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。     

南海大洋钻探及海洋地质与地球物理前沿研究新突破

南海是西太平洋地区规模最大且具有代表性的边缘海盆地之一。经过近几十年的研究积累,尤其是通过实施5个国际大洋钻探航次(1999–2018年)与国家自然科学基金委“南海深海过程演变”重大研究计划(2011–2019年),我国科学家获得了大量宝贵的第一手资料,取得了一系列创新进展与重大突破,标志着南海海洋地质与地球物理研究正走向国际前沿。重要研究成果包括:(1)新提出南海是“板缘张裂”盆地,与经典的大西洋型陆缘模式不同;(2)大洋钻探首次获取了基底玄武岩样品,结合中国在南海首次深拖地磁测量实验,精确测定了南海海盆玄武岩年龄,揭示南海海盆从东向西分段扩张;(3)大洋钻探结果发现南海陆缘岩石圈减薄之初岩浆迅速出现,未发现缓慢破裂造成的蛇纹岩出露;(4)发现南海扩张结束后仍存在大量岩浆活动,可能受控于多种构造与地幔因素;(5)地球化学证据与地球动力学模拟都显示南海岩浆的形成受到周边俯冲带的影响。目前我国的海洋地球科学正在进入崭新的发展阶段,有望以南海为基点,开始拓展到周边大洋,通过主导大型研究计划以及建设我国大洋钻探平台,以提升我国在南海、西太平洋与印度洋海洋地质科学研究的实质性影响力与引领地位。     

西太平洋若干沟-弧-盆体系及板内岩浆成因研究进展

板块俯冲和板内岩浆作用都是导致地表和地球内部物质大规模循环的重要地质过程。但是,两个地质过程的岩浆成因机制,以及成因上的内在联系都存在很大争议。西太平洋是全球沟-弧-盆体系最发育的地区,也是全球板内火山作用(海山和洋底高原)分布最集中的场所。为阐明西太平洋海盆的上地幔软流圈性质、岛弧岩浆形成的控制机制、以及板块内部火山作用(碱性火山岩)的成因机制,在中国科学院战略性先导科技专项(A类)"热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响"项目的资助下,本文对西太平洋马里亚纳-雅浦俯冲系统、汤加-科玛迪克俯冲带及其俯冲前缘海盆的成因机制、南中国海扩张期海盆玄武岩和板内火山作用、西太平洋海盆上地幔的Dupal异常分布和成因机制等展开了系统的岩石学和地球化学研究,并取得了新的科学认识和成果。主要认识包括:(1)雅浦岛弧主要由变质岩-角闪岩组成,其形成于3—6Kbar温压条件下,代表岛弧下部来自帕里西维拉海盆的变质基底;(2)加洛林洋脊主要由玄武岩组成,其不是一个岛弧,而可能是一个地幔柱形成的洋底高原;(3)汤加-科玛迪克岛弧岩浆组成体现了西南太平洋俯冲板片俯冲速率的直接影响;(4)厘定了汤加-科玛迪克俯冲前缘板块的年龄(103.7Ma),并认识到其代表古太平洋扩张中心并消耗了Ontong Java超级地幔柱的组分;(5)首次在南海发现了碳酸盐化的硅酸岩岩浆向碱性玄武岩转化的现象,提出了板内碱性玄武岩成因的新链条;(6)西太平洋海盆的地幔广泛存在Dupal异常,该异常从西太平洋岛弧俯冲带一直延伸至南海海盆,其中南海海盆的Dupal异常主要受到大陆裂解和海南地幔柱作用的双重影响。通过以上认识,进一步揭示了西太平洋沟-弧-盆体系和板内岩浆体系作用机制,以及俯冲板片物质与板内火山活动之间的成因关联,这对于深刻理解板块构造导致的地球内外物质循环规律有一定的推动作用。     

大洋钻探与冲绳海槽地质

本文简要回顾大洋钻探计划实施十余年来所取得的成果，评述了西太平洋边缘海盆的研究概况，提出东海大陆边缘的重大地质问题是陆缘的构造演化历史和动力学过程，弧后扩张中心的热液成矿作用以及海洋沉积层序记录的古气候和古海洋环境变化，指出矿物－地球化学在大洋钻探研究中的重要性。     

卡罗琳海板块实验:初始俯冲、初始扩张与流固耦合

西太平洋具有全球最活跃的板块构造与海陆相互作用过程,西太平洋的卡罗琳(Caroline)海盆形成于特提斯海与太平洋之间,处于印尼海道的咽喉区域,海盆范围正好对应了西太平洋暖池的大部分海域。其内部地形复杂,具有特征的隆起和残留洋中脊,而周围具有年轻活跃的俯冲带和洋中脊,并且与菲律宾海、太平洋、Ontong-Java大火成岩省、众多深海沟等相互作用,是研究俯冲带和洋中脊初始形成机理与动力学以及固体地球与海水相互作用的理想场所。过去对Caroline海盆的研究主要是美国和日本科学家在20世纪70—80年代完成的,在很多构造单元的成因和属性的解释上存在很大争议,很少涉及多圈层相互作用方面的研究。国家自然科学基金委重大研究计划"西太平洋地球系统多圈层相互作用"的实施推动了西太平洋基础海洋科学研究的步伐,通过综合地球物理和地球化学分析,对Caroline海盆的构造边界过程和海盆岩石圈蛇纹岩化程度等开展详细研究,探索深部过程与海底过程之间,特别是在水和热流通量方面的联系。Caroline海盆是提出典型海洋微板块演化模式和未来进一步深入研究(包括科学大洋钻探)的关键区域,其复杂多样的边界发育初始俯冲边界、初始扩张边界以及火山链和张裂中心,其板内地质构造也曾存在复杂的海底扩张和构造转换,并且显示强烈的板块边界和板内构造耦合过程。     

南海形成演化综合模式的初步探讨

南海是西太平洋边缘海中最大海盆之一,这里构造运动频繁,多种构造相互叠加,其形成演化过程非常复杂.许多学者对南海的成因持有各种不同的看法,主要有弧后扩张模式、地幔上涌模式、印度-欧亚板块碰撞挤出模式、海底扩张模式和陆缘扩张模式.作者在前人研究的基础上,提出各种成因模式在南海的形成演化中起到不同的作用,但是可以相互兼容而统一于南海的形成演化中,把多种成因模式综合起来才能更合理地解释南海的形成演化过程.     

西地中海的弧后盆地

地中海是太平洋之外弧后盆地较为发育的海区。巴利阿里海盆和第勒尼安海盆是西地中海两个位置相邻、互有成因联系的弧后盆地。海盆莫霍面埋深分别为 1 2～ 1 5km和 1 0 km,热流密度分别为 1 0 0 m W/m2和 2 0 0 m W/m2 ,发育有大洋型磁条带异常 ,大洋钻探和拖网取样均采到了拉斑玄武岩。较之巴利阿里海盆 ,第勒尼安海盆更富年青性。两弧后盆地的成生演化是与欧洲板块与非洲 -阿普利亚板块的相互作用息息相关的。中新世 ,随着非洲 -阿普利亚板块向西、西北俯冲 ,科西嘉、撒丁裂离欧洲大陆 ,巴利阿里海盆被打开 ;上新世 ,阿普利亚微板块进一步俯冲 ,导致亚平宁与科西嘉、撒丁之间的裂离 ,形成第勒尼安海盆。     

序言

台湾海峡及其邻区位于东亚活动大陆边缘重要地段,居于台湾俯冲带的弧后地带,东北面是冲绳海槽,西南是南海海盆。然而台湾海峡本身既非弧后盆地,又不是边缘海盆,又非裂谷带。台湾岛弧的俯冲带的俯冲方向又甚特殊,因之研究本区的构造特征及其演化历史,是岩石圈动力学和演化研究的一项重要内容,有助于活动板块边缘理论研究的深化,而对深部及浅层构造的了解,又有助于对本区的矿产资源,特别是能源、地热能的开发利用,以及地震预报和灾害的防止。     

北斐济海盆的构造特征与演化

北斐济海盆位于西南太平洋边缘,近半个世纪以来,针对该海盆地质和地球物理特征的调查研究取得了丰硕的成果.现今海盆内活动的构造带主要包括北斐济断裂带以及北部、中部、斐济西侧3组扩张中心,北斐济断裂带以左行走滑作用为主,扩张中心具有不稳定性.北斐济海盆形成于约10 Ma,早期主要受控于瓦努阿图岛弧的顺时针旋转,后期在以近NS和EW向的扩张作用控制下逐渐张开.扩张中心的迁移和多期构造运动的叠加是造成现今海盆内复杂构造和磁异常特征的主要原因.北斐济海盆扩张活动的深部动力学机制仍需进一步研究.     

南海北部大陆边缘从裂谷到扩张的演化过程

由于南海是西太平洋区域众多边缘海的主要组成部分，故了解南海从同裂谷到海底扩张的发展史对阐明西太平洋的构造演化是非常重要的。本文阐述了通过综合利用新获得的和已有的地球物理资料研究南海北部大陆边缘从裂谷到扩张过程的变迁。南海的最北部地区是中日合作项目(JCCP)一部分，该项目分1993年和1994年两个阶段。JCCP调查的目的是揭示大陆壳和深海盆间的过渡地区的地震与磁力特征。南海磁力和海洋重力资料表明了其张裂陆壳和汇聚边缘过去与现在的构造特征。全磁和三维磁力资料清楚表明海盆的线型磁异常特征和变化的海盆边缘磁异常特征。南海重、磁及地震资料和其他地球物理、地质的分析可以得出如下结论： (1)N-s向海底扩张始于早始新世。它至少有四个独立的演化阶段，其扩张的方向和速率是不稳定的．扩张从32Ma一直持续到17Ma； (2)陆洋边界(COB)的东西两边在现代构造形式上的明显差异暗示东部陆壳的破裂受走滑断裂的控制； (3)下地壳的地震高速层似乎被俯冲到伸展的陆壳下； (4)最上层的沉积和覆在第三纪火山上的下地壳的上部以大陆边缘区的磁力异常体为基底； (5)位于大陆边缘的磁力平静带(MQZ)对应COB； (6)无磁或弱磁层可能导致MQZ，地磁退磁的一个原因是当高温地幔物质被俯冲时地热的变化．另一种解释是每个往返磁极玄武岩的横向连续消失在上部合成磁场。 我们正建立一个包含地震数据、潜在油田、地壳和地热结构与其它地球物理数据的人工数据库系统。以便更好地对过去、现在和将来环日本的深海环境的变化进行研究，即海沟、海槽、俯冲带、边缘盆地和岛弧。该数据库的一些特征是对来源不同的全球数据的多方面研究和有目的定向搜集资料。     

IODP365航次——日本南海海槽地震带实验

正南海海槽位于日本西南海岸的海域,它是地球上最活跃的地震带之一。南海海槽地震带实验(发震带计划)是一个复杂的海洋钻探项目,该计划包括钻探、海面以下和海底深入地观察地震发震机制,将采集钻孔的样品,通过安装在海底深处的传感器记录,研究与地震相关的岩石及其摩擦特性。从而揭示俯冲带地震发生时水和岩石的相互作用,进一步了解地震和海啸的产生过程。     

中国东南大陆边缘带岩石圈三维结构-动力学型式

通过中国东南大陆边缘至菲律宾海域太平洋间过渡带人工地震测深和天然地震面波层析成像的构造解析,发现大陆至大洋间的过渡带岩石圈存在不同的结构样式和动力学型式,结合地质学、构造地质学、地球化学和地球物理学其他标志的综合研究,建立起中国东南大陆边缘带岩石圈3种结构-动力学型式：盆岭结构伸展动力学型式（南海北部式）、弧陆楔状结构-碰撞楔入动力学型式（台湾式）和沟弧盆结构-俯冲动力学型式（东海式）。在论述中国东南大陆边缘带岩石圈3种三维结构特征的基础上,探讨了该区岩石圈3种基本动力学型式及其地质意义。     

无震脊或海山链俯冲对超俯冲带处的地质效应

全球海底分布着众多的无震脊或海山链,且在太平洋、印度洋及大西洋均存在靠近俯冲带的海岭。除小安德列斯弧外的巴拉克达脊和蒂勃朗脊起源自转换断层外,一般认为它们由与板块构造动力学迥异的地幔柱动力学所形成的。在板块汇聚边缘处,与扩张脊处所形成的正常洋壳一起,无震脊或海山链俯冲于陆缘弧或洋内弧之下,其对弧及弧后地区的地质效应(构造、地貌、地震以及岩浆作用等)有别于正常洋壳俯冲。无震脊或海山链的俯冲通常造成俯冲带地区的上驮板块的局部异常抬升、俯冲剥蚀作用效应的加强、海沟的向陆迁移以及地震强度的增加。同时,无震脊或海山链俯冲时,其携带的具富集地球化学特征的物质不仅影响着地幔地球化学,也对弧及弧后火山熔岩化学产生明显影响,并对超俯冲地区的热液矿床的形成产生重要影响。最后,本文指出了我国有关无震脊或海山链俯冲的可能的研究方向包括黄岩海山链俯冲对吕宋岛弧的可能影响、印度洋无震脊俯冲对青藏高原局部地区的影响,有我国学者参与的IODP344航次的研究对象——科科斯脊俯冲对哥斯达黎加地震成因的效应以及位于西太平洋地区靠近俯冲带的一些无震脊等。     

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。     

ODP193航次--东马努斯盆地(Eastern Manus Basin)长英岩区热水作用系统

位于巴布亚新几内亚的马努斯弧后盆地的巴布亚新几内亚—澳大利亚—加拿大—马努斯( PACMANUS)热水作用区 ,以其硅质火山岩 (英安岩 )以及大量的硫化物烟囱富含金属铜和金的特点引人注目 ,明显地有别于大洋中脊和弧后扩张中心典型的玄武岩区的那些热水作用区。马努斯弧后盆地具有板块会聚边缘的地质与构造背景 ,表明属大陆地壳性质。因此 ,在离散板块边缘已进行的所有大洋钻探计划的钻探中 ,它是更接近和类似于古成矿环境的现代热水作用的场所。PACMANUS热水作用区海底样品的地球化学和同位素研究表明 ,金属和矿化流体的岩浆起重要的…     

主动大陆边缘的海底块体运动——发震带钻探计划（NanTroSEIZE）第一航次期间在南海（Nankai）海槽所取岩心样之初步结果

2007年底到2008年初,综合大洋钻探计划（IODP）“南海海槽发震带试验”（NanTrosEIZE）的第一阶段是沿南海海槽的汇聚边缘开始钻井、取芯。NanTroSEIZE项目是一个多阶段的IODP钻探计划,重点是通过直接取样、原位测试以及长期监测,了解地震成因、破裂传播以及海啸成因的力学性质。第一阶段包括三个非立管钻探航次,调查几个横穿西南日本纪伊半岛海域的陆坡和隆起的站位。主要目的是研究板块边界和张性断裂的浅部特征,这些钻探航次还为研究主动大陆边缘的海底块体运动提供了有价值的信息。     

南海中央海盆岩石圈纵向演化模拟

基于南海海盆的地质构造历史、地球物理和构造应力场资料建立准三维有限元模型,对南海中央海盆进行岩石圈纵向演化动力学模拟.本文采用弹塑性各向同性连续岩石介质模型,充分考虑拉伸速率、拉伸位移以及模型参数对模拟结果的影响,共建立了3个模型进行比较.从数值模拟结果可以看出中央海盆在被动拉张的地质构造背景下是单向生长的,动态模拟出南海中央海盆在形成过程中的陆缘裂离、海底扩张两个阶段的岩石圈纵向演化过程,并且分析了两个阶段岩石圈的动力学性质.提出水平的被动拉张力是南海岩石圈纵向演化前两个阶段形成的主要因素,并且在这两个阶段中,岩石圈的纵向演化时间主要集中在海底扩张阶段.     

西太平洋弧后盆地的热液系统及其岩浆环境研究

研究海底热液系统及其岩浆环境,可为了解西太平洋流固界面跨圈层物质与热交换过程,揭示板块俯冲过程的岩浆活动和资源环境效应提供研究支撑。为此,研究了冲绳海槽热液活动的岩浆环境、马努斯海盆的热液柱以及弧后盆地和洋中脊背景下的硫化物与玄武岩的同位素组成,对冲绳海槽热液区附近玄武岩、安山岩、粗安岩、英安岩、流纹岩及其基性岩浆包体进行了岩相学、矿物学以及主量元素、微量元素和同位素组成分析,对马努斯海盆PACMANUS和Desmos热液区的热液柱及海水进行了测量,在海底热液区岩浆混合过程及时间尺度、透视冲绳海槽深部岩浆房及岩浆演化过程和岩浆对热液系统物质贡献研究方面获新进展,揭示了俯冲蛇纹岩对琉球构造带南部岩浆活动的影响,论证了熔体包裹体对弧后盆地岩浆演化的指示,获得了冲绳海槽玄武质岩浆来源新证据,揭示了弧后盆地与洋中脊硫化物和玄武岩中铁、铜、锌的来源及其同位素在硫化物形成和岩浆活动过程中的分馏情况,明确了热液柱的物理、化学空间结构与物质组成特征,以及热液柱的扩散受深度和底流流速的影响,且热液柱扩散过程中溶解铁浓度异常比溶解锰的维持时间更长。未来,发展非传统稳定同位素和挥发份测试技术,进一步了解西太平洋板块俯冲环境下热液活动与岩浆作用的关系,将有助于海底热液系统及其成矿过程研究获得新进展。     

ODP第195航次--马里亚纳会聚边缘和西菲律宾海的地震观测

大洋钻探 1 95航次确定了 2个科学目的 ,一个是在距西太平洋关岛东部 70 km处、水深 2 930 m的 MAF- 4B站位取心 ,并在南 Chamorro海山最高峰安置长期观测仪 ,该站位位于马里亚纳俯冲带弧前的蛇纹岩泥火山上。另一个是在西菲律宾海盆东部边缘九州—帕劳海岭轴部以西 1 0 0 km外、水深5640 m的 WP- 1 B站位取心 ,并在菲律宾海的海渊海底钻孔中下套管和安装用于长期海底钻孔观测的宽频带地震仪。南 Chamorro海山钻探的目的 :( 1 )检验俯冲带和非增生会聚边缘弧前物质搬运及其内部地球化学循环的过程 ;( 2 )查明弧前环境内同源板块流体的空…     

南海地质、地球物理调查研究及研究方向

南海是西太平洋最大的边缘海之一。它东邻台湾、菲律宾群岛，西界中南半岛，北靠华南大陆，南至加里曼丹岛，面积约３５０ｘ１０４ｋｍ２，约为渤海、黄海和东海总面积的３倍，经济和地理位置十分重要。南海与台湾、菲律宾岛弧－海沟构成酉太平洋边缘最完整的沟－弧－盆构造体系，既具有西太平洋边缘沟－弧－盆构造体系的同一性，又具有其本身的独特性。因此，研究台湾－菲律宾及南海沟－弧－盆构造体系，对深入了解和认识西太平洋边缘沟－弧－盆构造体系的特征和演化规律具有特别重要意义。南海位于欧亚板块、太平洋板块和印度－澳大利亚板…