西太平洋卡羅琳洋底高原俯沖系統(tǒng)的構(gòu)造特征與鉆探建議

董冬冬，張正一，范建柯，李翠琳，張廣旭，楊柳

1. 中國科學(xué)院海洋研究所，海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室，青島 266071

2. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心，青島 266071

3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室，青島 266237

4. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室海洋礦床資源評價與探測技術(shù)功能實驗室，青島 266237

5. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

自20世紀70年代以來，隨著海底探測技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家在海底發(fā)現(xiàn)了一些面積廣大（＞105km2）且洋殼巨厚（20～30 km）的區(qū)域[1-4]（圖1），并將其稱之為洋底高原（oceanic plateau）。洋底高原最初起源于地幔柱上升過程中其頭部對上覆大洋巖石圈的熔融作用[5]。地幔柱熱效應(yīng)會導(dǎo)致洋底高原巖石圈強度變?nèi)?，在拉張?yīng)力作用下相對容易發(fā)生裂解[6]，因此洋底高原的裂解是發(fā)生海底擴張的重要方式之一[7-8]。

卡羅琳（Caroline，又譯加羅林或卡洛琳）洋底高原位于卡羅琳板塊北部，翁通爪哇（Ontong Java）洋底高原以西，也稱為卡羅琳脊（Caroline Ridge）（圖1—2），普遍被認為形成于晚漸新世熱點火山活動[9-10]。隨著卡羅琳板塊的運動，卡羅琳洋底高原以NWW向與雅浦海溝發(fā)生碰撞，正在發(fā)生極慢的板塊匯聚作用[11]?？_琳洋底高原裂解過程導(dǎo)致索羅爾海槽（Sorol Trough）（圖2）在其中部位置發(fā)育，海槽形成年代尚存有爭議[12-14]，但其發(fā)育規(guī)模較小，完好保存了洋底高原早期的裂解形態(tài)。因此，卡羅琳洋底高原經(jīng)歷了熱點火山作用及碰撞、裂解和俯沖等多個地質(zhì)事件，其結(jié)構(gòu)特征為研究洋底高原的構(gòu)造演化模式提供了難得的天然實驗室。

目前，學(xué)者們對于卡羅琳洋底高原的研究多局限于20世紀60年代末的深海鉆探計劃（DSDP），主要依托卡羅琳洋底高原北部獲取的4個鉆探井位，以及20世紀70—80年代美國及日本在此區(qū)域開展的少量地球物理調(diào)查[12,15-16]?？傮w來看，該區(qū)的地球物理調(diào)查較少且數(shù)據(jù)質(zhì)量不高。近年來，隨著我國遠洋探測能力的不斷發(fā)展和對卡羅琳板塊研究意義的認識不斷提高，加強了對卡羅琳海域的地質(zhì)和地球物理調(diào)查研究。2015—2021年，中國科學(xué)院海洋研究所的“科學(xué)”號考察船對卡羅琳海域開展了4次綜合地質(zhì)與地球物理調(diào)查，獲得了大量的地球物理數(shù)據(jù)和巖石樣品并開展了區(qū)域構(gòu)造演化的相關(guān)研究[13,17]；與此同時，我國的蛟龍?zhí)栞d人潛水器也在雅浦海溝進行過數(shù)次下潛，獲得了大量的巖石樣品[18-19]。這些工作說明我國越來越重視卡羅琳板塊的地質(zhì)與地球物理學(xué)研究，并助推了相關(guān)研究成為前沿熱點。本文調(diào)研了國內(nèi)外的研究成果，特別是近年來我國科學(xué)家的相關(guān)工作，對卡羅琳洋底高原的構(gòu)造演化特征進行了總結(jié)，并提出該領(lǐng)域目前存在的一些關(guān)鍵科學(xué)問題，希望未來能為大洋鉆探的站位選取提供思路。

圖1 白堊紀以來主要洋底高原（紅色區(qū)域）的分布[1]Fig.1 Distribution of major oceanic plateaus since the Cretaceous (in red) [1]

圖2 卡羅琳洋底高原及周邊構(gòu)造單元圖位置見左上插圖內(nèi)白色虛線框。圖中綠點、黃點和紅點分別為DSDP、ODP和IODP井位，數(shù)字為井位號；黑色虛線為萊拉海槽NW向延長線。Fig.2 Tectonic map of the Caroline Ridge and the surrounding areaLocation is shown in the white square in the upper-left insert. DSDP, ODP, and IODP sites are marked with green, yellow, and red dots, respectively.Black dashed line represents the NW extension of the Lyra Trough.

1 卡羅琳洋底高原的形成

位于北卡羅琳洋底高原的DSDP 57站位在沉積物底部鉆遇了玄武巖基底[20]，K-Ar定年顯示玄武巖的年齡為23.5 Ma[21]，進而推測洋底高原的形成年代是晚漸新世。研究發(fā)現(xiàn)，北卡羅琳洋底高原東部發(fā)育明顯的海山鏈[9,22-23]，火山巖向東有變年輕的趨勢。地化和地震數(shù)據(jù)都證實了現(xiàn)今海山鏈的最東部存在地幔柱和相關(guān)的熱點[24-25]。雖然熱點活動目前位于卡羅琳板塊東側(cè)的太平洋板塊之上，但是該熱點巖漿作用控制著晚漸新世卡羅琳洋底高原的形成過程[9-10]?！翱茖W(xué)”號考察船對卡羅琳高原進行了基巖采樣，精細的年代學(xué)、巖石學(xué)、礦物學(xué)和地球化學(xué)研究證實卡羅琳洋底高原是一個中等尺度的洋底高原，拉斑玄武巖形成于15～24 Ma，明顯老于東部的海山鏈（1～12 Ma），且兩者很可能來自同一個源區(qū)[26]。熱點形成卡羅琳洋底高原主體后，隨著卡羅琳板塊的運動逐漸形成了東部的海山鏈，這符合地幔柱假說的基本條件。但Rehman等[27]發(fā)現(xiàn)雖然海山鏈的年齡整體向東變年輕，但也有很多相距幾百千米的火山具有相同的年齡，認為卡羅琳海山鏈的形成不僅僅是熱點作用導(dǎo)致的，可能同時存在一條板塊俯沖誘發(fā)形成的斷裂帶，巖漿沿斷裂帶噴出，從而在很長的距離外發(fā)現(xiàn)相同年齡的火山巖。因此，目前對卡羅琳洋底高原演化過程的認識尚未完全明晰。

地球物理資料可以為洋底高原的形成提供更多區(qū)域性的證據(jù)?！翱茖W(xué)”號考察船對雅浦海域開展了綜合地質(zhì)與地球物理調(diào)查，獲得了豐富的地震剖面，進而開展了區(qū)域構(gòu)造演化的相關(guān)研究[26]。橫跨索羅爾海槽的地震剖面揭示卡羅琳洋底高原沉積層自上而下分別廣泛發(fā)育兩條強反射界面：R1和R2。R2為沉積物的基底頂面反射（圖3），其下部識別出清晰的殼內(nèi)反射信號，推測為洋底高原形成時期的水平層狀玄武巖流。這些地球物理資料為洋底高原的形成過程提供了更多的細節(jié)。

2 卡羅琳洋底高原與雅浦海溝的俯沖碰撞

雅浦島弧被認為是源自原始Yap-IBM俯沖系統(tǒng)[28]，以變質(zhì)巖為主，但是溝弧間距異常短，是一個罕見的受控于洋底高原俯沖碰撞過程的島弧。McCabe和Uyeda[28]提出卡羅琳洋底高原與雅浦海溝在早中新世發(fā)生碰撞；Fujiwara等[29]基于對雅浦島弧巖漿巖停止時間和帕里西維拉海盆擴張方向轉(zhuǎn)變時間的分析，認為碰撞發(fā)生在25 Ma。最新研究通過對雅浦島弧變質(zhì)基巖（角閃巖）的放射性定年、全巖主微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf同位素分析，認為卡羅琳高原與原始雅浦島弧碰撞發(fā)生于21 Ma，受控于碰撞作用，雅浦俯沖帶的構(gòu)造演化可分為3個演化序列：早期板塊俯沖形成古雅浦島?。辉缰行率揽_琳洋底高原-雅浦海溝碰撞導(dǎo)致俯沖活動停止，中新世俯沖過程重新開始并伴隨少量的島弧巖漿活動[30]。

圖3 卡羅琳洋底高原地震剖面及解釋圖a. 地震解釋剖面，位置見圖4過CS2-2和2-3的地震剖面； b. 地震剖面細節(jié)圖；c. 剖面細節(jié)解釋圖，位置見圖3a虛線框。Fig.3 Seismic profile across the Caroline Ridgea. Entire interpretation profile, crossing CS2-2 and CS2-3 in Fig.4; b. detailed profile; c. the corresponding interpretation,see dotted box in Fig.3a for the location.

卡羅琳洋底高原與雅浦海溝的俯沖碰撞過程導(dǎo)致復(fù)雜斷裂系統(tǒng)的發(fā)育，地震剖面研究表明，洋底高原形成以來該區(qū)主要發(fā)育兩組斷裂：近海溝的約N30°E向撓曲斷裂以及洋底高原內(nèi)約N65°W向的裂谷斷裂（圖3）。先存的裂谷斷裂形成于洋底高原張裂時期，其發(fā)育導(dǎo)致卡羅琳洋底高原屈服強度的減弱，而洋底高原北部發(fā)育的斷裂比南部更加密集，因此北部更容易在進入俯沖帶時發(fā)育撓曲斷裂作用，最終形成了北寬南窄的撓曲斷裂帶[31]（圖4中的地壘地塹斷裂帶）。雖然南北部的俯沖板塊輸入的地形地貌不同，但是多波束數(shù)據(jù)和地震剖面顯示雅浦海溝從北到南上覆板片均發(fā)生了強烈的俯沖侵蝕，北部侵蝕過程主要由斷裂帶的俯沖導(dǎo)致，南部侵蝕過程主要由海山俯沖導(dǎo)致[26]。此外，在雅浦弧的向海溝一側(cè)清晰識別出了晚期活動的大型滑塌體[13]，推測可能與俯沖侵蝕作用有關(guān)。

3 卡羅琳洋底高原的裂解

卡羅琳洋底高原在中部發(fā)生裂解形成了索羅爾海槽，本身裂解為南北兩部分，有研究認為這一過程尚未發(fā)育成熟的海底擴張中心[14,32]。Altis[14]認為太平洋板塊沿馬里亞納海溝俯沖導(dǎo)致的板片拖曳力在洋底高原形成南北向的張應(yīng)力，從而導(dǎo)致高原發(fā)生裂解；此外，地幔柱導(dǎo)致的熱隆升效應(yīng)同樣可以使上覆巖石圈裂解[8]。因此遠場張應(yīng)力和地幔柱熱效應(yīng)都有可能對卡羅琳高原的裂解有貢獻。

雅浦俯沖系統(tǒng)的南北兩側(cè)在地貌和地球物理特征上具有典型的差異[33-34]。震源機制解顯示，以索羅爾海槽為界，俯沖帶北部處于伸展狀態(tài)，而南部處于擠壓狀態(tài)[35]。裂解的卡羅琳洋底高原俯沖是造成雅浦溝弧系統(tǒng)南北段差異明顯的主要原因之一。Fan等[33]首次利用被動源OBS數(shù)據(jù)對雅浦俯沖帶進行了地震層析成像和接收函數(shù)分析，結(jié)果表明俯沖的卡羅琳板塊分別沿雅浦海溝南段和北段發(fā)生斷裂和回轉(zhuǎn)。在海溝南部，洋底高原-海溝的碰撞過程導(dǎo)致早期俯沖板片發(fā)生拉張斷裂，而殘余板片回彈在弧后形成低布格重力異常；而在海溝北部，菲律賓海板塊和卡羅琳板塊同時向NWW方向快速運動，二者之間的匯聚速率很小，因此已俯沖的卡羅琳板塊受到地幔的強烈阻擋，造成俯沖板片在深部發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，在淺部的海溝處形成地壘地塹斷裂帶（圖4），并且在弧后形成高布格重力異常[33]。

地震剖面揭示，卡羅琳洋底高原的上覆沉積物內(nèi)部發(fā)育區(qū)域性強反射面R1，并在裂谷肩部區(qū)域與下伏地層呈明顯的角度不整合接觸[36]（圖3），可追蹤至海槽內(nèi)最老的沉積地層內(nèi)，分析認為該反射指示了洋底高原的張裂過程。根據(jù)地震地層學(xué)的方法估算卡羅琳洋底高原初始裂解發(fā)生于早—中中新世，遠場應(yīng)力與地幔柱熱效應(yīng)等多種因素共同控制了其張裂過程[36]。

4 有待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題及大洋鉆探井位建議

卡羅琳洋底高原俯沖系統(tǒng)是全球俯沖帶研究領(lǐng)域獨具特色的區(qū)域，研究起步較早，DSDP最早期的航次計劃就將該海域作為鉆探區(qū)域。1969年DSDP第6航次在該洋底高原北部的55—58四個站位開展了鉆探（圖2），但因為構(gòu)造復(fù)雜等多種原因，后期一直未再開展新的大洋鉆探計劃，因此，目前在卡羅琳洋底高原的構(gòu)造演化方面還存在很多問題尚未解決。本文在前期研究的基礎(chǔ)上提出4個有待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，并結(jié)合海區(qū)已有的地震剖面資料提出大洋鉆探井位的建議，希望能為該區(qū)域未來的研究方向提供思路。表1列出了建議站位的主要信息，井位的平面分布見圖4所示，圖5展示了過建議井位的地震剖面圖。

圖4 大洋鉆探建議站位圖Fig.4 Distribution of the proposed drilling sites

4.1 太平洋板塊和卡羅琳板塊的邊界

太平洋板塊和卡羅琳板塊邊界的確定是理解卡羅琳洋底高原的形成過程及成因機制的關(guān)鍵。按照板塊邊界的分類原則，現(xiàn)今卡羅琳板塊的邊界普遍認為由帕勞海溝、雅浦海溝、索羅爾海槽、穆紹海溝（及其北向延伸）、馬努斯海溝、新幾內(nèi)亞海溝和阿玉海槽構(gòu)成[9,16,37-39]。但是，卡羅琳板塊形成于漸新世，后期經(jīng)歷了卡羅琳洋底高原的形成與裂解、板內(nèi)的擠壓變形等過程，真正地質(zhì)學(xué)意義上漸新世卡羅琳板塊的邊界不等同于現(xiàn)今的邊界。Hegarty和Weissel[9]認為漸新世時卡羅琳板塊的東部邊界對應(yīng)于現(xiàn)在的萊拉海槽（Lyra Trough）和其NNW向延長線（圖6a虛線），萊拉海槽作為板塊邊界的證據(jù)包括磁異常和地震反射數(shù)據(jù)。同時，DSDP59和61站位揭示的最老沉積物年齡是白堊紀，而55—58站位的最老沉積物年齡僅為晚漸新世—中新世，因此在58和59站位之間應(yīng)該存在一條構(gòu)造邊界，而這條邊界最可能對應(yīng)于萊拉海槽的NNW向延長線；居里面深度在這條構(gòu)造邊界的兩側(cè)也存在很大的不同，支持東西兩側(cè)分屬太平洋板塊和卡羅琳板塊的觀點（圖6a）。這種觀點得到一定的認可（如Lee[35]），表明整個卡羅琳洋底高原均位于漸新世的卡羅琳板塊之上，其形成演化是板內(nèi)熱點火山作用與變形過程的結(jié)果。

表1 大洋鉆探建議站位主要信息Table 1 Specifications of the proposed drilling sites

圖5 大洋鉆探建議站位地震剖面圖Fig.5 Seismic profiles across the proposed drilling sites

圖6 卡羅琳板塊的居里面深度及洋殼年齡分布圖a. 居里面深度圖（據(jù)文獻[40]修改），等值線為水深線；b. 洋殼年齡分布圖（據(jù)文獻[41]修改），左上插圖為磁異常條帶的拾取年齡數(shù)據(jù)，作為洋殼年齡的約束。Fig.6 The Curie depth and oceanic crust age of the Caroline platea. The Curie depth map (revised from reference [40]) and water depths in contours; b. Age of the oceanic crust (revised from reference[41]) in the constraint of magnetic lineation shown in the upper-left insert.

但是，基于磁異常識別和板塊重建工作編制的最新洋殼年齡數(shù)據(jù)顯示，卡羅琳洋底高原之下的洋殼年齡老于60 Ma，屬于太平洋板塊的一部分，暗示卡羅琳板塊的北部邊界位于洋底高原的南部（圖6b，據(jù)文獻[41]）。萊拉海槽和穆紹海溝之間的洋殼年齡大于140 Ma，也屬于太平洋板塊，因此穆紹海溝是卡羅琳板塊的東部邊界，而非萊拉海槽，不同于Hegarty和Weissel[9]等的板塊邊界劃分。值得注意的是，Seton等[41]的洋殼年齡數(shù)據(jù)在卡羅琳洋底高原北部是缺少磁異常條帶約束的（圖6b）。因此，卡羅琳洋底高原北部正常洋殼年齡的厘定是揭示卡羅琳板塊和太平洋板塊邊界的重要依據(jù)，該項工作可以為全球板塊重建提供關(guān)鍵的地球物理約束，具有重要的全球意義。

建議在卡羅琳洋底高原北側(cè)開展兩個井位的鉆探：CS1-1和CS1-2（圖4—5），重點關(guān)注基底洋殼的性質(zhì)和年齡。

4.2 卡羅琳洋底高原的地層年代框架

卡羅琳洋底高原經(jīng)歷了熱點作用、俯沖碰撞和拉張裂解等多期重要的區(qū)域構(gòu)造事件，查明構(gòu)造事件的發(fā)生時代對于深入了解區(qū)域構(gòu)造演化特征具有重要意義。區(qū)域重要的構(gòu)造事件往往在地震剖面上有清晰的顯示，基于此，結(jié)合鉆井的地震地層學(xué)研究可以確定地震反射界面的年代，建立地層年代框架，從而識別區(qū)域構(gòu)造事件的發(fā)生時間與影響范圍?？_琳洋底高原現(xiàn)有的DSDP鉆井很少，并且年代學(xué)工作非常薄弱。其中，只有57站位鉆遇到了基底玄武巖，K-Ar測年年齡為23.5 Ma。基底玄武巖和上覆沉積物之間是沉積接觸關(guān)系，未發(fā)生接觸變質(zhì)作用，說明玄武巖是以熔巖流的形式形成的，但是冷凝殼的缺失又使得這一解釋不是很合理。因此卡羅琳洋底高原形成年代和機制仍然需要大量的巖心測試工作加以敲定。此外，淺部的取樣只有零星幾個巖心段做了古生物定年，精度和連續(xù)性比較差，無法形成連續(xù)的年齡剖面，導(dǎo)致區(qū)域地層年代框架至今沒有很好的建立。前期工作揭示，地震剖面上識別的R1不整合面很可能對應(yīng)卡羅琳洋底高原的裂解事件[13,36]，但是沒有鉆井年齡的約束，無法確定該事件的發(fā)生時代。

建議在卡羅琳洋底高原的南北兩側(cè)設(shè)置3個井位以開展鉆探及年代學(xué)工作：CS2-1，CS2-2和CS2-3（圖4—5）。其中CS2-1位于DSDP56和57井位的中間，CS2-2和CS2-3分別位于洋底高原北側(cè)和南側(cè)，3個井位可通過地震剖面開展地震地層的對比研究。

4.3 索羅爾海槽是否出現(xiàn)新的洋殼

卡羅琳洋底高原的裂解形成了索羅爾海槽，但是其下的巖石圈是否已經(jīng)被拉開形成新的洋殼，是否如同翁通爪哇洋底高原一樣發(fā)生了裂離，這個問題由于缺乏足夠的巖石地化證據(jù)仍然未能解決。Weissel和Anderson[16]發(fā)現(xiàn)目前海槽仍存在少量地震活動，推測海槽仍在擴張；Altis[14]認為索羅爾海槽的裂陷持續(xù)時間約為10 Ma（17～7 Ma），時間很短還不足以發(fā)育成熟的擴張中心；依據(jù)地震剖面和重力數(shù)據(jù)開展的重-震聯(lián)合解釋發(fā)現(xiàn)，索羅爾海槽下方的地殼厚度平均約為6 km，接近正常洋殼的厚度[31]；Fornari等[32]通過分析索羅爾海槽巖石樣品的高度變質(zhì)特征，證明剪切應(yīng)力導(dǎo)致索羅爾海槽發(fā)生地殼增生（crustal accretion）過程，但是該過程并沒有產(chǎn)生典型的擴張中心。因此，索羅爾海槽是否出現(xiàn)了新的洋殼還需要鉆探的證實。該問題的解決可以為洋底高原裂解產(chǎn)生的初始洋殼或過渡性地殼性質(zhì)的分析提供難得的樣品，有望取得創(chuàng)新性成果。

建議在索羅爾海槽開展2個站位的鉆探：CS3-1和CS3-2，分別位于海槽的南部邊緣和中部（圖4—5），有望分別獲得最老和最年輕的火山巖，以便限定索羅爾海槽的年齡和地殼性質(zhì)。

4.4 撓曲斷裂帶的地殼年齡和性質(zhì)

卡羅琳洋底高原俯沖前緣地殼性質(zhì)的厘定對于認識洋底高原初始俯沖模式具有重要的意義。中新世以來，卡羅琳洋底高原的俯沖活動重新進行，俯沖板片前緣發(fā)生明顯的地勢降低現(xiàn)象，形成撓曲斷裂帶。該斷裂帶對向發(fā)育一系列斷裂，大致形成地壘和地塹相間分布的構(gòu)造樣式，因此學(xué)者也稱其為地壘地塹斷裂帶（horst and graben）[29]。目前，斷裂帶的性質(zhì)主要有兩種解釋：①布格重力異常與地殼厚度反演結(jié)果表明撓曲斷裂帶具有與正常洋殼相似的較薄的地殼厚度[26,29,34-35]，可能指示了洋底高原前緣保留了雅浦俯沖系統(tǒng)晚漸新世之前的俯沖洋殼結(jié)構(gòu)；②多道地震剖面揭示，卡羅琳洋底高原內(nèi)部同樣發(fā)育平行于雅浦海溝走向的斷裂，撓曲斷裂帶內(nèi)發(fā)育滑塌體結(jié)構(gòu)與卡羅琳洋底高原沉積物的厚度、地震反射結(jié)構(gòu)相似[36]，這指示了撓曲斷裂帶形成于卡羅琳洋底高原前緣的撓曲減薄過程?？傊_琳洋底高原俯沖前緣地殼的性質(zhì)存在一定的爭議，該問題的解決需要對撓曲斷裂帶開展巖心鉆探與年代學(xué)分析。

建議在俯沖前緣的斷裂帶開展2個井位的鉆探：CS4-1和CS4-2（圖4—5）。從地形地貌來看，CS4-1站位更接近正常洋殼，而CS4-2站位似乎具有高原裂解的特征，從而闡明撓曲斷裂帶的地殼年齡和性質(zhì)。

5 結(jié)論

西太平洋卡羅琳洋底高原的構(gòu)造位置極其特殊，經(jīng)歷了熱點火山作用、碰撞、裂解和俯沖等多個地質(zhì)事件，在研究地幔柱及板塊相互作用領(lǐng)域具有得天獨厚的優(yōu)勢。目前該區(qū)存在幾個關(guān)鍵科學(xué)問題需要大洋鉆探的支持，研究方向可聚焦在以下4個方面：

（1）揭示卡羅琳洋底高原北部正常洋殼年齡，分析卡羅琳板塊-太平洋板塊邊界的位置與形態(tài)；

（2）建立卡羅琳洋底高原的地層年代框架，揭示區(qū)域構(gòu)造事件的發(fā)生時間與影響范圍；

（3）分析卡羅琳洋底高原巖石圈的張裂階段及是否存在新洋殼的形成；

（4）闡明卡羅琳洋底高原俯沖前緣地殼的性質(zhì)與年齡。

致謝：本研究所用數(shù)據(jù)由“科學(xué)”號考察船采集，感謝執(zhí)行2015—2021年度雅浦海域綜合地球物理航次的全體船員及科學(xué)家，感謝中國科學(xué)院南海海洋研究所徐敏研究員提供部分地震剖面。