南海東部馬尼拉俯沖帶深部結(jié)構(gòu)新認識*

趙明輝, 程錦輝, 高金尉, 孫龍濤, 徐亞, 張佳政, 杜峰

1. 中國科學院邊緣海與大洋地質(zhì)重點實驗室, 中國科學院南海海洋研究所, 廣東 廣州 511458;

2. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室, 廣東 廣州 511458;

3. 中國科學院深?？茖W與工程研究所, 海南 三亞 572000;

4. 中國科學院油氣資源研究重點實驗室, 中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 100029;

5. 湖北省地震局, 地震預(yù)警湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430071;

6. 中國科學院大學, 北京 100049

南海作為西太平洋最大的邊緣海之一, 是我國挺進深海大洋的根據(jù)地, 也是我國系統(tǒng)開展深海基礎(chǔ)科學研究的首選(汪品先, 2009)。國家基金委“南海深海過程演變”重大研究計劃力爭通過“解剖一只麻雀”, 揭示邊緣海的演變規(guī)律及其對海底資源和宏觀環(huán)境的影響。在眾多科學家大力推動下, 我國成功在南海實施的國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃 IODP349/367/368/368X 航次, 為探討南海深部地殼結(jié)構(gòu)、大陸巖石圈破裂機制和南海擴張演化生命史提供了更多的數(shù)據(jù)支撐(Larsen et al, 2018; Sun et al, 2019; Ding et al, 2020), 也為邊緣海的演變歷史樹立起系統(tǒng)研究的典范(汪品先, 2012, 2020), 使南海成為國際海洋地球科學研究的天然實驗室。

南海東部馬尼拉俯沖帶是新生代以來才逐步形成、正在活動的年輕俯沖帶, 地震與火山活動極為活躍, 代表著南海從陸緣張裂、洋脊擴張、俯沖消亡的完整威爾遜旋回的頂點 (Ludwig et al, 1979;李家彪 等, 2004; 尚繼宏, 2008); 作為南海形成以來惟一的俯沖匯聚邊界, 對于完整解剖南海這只“麻雀”的演化過程, 馬尼拉俯沖帶是至關(guān)重要的不可回避的環(huán)節(jié), 是解決南海的形成與構(gòu)造演化科學問題的關(guān)鍵之一(吳時國 等, 2004; 趙明輝 等,2016)。2014 年, 國家基金委重大研究計劃“南海深海演變過程”重點支持項目“南海東部馬尼拉俯沖帶深部結(jié)構(gòu)探測與研究”獲得資助, 執(zhí)行期間(2014—2018 年)在馬尼拉俯沖帶開展了多次綜合地球物理探測, 采集了寶貴的第一手海上數(shù)據(jù), 取得創(chuàng)新性進展。本文介紹了該項目在海上取得的實驗數(shù)據(jù),以方便更多的科學家申請與使用; 并總結(jié)了項目執(zhí)行期間取得的4 項重要研究成果, 為重大研究計劃所提出的“從海底擴張到洋殼俯沖的南海生命史的骨架”科學問題提供重要支撐。

1 重要科學實驗與關(guān)鍵數(shù)據(jù)

在國家基金委共享航次的資助下, 先后開展了5 次綜合地球物理探測, 投放海底地震儀(Ocean Bottom Seismometer, OBS)臺站73 臺次, 海底電磁儀(Ocean Bottom ElectroMagnetometers, OBEM)5 臺次, 累積放炮達13,872 炮, 成功獲得了60 臺OBS和5 臺OBEM 臺站的寶貴數(shù)據(jù)(圖1)。包括: 2015年二維主動源地震測線OBS2015-2; 2015 年7—8 月部署了7 臺長期寬頻帶OBS 天然地震觀測; 2016 年4—6 月完成的三維OBS 地震探測; 2016 年7—8 月完成的二維主動源地震測線OBS2016-2; 及2015—2017 年間三次共5 個OBEM 臺次的海上實驗。

主動源二維地震測線 OBS2015-2(圖 1a), 以20km 間隔共投放了9 臺OBS, 回收9 臺, 回收率100%, 剖面長度200km, 共激發(fā)有效炮1994 炮, 放炮期間同步進行了近水面單道電纜接收, 獲得單道反射地震剖面200km(劉思青 等, 2017); 主動源二維地震測線OBS2016-2, 是沿著OBS2015-2 測線東西向延長(圖1a), 共投放9 臺OBS, 回收9 臺, 回收率100%, 共放炮1078 炮, 長130km; 以及沿著OBS測線的多道反射地震調(diào)查, 圓滿完成了橫跨馬尼拉俯沖帶主剖面的深地震調(diào)查任務(wù)。在巴士海峽區(qū)域(圖1a)實施三維主動源OBS 地震探測; 此次實驗共投放48 臺國產(chǎn)便攜式OBS, 回收41 臺, 放炮測線長2300km, 有效放炮10800 次, 其中5 條北東—南西向測線(Lx), 11 條北西—南東向測線(Ly)(Du et al,2018; 張佳政 等, 2018)。

圖1 項目實施的重要科學實驗與關(guān)鍵數(shù)據(jù)a 中圓圈與三角形分別代表主動源和被動源OBS 臺站; b 中紅色圓點為OBEM 臺站, L1 測線對應(yīng)于圖4 中多道反射剖面的位置Fig. 1 Significant scientific experiments and key data acquired during this project. Circles and a triangle represent Ocean Bottom Seismometers (OBS) stations recording signals caused by active airgun-shooting and passive earthquakes, respectively,in (a). Circles in (b) indicate the Ocean Bottom ElectroMagnetometers (OBEM) stations; and the seismic line L1 corresponds to the multichannel reflection profile in Fig. 4

2015 年7—8 月, 通過搭載國家基金委共享航次, 在研究區(qū)部署了7 臺長期寬頻帶OBS, 于2016年2 月僅回收1 臺(POBS04)(圖1a), 有效記錄時段為6 個月, 記錄了馬尼拉海溝附近的天然地震數(shù)據(jù),有效約束了馬尼拉俯沖板片形態(tài)(任昱 等, 2020)。

2015 年7—8 月和2017 年5—6 月通過基金委共享航次, 進行了3 次OBEM 測試和采集工作。第1 次海試選擇在南海北部進行海上采集實驗, 主要檢驗OBEM 在深水環(huán)境工作情況, 驗證OBEM 樣機的工作狀態(tài)及對深水環(huán)境探測能力, 為OBEM 投入實際應(yīng)用積累實踐經(jīng)驗。第2 次海試重點驗證了OBEM 投放與回收操作性能。由于OBEM 電極臂較長, 投放與回收比較困難。經(jīng)過在實驗2 號的兩次投放與回收實驗對比, 采用尾部投放、側(cè)位回收的方案較為理想。第3次海試, 共獲得5 個OBEM 站位的有效數(shù)據(jù)(圖1b)。其中OBEM-01 和OBEM-02 站點位于陸坡處, 海底地形起伏較大, OBEM-03 站點位于海盆邊緣,OBEM-04、OBEM-05 站點位于中沙群島附近, 進一步數(shù)據(jù)處理與分析正在進行之中(Xu et al, 2017)。

在項目成員與基金委南海北部地球物理共享航次通力合作和共同努力, 完成了各項地球物理數(shù)據(jù)的采集任務(wù)。為了更好地利用新采集的數(shù)據(jù)資料, 充分發(fā)揮共享航次的作用, 下船后主導科學家和有數(shù)據(jù)需求的科學家共同簽署《數(shù)據(jù)共享協(xié)議》, 保證主導科學家項目的完成和數(shù)據(jù)優(yōu)先使用權(quán), 同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)資料共享, 所有數(shù)據(jù)交給國家基金委資料共享中心, 共同推進南海深地震探測研究快速發(fā)展。

2 南海東北部地殼屬性及洋陸邊界的確定

2015 年7—8 月期間采集的廣角反射/折射深地震測線OBS2015-2 位于馬尼拉俯沖帶前緣(圖1a)?；?015 年采集的多道地震剖面建立初始正演模型, 通過時深轉(zhuǎn)換, 獲取海底、沉積層、基底深度信息, 模型長189.6km。9 臺OBS 記錄的地震數(shù)據(jù), 震相清晰。通過走時擬合與射線追蹤, 發(fā)現(xiàn)來自深部的P 波震相信息, 包括PsP、Pg、PmP 和Pn, 并發(fā)現(xiàn)了下地殼高速層折射震相(PhP)與反射震相(Ph); 8個臺站共拾取到7977 個走時(OBS02 臺站無有效數(shù)據(jù))(劉思青 等, 2017)。接著采用二維射線追蹤程序RayInvr(Zelt et al, 1992)與走時層析成像方法Tomo2D(Korenaga et al, 2000)獲取OBS2015-2 測線下方的速度結(jié)構(gòu)(圖2)。速度結(jié)構(gòu)模型及OBS 臺站下方一維速度結(jié)構(gòu)揭示南海東北部地殼厚度為12～15km, 發(fā)育有下地殼底侵高速層, 前人認為這是東西向海底擴張形成的磁異常條帶(C15—C17)(Hsu et al, 2004), 最新的研究認為是巖漿活動形成的具有高磁特征的火山巖脊; 在本質(zhì)上, 南海東北部的地殼屬于受到張裂期后巖漿活動影響的減薄陸殼(Liu et al, 2018; Zhao et al, 2018)?；谧钚碌腎ODP349 和IODP367/368 航次數(shù)據(jù), 確定了南海北部陸緣的洋陸邊界COB(圖3)(Liu et al, 2018), 為南海停止擴張時洋殼范圍的推斷提供了證據(jù)。

圖2 OBS2015-2 測線下方的速度結(jié)構(gòu)a 、b 分別為正演和反演速度結(jié)構(gòu)模型; c、d 是分別從a 和b 速度模型中提取的OBS 臺站下方一維速度結(jié)構(gòu)Fig. 2 Velocity structure along the profile OBS2015-2. (a) and (b) showing the forward and inverted velocity structures,respectively. (c) and (d) are one-dimensional velocity structures beneath each OBS station, which was extracted from the forward (a) and inverse velocity structures (b), respectively

圖3 南海東北部陸緣洋陸邊界圖a 為南海東北部地形水深圖; b 為自由空間重力異常圖; 其中圖中灰色線段為磁異常條帶, 黑色交叉線條為張裂期后火山巖脊形成的構(gòu)造高地(Briais et al, 1993; Hsu et al, 2004; Sibuet et al, 2016)Fig. 3 Continent-Ocean Boundaries in the northeastern continental margin of the South China Sea. (a) The bathymetry map in the northeastern SCS. (b) The free-air gravity map in the northeastern SCS. Grey lines indicate magnetic anomalies, and black lines with crosses in (b) indicate structural highs (elongated volcanic intrusions) referenced by Briais et al (1993), Hsu et al (2004), and Sibuet et al (2016)

3 馬尼拉俯沖帶增生楔前緣的精細結(jié)構(gòu)

基于高分辨率多道地震反射剖面, 對馬尼拉俯沖帶增生楔前緣的構(gòu)造變形、巖漿活動和深部反射等特征進行了分析和刻畫(高金尉 等, 2018)。增生楔下陸坡部分由盲沖斷層、構(gòu)造楔和疊瓦逆沖斷層構(gòu)成, 逆沖斷層歸并于一條位于下中新統(tǒng)的滑脫面上, 滑脫面向海方向的展布明顯受到增生楔之下埋藏海山和基底隆起的影響; 靠近海溝的海盆區(qū)域以及增生楔前緣巖漿活動開始于晚中新世末期并持續(xù)至第四紀。重震聯(lián)合模擬結(jié)果表明, 俯沖帶北段19°N—21°N 區(qū)域是南海東北部陸緣向海盆的延伸, 是陸殼高度減薄的區(qū)域, 并受到巖漿活動的強烈改造, 從而導致其浮力較大, 產(chǎn)生的平緩俯沖作用造成海溝北段的幾何形態(tài)明顯地向東凹進(圖4)。

4 南海在停止擴張時(約15Ma)洋殼范圍

南海在約15Ma 停止擴張時具有多大洋殼范圍？馬尼拉海溝何時開始俯沖？將沿著馬尼拉海溝已經(jīng)俯沖下去的南海板片恢復出來是解決南海形成演化動力學的關(guān)鍵。基于天然地震層析成像方法生成的P 波速度波動(dVP)圖, 展示了南海俯沖板片已經(jīng)向東俯沖到達海溝以下450km 深度(Wu et al,2016)。將南海東邊已經(jīng)俯沖到馬尼拉海溝之下的洋殼范圍展平到地球表面上, 俯沖板片沿海溝向東恢復到400～500km, 板片南北兩側(cè)dVP負值區(qū)域?qū)?yīng)著陸殼, dVP正值區(qū)域通常對應(yīng)著洋殼, 較小的負值區(qū)(-0.1%dVP)對應(yīng)著減薄陸殼; 根據(jù)dVP正負差異, COB 在恢復的俯沖板片上向北延伸至400km,位于西琉球俯沖帶以下, 在南北向上歐亞板塊與碰撞前的呂宋島弧平行(圖5), 鋯石裂變徑跡研究(Lee et al, 2015)顯示, 在5—6Ma, 呂宋島弧在約400km長的歐亞板塊邊界上同時碰撞。上述研究結(jié)果很好地為南海地球動力學機制提供了新的約束。

5 建立南海與菲律賓海板塊的構(gòu)造演化模式

南海與菲律賓海板塊在構(gòu)造演化上關(guān)系密切。南海陸緣張裂主要分為兩期; 第一次裂谷發(fā)生在始新世早期(56—40Ma), 以多裂谷盆地呈30°～45°排列為特征(Zhou et al, 1995; Lei et al, 2019); 第二次裂谷發(fā)生在始新世晚期(40—33Ma), 以新的45°～70°張裂方向, 形成的裂谷盆地中充滿了黑色頁巖, 夾砂巖層(Zhou et al, 1995; Lei et al, 2019)。第一次裂谷階段僅發(fā)生在陸緣上部, IODP 鉆孔U1501 的北部, 其南部沒有發(fā)生(Larsen et al, 2018; Lei et al,2019)。而在菲律賓海域, 從磁異常分布可以分為兩個主要擴張階段(Doo et al, 2015): 擴張第一階段始于Chron 24(53.2Ma), 可能更早于Chron 25(56.9Ma)或 26(58.6Ma); 由于Oki Daito 洋脊的后期形成過程中, 破壞了原來的構(gòu)造, 導致這兩個時間得不到很好的確定。第一階段擴張結(jié)束發(fā)生在 Chron 20(42.5Ma)(Wu et al, 2016); 第二階段開啟始于Chron 19(40.4Ma), 止于Chron 13(33.7Ma)。

圖4 馬尼拉俯沖帶北段增生楔多道地震反射剖面和解釋[據(jù)高金尉等 (2018)修改]剖面位置見圖1bFig. 4 Multi-channel seismic reflection profile (upper) and interpretation (lower) of accretionary prism of northern Manila subduction (after Gao et al, 2018). The location of this profile is shown in Fig. 1b

圖5 南海在停止擴張時(15Ma)洋殼范圍據(jù)Zhao 等(2019)修改。將俯沖下去的南海板片(速度波動圖)展平到地球表面上, 沿海溝向東伸展了400～500km。綠色實線圈閉的是現(xiàn)今南海洋殼范圍(Sibuet et al, 2016), 東部為已俯沖下去的洋殼范圍。灰色陰影區(qū)域(寬度＜100km)為具有邊界效應(yīng)的不確實區(qū)域。粉色、黃色和淺藍色分別代表南海不同擴張時期產(chǎn)生的洋殼, 擴張方向分別為N055°、N075°、N085°。洋殼內(nèi)部的紅色雙虛線代表南海殘余擴張脊(He et al, 2016)。紅色粗線為COB 邊界, 實心圓為IODP 鉆探井位Fig. 5 The whole oceanic crust domain when the SCS seafloor spreading stopped (15Ma); after Zhao et al (2019). The subducted SCS plate (dVP) is unfolded and restored on the surface of the Earth, and the plate extends 400-500 km east along the Manila trench. The green line is the current SCS domain (Sibuet et al, 2016), and the east part is the domain of subducted SCS oceanic crust. The grey shaded area (＜100 km width) is probable artifacts. The SCS oceanic domain, characterized by N055°, N075° and N085° seafloor spreading directions, is delimited by pink, yellow and light blue areas, respectively. The red double dashed line indicates the extinct spreading ridge of the SCS (He et al, 2016), the red line indicates COB, and the circles indicate the location of IODP drilling sites

南海陸緣張裂的第一階段(56—40Ma)剛好對應(yīng)菲律賓海擴張的第一階段, 從 53.2Ma(可能在Chrons 25 或26 之前幾Ma)到42.5Ma(可能在Chrons 20 和19 之間)。南海陸緣張裂的第二階段(40—33Ma)剛好對應(yīng)于菲律賓海擴張的第二階段(42.5—33.7Ma)。因此, 在始新世, 南海大陸邊緣和菲律賓海板塊(Philippine sea plate, PSP)均處于張性構(gòu)造階段(Zhao et al, 2019)。由于PSP 最初位于南海南側(cè)約2200km 處, 有一個由南向北的運動形態(tài), 在南海大陸邊緣有伸展過程和海底擴張時, 這兩個區(qū)域由左旋剪切板塊邊界連接。在15Ma(圖6a), 將加瓜海脊和早白堊紀花東海盆外推到琉球海溝的當前位置(Hall, 2002)。截面AA′(圖6c)顯示了從南海東部盆地到加瓜海脊西部的PSP。隨著PSP 不斷向北移動,馬尼拉俯沖帶開始呈現(xiàn)左旋剪切運動, 大部分剪切運動持續(xù)到今天(Zhao et al, 2019)。呂宋弧在約12Ma 時開始形成, 大約6Ma 呂宋弧的北部開始沿南北走向、長400km 的部分, 與歐亞板塊發(fā)生碰撞(圖6b), 對應(yīng)的截面BB’(圖6c)展示了這一運動過程。

6 結(jié)論與展望

圖6 15Ma 以來南海與菲律賓海板塊演化過程示意圖據(jù)Zhao 等(2019 )修改。a. 約15Ma 時, 南海洋殼沿著左側(cè)剪切邊界開始俯沖, 至菲律賓海板塊下面; b. 菲律賓斷裂帶、花東海盆的增生部分和呂宋島弧西部的當前位置; c. 截面AA′和BB′簡化示意圖, 截面位置在a 和b 中黑線。深綠色: 早白堊世花東海盆; 淺綠色:現(xiàn)今的菲律賓海板塊; 中綠色: 淺灰色的菲律賓海板塊部分在花東海盆的延伸, 隨后俯沖消亡; 黃色: 海底擴張結(jié)束時南海的東部延伸; 橙色: Wu 等(2016)定義的東亞板塊的一部分; 淺粉色: 蘇祿海東北延伸Fig. 6 The kinematic evolution of the SCS and PSP since 15 Ma (after Zhao et al, 2019). (a) About 15 Ma, the oceanic crust of the SCS started to subduct along the left shear plate boundary to the bottom of the PSP. (b)The current location of the emplacement of the Philippine belt, the accretion of the western part of the Huatung Basin and the western Luzon arc. (c) A simplified diagram of profile AA’ and BB’ located in (a) and (b), respectively. Dark green: early Cretaceous HB; light green:current PSP; extension of the HB within the portion of PSP in light grey, which will subduct to be disappeared; yellow area:eastern extension of the SCS at the end of seafloor spreading; orange domain: part of East Asian Plate defined by Wu et al(2016); and pink domain: the northeastern extension of the Sulu Sea

為期8 年的南海深部計劃研究積累了豐富的探索深海的基礎(chǔ)資料, 取得了一系列創(chuàng)新研究成果(汪品先, 2020)。其中 “南海東部馬尼拉海溝俯沖帶深部結(jié)構(gòu)探測與研究”是重點支持項目之一, 基于人工地震探測及天然地震層析成像結(jié)果, 確定了南海東北部地殼屬于受到張裂后期巖漿活動影響的減薄陸殼, 同時聯(lián)合國際大洋鉆探成果, 劃分了南海北部陸緣洋陸邊界COB 位置, 刻畫了馬尼拉俯沖帶北段增生楔前緣的精細結(jié)構(gòu), 進而圈定了南海停止擴張時的洋殼范圍, 并初步構(gòu)建了南海與菲律賓海板塊的構(gòu)造演化模型。該項目對于揭示南海形成演化及其動力學過程具有重要意義, 而南海也逐步成為深?？茖W研究的天然實驗室及邊緣海系統(tǒng)研究的典范。

隨著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不斷充實, 以及新技術(shù)新手段的不斷引入, 南海研究也不斷涌現(xiàn)新的科學問題,例如: 南海擴張后期巖漿活動的特征與機制; 馬尼拉俯沖帶地貌、構(gòu)造和南海俯沖板塊形態(tài)由北向南的變化及其空間耦合關(guān)系; 南海張裂-破裂機制與西太平洋邊緣海系統(tǒng)的成因聯(lián)系; 南海由東向西打開的動力來源; 此外, 位于歐亞板塊與菲律賓海板塊交匯處的花東海盆, 是現(xiàn)今西太平洋俯沖體系中唯一遺留的早白堊紀洋盆, 也成為研究西太平洋整體構(gòu)造演化與動力學機制的關(guān)鍵區(qū)域(李春峰 等,2007; 黃奇瑜, 2017; 林間 等, 2017)。國家基金委“西太平洋地球系統(tǒng)多圈層相互作用”重大研究計劃(2018—2025)立足科學前沿和國家需求, 其重點支持項目“花東海盆及其東/西部板塊邊界的跨圈層綜合地震探測(2020—2023)”旨在加強花東海盆多學科的構(gòu)造屬性及形成演化研究, 為構(gòu)建西太平洋俯沖構(gòu)造體系跨圈層的構(gòu)造演化模式提供重要的地質(zhì)和地球物理證據(jù)(趙明輝 等, 2020), 推動板塊構(gòu)造理論發(fā)展與完善; 同時, 該項目也將為中國未來在花東海盆的大洋鉆探計劃(黃奇瑜, 2017)提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 引領(lǐng)科學前沿。