馬尼拉俯沖帶北段前淵構造層特征及構造含義

王 哲, 李學杰, 高紅芳, 姚永堅, 鞠 東, 孫美靜

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣州 510760; 2. 自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室,廣州 510760)

馬尼拉俯沖帶屬現(xiàn)今活躍的匯聚型板塊構造邊界的實例,蘊含了大量關于東亞陸緣、南海海盆及菲律賓海板塊形成與演化的重要信息[1-4]。19°N以南,南海洋殼沿馬尼拉俯沖帶向東俯沖于菲律賓島弧之下(圖1),地形、地震分布、深部層析成像均表現(xiàn)典型的洋殼俯沖特征[5]。19°N以北,馬尼拉俯沖帶逐漸向臺灣陸區(qū)弧陸碰撞帶發(fā)生復雜的構造轉換,馬尼拉俯沖帶在該地區(qū)的地形表征相對模糊,加上前期地質(zhì)-地球物理資料覆蓋范圍與精度有限,導致對其深部結構、構造沉積演化及與臺灣陸區(qū)構造如何對接的認識上往往存在爭議[6-11]。匯聚構造背景下,碰撞帶向前陸遷移,其負載通常造成俯沖巖石圈發(fā)生撓曲,形成與褶皺沖斷帶近平行展布的前淵(圖2)。前淵沉積充填相對較厚,不僅可以反映前陸演化階段的抬升、侵蝕過程,而且其深部層序還揭示早期構造、沉積演化過程。因此,前淵較完整地記錄了區(qū)域地質(zhì)演化的重要信息。本文基于近年來在南海東北部新獲取的地質(zhì)-地球物理資料,解析馬尼拉俯沖帶北段前淵的地震相、沉積、構造特征,約束其構造層格架,并梳理前淵層序發(fā)展、構造特征對區(qū)域演化的響應關系。

圖1 研究區(qū)地形特征及主要地質(zhì)構造單元位置Fig.1 Topographic characteristics and main tectonic units of the study area

圖2 前淵構造模式(據(jù)文獻[12]修改)Fig.2 Structural configuration of a foredeep

1 區(qū)域地質(zhì)背景

菲律賓海板塊自古新世形成之后朝西北位移[13-16], 期間南海巖石圈沿馬尼拉海溝向東俯沖于菲律賓海板塊之下形成呂宋島弧系統(tǒng), 隨后該島弧系逐漸逼近歐亞陸緣, 于中新世晚期6.5 Ma與其相遇,發(fā)生弧陸碰撞作用,并持續(xù)至今[17-21]。 早期研究認為, 歐亞陸緣和呂宋島弧系初始走向斜交, 導致碰撞作用以60～90 km/Ma 的速率呈拉鏈式由北向南逐漸遷移[2-26]。 前人針對歐亞-菲律賓海匯聚板塊邊界北部取得的一系列研究成果, 包括臺灣弧陸碰撞演化[7, 19]、 前陸盆地構造演化[27-28]、 增生楔構造演化[29]、 弧形褶皺沖斷帶的構造旋轉[3]等, 均與于此南向遷移演化模型密切相關。

馬尼拉俯沖帶總體呈南北向展布，范圍約14°N—22°N, 但構造形跡蜿蜒曲折, 基于地形地貌、 地質(zhì)構造、 地球物理等特征的差異, 其地質(zhì)構造單元自西向東劃分為馬尼拉海溝、 馬尼拉增生楔、 北呂宋海槽弧前盆地及呂宋火山島弧(圖1)。 馬尼拉俯沖帶自19°N向北延伸過程中, 其平面構造特征發(fā)生一系列趨勢性變化: 構造線凸出方向由西轉為東, 馬尼拉海溝增生楔逐漸加寬, 呂宋島弧逐漸收窄, 北呂宋海槽弧前盆地逐漸關閉[19, 31]。

2 前淵構造層特征

2.1 重要不整合界面及層序特征

結合馬尼拉俯沖帶北段前淵高分辨率多道地震剖面顯示的侵蝕削截、 頂超、 上超、 下超等反射波終止類型, 以及地震反射層組特征, 自海底之下識別出T2、 T6和Tg具有區(qū)域?qū)Ρ忍卣鞯牡卣鸱瓷浣缑?圖3)。 綜合圍區(qū)鉆井、 地層分層等資料, 對這3個反射界面進行地質(zhì)屬性分析, 推測地震反射界面Tg為新生界底界面, T6為新近紀與古近紀地層的分界, T2為上新世與中新世地層的分界。

圖3 前淵地震層序地質(zhì)屬性分析(剖面位置見圖1)Fig.3 Seismic stratigraphy and attribute analysis of the foredeep

Tg基底不整合為最早的不整合,分隔前新生代和古近紀地層,地震剖面顯示中-低頻、強振幅、中-高連續(xù)地震反射特征。Tg界面上下地震反射特征差異明顯,界面之上總體是一套中-高連續(xù)的強振幅反射層組,界面之下為一套低連續(xù)弱反射或雜亂反射層,上覆地層呈平行或斜交接觸,有上超現(xiàn)象,下伏地層有削截現(xiàn)象。局部地區(qū)Tg地震反射波組呈雜亂反射,成層性很差,推測受到斷層影響。

T6界面總體呈中頻、強振幅、高連續(xù)、雙相位地震反射特征,界面之上平行接觸一套中-高連續(xù)的反射層組,界面之下為一套中-低連續(xù)或雜亂的反射層組,具有削截現(xiàn)象。T6界面在前淵中央?yún)^(qū)表現(xiàn)為連續(xù)沉積的整合界面,前淵邊緣則上超至Tg界面。

T2界面總體呈高頻、強振幅、高連續(xù)、雙相位地震反射特征,同相軸相對平直、穩(wěn)定,可連續(xù)追蹤,界面與上覆地層呈明顯斜交接觸,界面之下為一套高連續(xù)、穩(wěn)定的反射層組。地震剖面顯示T2界面?zhèn)认蜃兓@著,前淵東側接近碰撞帶部位轉變?yōu)椴徽匣蚣僬?前淵西側則過渡為一條明顯的上超面。

結合以上多道反射地震剖面揭示的反射層組特征與區(qū)域地質(zhì)資料分析表明,馬尼拉俯沖帶北段前淵新生代地層被普遍存在的2個區(qū)域性角度不整合面(T2、 T6界面)分隔為整體特征差異明顯的上、 中、 下3套層序(圖4)。地震剖面解釋結果表明,Tg—T6層序整體呈碟形,由前淵中央向兩翼大幅減薄,且切割該層序的斷層兩側地層具有明顯厚度差,顯示了正斷層伸展對該層序沉積的控制作用。 相對而言, T6—T2層序沿剖面厚度變化較小,且該套層序中以分布大量正斷層為顯著特征。T2以上層序整體呈自東向西減薄的楔形,僅有少量正斷層向上延伸至該層序。

圖4 馬尼拉俯沖帶北段前淵構造層剖面特征(剖面位置見圖1)Fig.4 Interpretation of a seismic reflection profile of the structural layers in the foredeep of the northern Manila subduction zone

2.2 斷層發(fā)育特征

通過對地震資料進行精細構造解析發(fā)現(xiàn), 馬尼拉俯沖帶北段前淵發(fā)育的正斷層整體呈對稱分布,即前淵西側分布的正斷層以東傾居多,而前淵東側主要發(fā)育西傾正斷層,前淵兩翼部位的一些正斷層在剖面上表現(xiàn)上陡下緩的鏟狀形態(tài)。筆者對馬尼拉俯沖帶北段前淵發(fā)育的正斷層的延伸范圍、切割界面進行統(tǒng)計分析,以探討這些斷層的發(fā)育時間和活動階段。

剖面上總共發(fā)育了13條向下切穿Tg的正斷層,整體表現(xiàn)為對稱分布, 控制了Tg—T6層序沉積。 這些斷層深部斷距較大, 下降盤通常表現(xiàn)同構造沉積增厚, 指示古近紀伸展作用, 推測與歐亞陸緣裂谷作用相關。 有些斷層向下延伸與深部中生界斷層相連, 暗示其可能為老斷層后期活化作用的結果。 斷層向上貫穿的地層也不盡相同, 表明斷層活動時間跨度大, 未錯斷的最老地層為T6界面, 表明其中一些斷層在T6以后不再活動, 還有一些斷層向上延伸可接近海底, 表明其最近還在活動。

有45條正斷層向下未切穿Tg,這些斷層為新生代以來發(fā)育的斷層,與先存基底斷層后期活化無關。其中：36條正斷層向下未切穿T6,推測為裂谷作用階段以后發(fā)育,這些斷層均勻分布于T6—T2層序;另外9條向下切穿T6界面的斷層集中分布于層序凹陷的中央。整體而言,這些斷層斷距較小,斷層兩側無明顯指示同構造沉積的地層增厚現(xiàn)象,且這些斷層通常向上終止于T2界面附近,推測其為T2前后時間發(fā)育。

3 演化階段探討

馬尼拉俯沖帶北段前淵構造層地質(zhì)屬性可與臺灣海峽、臺灣島西部及臺西南盆地的鉆井、露頭資料進行大致對比。

反射地震資料顯示, 臺灣海峽及臺灣島西部海岸發(fā)育古近紀斷陷盆地, 其中的澎湖盆地經(jīng)鉆探證實, 古近紀同張裂層序含鈣質(zhì)超微化石的中始新世頁巖, 其上被中新世后張裂層序不整合覆蓋(圖5)。 海岸平原PC-1井揭示下中新統(tǒng)不整合覆蓋于中始新世火山噴發(fā)巖及砂泥巖同張裂層序之上[32]。

圖5 臺灣海峽、臺灣海岸平原PC-1井及臺灣南投 西部麓山帶粗坑背斜剖面層序?qū)Ρ?據(jù)文獻[32])Fig.5 Stratigraphic correlation of the Taiwan Strait, the Well PC-1 in Taiwan coastal plain, and the Cukeng anticline section in the western foothills of Taiwan

臺灣中部南投縣境西部麓山帶粗坑背斜剖面(剖面位置見圖1), 由上而下出露漸新世最晚期五指山層, 中始新世平林凝灰?guī)r及中寮層。 五指山層(NP 25帶, ～25 Ma)不整合覆蓋于平林凝灰?guī)r之上, 平林凝灰?guī)r經(jīng)鋯石U-Pb(LA-ICP-MS)測年為38.8±1 Ma, 并含少量NP 16帶鈣質(zhì)超微化石, 平林凝灰?guī)r假整合在中寮層之上。中寮層含中始新世大型有孔蟲化石和鈣質(zhì)超微化石NP 14-15帶化石。因此,五指山層與中始新世平林凝灰?guī)r兩者間的不整合面標志著約14 Ma地層記錄的缺失。

臺西南盆地西部D21井2 700～3 182 m井段發(fā)現(xiàn)大量浮游有孔蟲,是早至中始新世P6—P9化石帶的典型分子(約55～45 Ma)[33](圖6),推測為始新世受斷陷作用影響發(fā)育的相關海相層序。

圖6 臺西南盆地D21井浮游有孔蟲分布圖(引自文獻[33])Fig.6 Distribution of planktonic foraminifera in the Well D21 of the Taixinan Basin

綜上所述,臺灣海峽、臺灣西部麓山帶南投剖面及臺西南盆地D21井均揭示了始新世同裂谷斷陷層序和后裂谷層序,與本文利用多道地震資料揭示的馬尼拉俯沖帶北段前淵下、中構造層特征及劃分方案吻合。

馬尼拉俯沖帶北段前淵發(fā)育的大量正斷層表明,直至造山運動期間,該區(qū)一直處于張裂構造作用的環(huán)境,一些區(qū)域內(nèi)發(fā)育的早期正斷層持續(xù)活動到更新世后期才停止。一些年輕正斷層的垂直斷距向深部增加,并伴有同裂谷層序的增厚,表明其形成于裂谷階段,并于后期前陸沉降階段復活。然而,大部分正斷層與先存構造無明顯關系,這些斷層均勻分布于T6—T2層序,通常位移較小,旁側未表現(xiàn)增厚的生長地層,應為上新世時間前后發(fā)育,大致與6.5 Ma的弧陸碰撞作用同期,該期同造山伸展作用推測與東側相鄰的碰撞帶負載造成的俯沖板塊彎曲密切相關。

綜合以上分析,馬尼拉俯沖帶北段前淵發(fā)育的3套構造層,分別對應3期盆地演化階段,即古近紀裂陷盆地、中新世拗陷盆地及上新世以來的前陸盆地。

古近紀,研究區(qū)受大規(guī)模裂谷作用影響,區(qū)域以發(fā)育斷陷盆地為主,通常以正斷層為邊界,這些斷層多為同生斷層,導致古近系厚度變化大,橫、縱向結構復雜。

中新世,裂谷斷陷開始轉換為熱沉降的一套斷坳型結構的海相地層,沉積環(huán)境相對穩(wěn)定,斷層活動性減弱,主要以早期斷裂繼承性發(fā)育為主。

自上新世開始, 歐亞俯沖板塊受到東側擠壓帶負載發(fā)生撓曲,發(fā)育T2界面分隔上覆沉積層序和下伏被動陸緣地層,該界面向東側碰撞造山帶逐漸加深,表現(xiàn)非對稱楔體形態(tài),加上發(fā)育大量與撓曲相關的正斷層,指示研究區(qū)已由被動陸緣轉變?yōu)橹鲃雨懢?進入前陸盆地演化階段。

4 結 論

(1)馬尼拉俯沖帶北段前淵發(fā)育顯著的T2和T6不整合,將沉積充填劃分3套橫向形態(tài)差異明顯的構造層：下構造層呈中央厚兩翼薄的碟形；中構造層大體等厚；上構造層呈指向西的楔形。

(2)馬尼拉俯沖帶北段前淵發(fā)育大量正斷層,至少可分為兩期發(fā)育：先期為古近紀同生斷層,后期為上新世前后發(fā)育的正斷層,推測為俯沖板塊受東側碰撞帶負載發(fā)生撓曲所致,某些先期正斷層后期活化。

(3)馬尼拉俯沖帶北段前淵3套構造層對應該區(qū)3個構造演化階段:古近紀裂陷階段；中新世拗陷階段；上新世以來的前陸盆地階段。