馬尼拉俯沖帶熱結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬與地震意義

陳愛華， 許鶴華

（1. 國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局， 廣州 510760； 2. 中國科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院南海海洋研究所， 廣州 510301）

0 引言

通過分析俯沖板塊年齡和熱流值， 馬尼拉俯沖帶屬于熱俯沖[5-11]。 陳愛華等[12]嘗試?yán)脽岣_探討馬尼拉俯沖帶的地震分布規(guī)律。 但馬尼拉俯沖帶的俯沖速度和俯沖角度比其它熱俯沖大得多，會對俯沖洋殼的熱結(jié)構(gòu)分布產(chǎn)生很大影響[13]。 馬尼拉俯沖帶經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)演化過程， 俯沖板塊深度較深， 同時(shí)存在陸殼、 洋陸過渡帶和洋殼，且不同區(qū)域的地質(zhì)條件相差較大[14]。 高翔等[15]選取馬尼拉俯沖帶南、 北兩條測線， 根據(jù)兩處俯沖板塊的角度、年齡和運(yùn)動特征的差異， 分析了摩擦熱和剪切熱對俯沖帶熱結(jié)構(gòu)的影響， 討論俯沖板塊發(fā)生脫水和部分熔融的位置。 由于研究的問題不同， 建立的模型和考慮的因素也不同， 必然會導(dǎo)致模擬結(jié)果產(chǎn)生差異。 近年來， 通過對馬尼拉俯沖帶以及呂宋島弧地球物理測量， 獲得了馬尼拉俯沖帶各構(gòu)造單元莫霍面的形態(tài)、 走向、 梯度和地殼性質(zhì)， 為本文研究馬尼拉俯沖帶的熱結(jié)構(gòu)提供了最新的地球物理資料[16]。 本文綜合馬尼拉俯沖帶的地震、 古地磁、 地?zé)崤c層析成像等多種最新地球物理資料， 選取3 條典型剖面（位置見圖1）， 構(gòu)建地質(zhì)模型和二維數(shù)值模型， 根據(jù)剖面板塊俯沖角度、 速度等， 應(yīng)用有限元方法求解非線性瞬態(tài)熱方程， 得到馬尼拉俯沖帶的熱結(jié)構(gòu)特征，為進(jìn)一步探討馬尼拉俯沖帶地震成因機(jī)制提供熱力學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

馬尼拉俯沖帶是菲律賓海板塊向南海板塊仰沖所形成的匯聚邊界， 南起民都洛島西南陸架的海底峽谷， 北部延伸至北緯21°15′， 并且逐漸與臺灣造山帶西部的變形相連接， 空間上呈南北向弧形展布， 斷面呈不對稱的“V”形， 整體表現(xiàn)為向西“凸”形， 形態(tài)為向東傾的貝尼奧夫帶（圖1）[17-18]。

圖1 馬尼拉俯沖帶地形圖Fig.1 Topographies maps of Manila subduction zone

馬尼拉俯沖帶主要受近東西向的擠壓， 大多數(shù)地殼內(nèi)地震的主壓應(yīng)力軸接近E-W 方向； 菲律賓斷層以北以NW 向擠壓應(yīng)力為主， 顯示北部以擠壓逆沖為特征； 菲律賓海槽及海溝地區(qū)， 主壓應(yīng)力方向?yàn)镹WW 到NEE 之間； 南部較為復(fù)雜，存在NW、 NE 和近NS 向擠壓應(yīng)力， NW 向的擠壓應(yīng)力主要來自菲律賓板塊繼續(xù)向西北的運(yùn)動， 以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為特征， 且存在左旋走滑斷層[19-20]。

根據(jù)南海海底磁異常對比分析， 多數(shù)學(xué)者認(rèn)為， 南海中央次海盆具有東西向?qū)ΨQ分布的磁條帶(11～5 d)[6]。 大陸裂谷及早期海底擴(kuò)張發(fā)生于32～26 Ma， 期間伸展應(yīng)力場由SE 向轉(zhuǎn)為SSE 向；24 Ma 后， 轉(zhuǎn)為NW-SE 向擴(kuò)張， 最后終止于15 Ma[8,21]。 在中新世， 菲律賓海板塊沿馬尼拉海溝以7.0 cm/a 的速度、 NW55°方向斜向仰沖[22]。 Bautista等[23]的研究也表明， 菲律賓板塊在呂宋島北端以約7 cm/a， 向南逐漸增大， 在棉蘭老島的東南部最大， 達(dá)到9 cm/a， 歐亞板塊則以1 cm/a 的速度沿相近方向做同向運(yùn)動， 由于菲律賓板塊速度比歐亞板塊運(yùn)動速度快， 二者表現(xiàn)出強(qiáng)烈會聚。 隨著俯沖作用繼續(xù)和菲律賓海微板塊向西北方向移動， 呂宋島弧和歐亞板塊發(fā)生碰撞[22]。 菲律賓海板塊持續(xù)地向西北運(yùn)動， 碰撞作用加劇并向南擴(kuò)展， 馬尼拉海溝的北端逐漸進(jìn)入碰撞造山階段， 形成了非火山弧（增生楔）-弧前盆地（北呂宋海槽和西呂宋海槽）-火山?。▍嗡位鹕交。?gòu)造組合[24，25]。

2 計(jì)算模型

2.1 剖面特征與初始條件

馬尼拉俯沖帶是南海東部的俯沖邊界， 北部受臺灣島碰撞帶的影響， 南部由于巴拉望地塊和菲律賓板塊的作用， 使得地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。

AA′剖面位于臺灣島南部附近， 沿20°N 的縱波速度結(jié)構(gòu)剖面顯示， 東沙隆起（116°～118°E）處地殼厚度約32 km， 巖石圈厚度約95 km； 往東至120°10′E 處， 地殼減薄至20 km， 此段西部為陸坡區(qū)， 東部南海東北部海盆是洋殼[26]。 由此可以推斷， 剖面AA′俯沖板塊為陸殼， 地殼厚度取為25 km， 巖石圈厚度取95 km。

BB′剖面處于洋陸過渡帶， 往北逐漸為陸殼，往南則為南海中央海盆。 沿18°N 的P 波速度結(jié)構(gòu)剖面表明， 海南島之下的巖石圈厚度在80～85 km左右， 從這里開始至南海中央海盆東部邊緣（118°E）， 巖石圈厚90～95 km。 在南海西北海盆至中央海盆之下（114°～119°E）， 地殼厚度減薄到5～6 km， 莫霍面深度10 km， 在馬尼拉海溝（119°30′E）之下， 莫霍面深度從10 km 向40 km 下降， 但巖石圈厚度未見變化[26]。

尾礦資源化和減量化是指將尾礦直接作為資源進(jìn)行回收利用或者對尾礦進(jìn)行再生利用，其方法包括尾礦再選和尾礦制備材料等。尾礦的資源化和減量化利用不僅可提高我國礦業(yè)開發(fā)綜合利用水平，同時(shí)還可減少尾礦和廢水等礦業(yè)固體廢棄物的排放，減少礦業(yè)開發(fā)過程對環(huán)境的影響。

CC′剖面總體屬于中央海盆區(qū)域， 也處于古俯沖帶的洋中脊附近， 俯沖板塊為洋殼。 根據(jù)上地幔三維S 波速度結(jié)構(gòu)結(jié)果：

（1）沿北緯16°的速度剖面上， 在東經(jīng)114°附近， 軟流層頂界面深度最淺， 在60 km 左右， 向東逐步變深， 在東經(jīng)120°最深， 達(dá)到70 km 左右，然后又變淺， 達(dá)到60 km 左右。

（2）東經(jīng)115°的速度剖面上， 在北緯16°附近， 出現(xiàn)一個(gè)隆起， 此處軟流層頂界面深度最淺，在60 km 左右， 北緯16°以北部分， 向北逐漸變深， 最深達(dá)到100 km 左右， 北緯16°以南部分，向南先是變深， 在65 km 左右， 然后又逐步變淺，最淺達(dá)到60 km 左右[27]。

南海海盆的巖石圈厚度為65 km 左右， 最淺可達(dá)到60 km， 向東到菲律賓海盆平均地殼厚度25.7 km， 平均巖石圈厚度80 km[28]。 BB′和CC′兩條剖面處的磁條帶異常對比大概為12（約35 Ma）和6（約20 Ma）， 根據(jù)半空間冷卻模型進(jìn)行計(jì)算，兩處剖面的巖石圈厚度約為77 km 和58 km [7,29]。 海溝兩側(cè)的臺灣-呂宋島地區(qū)的地殼厚度約為34 km， 巖石圈厚度為70～80 km[15，30]。 根據(jù)層析成像結(jié)果可以推測， 三條剖面處的板塊俯沖深度均超過300 km[31-32]。

根據(jù)南海及鄰區(qū)莫霍面深度反演計(jì)算， 南海板塊在BB′剖面處地殼中的俯沖角度很平緩， 大約3°， 中央海盆莫霍面深度較厚， 約為19～22 km，馬尼拉俯沖帶處地殼厚度為15～20 km； 由于CC′剖面處靠近古俯沖洋中脊， 中央海盆莫霍面深度減薄至10 km 左右， 馬尼拉俯沖帶地殼厚度約為10～15 km， 地殼中的俯沖角度不大， 約4°左右[16]。 B autista 等[23]根據(jù)地震分布和震源機(jī)制解， 推斷南海俯沖板片表面形態(tài)， 馬尼拉俯沖帶南海俯沖板片的形態(tài)復(fù)雜， 底部的俯沖角度變化非常大， AA′剖面俯沖板塊在淺部的俯沖角度約5°， 深部約60°，至18°逐漸變緩， 向南俯沖角度又逐漸變陡， 至最南端的民都洛島處， 俯沖角度近乎垂直。

模型中選取的尺度較大， 洋殼沉積層厚度較薄， 且本文的模擬結(jié)果主要針對中深源地震， 為方便建模和計(jì)算， 忽略洋殼沉積層。 在BB′剖面菲律賓以下的南海板塊俯沖角度達(dá)到45°； CC′剖面南部剖面深部約65°， 綜合層析成像和地震剖面資料， 本文中CC′剖面取為60°。

綜合上述地質(zhì)資料及分析， 地質(zhì)模型參數(shù)選取如表1 所示。

2.2 模型參數(shù)

根據(jù)馬尼拉俯沖帶的地質(zhì)資料， 可以建立理論數(shù)值模型（圖2）。 為了研究俯沖板塊的熱結(jié)構(gòu)及減少邊界影響， 本文中設(shè)定計(jì)算區(qū)域馬尼拉海溝橫向?qū)挾葹? 000 km， 模擬底邊界深度為600 km，板片俯沖深度為300 km。 陸殼模型的初始溫度由穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程給出， 洋殼俯沖模型的初始溫度根據(jù)菲律賓板塊的年齡及厚度， 通過半空間冷卻模型的計(jì)算方法給出。 上邊界溫度取為0℃， 底邊界處溫度取為1 600 ℃， 海洋板塊巖石圈邊界和上覆板塊巖石圈邊界均采用半空間冷卻模型計(jì)算出的溫度分布作為邊界條件， 軟流圈地幔左右邊界均為自由邊界。 模型各參數(shù)如下表2。

表1 地質(zhì)模型參數(shù)Table 1 Parameters of geology model

圖2 數(shù)值模型示意圖Fig.2 Schematic diagrams of numerical model

表2 數(shù)值模型參數(shù)Table 2 Parameters of numerical model

根據(jù)臧紹先等[33]的研究結(jié)果， 俯沖洋殼的剪切生熱以及地幔中的放射性物質(zhì)的產(chǎn)熱量A 相對其他熱源項(xiàng)要小很多， 忽略它們作為一種近似是合理的。 由于AA′剖面俯沖板塊為陸殼， 考慮到在同一圈層差異很小， 也為方便計(jì)算， 放射性生熱率取為1*10-6W/m3。

3 模擬結(jié)果

對建立的兩個(gè)數(shù)值模型賦予相同的邊界條件，為驗(yàn)證本模擬結(jié)果， 采用熱流作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。 AA′剖面屬陸殼， 地殼厚度較厚， 海溝西側(cè)熱流值為66 mW/m2， 最低值約為45 mW/m2， 海溝東側(cè)約為72 mW/m2， 陸殼本身熱流值較低， 加上角落流、巖漿活動和火山活動等因素的影響， 上覆板塊熱流值會相對上升， 使得海溝東側(cè)熱流值高于西側(cè)；BB′剖面中， 在俯沖較淺位置， 熱流值為68 mW/m2， 海溝最低處熱流值為45 mW/m2， 在菲律賓板塊， 熱流值約為65.8 mW/m2； CC′剖面由于巖石圈厚度較薄， 淺部達(dá)到70 mW/m2， 而海溝最低熱流值約為20 mW/m2， 與BB′剖面處的俯沖角度和俯沖速度有關(guān)， 菲律賓板塊熱流值與BB′剖面基本一致。 模型中的熱流值和熱流趨勢與南海熱流特征一致[9,10,34]， 因此， 此模擬結(jié)果可以較好地反應(yīng)馬尼拉俯沖帶的熱結(jié)構(gòu)。

圖3 AA′、BB′和CC′剖面計(jì)算熱結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Calculated thermal structure for AA′、BB′ and CC′cross-section

根據(jù)圖3 可知， 在俯沖的淺部， 由于俯沖角度平緩， 俯沖板塊的溫度主要受熱傳導(dǎo)作用控制，基本與俯沖板塊形狀保持一致， 隨俯沖深度加深而增加。 當(dāng)深度加深， 俯沖角度逐漸增大， 縱向的分速度也逐漸增大， 較冷的俯沖板塊運(yùn)動至較深的深度。 至軟流圈邊界時(shí)， 開始受軟流圈對流影響， 俯沖板塊溫度變化明顯， AA′剖面俯沖板塊頂部約為570 ℃， BB′剖面洋殼頂部溫度比AA′高，約為680 ℃， 可能是由于BB′剖面厚度較AA′剖面薄， 相對更 “熱”。 CC′剖面的俯沖角度和俯沖速度均較BB′剖面大， 溫度也較低， 洋殼頂部僅有約450 ℃。 當(dāng)洋殼至軟流圈后， 洋殼溫度快速升高，在90 km 處， AA′剖面板塊頂部溫度達(dá)到730 ℃，底部增加較緩， 約為650 ℃； BB′剖面表面溫度約為805 ℃， 底部溫度約為673 ℃； CC′剖面表面溫度約為885 ℃， 底部溫度比BB′剖面低的多， 約為210 ℃。 由于CC′剖面的俯沖速度和角度均比AA′和BB′剖面大， 使得軟流圈對洋殼內(nèi)部“加熱”作用比AA′和BB′剖面弱的多， 保持較冷的狀態(tài)到更深的深度。 經(jīng)過軟流圈的加熱后， 洋殼表面和底部溫度均有較大升高， 在160 km 時(shí)， AA′剖面溫度約875 ℃， 底部溫度約為671 ℃； BB′剖面洋殼頂部溫度升至950 ℃， 洋殼底部溫度也較高， 達(dá)到840℃； CC′剖面洋殼頂部溫度更高， 達(dá)到1 050 ℃， 洋殼底部溫度也升高到500 ℃。 三條剖面的熱結(jié)構(gòu)對比也表明， 俯沖帶熱結(jié)構(gòu)主要受俯沖角度、 俯沖速度和俯沖板塊本身地質(zhì)條件如軟流圈深度、厚度、年齡等因素影響。

4 地震意義

Peacock 等[35]和Kirby 等[36]將熱流值＞75 mW/m2，且年齡＜15～25 Ma 的洋殼俯沖稱為熱俯沖， 其它熱流較低、年齡較老的俯沖為冷俯沖。 BB′和CC′剖面的地溫梯度值比日本西南部熱俯沖的地溫梯度還高， 因此， 本模擬結(jié)果也進(jìn)一步證明BB′和CC′剖面屬于熱俯沖[35]。 根據(jù)熱俯沖的研究， 地震成因機(jī)制主要有以下兩種觀點(diǎn)：

（1）俯沖深度比較淺[37]。

（2）含水相脫水和榴輝巖的形成， 在俯沖板塊與軟流圈接觸之前停止[36]。

一般認(rèn)為， 淺源地震是由脆性斷裂導(dǎo)致的，大洋俯沖帶深部地震基本由巖石相變引起[38-39]。 當(dāng)俯沖洋殼開始俯沖時(shí)， 上覆巖石壓力和溫度增大，大多數(shù)的孔隙被擠壓消失， 排出大量孔隙水。 在俯沖的早期階段， 隨著變質(zhì)程度從沸石相的遞增，相應(yīng)的主要含水礦物為沸石、 綠纖石等， 巖石中的含水量可達(dá)到8%～9%[40]。 隨著進(jìn)一步俯沖， 洋殼在約20 km 的深度進(jìn)入綠簾石藍(lán)片巖相區(qū)域，在50 km 的深度進(jìn)入角閃石榴輝巖相[41]。 根據(jù)本文模擬結(jié)果， 當(dāng)俯沖至軟流圈邊界時(shí)， 開始受軟流圈的影響， 俯沖板塊溫度迅速升高， 自由水降低200～300 ℃反應(yīng)溫度， 使俯沖洋殼大量脫水， 孔隙壓力繼續(xù)增加， 上覆巖石壓力減小， 巖石脫水脆化發(fā)生破裂， 生成的水促進(jìn)周圍無水輝長巖和玄武巖相變， 形成大量榴輝巖， 伴隨著密集的地震發(fā)生[36,41-43]。 榴輝巖的形成也使洋殼密度增大， 板塊應(yīng)力改變， 負(fù)浮力增加。 由于BB′剖面的俯沖角度和俯沖速度比CC′剖面小， 使得BB′剖面發(fā)生地震的深度更淺。 俯沖洋殼頂部溫度較高， 在南海洋殼到達(dá)軟流圈之前， 含水相脫水和榴輝巖的形成基本停止， 使軟流圈之上的洋殼發(fā)生密集的地震活動。 洋殼底部溫度更低， 需要在更深的深度才能形成榴輝巖， 地震活動也持續(xù)到更大的深度，當(dāng)洋殼全部進(jìn)入干榴輝巖相時(shí)， 地震活動也基本停止， 這種推測與馬尼拉俯沖帶地震震源深度分布結(jié)果吻合。 但進(jìn)入榴輝巖相的具體深度， 則需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)結(jié)果， 詳細(xì)分析俯沖洋殼的相變。

5 結(jié)論

通過本次研究， 得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識和結(jié)論：

（1）模擬計(jì)算結(jié)果表明， 俯沖帶熱結(jié)構(gòu)主要受俯沖角度、 俯沖速度和俯沖板塊本身地質(zhì)條件等因素影響。

（2）根據(jù)模擬結(jié)果的地溫梯度數(shù)據(jù)， 進(jìn)一步證明BB′剖面和CC′剖面屬于熱俯沖。

（3）當(dāng)洋殼俯沖至軟流圈邊界時(shí)， 受軟流圈的影響， 俯沖板塊溫度迅速升高， 容易形成大量榴輝巖， 產(chǎn)生地震活動。

致謝：感謝中國科學(xué)院南海海洋研究所張佳政博士給予的幫助。

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