冲绳海槽地壳结构与性质研究进展和新认识

冲绳海槽是张裂于东亚大陆边缘的弧后盆地,对其地壳结构性质的研究具有重要的理论和现实意义。本文在总结冲绳海槽重力场、广角反射/折射地震探测、海底磁异常条带以及火山岩和岩浆作用这4个方面研究成果的基础上,对海槽的地壳结构、地壳性质和所处的构造演化阶段进行了探讨。认为冲绳海槽绝大部分地区地壳厚度大于正常洋壳,应属减薄的陆壳,由裂陷作用形成;但海槽中段和南段中央地堑地壳速度结构与洋壳类似,发育条带状磁异常,且已有大量幔源物质参与了地壳的组成,具备初始扩张作用的特征。对于海槽内是否存在洋壳,仍需进一步调查和研究。     

东海的地壳结构特征

介绍了国内外有关东海地壳结构特征的调查研究状况,并利用前人大量的调查研究成果,根据自西向东地壳速度结构的差异,将东海海区划分为东海陆架区、冲绳海槽区、琉球岛弧-海沟区三部分。东海陆架区主要由沉积盖层(速度为5.8～5.9km/s)、基底层(速度为6.0～6.3km/s)和下地壳层(速度为6.8～7.6km/s)三个速度层组成,属于典型的大陆型地壳。冲绳海槽则位于大陆地壳和大洋地壳的过渡地带,它仍然具有大陆地壳的结构特征,并无洋壳的形成,但在海槽的轴部地壳已经减薄。琉球岛弧-海沟区的地壳结构总的来说属于过渡型地壳,但在海沟靠洋一侧已属于大洋型地壳,而从琉球海沟往东的西北菲律宾海盆,就完全属于典型的大洋地壳。     

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。     

东海莫霍面起伏与地壳减薄特征初步分析

收集、整理大量由地震剖面提供的沉积层厚度资料,得到东海沉积层等厚图。对完全布格重力异常进行沉积层重力效应改正后,得到剩余重力异常,利用地震资料揭示的莫霍面深度值来约束界面反演得到东海莫霍面埋深。结果表明,东海陆架盆地莫霍面深度在25～28 km之间平缓变化,地壳厚度为14～26 km,西厚东薄;冲绳海槽盆地莫霍面深度为16～26 km,地壳厚度为12～22 km,北厚南薄。东海陆架盆地东部与冲绳海槽盆地南部地壳减薄明显,拉张因子分别达到2.6和3。初步分析认为冲绳海槽地壳以过渡壳为主,并未形成洋壳。     

南海东北部陆缘地壳结构特征及下地壳高速层成因

南海东北部陆缘构造演化信息丰富,对于理解南海的演化过程至关重要。本文收集了南海东北部的深反射地震和海底广角地震成果剖面,提取地壳和下地壳高速层的厚度结果,并结合水深、重磁异常和岩石圈的流变学等地质地球物理资料,对南海东北部的地壳减薄特征、吕宋-琉球转换板块边界的性质和下地壳高速层的分布及成因进行了分析和讨论。南海东北部的地壳减薄在横向和垂向上都存在不均匀性,以下地壳减薄为主,在台西南盆地存在极端减薄地壳;南海北缘的白云凹陷、西沙海槽和西缘的中建南盆地也存在类似的极端减薄地壳,且都与刚性地块共轭或邻近,推测刚性地块的存在导致地壳初始破裂时下地壳流动和地幔上隆是局部出现地壳极端减薄的主要原因。吕宋-琉球转换板块边界两侧在海底地形、新生代反射和重磁异常等方面均存在差异,与中生代岛弧引起的高磁异常大角度相交,其可能是中生代古特提斯构造域向太平洋构造域转换的边界断裂。下地壳高速层在南海东北部广泛发育,结合其分布特征和波速比V_p/V_s的分布区间,认为其是多期次岩浆底侵形成的铁镁质基性岩。     

冲绳海槽异常地幔与地壳性质的初步分析

东海冲绳海槽,位于琉球岛弧-海沟系的陆侧,为半深海弧后边缘地.近年来,国内外学者作了一系列实际调查和专门研究,极大地促进了对海槽地壳演化的认识.但在探讨海槽深部构造时,均未论证异常地幔的存在;在剖析槽底地壳性质时,认为已出现新生洋壳或认为属过渡型地壳,分歧存疑之处颇多.在板块大地构造框架中,普遍认为边缘盆地是弧后扩张(形成新洋壳)的产物,但在冲绳海槽,地壳厚度明显大于正常洋壳,拖网取样采获大量中酸性岩石,从而对海槽的扩张成因产生了种种疑问.本文将在前人工作基础上,试就上述问题展开讨论,进而确定冲绳海槽在洋盆演化阶段中的特殊位置.     

南海北部陆缘地壳结构探测结果分析

深部地震和重力资料反演揭示了南海北部陆缘地壳结构在总体上由北部的华南沿海（厚约30km）向南部的洋盆（5──8km）逐渐减薄。南海的近SN向拉张不仅造成南北方向地壳结构的巨大变化，也造成东西向的明显变化。在南海北部陆缘的西部，局部拉张产生了一系列裂谷构造。西沙海槽作为一条狭窄的陆内裂谷向西延伸，海槽南北两侧地壳厚度超过25km，海槽中部地壳减薄至不足10km。西端的莺歌海盆地地壳厚仅5km，缺少明显的壳内反射－折射。在珠江口盆地中部，地壳厚度在下陆坡明显减薄，地壳下部存在较薄的（3──4km）高速层（地震波速7．2──7．5km·s－1）；在珠江口盆地东部，地壳底部存在约 10km厚、300km宽的高速层。在台湾地区，由于弧陆碰撞，曾经减薄的陆壳在碰撞带增厚，莫霍面深度超过30km。南海北部陆缘在裂谷拉张和海底扩张期间岩浆活动平静，表明南海北部陆缘为非火山型陆缘。     

冲绳海槽及邻区重力异常特征及其地质意义

通过分析冲绳海槽及邻区自由空间重力异常和布格重力异常的分布特征,对其构造地质学意义进行了定性研究。冲绳海槽空间重力异常和布格重力异常较高,与其下地幔物质上涌引起的质量盈余有关;海底正向地形单元、基底隆起等具有较高的空间重力异常,而地壳浅部低密度岩浆房表现为较低的空间重力异常;布格重力异常及其上延结果反映了地壳厚度的变化,冲绳海槽地壳显著减薄,台湾地区地壳显著增厚;琉球岛弧及弧前布格重力异常受菲律宾海板片俯冲和岛弧地壳结构的共同影响,俯冲洋壳与琉球岛弧地壳的接触带位于琉球海沟以西,大致与120mGal布格重力异常等值线相对应。     

冲绳海槽的形成与演化探讨

冲绳海槽属西太平洋沟弧盆系,其成因各说不一.根据海槽地壳厚度13—20km,为减薄的大陆壳,具有正的空间异常值,中新世至第四纪沉积由两侧向轴部增厚,海底拖网取样见大量中酸性火山岩,活断层和轴部地堑发育,中浅源地震活跃,有理由相信海槽是在陆壳上发生发展而成,是张应力控制下的断陷带,属裂谷型边缘海盆地,现在仍然处于大陆裂谷的裂陷阶段,构造作用与岩浆活动十分强烈.没有明显的、大规模的扩张,新生洋壳尚未形成.     

冲绳海槽中段线性磁条带异常及其构造发育

通过对磁场分析发现,冲绳海槽中段存在线性磁异常,说明海槽轴部地壳已经发生破裂,新鲜洋壳已经生成,目前已进入扩张阶段.通过对磁条带和地震地层的研究得出如下结论:冲绳海槽的张裂具有Ⅲ幕模式,即中到晚中新世的开裂幕(Ⅰ幕)、上新世—早更新世的拉张幕(Ⅱ幕)以及近代的扩张幕(Ⅲ幕).冲绳海槽中段的地磁场特征和已发生扩张的红海中段的磁场非常相似,说明冲绳海槽可能正向着“红海阶段”过渡发展.     

东沙群岛海域的折射地震探测

综合近十多年以来在东沙群岛海域进行的反射地震资料，声纳浮标资料，双船扩长排列剖面地震测量资料及海底地震仪的折射地震资料，绘制了东沙群岛海域关于沉积层基底与地壳结构的地震地质剖面，揭示了陆架，陆坡至中央海盆之间的地壳从陆壳向洋壳的变化中，过渡睦壳具有断块构造及被拉薄的特点。     

冲绳海槽--弧后背景下大陆张裂的最高阶段

高热流、强地震活动、火山活动、张性断层作用以及快速沉降等特征表明部绳海槽的演化已经达到了大陆张裂的最高阶段。根据地震折射和重力资料的计算表明冲绳海槽底下存在低密度的异常地幔，冲绳海槽的莫霍面介于15．4－23．8km之间。在我们提出的边缘海盆地演化旋回中，冲绳海槽处于胚胎期，即处在大陆张裂的最高阶段和弧后海底扩张的过滤阶段。冲绳海槽也可视为是威尔逊旋回中连接东非裂谷和红海阶段的一个重要的中间环节。     

南海北部陆缘西部的地壳结构

通过中美科学合作,在南海北部陆缘西部采集了一条地壳剖面,从阳江地区开始,经珠三坳陷、神弧-东沙隆起、西沙海槽至西沙-中沙台地.结果表明,珠三坳陷的地壳已减薄至23km,去掉新生代沉积,则只有15km厚.西沙海槽的地壳结构已具备裂谷特征,地壳强烈减薄,厚14.47km;下地壳有高速地壳层,层速度为7.1km/g,厚6.7km.说明在新生代,南海北部陆缘西部受过强烈拉张,地壳减薄;上地幔部分熔融物质沿强烈拉张处侵入到地壳底部,使其地表形成裂谷.在西沙海槽的南部和北部,地壳结构差异很大,推测这里可能是由两个古老地块沿西沙海槽缝合起来,新生代早期的张性事件,又将这条古缝合线拉开,形成新生代裂谷──西沙海槽.     

冲绳海槽成因的初步探讨

冲绳海槽是一个正在扩张的年轻弧后海盆。对这个海盆的研究在地层学、古海洋学、构造学、地震学及海底资源勘探等方面均具重要意义。这个海槽处在大陆地壳向大洋地壳转化的过渡性地壳域,许多人试图从冲绳海槽的研究中,获得关于洋盆早期演化的知识。本文根据反射地震资料(图1)就该海槽成因进行初步探讨。     

琼东南盆地深水区长昌凹陷地壳结构特征

长昌凹陷位于琼东南盆地深水区,向东通过西沙海槽与南海西北次海盆相通,其近东西向的展布形态明显异于深水区其他凹陷的NE-NEE向形态,为了弄清其地壳结构,从而更好地分析凹陷的结构和演化机制,这里根据深反射地震资料、VSP资料和最新重力资料对长昌凹陷的地壳结构进行了综合地球物理模拟.结果显示:长昌凹陷北侧地壳厚度为22～24 km,南侧地壳厚度约20～22 km,从两侧向长昌凹陷中央地壳厚度逐渐减薄,最薄处只有2.8 km;莫霍面深度与沉积基底呈镜像关系,沉积基底最深的地方莫霍面深度最浅,最浅深度距海平面13.8 km;凹陷中央东部存在一层厚约4 km的下地壳高速层,该层在地震剖面和层速度剖面上均可识别.     

冲绳海槽地球动力学热模拟

冲绳海槽属太平洋沟弧盆系,长1200km,宽100余公里,平均水深超过1000m,南部最深处2334m。实地地球物理考察表明,海槽全区布格重力异常和空间异常均呈北东向相对正高场值区,平均布格异常值为79.4m Gal,海槽南端可达160m Gal;空间异常平均值为60-100m Gal。根据重力反演计算的地壳厚度为14-20km,因此海槽比西侧大陆架和东侧岛弧的地売(30km)薄10-16km,但比正常洋壳的厚度仍大得多(金性春等,1984)。从海槽区的地震剖面图(Herman et al.,1978)可见海槽盆地东西两侧分别是倾向海槽中央的高角度正断层,表明海槽是张应力控制下的断陷带。地震折射资料(Lee,C.S.,1980)表明,冲绳海槽中央断裂下面的地幔深度约为15km。另外,海槽火山发育和地震频繁。近年来,地热测量结果更引起了研究人员的重视,海橧平均地表热流为151mW/㎡,个别地方如SON84-25-C和HF9-13,热流值分别高达1056mW/㎡和1258mW/㎡ (喻普之等,1992),如此高的热流值在全球地热数据中是罕见的。 冲绳海槽的地表热流、热结构及热演化问题目前在学术界颇引人注目,曾有人应用非稳态的二维热传导方程来计算海槽的热结构1),但这种不考虑对流效应的热传导方程不能模拟介质运动对热结构和热演化的影响,特别是在构造运动的速度大于1cm/a时, 其Peclet数一般大于1,这时介质运动所携带的热量远大于传导热,即对流项起主导作用。所以作者用非稳态的二维热传导——平流方程来模拟构造热演化。     

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。     

西太平洋典型弧后盆地的地质构造、岩浆作用与热液活动

研究了西太平洋典型弧后盆地冲绳海槽和马努斯海盆的区域地质背景、岩浆岩、喷口流体、热液柱、沉积物以及多金属硫化物。结果表明,冲绳海槽在构造和地球物理特征上南北分异,从北向南地壳厚度减薄,南部重力异常变化大,发育条带状磁异常,中部则具有最高的热流值。马努斯海盆的重力异常变化较小,磁力异常呈东西向展布,海底扩张中心附近出现磁异常条带。马努斯海盆已出现洋壳,冲绳海槽的地壳属于过渡性地壳,在中南部的地堑中可能已出现洋壳。 冲绳海槽与马努斯海盆玄武岩的岩浆是由地幔源区部分熔融产生的原始岩浆与板块俯冲组分混合构成。中酸性岩与基性岩具有相同的岩浆物质来源,是玄武质岩浆结晶分异的产物。与马努斯海盆火山岩相比,冲绳海槽火山岩存在不同程度的地壳混染。 冲绳海槽的喷口流体为富含金属元素（Mn、Fe、Zn、Pb）的酸性高温（高达320 °C）流体,其热液柱中的Zn2 、Cd2 、Pb2 、Cu2 离子浓度明显高于正常海水。马努斯海盆的热液柱呈现出CH4、Mn、Al、δ3He正异常及pH负异常的特征。与马努斯海盆PACMANUS热液区的喷口流体（220–276 °C、pH = 2.5–3.5）相比,DESMOS热液区的喷口流体温度（≥88–120 °C）相对较低,酸性更强（pH ≤ 2.1）,二者较低的δ34SH2S和δD值表明岩浆演化过程中有酸性挥发分进入岩浆流体。冲绳海槽与马努斯海盆含金属沉积物的分布及其元素含量特征具有差异,相应地,两个弧后盆地含金属沉积物中的微生物群落也不同。冲绳海槽和马努斯海盆热液区均具富Zn型、Ba-Pb-Zn型、Si-硫化物型和Si-硫化物-硫酸盐型热液产物。与冲绳海槽的多金属硫化物相比,马努斯海盆中多金属硫化物的Pb和Au含量较低。     

冲绳海槽至马里亚纳海沟重力异常和地壳结构的初步研究

根据我们实测的水深、重力连续剖面资料,计算了自东海至北斐济盆地的地壳厚度。本文旨在对冲绳海槽至马里亚纳海沟的重力异常和地壳结构进行初步的研究。该地段位于太平洋板块俯冲带以西,构造活动十分复杂、剧烈,并含有多种类型的地壳结构。     

冲绳海槽中段地球物理场及对其新生洋壳的认识

通过对冲绳海槽中的磁场进行分析，在海槽轴部追踪到了线性磁条带异常。另外，在扩张轴附近也拖到了新鲜拉斑玄武岩。重力自由空气异常值较低。根据这是由于深部地幔大幅上升所致。地震剖面及磁力资料显示在海槽轴部有强磁性浅层侵入体及海底山，这些侵入体很可能来自于深部地幔。高温地幔物质上涌在海槽轴部形成高热流、强磁异常、多火山以及热液活动。上述现象说明冲绳海槽中段张裂轴部大陆岩石圈已经破裂，并可能已有新生洋壳形成。