帕里西維拉海盆巖漿-構(gòu)造過程及鉆探建議

鄢全樹，袁龍，石學(xué)法

1. 自然資源部第一海洋研究所 海洋地質(zhì)與成礦作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266061

2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266237

中生代-新生代之交，西太平洋地區(qū)發(fā)生了大的構(gòu)造板塊調(diào)整，比如印度板塊向歐亞板塊的楔入、太平洋板塊向東后撤以及太平洋板塊運(yùn)動(dòng)方向由北北西向轉(zhuǎn)變?yōu)楸蔽魑飨?50 Ma左右)等，這些綜合效應(yīng)導(dǎo)致了西太平洋區(qū)域形成了巨大的溝-弧-盆體系[1-5]。菲律賓海板塊是西太平洋地區(qū)在此期間形成的最大的邊緣海之一（圖1），其形成和演化對(duì)其鄰近區(qū)域的巖漿活動(dòng)和構(gòu)造演化產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。過去的幾十年里，以大洋鉆探計(jì)劃為首的眾多航次(包括DSDP （深海鉆探計(jì)劃）6、31、58、59、60, ODP （大洋鉆探計(jì)劃）195, IODP （綜合大洋鉆探計(jì)劃）331, IODP (大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃) 350—352航次)對(duì)菲律賓海板塊開展了詳細(xì)的鉆探取樣工作，獲得了大量的底質(zhì)（沉積物和巖石）樣品和地質(zhì)地球物理資料，取得了一系列重要的研究成果[6-11]。但仍有一些關(guān)鍵的科學(xué)問題亟待解決，比如，（1）俯沖是如何啟動(dòng)的[12]？科學(xué)家提出了2種俯沖初始的模型，一種是由于相鄰板塊的密度差引起的自發(fā)過程，另一種觀點(diǎn)認(rèn)為俯沖初始是鄰近板塊的橫向驅(qū)動(dòng)力所導(dǎo)致的一個(gè)誘發(fā)過程[12]。（2）弧后盆地的成因機(jī)制？對(duì)于西菲律賓海盆的成因目前共有3種模型，包括弧后擴(kuò)張成因、捕獲的洋殼片段成因以及弧后擴(kuò)張和地幔柱共同作用成因[10,13-15]。（3）菲律賓海板內(nèi)巖漿作用的動(dòng)力學(xué)機(jī)制？目前存在兩種認(rèn)識(shí)，一種是過量殘余巖漿成因，另一種是地幔柱成因[10,14-16]。（4）俯沖過程中的物質(zhì)循環(huán)[11]？

圖1 菲律賓海板塊及主要構(gòu)造單元Fig.1 Philippine Sea plate and the main tectonic units

菲律賓海板塊由一系列的弧后盆地和殘余弧脊及活動(dòng)島弧組成，自西向東分別為西菲律賓海盆、四國(guó)海盆、帕里西維拉海盆和馬里亞納海槽以及九州-帕勞脊、西馬里亞納脊和伊豆-小笠原-馬里亞納（IBM）弧。其中的帕里西維拉海盆與其北側(cè)的四國(guó)海盆以及南海和日本海等均為西太平洋第二擴(kuò)張幕形成的弧后盆地。DSDP 6和DSDP 59等航次對(duì)帕里西維拉海盆開展了詳細(xì)的調(diào)查，取得了一系列重要的認(rèn)識(shí)[11,17]。研究表明，帕里西維拉海盆在地形上具有東西不對(duì)稱的特征，其基底熔巖具有類似于弧后盆地玄武巖（BABB）的微量元素特點(diǎn)和印度洋型MORB的同位素特征[6,18]。然而，帕里西維拉海盆還存在一系列的科學(xué)問題亟待解決，比如，帕里西維拉擴(kuò)張動(dòng)力學(xué)過程、深部地幔源區(qū)性質(zhì)，擴(kuò)張后海山及核雜巖成因機(jī)制，以及該海盆的沉積過程與古海洋古氣候演化等，還不是很清晰。本文在總結(jié)前人對(duì)于該海盆研究成果的基礎(chǔ)上，提出了目前尚存在的重要科學(xué)問題以及未來(lái)可能的鉆探位置建議。

1 主要單元地質(zhì)與地球物理特征

菲律賓海是西太平洋最大的邊緣海之一，面積約為540萬(wàn)km2，位于歐亞板塊、印度-澳大利亞板塊和太平洋板塊的交互處（圖1），構(gòu)造背景非常復(fù)雜，地質(zhì)現(xiàn)象豐富，是研究和觀測(cè)現(xiàn)代海底俯沖帶過程的天然實(shí)驗(yàn)室[6,11]。菲律賓海板塊的東部和南部依次為伊豆-小笠原-馬里亞納海溝、雅浦海溝、帕勞海溝和阿玉海槽，菲律賓海板塊的北部邊界為東側(cè)的南開（Nankai）海槽和西側(cè)的琉球海溝，該板塊西側(cè)為菲律賓海溝[19]。基于構(gòu)造重建，Hall[20]闡述了菲律賓海板塊自50 Ma以來(lái)的構(gòu)造演化。菲律賓海板塊最初位于赤道附近，自新生代早期以來(lái)逐漸向北運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的過程中形成了西菲律賓海盆并伴隨原（proto）伊豆-小笠原-馬里亞納島弧的裂解作用。30～15 Ma，原伊豆-小笠原-馬里亞納島弧發(fā)生裂解形成了帕里西維拉海盆和四國(guó)海盆。11 Ma，伊豆-小笠原-馬里亞納島弧的巖漿活動(dòng)再次活躍。5 Ma左右，隨著伊豆-小笠原-馬里亞納海溝向太平洋板塊方向的繼續(xù)后撤，導(dǎo)致了馬里亞納海槽的打開，并活動(dòng)至今[20-21]。

圖2 帕里西維拉海盆地質(zhì)及建議鉆探位置圖前人研究的站位數(shù)據(jù)源自文獻(xiàn)[6, 10, 22]。窗欞構(gòu)造位置數(shù)據(jù)源自[23-24]。Fig.2 Geology and proposed drilling positions (red and orange dots) in the Parece Vela BasinData for previous drilling sites are from references [6,10, 22]. Data for mullion structures are from references [23-24].

帕里西維拉海盆是菲律賓海板塊的重要組成部分，位于九州-帕勞脊的東部，以索夫干斷裂與北側(cè)的四國(guó)海盆分開，南部邊界為馬里亞納弧和雅浦島弧，東界為西馬里亞納脊（圖2）。帕里西維拉海盆呈狹長(zhǎng)型，南北長(zhǎng)約1 900 km，東西寬700 km，平均水深為4 500～5 500 m，盆地中部為已經(jīng)停止活動(dòng)的帕里西維拉裂谷，水深最深處超過7 500 m。前人研究指出帕里西維拉海盆與四國(guó)海盆、馬里亞納海槽類似，是原伊豆-小笠原-馬里亞納俯沖帶向海一側(cè)后撤誘發(fā)的弧后擴(kuò)張所形成的[11,13,25]。帕里西維拉海盆的擴(kuò)張歷史可以分為兩個(gè)階段，分別為第一階段的東西向裂谷作用和海底擴(kuò)張作用（開始于26 Ma左右），全擴(kuò)張速率約為8.8 cm/a；第二階段發(fā)生了逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，擴(kuò)張軸的延伸方向由南北向變?yōu)楸蔽?南東向，全擴(kuò)張速率約為7.0 cm/a[26-29]?？拷晾镂骶S拉裂谷破碎帶區(qū)域分布有一系列雁列式較短的一級(jí)構(gòu)造片段，擴(kuò)張停止的時(shí)間約為12 Ma[28]。

基于地質(zhì)與地球物理學(xué)特征，本文將帕里西維拉海盆分為4個(gè)區(qū)域，分別為東區(qū)、西區(qū)、南區(qū)和裂谷區(qū)（圖2）。其中，西區(qū)為帕里西維拉海盆中央裂谷以西至九州-帕勞脊的區(qū)域，東區(qū)為帕里西維拉海盆中央裂谷以東至西馬里亞納脊，裂谷區(qū)為帕里西維拉海盆的遺跡擴(kuò)張中心區(qū)域，南區(qū)范圍為北雅浦陡崖（North Yap Escarpment）以南至雅浦?。▓D2）[30]。下面分別闡述這4個(gè)區(qū)域的地質(zhì)與地球物理特征。

1.1 帕里西維拉海盆西區(qū)

帕里西維拉海盆西區(qū)的沉積物厚度較薄，大約為110 m，沉積物類型主要為遠(yuǎn)洋黏土、放射蟲軟泥和超微化石軟泥。西區(qū)的地形比較復(fù)雜，有大量南北向排列的海山和深谷相間分布，在靠近九州-帕勞脊附近呈現(xiàn)凹陷的裂谷地形（圖2）。帕里西維拉海盆的擴(kuò)張速率約為7.7～8 cm/a[30]。西區(qū)中可以觀測(cè)到振幅極小的磁異常，通常小于150γ，磁異常條帶為5D-10（17～30 Ma），其中7-10號(hào)磁異常比較明顯（7-10磁異常條帶的波長(zhǎng)較長(zhǎng)不容易被后來(lái)的侵入體或者磁化的地形所掩蓋），5D或5E的磁異常條帶存在不確定性，這可能與擴(kuò)張末期靠近擴(kuò)張軸的洋脊跳躍有關(guān)[31-32]。DSDP449站位位于該區(qū)（圖2），鉆取了151.1 m，共獲得巖心93.4 m，其中上部110 m為沉積層（遠(yuǎn)洋黏土、放射蟲軟泥和超微化石軟泥），下部41.1m為枕狀玄武巖和玄武巖熔巖流[17]。該區(qū)域的海底熔巖為玄武巖，具有類似于弧后盆地玄武巖（BABB）的微量元素特征和類似于印度洋型MORB的同位素特征[6,33-34]。

1.2 帕里西維拉海盆東區(qū)

帕里西維拉海盆東區(qū)的沉積物較厚，厚度從西馬里亞納脊附近的3 500 m向西遞減到100 m左右，沉積物主要為遠(yuǎn)洋黏土和晚漸新世—晚中新世的火山碎屑，這些火山碎屑物質(zhì)可能為西馬里亞納脊的火山活動(dòng)的產(chǎn)物[32]。東區(qū)的地形比較平滑，未能識(shí)別出明顯的磁異常，可能與沉積層較厚有關(guān)，水深約為4 500～5 500 m[11,32]。東區(qū)現(xiàn)有3個(gè)鉆孔站位（DSDP 53、54、450）和一個(gè)拖網(wǎng)站位（DM-1398）獲取到了底質(zhì)樣品（圖2）。DSDP 53站位的底部（約193 m）為侵入的火山巖體，上覆有遠(yuǎn)洋黏土、放射蟲軟泥和火山灰；DSDP 54站位在海底之下292 m處發(fā)現(xiàn)了玄武巖熔巖流，上覆有火山灰層。DSDP 450站位成功鉆到了海水-沉積物界面之下340 m，上部33 m為沉積層，包括遠(yuǎn)洋黏土、玻屑凝灰?guī)r以及細(xì)粒的玻屑凝灰?guī)r，最下部7 m為枕狀玄武巖，中部為火山玻璃凝灰?guī)r[17]?；诘撞啃鋷r和上覆沉積物的接觸關(guān)系的情況，說(shuō)明僅有DSDP 54站位最下方的玄武巖可以代表基底。DM-1398站位獲得了大量的海底熔巖樣品，它們均為亞堿性玄武巖和輝長(zhǎng)巖[22]。東區(qū)的海底熔巖具有類似于弧后盆地玄武巖（BABB）的微量元素特征和類似于印度洋型MORB的同位素特征[6,33-34]。

1.3 帕里西維拉海盆南區(qū)

帕里西維拉海盆南區(qū)的構(gòu)造特征比較復(fù)雜（圖2），海山、裂谷、丘陵等海底地貌單元相間分布，根據(jù)構(gòu)造形態(tài)前人將其分為5個(gè)次級(jí)單元（A、B、C、D、E）[35]。A單元靠近雅浦島弧，廣泛分布有北西-南東向的丘陵，可能是帕里西維拉海盆第二階段海底擴(kuò)張的產(chǎn)物；B單元位于A單元西側(cè)，與帕里西維拉海盆主體相連，該單元存在大量南北向展布的深海丘陵，可能是第一階段海底擴(kuò)張的產(chǎn)物；C單元位于B單元東南側(cè)，廣泛發(fā)育北東東-南西西向展布的深海丘陵，可能是海底擴(kuò)張與裂谷體系相互作用的產(chǎn)物；D單元位于帕里西維拉海盆最南端，廣泛分布有線性和圓錐形的海山；E單元位于B單元西南側(cè)、靠近九州帕勞脊的位置，該單元分布有兩個(gè)半月形深水裂谷，深度分別為6 100和5 500 m[35]。南區(qū)未能識(shí)別出磁異常條帶，水深范圍為5 200～500 m，水深從北向南逐漸變淺[35]。KH05-1-D1拖網(wǎng)站位取到了風(fēng)化的枕狀熔巖，可能為玻安巖或者島弧拉斑玄武巖[35-36]。2019年自然資源部第一海洋研究所執(zhí)行的CJ09航次對(duì)帕里西維拉海盆進(jìn)行了電視抓斗取樣，獲得了多個(gè)站位的玄武巖樣品。結(jié)果表明，帕里西維拉海盆南部玄武巖具有類似于N-MORB和IAB之間的微量元素特征和印度洋型MORB的同位素特征，其地幔源區(qū)中具有較高的含水量和氧逸度[18]。帕里西維拉海盆南部的東半部已缺失，其缺失的原因仍存在爭(zhēng)議，目前有兩種觀點(diǎn)，一個(gè)是通過轉(zhuǎn)換斷層遷移到現(xiàn)今西馬里亞納弧西側(cè)[31,35]，另一個(gè)觀點(diǎn)認(rèn)為是由于東側(cè)卡羅琳板塊的碰撞，導(dǎo)致了盆地東側(cè)部分仰沖到雅浦弧地殼之上[30,37]。

1.4 裂谷區(qū)

帕里西維拉海盆裂谷區(qū)是指已經(jīng)停止活動(dòng)的擴(kuò)張中心區(qū)域（圖2），其沉積物較薄，小于100 m。裂谷區(qū)的水深相對(duì)較深，最深處超過了7 500 m。裂谷區(qū)地形比較復(fù)雜，分布了大量的拆離斷層、裂谷片段和核雜巖。每一個(gè)裂谷段都可以識(shí)別出窗欞構(gòu)造，被解釋為巖漿供給不足環(huán)境下大洋拆離斷層的下盤[28]。在北緯16°附近發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨大的窗欞構(gòu)造，被稱為哥斯拉（Godzilla）窗欞構(gòu)造（圖2），它是世界上已知的最大的窗欞構(gòu)造，比中大西洋中脊窗欞構(gòu)造大了十多倍[28]。前人通過拖網(wǎng)和ROV（Remote Operated Vehicle，遙控?zé)o人潛水器）等取樣技術(shù)在帕里西維拉裂谷獲得了大量的蛇紋石化橄欖巖和輝長(zhǎng)巖樣品。這些橄欖巖分為3種類型，分別為F型（方輝橄欖巖）、P型（含斜長(zhǎng)石的方輝橄欖巖和純橄巖型的方輝橄欖巖）和D型（純橄巖）[28,38]。帕里西維拉裂谷橄欖巖最突出的特征是小尺度的肥沃型橄欖巖和難熔型橄欖巖的混合，其中肥沃型的橄欖巖是地幔橄欖巖經(jīng)歷低程度部分熔融（4%）的殘余，純橄巖和含斜長(zhǎng)石的橄欖巖是不同比例熔體-地幔相互作用的產(chǎn)物[28,38]。

2 科學(xué)問題及鉆探建議

盡管前人對(duì)帕里西維拉海盆進(jìn)行了相應(yīng)的研究，但是相較于菲律賓海板塊中研究程度較高的西菲律賓海盆和馬里亞納海槽，帕里西維拉海盆的研究程度較淺，樣品數(shù)量較少[39]。因此，帕里西維拉海盆仍存在如下幾個(gè)亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題：

（1）帕里西維拉海盆擴(kuò)張動(dòng)力學(xué)過程。帕里西維拉海盆擴(kuò)張停止的時(shí)間也存在爭(zhēng)議，一部分學(xué)者基于磁異常條帶認(rèn)為帕里西維拉海盆海底擴(kuò)張停止的時(shí)間為17 Ma[31]，一部分學(xué)者基于磁異常條帶和擴(kuò)張速率認(rèn)為海底擴(kuò)張停止的時(shí)間為12 Ma[28]，另一部分學(xué)者基于帕里西維拉裂谷的核雜巖數(shù)據(jù)推斷擴(kuò)張停止的時(shí)間為7.9 Ma[23]。上述觀點(diǎn)都是基于地球物理資料得到的，缺少相應(yīng)的基底玄武巖的K-Ar/Ar-Ar等高精度年齡數(shù)據(jù)。因此，建議在帕里西維拉海盆布置D-1、D-2、D-4站位來(lái)獲取相應(yīng)的基底巖石樣品（圖2）。這3個(gè)站位都是在帕里西維拉海盆西半部分靠近擴(kuò)張軸的位置，這些位置的樣品代表了帕里西維拉海盆弧后擴(kuò)張活動(dòng)晚期的產(chǎn)物，同時(shí)這些位置遠(yuǎn)離西馬里亞納脊，其沉積層較薄（明顯低于東半部分的沉積物厚度），比較容易鉆取到基底巖石樣品。同時(shí)分別在靠近九州-帕勞脊和西馬里亞納脊處布置D-5和D-6站位，通過獲取的基底巖石樣品來(lái)限定帕里西維拉海盆開始擴(kuò)張的時(shí)間。

（2）海盆之下的地幔源區(qū)性質(zhì)探討。由于基底巖石樣品缺乏，帕里西維拉海盆的地幔源區(qū)性質(zhì)不清楚，帕里西維拉海盆的地幔是否存在不均一性仍不清楚。我們建議布置D-1、D-2、D-4站位來(lái)研究帕里西維拉海盆活動(dòng)晚期的地幔性質(zhì)及其地幔性質(zhì)在緯度上是否存在不均一性（圖2）。D-2、D-5、D-6站位的設(shè)置，主要是為了研究帕里西維拉海盆海底擴(kuò)張從早期到晚期演化過程中地幔源區(qū)性質(zhì)的變化，以及受俯沖組分影響程度是否與距離擴(kuò)張中心距離有關(guān)。其中D-5和D-6的位置遠(yuǎn)離擴(kuò)張軸，鉆取的樣品代表弧后擴(kuò)張?jiān)缙诘漠a(chǎn)物；D-2靠近擴(kuò)張軸，鉆取的樣品代表弧后擴(kuò)張晚期的產(chǎn)物。

（3）帕里西維拉海盆軸部少量海山的成因機(jī)制。帕里西維拉海盆屬于西太平洋第二擴(kuò)張幕的弧后盆地，其擴(kuò)張時(shí)代與四國(guó)海盆、南海、蘇祿海、日本海和鄂霍次克海相一致。在同時(shí)代的弧后盆地中南海和四國(guó)海盆的擴(kuò)張中心處也分布有一系列的海山，但是它們的成因和形成年齡有較大的差別[29,40-42]。南海擴(kuò)張軸附近的海山是在南海停止擴(kuò)張之后5 Ma出現(xiàn)的，其成因機(jī)制與海南地幔柱有關(guān)；四國(guó)海盆軸部的Kinan海山鏈?zhǔn)窃诤５讛U(kuò)張停止之后馬上就形成的，可能是受到了EM1組分的影響[29,40-42]。帕里西維拉海盆軸部海山的成因是類似于四國(guó)海盆的Kinan海山鏈還是南海擴(kuò)張期后的海山還需要進(jìn)一步研究。因此，D-3站位選定在帕里西維拉海盆軸部最大的一個(gè)海山上（圖2），該海山頂部相對(duì)平坦，水深較淺（約為2 060 m），有利于獲得更多的海山樣品來(lái)研究其成因機(jī)制。

（4）帕里西維拉海盆內(nèi)核雜巖的成因機(jī)制。大洋核雜巖是指在構(gòu)造拉張應(yīng)力的作用下，地殼深部和上地幔物質(zhì)發(fā)生去頂、抬升而形成的穹隆狀構(gòu)造巖石組合[43-44]。與拆離斷層和大洋核雜巖有關(guān)的洋脊不對(duì)稱擴(kuò)張模式豐富和完善了海底擴(kuò)張的新模式。大洋核雜巖和拆離斷層主要分布于巖漿供給不充足的慢速和超慢速擴(kuò)張脊，例如大西洋中脊、中印度洋中脊、東南印度洋脊和西南印度洋脊。Akizawa等[24]在四國(guó)海盆發(fā)現(xiàn)了瑪多（Mado）窗欞構(gòu)造和核雜巖，并指出在該窗欞構(gòu)造處的大洋核雜巖在巖性和成分上類似于慢速-超慢速擴(kuò)張洋中脊[24，45-48]。前人通過高精度的測(cè)深學(xué)研究，在帕里西維拉裂谷中部發(fā)現(xiàn)了巨大的哥斯拉（Godzilla）窗欞構(gòu)造和核雜巖，出露的巖石類型主要為蛇紋石化橄欖巖和輝長(zhǎng)巖[21]。帕里西維拉裂谷處的哥斯拉窗欞構(gòu)造是全球已發(fā)現(xiàn)最大的窗欞構(gòu)造，同時(shí)帕里西維拉擴(kuò)張中心是少數(shù)中等擴(kuò)張速率的洋中脊，對(duì)完善海底擴(kuò)張理論具有重要的研究意義[21,28]。但是目前僅有少量的拖網(wǎng)和ROV站位對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了調(diào)查取樣，缺少相應(yīng)的海底鉆探站位來(lái)研究大洋巖石圈的組成和演化過程。同時(shí)，由于拆離斷層的存在，帕里西維拉海盆的洋殼直接暴露在海底，有利于取樣。因此，我們建議在哥斯拉窗欞構(gòu)造處布置2個(gè)鉆探站位（D-7和D-8站位），來(lái)獲取帕里西維拉海盆洋殼的巖心樣品（圖2），通過研究獲取的樣品來(lái)探討該核雜巖的成因機(jī)制。

（5）沉積過程及古海洋古氣候演化。帕里西維拉海盆是一典型邊緣海盆，以IBM弧與開放大洋分割開來(lái)，其沉積物記錄了豐富的地質(zhì)作用信息，具有獨(dú)特的地質(zhì)意義。對(duì)上述建議鉆探位置獲取的沉積物樣品開展研究，有助于理解該海盆的沉積過程、物源信息以及周圍地質(zhì)單元的巖漿活動(dòng)規(guī)律，并可恢復(fù)古海洋、古環(huán)境及古氣候演化歷史。