日本山口拉氏海侵的地壳结构

日本山口拉氏海侵的地壳结构

九州-罗马西亚海岸是位于菲律宾海盆中部的一个正地形单元。它从西到东，分为西菲律宾海岸和东九西自治区海岸。北，它从南海海沟向日本半岛延伸。该海脊在地貌上可分为北段的九州海脊和南段的帕劳海脊,全长约2750km,宽约90km。南北两段海脊的连续性好,脊顶水深达3700～4000m,中段是断续的海山,脊顶水深下达5000m。海脊东侧较陡,坡脚常为凹地,水深可达4000～5000m。西侧较缓,水深可达5000m。九州-帕劳海脊的地壳结构及构造演化一直是科学家关注的焦点:1)向北俯冲到日本南海海槽之下的九州-帕劳海脊,在地震学意义上即是地震的发震体又是地震的防震坝;2)东西菲律宾海盆,在洋壳年龄、构造演化以及地形地貌上存在很大差异,九州-帕劳海脊恰为东西海盆的分界线;3)九州-帕劳海脊是弧后扩张的产物,对研究洋内岛弧的形成演化具有指示意义;4)尤其是日本政府2009年提出冲之鸟礁海域外大陆架划界案以来,九州-帕劳海脊特殊的地理位置也成为关注的焦点。九州-帕劳海脊被普遍认为是老伊豆-小笠原岛弧的残留弧。Takahashi等利用1992年Hakuho-maru,Tansei-maru和KaikoNo.5调查船所得的多道和OBS数据,得到了伊豆-小笠原岛弧处3层的地壳结构。Nishizawa等的研究得到的伊豆-小笠原岛弧P波波速模型是3层的地壳模型。Kodaira等通过广角地震探测,反驳了伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧的地壳厚度沿其走向基本无变化这一观点。九州-帕劳海脊的研究开始较晚,研究程度较低,Ishihara等对南北部地壳结构做出了总结。Nishizawa等利用海底地震数据对15°～21°N的九州-帕劳海脊段地壳进行了研究。国内而言,李常珍等对九州-帕劳海脊的地形地貌加以了研究描述,许浚远等通过盆地机制的研究,分析菲律宾海板块的演化,少量的涉及到了九州-帕劳海脊的形成,台湾李昭兴等对于九州帕劳海脊有过较为详细的研究。尽管前人对九州-帕劳海脊地区做出了许多研究,但仍存在不足之处,前人的研究主要集中于解决伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧和九州-帕劳海脊的部分海脊段的地壳结构和演化过程,缺乏一个宏观的认识,并且对九州-帕劳海脊和西马里亚纳岛弧演化过程对比的相关研究也甚少。九州-帕劳海脊地区地球物理勘探研究力度远不够,缺乏大量的地震剖面以及其他的地球物理资料,尤其是海脊的南段。正是由于九州-帕劳海脊复杂的构造背景、数据资料不充足、缺乏系统研究等原因,九州-帕劳海脊尚有一些科学疑点有待我们去解决:1)为什么九州-帕劳海脊能从老的伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧岛弧上完全裂离出,但西马里亚纳岛弧只能部分裂离伊豆-小笠原马里亚纳岛弧,在23°N左右(图1,Kpr20,Kpr5和Kpr26剖面来自Nishizawa等,a和b剖面来自Haraguchi等)就已经停止了裂离;2)为什么九州-帕劳海脊的中段的地壳特征会沿着走向发生巨大的变化,是否与菲律宾海板块的构造演化(四国和帕里维希拉海盆的渐进式扩张)过程存在的联系;3)九州-帕拉海脊的地壳起源、演化过程。本研究重在理清整条九州-帕拉海脊的地壳结构的特征,形成演化及伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧与九州-帕劳海脊的亲缘关系。1菲律宾板块晚中生代以来构造演化的主要地球动力来源九州-帕劳海脊的构造演化与菲律宾海板块的演化密切相关。菲律宾海板块位于太平洋板块与欧亚板块之间(图1),其周缘均为俯冲板块边界,包括东侧与东北侧的伊豆-小笠原及马里亚纳海沟,西侧和西南侧的琉球海沟和菲律宾海沟,南侧的雅浦与帛琉海沟。板块之上发育了西菲律宾海盆,四国盆地,帕里维西拉海盆,九州-帕劳海脊,伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧,奄美海台,大东洋脊以及伊豆-小笠原海沟等地形地貌。整体而言菲律宾海海底地形复杂,各种地形形态俱全。近来根据海洋钻探,古地磁证据的研究,普遍认为菲律宾海板块的形成演化概括为旋转-后退-弧后扩张模式。菲律宾海板块晚中生代以来构造演化的主要地球动力来源于太平洋板块的运动。如图2所示,65～45Ma期间菲律宾板块以中央断裂带为扩张中心,西菲律宾海盆发生近南北向海底扩张。大量古地磁条带提供了古东西向扩张中心存在的证据,而中央海盆断裂带、冲大东海岭、大东海岭及奄美海台等一系列NWW-SEE至近SE向构造带则是此扩张带存在的构造地貌证据。在距今43Ma左右,太平洋板块运动方向发生变化,由NNW向(相对于热点运动方向)变为NWW向,由于俯冲板块方向的改变,使得太平洋板块西缘的走滑带被转变成了俯冲带,并伴随着强烈的弧后岩浆活动,形成了老的伊豆-小笠原岛弧。在29Ma左右菲律宾海板块开始向西北运动(3.5cm/a),并发生顺时针旋转。伊豆-小笠原-玛里亚纳海沟向东后退,四国和帕里西维拉海盆开始近东西向的弧后扩张,九州-帕劳海脊与老伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧裂离,成为残留弧。15Ma左右菲律宾海板块基本不再转动,四国盆地和帕里西维拉海盆弧后扩张停止。菲律宾海板块开始西向运动,并俯冲于吕宋-菲律宾岛弧与琉球岛弧之下,形成了琉球海沟和菲律宾海沟。菲律宾板块与欧亚板块的相对运动方向在10～5Ma左右改变为NWW。在6Ma左右,马里亚纳海槽由于板块NWW方向的运动开始扩张,并逐步形成弧后盆地;在约5Ma时,沿南海海槽的部分俯冲停止。整个菲律宾板块自65Ma以来以幕式方式顺时针转动了近90°。在菲律宾海板块的演化过程中形成了九州-帕劳海脊处特殊的地壳结构和复杂的演化过程。2九州-罗马西亚海岸的地壳结构2.1九州-罗马州-海岸带的地壳结构特征2.1.1海脊的地壳厚度和布格重力异常表现九州-帕劳海脊北段(表1,3)下存在着P波波速为6.1～6.3km/s的中地壳,厚度近5km;下地壳P波波速为7.1～7.3km/s,厚度为5～6km;上地壳P波波速为4.5～5.5km/s,厚度近2km。总的地壳厚度近13km,地壳之上还覆盖了近1km的沉积物。Ishihara等也证实了北部海脊下存在着P波波速为6.0km/s中地壳,说明北部海脊属于成熟的岛弧地壳(许多研究表明岛弧地壳的特征就是具有P波波速为6.0km/s中地壳)。九州-帕劳海脊北段(21°N以北)(图3,来源于三维空间模型,减去了基底到莫霍面的深度,等值线间隔为1km,地壳厚处以暖色调表示)的地壳厚度并不是沿着走向稳定不变的,30°N以北区和25°N以南区的地壳厚度普遍在10～15km,25°～30°N的地壳厚度普遍>15km。与冲大东海岭相连处海脊的地壳厚度较其他区域厚。北段九州-帕劳海脊处的地壳厚度大于两侧海盆的地壳厚度。海脊的宽度沿着走向也有较大的变化,26.5°N左右的九州-帕劳海脊格外的窄,而且在布格重力异常上也有反映(图4,海水、沉积物及地壳密度被假设为1030,2300和2800kg/m3)。从海脊脊顶水深情况而言,30°N以北区脊顶水深深3000～4000m(图1),25°N以南区的脊顶水深深4000～5000m,25°～30°N的脊顶水深较浅,在2000～3000m。从布格重力异常图(图4)较明显的看出北段九州帕劳海脊整体走向。大东洋脊和九州-帕劳海脊在重力异常图上呈相连状态。在海脊27.5°N和26.5°N处海脊的异常特征上表现为整体上相连,细节上分离。2.1.2两种地壳的厚度九州-帕劳海脊的中段主要指15°～21°N处。海脊中部的地壳结构变化较大(图5,表1,表3)。Nishi-zawa等通过研究4条近垂直于九州-帕劳海脊的地震剖面(15°～21°N)得到:1)九州-帕劳海脊处的地壳可以概括为P波波速<6.8km/s,速度梯度较小的上地壳和P波波速为6.8～7.0km/s的下地壳,且上地壳的速度梯度大于下地壳;2)九州-帕劳海脊沿着走向地壳厚度由20km突变至8km;3)与北部的地壳相比,属于不成熟的岛弧地壳,未识别到中地壳的存在;4)九州-帕劳海脊的地壳厚度总是比两侧海盆的地壳厚度要厚一些。Kpr19剖面(图1)穿过了研究区九州-帕劳海脊最浅最宽的部位。如图5所示,冲之鸟礁出现在剖面离西侧50km处,地壳厚度为20km。沿Kpr20剖面的水深最深。地壳厚度最薄,九州-帕劳海脊之下的地壳厚度最多8km,但仍然比两侧海盆下的地壳略微厚一些。九州-帕劳海脊位于Kpr5剖面的西端,地壳厚度为15km。在Kpr26剖面上,九州-帕劳海脊位于剖面的东侧,其他的测深高地位于剖面的西侧。九州-帕劳海脊与西侧测深高地的地壳厚度均要达到15km。九州-帕劳海脊中段的(图1)脊顶水深在3000～4500m。从布格重力异常图上可看出海脊中段的连续性较差,19°N处等值线整体上也不再相连。2.1.3p波波速和下地壳Ishihara等通过调查研究认为南部普遍大于10km。Haraguchi等认为九州-帕劳海脊南段与北段一样存在着着P波波速为6.1～6.3km/s的中地壳。P波波速为7.1～7.3km/s的下地壳和P波波速为4.5～5.5km/s的上地壳。九州-帕劳海脊南段的脊顶水深变化较大,最南端的海脊顶部水深<1000m。2.2地壳厚度及构造意义根据17°00′N,30°30′N和32°15′N处伊豆-小笠原岛弧地震剖面的研究结果,地壳具3层结构,为上地壳、中地壳和下地壳,地壳的总厚度达20km,地壳厚度沿着岛弧走向变化不大(图5和表3,4)。但KODAIRA等在30°N伊豆-小笠原岛弧处的广角地震剖面的初步研究表明沿岛弧的地壳在厚度和平均波速上存在着很大的不同。九州-帕劳海脊处的地壳厚度(表3,表4)在南北两端均超过10km,厚度变化的程度不大。但在洋脊中段处的地壳厚度由20km突变为8km。在这与伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧处地壳沿着走向的变化趋势具有相似性。地壳结构而言在九州-帕劳海脊的南北两段均拥有3层的地壳结构,只是在中段就未发现层速为6.0km/s中地壳的存在。据伊豆-小笠原岛弧和九州-帕劳海脊的地壳结构模型(如图5)和地壳速度和厚度表(表1,2,3,4)可看出,两者在北段的层速相当接近,而且地壳厚度也据一定的规律。以北部为例,伊豆-小笠原岛弧处的地壳总厚度在20km左右,P波波速为6km/s左右的中地壳厚8km。下地壳的厚度也近8～9km,P波波速为7.1～7.3km/s,上地壳P波波速为4.5～5.5km/s。九州-帕劳海脊处的地壳速度一致,地壳厚度有所差别。九州-帕劳海脊下存在5km左右的下地壳和中地壳,上地壳的厚度在2km左右。九州-帕劳海脊中地壳厚度是伊豆-小笠原岛弧地壳厚度的2/3倍,总厚度也接近2/3倍。整条海脊处的地壳厚度基本上都符合这个规律。这可能是由于伊豆-小笠原岛弧厚的中地壳是弧后盆地扩张形成后(15Ma)新的岩浆输入的结果。而九州-帕劳海脊处的地壳在其形成后基本上不再有新的岩浆的输入。综上所述伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧与九州-帕劳海脊具有一定的亲缘性。所以在地震测线较少的九州-帕劳海脊处,研究其地壳特征时可以结合伊豆-小笠原岛弧的地壳结构统筹考虑。3岛弧开裂系垂向旋转运动根据帕里西维拉海盆两侧断层分布情况,老的伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧东西向的裂离是一个不对称开裂。但为什么会沿着狭窄的老的伊豆-小笠原岛弧发生开裂,形成两条更窄的洋脊?林长松等对马里亚纳海槽形成(西马里亚纳残留弧的形成)的研究中提出了马里亚纳岛弧系的垂向旋转运动,是导致在沿着岛弧开裂最重要的原因之一。九州-帕劳海脊与西马里亚纳岛弧有很好的相似性,都是弧后扩张的产物,所以弧系的垂向旋转运动同样也可用来解释九州-帕劳海脊的裂离。3.1垂向旋转应力场在伊豆-小笠原-马里亚纳沟-弧系中,由于大洋板块在海沟处俯冲消减,对岛弧系产生了向下的拖曳作用(图6)。而俯冲板块在俯冲过程中,由于受摩擦产生的热力和地幔深处的热力作用以及密度间的差异等,在到达一定的深度时,又会产生向上的升力。这两种不同方向的应力在其上的沟一弧系统内形成了旋转应力场,称为垂向旋转应力场。太平洋板块向伊豆-小笠原-马里亚纳沟俯冲时,老岛弧受垂向旋转应力场作用,而发生了向海沟轴方向的旋转,张裂和掀斜运动。同时,大洋板块对上覆板块的水平挤压分应力依然存在。此时在水平挤压应力场和垂向旋转应力场的作用之下岛弧地壳就会开裂。3.2西马里亚纳岛弧九州-帕劳海脊与伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧有着十分密切的联系,是老的伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧的残留弧,是弧后盆地开裂扩张的产物。西马里亚纳岛弧是从现今的伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧上裂离出的一部分,尚未完全分离。西马里亚纳岛弧和东马里亚纳岛弧之间也存在着一个尚未演化完成的马里亚纳海槽。九州-帕劳海脊和西马里亚纳岛弧裂离的时候都受到了东侧太平洋板块俯冲的影响,演化的动力机制很相似。从几何形态上而言,都为狭长的窄条,开裂都不是等时进行的,而是一端或是两头先开裂,在向一个方向逐渐推进的。3.3区域扩张和裂离模式九州-帕劳海脊的形成演化贯穿在菲律宾海板块的演化过程中。古近纪以来,太平洋板块不断西向俯冲及强烈的火山活动在现存的更老的岛弧岩石圈上形成了老的伊豆-小笠原岛弧。COSCA等根据ODP和DSDP在伊豆小笠原-马里亚纳岛弧和九州-帕劳海脊处钻探所得岩石沉积物的40Ar/39A测年,认为老的伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧形成于47～45Ma。35～31Ma期间老的伊豆-小笠原岛弧就已完全形成。29Ma左右,在太平洋板块西向俯冲速度的减低,伊豆-小笠原-马里亚纳海沟开始向东后撤,老的伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧开始发生裂解,岛弧处活跃火山活动也相继停止。29Ma左右,帕里西维拉海盆的南缘先裂开(图7)。26Ma左右扩张逐步向北推进。四国盆地的扩张略晚于帕里西维拉海盆(27Ma),也即九州-帕劳海脊从南段先开始与老的伊豆-小笠原岛弧开裂,整体上南部早于北部。四国盆地由北向南逐步扩张,在23Ma时,扩张中心延至帕里西维拉海盆的北界(24°N),并与帕里西维拉海盆的扩张共同作用。22Ma九州-帕劳海脊完全与老的伊豆小笠原-马里亚纳岛弧分离。19Ma帕里西维拉海盆和四国盆地联合扩张作用结束,帕里西维拉海盆的扩张轴顺时针转动,九州-帕劳海脊的裂离方向由原来的东西向转变为南西-北东向。在这个过程中据老的伊豆小笠原-马里亚纳岛弧在垂向旋转应力和水平挤压力的作用之下开始裂离,有一条长而窄的老岛弧,裂离成为两条更为窄的九州-帕劳海脊和伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧。九州-帕劳海脊东侧陡,西侧缓的现象恰能辅证这种旋转的裂离模式。这与Yamashita等指出老的伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧是一个不对称开裂也一致。15Ma左右,四国盆地和帕里西维拉海盆扩张停止,现今九州-帕劳海脊残留弧基本形成。伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧处的火山活动重新活跃,但九州-帕劳海脊处却较为稳定。至今,九州-帕劳海脊还随着菲律宾海板块一起移动(GPS测量),但既不伴随弧后扩张也无板内变形。海脊各段的移动速度和方向不同,海脊中部以8.0cm/a向着N72°W移动;帕劳海脊段以9.5cm/a向着N74°W方向移动。4纤维-亚纳岛弧的构造属性及地壳沉积的性质综合分析九州-帕劳海脊的演化过程及其地壳结构特征,提出了以下3点讨论:1)通过文献资料的总结与分析,位于西南太平洋内Lau海脊与我们的九州-帕劳海脊有很好的相似性。Lau海盆与四国盆地和帕里维希拉海盆都是渐进式扩张的海盆。Lau海盆两侧为活跃的火山岛弧和构造活动不活跃的残留弧(Lau海脊),这与四国盆地与帕里西维拉海盆两侧为构造活跃的伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧相对应。Lau海脊为Lau海盆弧后扩张的产物,这从另一个方面证明了九州帕劳海脊弧后裂离模式的可靠性。现今正在经历弧后裂离的西马里亚纳岛弧则是另一个很好的证据。2)对于弧后扩张模式而言,首先为什么九州-帕劳海脊能从老的伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧岛弧上完全裂离出,但西马里亚纳岛弧只能部分裂离伊豆-小笠原马里亚纳岛弧,在23°N左右(图1)就已经停止了裂离。其次为什么在24°N,(四国盆地和帕里维西拉海盆的分界线处)南北海脊的走向会有转折,而且弧后盆地的扩张轴也有突变。是否在24°N附近存在着特殊的构造控制着九州-帕劳海脊和西马里亚纳岛弧的构造演化。如果存在该构造的话,相对于九州-帕劳海脊而言,该构造应该形成的年代较早,地壳厚度较大,岩石较为坚硬。而在西菲律宾海盆内的确存在着大量近东西走向的构造,他们形成时代较早(如奄美海台都形成于白垩纪),地壳厚度大,而且在23°～24°N内更有大东海岭和冲大东海岭的存在。为了解决这一疑惑建议可以在过大东或冲大东海岭,九州-帕劳海脊以及西马里亚纳岛弧最北端来一条OBS地震测线。3)为什么在九州-帕劳