形地貌进行了分类。     

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。     

九州-帕劳海脊地壳结构及其形成演化的研究综述

九州-帕劳海脊(KPR)位于菲律宾海中央,近南北走向.形成于太平洋板块向西的俯冲,裂离于帕里西维拉海盆和四国盆地的弧后扩张,是老的伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧(IBM)的残留弧.裂离期间同时受到垂向旋转应力和水平挤压力的共同作用,这是形成九州-帕劳海脊现今狭长的几何形态的主要原因之一.九州-帕劳海脊南北部地壳结构可总结为P波波速为7.1～7.3 km/s下地壳;P波波速为6.1～6.3 km/s的中地壳;P波波速为4.5～5.5 km/s上地壳.九州帕劳海脊北段,30°N以北区和25°N以南区的地壳厚度普遍在10～15 km,25°～30°N之间的地壳厚度普遍大于15 km.九州-帕劳海脊的中段的地壳厚度变化较大,而且未识别出中地壳的存在,为不成熟的岛弧地壳.海脊南段与北段相似,具三层的地壳结构,但地壳厚度小于北侧,基本上大于10 km.整个九州-帕劳海脊处的地壳厚度普遍厚于两侧海盆的地壳厚度.     

基于滑动窗口导纳技术反演西太平洋中部岩石圈的有效弹性厚度

西太平洋中部地区是西太平洋板块边缘沟-弧-盆体系构造演化的关键区域,其地质特征与构造演化一直是地学家关注的焦点问题之一。开展岩石圈有效弹性厚度的研究对于认识该区域的形成演化具有重要的科学意义。本文采用滑动窗口导纳技术,并在挠曲模型中考虑了表面荷载和内部荷载同时存在的情况,计算得到该区域的岩石圈有效弹性厚度(Te)。计算结果显示,研究区的Te值整体上为0~50 km,其变化基本上与构造单元相吻合,且与主要的构造边界密切相关。除海底火山具有相对较小的Te值(15~20 km)外,太平洋板块整体上具有较强的岩石圈强度(25~30 km)。马里亚纳海沟和菲律宾海沟的岩石圈强度从外隆起到海沟方向表现为明显的减弱,表明岩石圈由外隆起向海沟发生了弱化。帕里西维拉海盆西部相较于东部具有较弱的岩石圈强度,这可能与海盆的非对称扩张有关。卡罗琳板块的岩石圈整体上表现为相对均一的低Te值特征(<15 km)。欧里皮克海隆、卡罗琳海岭和索罗尔海槽的Te值为3 km,这可能是强烈的火山作用所导致的结果。     

菲律宾海盆磁条带特征及61Ma以来的海底扩张过程重建

菲律宾海盆是西太平洋最大的边缘海盆地,作为地球上最壮观的"沟-弧-盆"体系的重要组成部分,其成因及构造演化可有效约束西太平洋洋陆过渡带的复杂动力学过程。海底磁异常条带是海底扩张的重要依据,其几何形态能够反映海底扩张的时间、方向及速率,为研究海盆的海底扩张过程提供重要信息。菲律宾海盆的次级海盆—西菲律宾海盆、四国海盆地磁异常表现为明显的条带状异常特征,帕里西维拉海盆内的磁条带特征虽不明显,但仍能看出南北向的分带现象。对海盆内的磁异常条带进行系统的分析、对比与解释,将菲律宾海盆划分为7个扩张阶段,构建了菲律宾海盆61 Ma以来的阶段性扩张模型。揭示了边缘海盆构造演化的一般规律及扩张过程为岛弧裂解、高速弧后扩张、慢速弧后扩张和扩张后作用4个阶段。     

西太平洋雅浦-卡罗琳海区海山多尺度地形特征

海山地形的多尺度特征研究,有助于理解海山形成与演化过程中的地貌过程,并为深入认识俯冲带地球动力过程提供新的线索。本文基于中国科学院海洋研究所“科学”号科考船近年来在雅浦-卡罗琳海区采集的高分辨率海底地形数据,利用统计学及频谱分析等方法,分析了研究区42座海山的形态及地形粗糙度特征,并对海山地形多尺度特征及其成因开展研究。结果表明,雅浦-卡罗琳海区不同构造环境下形成的海山群,在海山的形态参数和多尺度地形特征等方面存在显著差异。相比于索罗尔海槽,帕里西维拉海盆中的海山具有更大的宽高比与更小的平坦度。两区域内海山形态参数具有不同的线性相关关系,表明区域内海山存在不同的形态演化过程。对帕里西维拉海盆中海山地形的频谱分析显示,其大尺度特征信号不显著,意味着该区域内海山地形受小尺度地貌过程的影响更大。索罗尔海槽中海山的粗糙度与海山体积具有线性相关性,可能与不同海山形成过程的差异有关,较早形成的海山受到了更多构造活动及小尺度地貌过程的影响,进而形成了更加粗糙的表面特征。     

西太平洋雅浦海沟区海底热流原位测量

为了解西太平洋雅浦海沟区俯冲带及岛弧两侧的海底热流分布情况,2015年1—3月期间的西太平洋海山航次中,"科学"号利用最新一代Lister型热流探针对该区域开展了海底热流原位测量工作。沿着横跨俯冲带的站位测线,本次进行了10个热流站位测量,共获得8个站位的有效数据。测量结果表明,该地区地温梯度的变化范围为0.011~0.137Km-1,平均0.089Km-1,热导率的变化范围为0.58~1.32 Wm-1 K-1,热流值则在14.4~118.85mWm-2之间,平均为68.02mWm-2。热流值分布显示,雅浦岛弧附近具有较高的热流值,自雅浦岛弧向两侧热流值逐渐降低,低热流区主要分布在帕里西维拉海盆。由于该地区热流测量数据依然稀缺,深入的讨论有待进一步研究。