析构造作用与冲绳海槽地貌演化的关系

冲绳海槽是一个构造上极其活跃的大陆坡边缘盆地,具有壮观的海底地貌形态。研究冲绳海槽地区构造作用与其地貌演化的关系,有助于我们进一步深入了解冲绳海槽本身的地质演变历史,其意义非常重要。本文系根据1980年以来对冲绳海槽多次地质、地球物理调查所获得的一系列成果,结合前人已有的一些资料撰写而成。笔者拟将对冲绳海槽地区路作用与地貌演化的关系作一初步探讨,不足之处,恭请惠正。     

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。     

冲绳海槽西侧陆坡及其邻区天然气水合物成藏构造特征

为了解特殊地质体与天然气水合物成藏构造特征之间的关系,作者以冲绳海槽西侧陆坡和槽底为例,利用地震资料和地球化学方法对该地区上新世和第四纪沉积物厚度、有机碳含量和断裂系统进行了分析。研究表明,在冲绳海槽西侧及槽底都发育了较厚的上新统和第四系沉积层,上新统厚度约为1000—1500m,第四系厚约为1000—3500m,其中海槽南段存在巨厚的第四系,而且冲绳海槽西侧陆坡沉积物中有机质含量高达0.75%—1.25%,并且沉积速率高达10—40cm/ka,有利于有机质的保存和转化。陆坡发育有与海槽走向一致的NE-SW向断裂系统,以及横切海槽的一系列NW-SE向水平错动扭性断裂系统,其中NE-SW向断层在海槽南段方向变为NEE-SWW,这些断裂系统为烃类气(流)体的运移创造了有利条件。因此,在冲绳海槽西侧陆坡发育的海底峡谷、滑塌体、断块隆脊、泥底辟等特殊地质体与天然气水合物的形成密切相关。     

论冲绳海槽的张裂运动

琉球岛弧系向海沟方向的旋张掀斜运动和岛弧-弧后地区地幔流的波动运动是冲绳海槽张裂运动的动力源.在张应力场作用下,自早第三纪以来,冲绳海槽长期为一负向构造.现代海槽是老海槽的继承性、阶段性发展的产物,晚中新世以来冲绳海槽的张裂运动增强与菲律宾海板块的俯冲作用增强密切相关,但它不可能形成大规模的扩张.     

冲绳海槽中部表层沉积物的重矿物分布和来源

根据冲绳海槽表层沉积物的重矿物含量变化、物源、成因、地貌和沉积特征划分出东海陆坡、琉球岛坡和海槽槽底三个矿物组合区以及六个矿物组合亚区，并对其物质来源和影响范围作了讨论。     

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。     

冲绳海槽早期扩张作用中岩浆活动的演化

不同于其他典型的弧后扩张型盆地,在冲绳海槽内广泛分布着酸性的火山岩──浮岩,本文对具有代表性的柱状岩心进行了系统的矿物学和岩石化学分析,讨论了冲绳海槽在早期扩张作用中岩浆活动的性质及其演化.结果表明,浮岩岩浆来源于地幔,但经历了结晶分异和地壳物质混染两个过程.冲绳海槽的岩浆活动有自酸性向基性演化的趋势,随着海槽的进一步扩张,岩浆活动会加剧,海槽地壳将由过渡型向大洋型发展.     

冲绳海槽地壳结构的研究

根据1990年以来对冲绳海槽地质地球物理调查的最新实测资料,包括多道和单道反射地震、海底地震仪折射地震、重磁测量、水深测量、海底岩石拖网,结合国内外学者对冲绳海槽的调查研究成果,对冲绳海槽地壳结构进行了探讨,得出如下初步结论：（1）冲绳海槽是一个典型的发育在大陆地壳边缘、由陆壳张裂而成、处于裂谷作用最高演化阶段、洋壳即将产生、海底扩张即将出现的弧后活动裂谷。（2）根据火成岩发育、沉积层分布和地壳结构分析,冲绳海槽尚缺少已经开始“扩张”的证据,还不能确定海槽中央已经发育了大洋地壳。冲绳海槽目前仍属于拉薄的大陆地壳。（3）冲绳海槽作为一个浅海槽状地貌单元,形成于距今6Ma。作为一个弧后裂谷,自距今2Ma以来开始强烈的张裂活动。海槽中央张裂地堑（槽中槽）距今2Ma以来开始形成并逐渐发展。中央张裂地堑内的火成岩年龄不大于1Ma。因此,冲绳海槽是一个年青的、正在活动的弧后裂谷盆地。     

冲绳海槽现代张裂的地球物理特征

位于东海陆架与琉球岛弧之间的冲绳海槽为板块俯冲作用形成的弧后断陷盆地,具有独特的构造地貌特征。自中新世末以来历经了4个强烈拉张的演化时期,目前已达到张裂的高级阶段。地球物理资料显示,海槽中的现代拉张作用仍在进行,表现在海槽轴部快速沉降形成地堑槽,对称分布的张性断裂,晚更新世—全新世以来的岩浆活动,从老至新排列的磁异常务带以及高地热流、频繁的地震活动等,充分体现了冲绳海槽的现代扩张特点。     

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。     

冲绳海槽北段地磁场特征及其地质解释

根据磁异常的分布特征,冲绳海槽北段可以分成三个异常区：东海陆架边缘异常区、东海陆坡异常区和冲绳海槽北段异常区。在东海陆架边缘区,磁异常以正为主,最大可达＋ ３５０ｎＴ,该区所对应的磁性基底埋深较浅,一般在２～３ｋｍ 。在东海陆坡异常区,除了有ＮＮＥ向展布的负异常外,在此背景上还发育了一些沿ＮＷＷ 向展布的次级异常,推测本异常区的磁异常与ＮＷ 向的基底断裂有关。冲绳海槽北段异常区所在宽缓负异常的大背景下又有几处正异常条带分布,则是在吐噶喇断裂带控制作用下所产生的磁性较强而又不均匀的火成岩体的反应     

冲绳海槽的形成与发展

冲绳海槽是位于东海大陆架外缘、东海陆架边缘隆褶带与琉球岛弧之间的一个狭长带状弧间盆地.关于它的成因,已有古琉球弧直接张裂和断裂下陷两种观点,而笔者认为,它是由于菲律宾海板块从早中新世末以来,向欧亚大陆板块下俯冲所形成的沟-弧-盆系列的一个组成部分,在其生成和发展过程中,先后经历了拗陷、断陷和扩张三个阶段.然而,扩张刚刚开始.今后它将进一步裂开,琉球弧将更加向菲律宾海方向推进.因受调查程度的限制,本文将以冲绳海槽北半部的资料为主要依据.     

东海陆架前缘斜坡(冲绳海槽西坡)北部的断块隆脊地貌

东海陆架前缘斜坡(冲绳海槽西坡)北部的断块隆脊,是呈长条形的脊状台式隆起,位于29°30′N-31°10′N;128°00′E-128°20′E之间。其由NNE向链状排列的断块山地组成,且与NNE向的断裂构造相一致,其顶部水深约300m～400m左右。从实测单道地震剖面看,隆脊的东西两侧均有断层出现。隆脊西坡倾向陆架一侧,坡度大,有的地方坡度超过10°;而东侧坡度较缓,仅1°左右,缓倾至海槽西坡坡底,并以沟坎式与冲绳海槽槽底相连。冲绳海槽地区的构造运动,使隆脊地区受到断裂构造的作用。NNE向的大断裂使该隆脊位置的东西两侧断裂下降而中间抬起,加之下部岩浆上侵,显现出链式排列的断块山地,表现为一条长形的断块隆脊构造地貌体。推测该地貌体形成的时期较晚,它是与断层的发生同时期形成的。     

冲绳海槽轴线地质特征

冲绳海槽位于东海大陆架与琉球岛弧之间，海槽中发育着一系列平行轴向延伸的地堑型正断层。穿越海槽的地震剖面证实了海槽扩张中心的存在，扩张轴沿海槽轴线方向延伸。由于地堑构造中心的扩张速率较大，由某引起的海槽中心下陷的速率大于沉积作用的补偿速率，使海槽中心海底出现明显的下陷。在轴线的大陆坡一侧，陆源沉积占绝对优势；轴线的岛坡一侧，以火山坡碎屑、浮岩、有孔虫软泥为沉积特征。     

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。     

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。     

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。     

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。     

冲绳海槽海底热流的研究

冲绳海槽为世界上罕见的高热流区之一.迄今在海槽内已取得189个热流数据.热流分析表明,属于西北太平洋活动边缘的琉球弧后地区具有异常高的热流值,尤其是在冲绳海槽中部,测得大于10 000m·W/m2的异常高热流值,为全球热流调查中所仅见,这暗示着冲绳海槽为一迄今尚在强烈活动的弧后裂谷.