菲律賓海板塊俯沖與島弧演化的鉆探靶區(qū)研究

杜學鑫，祝文君，牟明杰，尚魯寧，李攀峰，尉佳，虞義勇，孟元庫，胡剛

1.山東科技大學地球科學與工程學院，青島 266590

2.中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266237

3.壽光市海洋漁業(yè)發(fā)展中心，壽光 262700

菲律賓海板塊地處歐亞板塊、太平洋板塊和印度-澳大利亞板塊的交匯處，四周幾乎全部被俯沖帶所包圍，在西太平洋板塊構(gòu)造格局中占據(jù)特殊地位。受板塊俯沖、海底擴張以及地幔柱活動等多重因素的影響，菲律賓海板塊的形成演化過程表現(xiàn)為多階段性，形成了現(xiàn)今復雜的構(gòu)造格局，是開展西太平洋板塊重建的關(guān)鍵區(qū)域菲律賓海蘊含豐富的前沿地球科學問題，是構(gòu)造地質(zhì)學、沉積學、古海洋學以及全球變化研究的熱點地區(qū)。自1969年以來，DSDP-ODP-IODP在菲律賓海及鄰區(qū)共完成了25個航次的鉆探工作。鉆探為“弧前增生楔結(jié)構(gòu)和孕震機理”、“菲律賓海板塊的形成演化”、“島弧巖漿作用和大陸邊緣陸殼增生機制”以及“西太平洋古氣候和古海洋環(huán)境演變”等重大科學問題的研究提供了基礎(chǔ)。然而，絕大部分鉆探航次和站位位于俯沖帶發(fā)育的主動大陸邊緣，集中于日本南海海槽、伊豆-小笠原-馬里亞納溝-弧-盆系統(tǒng)等區(qū)域，少量鉆孔分布在板塊內(nèi)部的海底高原和海脊地區(qū)，深海盆區(qū)僅有零星鉆孔分布，制約了諸如花東海盆基底屬性、俯沖起始過程與島弧演化等關(guān)鍵科學問題的研究。針對前期大洋鉆探工作的局限，預研未來該海域鉆探選址與井位建議，不僅可揭示制約菲律賓海構(gòu)造演化與沉積效應認知的關(guān)鍵地球科學問題，而且對未來我國自有大洋鉆探船鉆探井位儲備具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

菲律賓海板塊呈南北向狹長的菱形走向，東部邊界為伊豆-小笠原-馬里亞納海溝、雅浦海溝、帕勞海溝和阿玉海槽，西部邊界為南海海槽、琉球海溝、馬尼拉海溝和菲律賓海溝（圖1）。以中央南北走向的九州-帕勞海脊將菲律賓海盆分為東、西兩個大型的海盆：西菲律賓海盆和四國-帕里西維拉海盆?？傮w來說，基于磁異常與鉆探數(shù)據(jù)，西菲律賓主海盆形成時間約為61～33/30 Ma[1]，四國海盆形成時間約為25～15 Ma[2]， 帕里西維拉海盆形成時間約為30～17 Ma[3]，馬里亞納海槽初始擴張時間約為6.5 Ma且尚處擴張時期[4]。

菲律賓海范圍較大，南北跨越0°～35°N，東西橫跨124°～147°E，面積達5.4×106km2（圖1）。海底地形十分復雜，發(fā)育有海溝、島弧、海脊、海山、海盆、裂谷等地形，是一個海嶺與海盆并列、具有洋殼基底的大型邊緣海，全區(qū)水深3 000～6 000 m，平均水深約為4 500 m，總體表現(xiàn)為“西部深、東部淺”的特點（圖1）。海盆整體位于菲律賓海板塊之上，周邊環(huán)繞島弧與深海溝俯沖帶，中部九州-帕勞海脊呈反轉(zhuǎn)“S”形南北延伸，長約2 750 km，寬約50～90 km，海脊中段為一系列斷續(xù)分布的鏈狀海嶺，海山與凹地相間分布，兩側(cè)呈明顯不對稱，東側(cè)陡、西側(cè)緩[5]。

西菲律賓海盆和帕里西維拉海盆地區(qū)，沉積基底面與海底地形起伏基本平行，其上主要是覆蓋了一層第四紀沉積物，平均厚度約500 m，基本為等厚度分布，沉積速率非常低，沉積物來源具有空間差異性，基本以遠洋自生沉積[6]、火山成因[4,7]和內(nèi)陸風成沉積物質(zhì)為主[8-10]，沉積物直接覆蓋在海底玄武巖層之上。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文所用多道地震資料取自2020年9月執(zhí)行的“深海科學鉆探井位選址調(diào)查”項目菲律賓海調(diào)查航次，測量船舶為青島海洋地質(zhì)研究所“海洋地質(zhì)九號”，在菲律賓海九州帕勞海脊和中央海盆斷裂帶東端共完成二維多道地震和同步多波束測量552.4 km（圖1）。

多道地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用SERCEL公司Sercel Seal 428系統(tǒng)，配以Sercel SSRD固體電纜，數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)采用Seal 428 version1.1，震源系統(tǒng)采用SERCEL公司GII型氣槍，空壓機系統(tǒng)采用LMF 51S型空壓機，拖纜控制系統(tǒng)采用ION公司PCS version 8.30，本次多道地震主要采集參數(shù)為接收360道，道間距12.5 m，炮間距37.5 m，震源容量為6 000 立方英寸，記錄長度12 s，具體參數(shù)見表1。

表1 地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of seismic data acquisition system

圖1 西太平洋海底地形和構(gòu)造單元簡圖紅線代表實測多道地震測線。Fig.1 Sketch map of topography and tectonic units in the Western PacificThe red lines represent new acquired multichannel seismic profiles.

3 菲律賓海已有鉆探科學目標實現(xiàn)與重要科學問題進展

迄今為止，DSDP-ODP-IODP在菲律賓海及鄰區(qū)共完成了25個航次的鉆探工作，在98個站位共完成鉆孔218口，絕大部分鉆探航次和站位集中于日本南海海槽、伊豆-小笠原-馬里亞納溝-弧-盆系統(tǒng)，少量鉆孔分布在板塊內(nèi)部的海底高原和海脊地區(qū)（圖2）。鉆探主要以“弧前增生楔結(jié)構(gòu)和孕震機理”、“菲律賓海板塊的形成演化”、“島弧巖漿作用和大陸邊緣陸殼增生機制”以及“西太平洋古氣候和古海洋環(huán)境演變”等為科學主題。

3.1 菲律賓海已有鉆探航次目標和基本認識

3.1.1 深海鉆探計劃（DSDP）階段

為了查明整體上菲律賓海盆的形成時代和盆地演化的歷史，科學家們在西太平洋和菲律賓海實施了DSDP- Leg6、31航次的鉆探工作，航次成果首次揭示了菲律賓海盆東部的年齡為古近紀或新近紀，證明菲律賓海板塊是獨立于太平洋板塊之外的新生板塊[11]；確定了菲律賓海板塊形成和演化的年代學框架、古海洋環(huán)境變遷和古板塊位置，拉開了菲律賓海形成演化過程重建的序幕[12]。為了詳細探究不同具體位置的演化信息，科學家開展了DSDP-Leg 58航次，探究的是四國海盆的擴張作用和大東嶺海盆起源的工作，四國海盆是由海底擴張作用形成的，而且可能存在單向擴張，大東盆嶺區(qū)的巖石組成具有很大的非均一性，包括變質(zhì)巖、火山巖和沉積巖[13]。隨后科學家開展了DSDP-Leg 59、60的工作，確定基底年齡和盆地形成的機制，弧后盆地的擴張速率和火山弧的起源與性質(zhì)[7]。確定了九州-帕勞海脊處的TTR型三聯(lián)點，推測馬里亞納海溝的俯沖是一個平穩(wěn)的過程，幾乎不涉及來自太平洋板塊的物質(zhì)[14]。

圖2 菲律賓海及鄰區(qū)DSDP-ODP-IODP鉆探站位分布圖Fig.2 Distribution of DSDP-ODP-IODP drilling holes in the Philippine Sea and adjacent areas

3.1.2 大洋鉆探計劃（ODP）階段

1990年前后在伊豆-小笠原-馬里亞納島弧實施了ODP-Leg125、126航次的鉆探工作，目的是為了探究島弧地區(qū)的成因和演化問題。主要的科學成就是：揭示了弧前臺地上更年輕的巖漿活動；弧前盆地中心以下火成巖基底為高鎂系列安山巖以及低鎂系列熔巖；從晚中新世到全新世和始新世—漸新世為火山活動的高峰[15-16]。后期為了探究日本南海海槽與伊豆-馬里亞納島弧的關(guān)系，相繼開展了ODP-Leg131[17]、190[18]、195[19]、196[20]航 次 的 工 作，對比發(fā)現(xiàn)兩地區(qū)均有流體流動的過程和地震活動的特征。伊豆-馬里亞納島弧有來自中央火山帶的蛇紋巖漿，而日本南海海槽形成了大型逆沖推覆帶，表現(xiàn)為粗粒物質(zhì)從島弧向海溝運移轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向運移，運移系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變使得沉積物從日本東部區(qū)域沿海溝軸線向下運移，為橫斷面的沉積物提供了來源。

3.1.3 綜合大洋鉆探計劃（IODP）階段

該階段主要研究區(qū)域是日本南海海槽，分為多階段的南海海槽孕震帶試驗（NanTroSEIZE），第一階段實施了IODP314航次的工作，運用了最先進的隨鉆測井（LWD）技術(shù)，得到了天然氣水合物賦存狀態(tài)的重要信息；第一階段后續(xù)的IODP315、316航次是在314航次4個站位的基礎(chǔ)上增加了新的鉆孔工作。主要研究的目標是斜俯沖中增生棱柱體與弧前盆地應變分量的構(gòu)造研究，根據(jù)地層記錄重建棱柱體和弧前盆地演化以及闡明巨型帚狀斷層系統(tǒng)淺部的特征、行為和演化信息[21]。IODP319、322作為第二個階段，技術(shù)更加先進，主要科學目標包括在可能安裝觀測裝置的深度或附近采集巖芯并進行井下試驗，推斷出四國海盆的粗粒火山沉積物可能是從位于東側(cè)的火山鏈通過海底等途徑運過來的，并成功地采集了構(gòu)成基底的枕狀玄武巖樣品。2010年實施了第二階段的IODP332、333的工作，在原有鉆孔的基礎(chǔ)上安裝了井眼觀測臺，主要成果有完成了對四國海盆半遠洋沉積物上層沉積物理性質(zhì)轉(zhuǎn)換帶的取芯，對沉積物/玄武巖界面下方100 m范圍內(nèi)的玄武巖進行取芯等。南海海槽第三階段鉆探計劃主要為IODP326、338和348航次，主要針對深部板塊邊界及斷裂帶進行隔水管大口徑鉆探，獲取大型地震發(fā)育機理。

3.1.4 大洋發(fā)現(xiàn)計劃（IODP）階段

2014年國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃實施了350—352航次的科學鉆探工作。IODP350航次是在伊豆弧后鉆探的第一航次，以前IODP站位都位于伊豆-小笠原島弧或弧前地區(qū)，導致對伊豆弧巖漿作用的認知并不完整。因此，IODP350航次的主要目的是揭示俯沖工廠“失蹤的那一半”的演化歷史[22]。第二航次，即IODO351航次將聚焦于九州-帕勞海脊西側(cè)，本區(qū)被認為記錄了IBM弧早期的基礎(chǔ)、起源和演化過程[23]。第三航次，即IODP352航次將通過鉆探IBM島弧外側(cè)的弧前地區(qū)，來研究俯沖起始過程[24]。這3個航次重點研究了地球化學不對稱的島弧地殼的起源、弧后巖漿活動、原始地殼與地幔性質(zhì)、島弧在古近紀的成分演化、俯沖開始后的地幔熔融演化過程、俯沖開始與初始島弧地殼形成過程等科學問題。

綜上所述，DSDP階段的航次解決了菲律賓海盆的地質(zhì)形成年代和演化歷史的問題，對四國海盆和大東嶺海盆的擴張起源問題有了初步的認識，確定了九州-帕勞海脊火山活動的時間和性質(zhì)，提出了TTR型三聯(lián)點：ODP階段探究了伊豆-小笠原-馬里亞納島弧的起源和演化問題，并與南海海槽做了對比，發(fā)現(xiàn)均有物質(zhì)的遷移和地震帶活動的特征；IODP階段分為多階段的南海海槽孕震帶試驗，探明了天然氣水合物和增生棱柱體的信息，推測四國海盆沉積物的來源以及深部取芯；IODP階段重點研究了地球化學不對稱的島弧地殼的起源、弧后巖漿活動以及俯沖開始與初始島弧地殼形成過程等科學問題。但同時，仍有一些關(guān)鍵的科學問題制約著對菲律賓海及鄰域構(gòu)造沉積過程的全面認識。

3.2 菲律賓海前沿地球科學問題

3.2.1 花東海盆的年代和構(gòu)造屬性

花東海盆位于臺灣島東側(cè)，是西太平洋地球系統(tǒng)中一個重要的盆地，位于菲律賓海板塊與歐亞板塊的交匯處及構(gòu)造運動的轉(zhuǎn)折點，構(gòu)造位置極為重要[25]，是研究西太平洋板塊從白堊紀到新生代構(gòu)造演化與動力學機制的關(guān)鍵區(qū)域[26]（圖3）。目前，對花東海盆的年齡和構(gòu)造屬性存在較大的爭議，是西太平洋板塊重建的關(guān)鍵。

在新生代時期，菲律賓海板塊侵位于歐亞板塊與西太平洋板塊之間，古地磁數(shù)據(jù)顯示，在白堊紀時期花東海盆和菲律賓海板塊位于赤道附近[27-28]，隨后相對于歐亞板塊沿著巨型剪切帶一起向北移動，大位移地（近2 200 km）運行到現(xiàn)今的位置[27]，而花東海盆的洋盆性質(zhì)最初是基于在海盆中識別出4個E-W向磁異常條帶[11]，推斷盆地的年齡有：41～36 Ma[1]、15～30 Ma[29]、52～43 Ma[30]等，據(jù)此認為它是菲律賓海板塊的一部分，是菲律賓海板塊楔入體的前鋒[31]。后來拖網(wǎng)采得輝長巖樣品[32]，單礦物40Ar/39Ar 測年為131～119 Ma，據(jù)此推斷花東海盆年齡為早白堊世，是板塊構(gòu)造運動遺留給人類的、在菲律賓海盆與歐亞大陸之間唯一的中生代白堊紀洋盆[33]。因此，花東海盆形成時代和構(gòu)造屬性、與菲律賓板海板塊的相關(guān)作用關(guān)系是重建中生代時期太平洋板塊與歐亞板塊之間的運動學和動力學關(guān)系一個非常關(guān)鍵的問題。

3.2.2 俯沖啟動和島弧形成過程

沒有俯沖帶就沒有板塊構(gòu)造，俯沖帶成因是理解板塊構(gòu)造的關(guān)鍵，然而長期以來俯沖帶的起始俯沖機制一直是板塊構(gòu)造理論中最為薄弱的部分，西太平洋邊緣海存在多個初始擴張中心和可能的初始俯沖帶[34]，是研究初始俯沖的優(yōu)良靶區(qū)。與被動大陸邊緣的初始擴張相比，起始俯沖以及由此產(chǎn)生的洋內(nèi)弧的研究才剛剛起步[35]。

圖3 琉球俯沖板片結(jié)構(gòu)和花東海盆的構(gòu)造屬性[31]a.琉球俯沖板片的重建結(jié)果，b.俯沖之前的菲律賓海板塊結(jié)構(gòu)，c.琉球俯沖板片三維結(jié)構(gòu)。Fig.3 The structure of the Ryukyu subduction plate and the tectonic nature of the Huatung basin[31]a.The floated slab mesh connected at the Ryukyu Trench to the Philippine Sea Plate.b.Structure of the Philippine Sea Plate prior to subduction.c.3D structure of the Ryukyu subducted slab.

菲律賓海四周幾乎全被俯沖帶包圍，其東側(cè)伊豆-小笠原-馬里亞納（IBM）俯沖帶是由古老的西太平洋板塊俯沖到菲律賓海板塊與馬里亞納微板塊之下而形成的，造就了典型的溝-弧-盆體系[36]。以往該地區(qū)的大洋鉆探對IBM 50 Ma演化過程中近25 Ma的歷史，通過火山灰和火山碎屑研究已取得顯著進展。然而，對于IBM形成演化的前半段歷史，尤其是島弧形成的起始過程，卻知之甚少。九州-帕勞海脊曾經(jīng)與現(xiàn)代IBM島弧連為一體，在約30 Ma的海底擴張形成四國海盆和帕里西維拉盆地之前一起組成了古IBM島弧，大洋鉆探發(fā)現(xiàn)計劃連續(xù)三個航次在IBM展開[22-24]，但九州-帕勞海脊作為俯沖起始和島弧形成演化的重要起源區(qū)[37]，開展的鉆探工作明顯不足，制約了對上述科學問題的認識。因此，以九州-帕勞海脊區(qū)為目標，對俯沖起始機制進行研究，依舊是板塊構(gòu)造學理論體系中的一個重點和難點。

同時，加瓜海脊介于西菲律賓海盆和花東海盆之間，構(gòu)成了兩個結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、形成時代截然不同的海盆的邊界。最新的多道地震和OBS探測結(jié)果表明[38]，加瓜海脊之下的地殼厚度相對于兩側(cè)海盆顯著增厚，海脊地殼的增厚是非對稱的，可能代表了中新世期間形成的一條夭折俯沖帶，俯沖啟動之后短時間內(nèi)終止，俯沖帶結(jié)構(gòu)被“定格”在了加瓜海脊之下。因此，加瓜海脊可能也是研究俯沖啟動過程的理想場所[34]。

3.2.3 菲律賓海板塊的形成演化和板塊重建

菲律賓海是東亞三大板塊包圍而成的最大邊緣海。三大主要板塊的運動符合基于海底擴張和熱點參照系確定的全球板塊運動模型[39]。然而菲律賓海板塊自早始新世形成以來的運動軌跡，一直是不確定和有爭議的。

多年來，不同學者提出了許多截然不同的菲律賓海板塊重建方案[39-45]?，F(xiàn)今菲律賓板塊與太平洋板塊均以WNW方向高速移動，需要其與太平洋板塊之間存在較強的耦合才能實現(xiàn)。根據(jù)菲律賓海板塊磁條帶確定的海底年齡和擴張模式，為在一定誤差范圍內(nèi)部分重建過去的板塊幾何結(jié)構(gòu)提供了可能[1,32,46]，對于漸新世末到現(xiàn)在的菲律賓海擴張過程，已發(fā)表的菲律賓海年齡模型之間的差異相對較小。菲律賓海板塊過去的運動狀態(tài)與現(xiàn)今的運動狀態(tài)截然不同，古地磁傾角數(shù)據(jù)表明菲律賓海板塊晚中生代以來板塊漂移中發(fā)生了110°的順時針旋轉(zhuǎn)[43]，但是卻很難區(qū)分古地磁數(shù)據(jù)代表的是全板塊旋轉(zhuǎn)還是局部塊體旋轉(zhuǎn)。Lee和Hilde[40]的年齡模式被廣泛用于菲律賓海板塊的重建，認為西菲律賓海盆的擴張始于59～56 Ma。相反，基于最新放射性測年結(jié)果識別出的沖大東熱點遺跡建立的新模型則認為西菲律賓海盆的擴張始于更晚的54～50 Ma[32,47]。這種年齡與轉(zhuǎn)向差異的不同直接影響了菲律賓海板塊形成與演化重建的結(jié)果。

同時，西菲律賓海作為規(guī)模較大的不活動弧后盆地，其擴張作用終止的動力過程仍不明確。西菲律賓海盆殘留的中央擴張中心呈NW-SE向，發(fā)育顯著的中央裂谷，被近N-S向的古轉(zhuǎn)換斷層切割，擴張作用終止的動力學機制被認為是“失去動力”的主動停止過程，但消亡擴張中心在巖石圈結(jié)構(gòu)、擴張末期熔體作用過程和物質(zhì)組成等方面的差異，是進一步揭示海底擴張作用終止過程和機制的基礎(chǔ)。

3.2.4 海洋風成沉積及其古環(huán)境記錄

海洋風塵沉積是指陸源沉積物通過大氣環(huán)流傳輸并在特定的海區(qū)沉降而形成的沉積物。每年大約有2 000億t風塵進入大氣層，其中25%落在海洋使得風塵沉積成為許多深海沉積物的重要組成部分[48]，而且亞洲是世界上最大的風塵源區(qū)之一，觀測結(jié)果表明，亞洲風塵對海洋沉積物組成和全球氣候變化具有重要的影響[49]。風塵通量和粒度變化是海洋風塵沉積研究中常用的古氣候代用指標。ODP885/886孔的風塵粒度記錄了11.8 Ma以來西風環(huán)流強度的演化歷史，風塵粒徑在4.6 Ma時增加，反映了晚中新世由于氣候變冷所引起的西風加強[50]。風塵通量的顯著增加反映了亞洲內(nèi)陸干旱化程度的加劇[51]，而且干旱程度變化也會在石英通量上有所體現(xiàn)[52-53]，風塵通量的變化表現(xiàn)為明顯的冰期-間冰期旋回特征，冰期的高風塵輸入可能與亞洲內(nèi)陸干旱化程度和東亞冬季風強度增強有關(guān)[54]。但是，西菲律賓海風塵沉積物的不同源區(qū)物質(zhì)輸入通量還無法定量劃分，風塵沉積物在海流與西風環(huán)流的耦合搬運機制仍不清晰，同時亞洲風塵與大陸沉積尚缺少更長時間尺度和更高分辨率的比對記錄，未來在菲律賓海盆鉆取關(guān)鍵站位形成南北和東西斷面對比，有望揭示新生代亞洲內(nèi)陸干旱程度歷史-西風強弱過程和東亞冬季風演化耦合過程及風塵沉積過程與機制。

4 科學目標實現(xiàn)與站位選擇

針對菲律賓海板塊及周邊地區(qū)的前沿地球科學問題，結(jié)合DSDP-ODP-IODP工作程度、實測多道地震數(shù)據(jù)以及菲律賓海板塊調(diào)查研究工作進展，并綜合考慮通過深海鉆探解決科學問題的可行性和難易程度，聚焦3個科學目標，確定了未來可能的鉆探井位，主要包括：①俯沖啟動和島弧早期演化；②三聯(lián)點巖漿作用過程；③西菲律賓海盆年代和古地磁。

4.1 科學目標1—俯沖啟動和島弧早期演化

了解俯沖帶的肇始機制，以及洋-洋俯沖產(chǎn)生的洋內(nèi)火山島弧的形成和演變過程，是板塊構(gòu)造理論最核心的問題之一。九州-帕勞海脊和加瓜海脊是不同類型俯沖啟動的產(chǎn)物，是研究俯沖啟動和島弧早期形成演化的理想場所。在此開展鉆探，不僅獲取俯沖啟動和島弧演化早期的巖漿活動和沉積記錄，甚至鉆獲夭折俯沖帶之下的俯沖洋殼，能夠為破解俯沖啟動和島弧形成演化過程提供可能。

九州-帕勞海脊曾經(jīng)與現(xiàn)代IBM島弧連為一體，在約30 Ma的海底擴張形成四國海盆和帕里西維拉盆地之前一起組成了古IBM島弧，是古太平洋板塊向菲律賓海板塊俯沖的產(chǎn)物，視為古IBM的殘留弧。九州-帕勞海脊及周緣原始洋殼基底之上與島弧侵位同時期的火山碎屑沉積層，記錄了俯沖板塊對俯沖起始響應過程的證據(jù)，是了解板塊如何起始俯沖的關(guān)鍵場所。

PSP-1站位的位置由2020年采集的MCS-2多道地震剖面控制，位于九州-帕勞海脊西側(cè)，距離海脊頂部邊緣約20 km，站位水深約5 460 m。PSP-1井以鉆穿沉積層并揭露九州-帕勞海脊西側(cè)的玄武巖洋底為目標，計劃完鉆深度6450 m，其中水深約5 460 m，沉積層和基底硬巖鉆進990 m。預計將在海底之下790 m，即6250 m深度鉆遇玄武巖基底。推測5 460～6 250 m深度的沉積層以深遠海沉積物為主，巖性為深海軟泥、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，夾少量陸源碎屑和火山碎屑。6 250～6 450 m為九州-帕勞海脊演化早期形成的中-酸性熔巖和火山碎屑巖，該層之下局部可能發(fā)育枕狀玄武巖和輝長巖巖脈（圖4）。

PSP-2站位的位置由2020年采集的MCS-2多道地震剖面控制，位于九州-帕勞海脊頂部，站位水深約3 380 m。PSP-4井以鉆穿沉積層并揭露九州-帕勞海脊頂部的島弧基底為目標，計劃完鉆深度4 200 m，其中水深約3 380 m，沉積層和基底硬巖鉆進820 m。預計將在海底之下540 m，即3 920 m深度鉆遇島弧基底。推測

3 380～3 920 m深度的沉積層以深遠海沉積物為主，巖性為深海軟泥、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，夾少量陸源碎屑和火山碎屑。3 920～4 200 m為九州-帕勞海脊演化早期形成的中-酸性熔巖和火山碎屑巖（圖4）。

4.2 科學目標2——板塊演化與三聯(lián)點巖漿作用過程

西菲律賓海盆中央斷裂帶東端與九州-帕勞海脊交匯處存在已經(jīng)消亡的三聯(lián)點。中央斷裂帶是西菲律賓海盆最后一期海底擴張的中心，而九州帕勞海脊代表太平洋板塊向西菲律賓海盆之下俯沖形成的洋內(nèi)弧。由于中央斷裂帶的形成時代早于俯沖作用且與俯沖帶高角度相交，先存洋殼破裂帶的存在勢必會對俯沖作用引起的熔體作用過程產(chǎn)生顯著影響，而俯沖作用也可能導致彼時已經(jīng)停止活動或即將停止活動的擴張中心再次活化。二者之間的復雜相互作用過程，可能導致不同來源的深部熔體發(fā)生大規(guī)模的相互作用，并在海底巖石類型和同位素組成上留下顯著的痕跡。

圖4 菲律賓海深?？茖W鉆井預測圖Fig.4 Diagram of sequence and lithology of the proposed drilling holes

位于西菲律賓海盆中央裂谷北側(cè)隆起的PSP-3站位由2020年采集的MCS-1多道地震剖面控制，距離中央裂谷軸部約30 km，站位水深約4 460 m。該井以鉆穿沉積層并揭露西菲律賓海盆中央裂谷與九州-帕勞海脊三聯(lián)點巖石組成為目標，計劃完鉆深度4 850 m，其中水深約4 460 m，沉積層和基底硬巖鉆進390 m。預計將在海底之下220 m，即4 680 m深度鉆遇基底(圖4)。

位于西菲律賓海盆中央裂谷南側(cè)的PSP-4站位由2020年采集的MCS-1多道地震剖面控制，位于中央裂谷東端南側(cè)隆起之外的一個小型海底火山型凸起之上，距離中央裂谷軸部約80 km，站位水深約4 900 m。該井科學目標與PSP-3井相同，利于裂谷兩側(cè)對比，計劃完鉆深度5 180 m，其中水深約4 900 m，沉積層和基底硬巖鉆進280 m。預計將在海底之下180 m，即5 080 m深度鉆遇基底，該井層序地層格架與巖性與PSP-3井基本相同（圖4）。

4.3 科學目標3—西菲律賓海盆年代和古地磁

古老的西菲律賓海盆年齡和運動軌跡解釋存在的顯著差異，制約了菲律賓海構(gòu)造演化與板塊重建研究。菲律賓海板塊的構(gòu)造發(fā)展史在很大程度上依賴于古地磁研究，然而，迄今為止用于菲律賓海板塊古地磁測量的樣品幾乎全部來自易受局部塊體旋轉(zhuǎn)影響的板塊邊界附近，難以區(qū)分古地磁數(shù)據(jù)代表的是全板塊旋轉(zhuǎn)還是局部塊體旋轉(zhuǎn)。因此，通過鉆探，在板塊內(nèi)部穩(wěn)定區(qū)域盡可能多地采集樣品，開展古地磁和放射性測年的研究，是準確開展菲律賓海板塊重建的基礎(chǔ)。

位于西菲律賓海盆的PSP-5站位由2020年采集的MCS-1和MCS-2多道地震剖面控制，位于MCS-1和MCS-2測線交點附近，距離九州-帕勞海脊約60 km，站位水深約5 550 m。PSP-5井以鉆穿沉積層并揭露西菲律賓海盆中央裂谷東端北側(cè)的海盆基底巖石組成為目標，計劃完鉆深度6 250 m，其 中 水 深 約5 550 m，沉 積 層 和 基 底 硬 巖 鉆 進700 m。預計將在海底之下550 m，即6 100 m深度鉆遇基底。推測5 550～6 100 m深度的沉積層以深遠海沉積物為主，巖性為深海軟泥、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，夾少量陸源碎屑和火山碎屑。6 100 m之下以西菲律賓海盆海底擴張形成的枕狀玄武巖為主，局部可能受九州-帕勞海脊演化早期形成的中-酸性熔巖和火山碎屑巖影響（圖4）。

4.4 菲律賓海鉆探井位匯總

本文根據(jù)目前的調(diào)查研究程度與研究進展，選擇西菲律賓海盆中央斷裂帶與九州-帕勞海脊交匯處的三聯(lián)點關(guān)鍵區(qū)域，選取鉆探站位5個（表2、圖5）。其中，PSP-1、PSP-2站位在九州-帕勞海脊探索可能的俯沖啟動過程；PSP-3和PSP-4站位主要針對三聯(lián)點巖漿作用；PSP-5站位目的在于獲得額外的古地磁和年代學樣品，為西菲律賓海盆的形成演化提供約束。

圖5 菲律賓海深?？茖W鉆探選址關(guān)鍵區(qū)域及井位分布圖Fig.5 Distribution of the proposed wells in the Philippine Sea

PSP-1孔設(shè)計終孔深度6 450 m，沉積層厚度約790 m，基底硬巖鉆進200 m，采用全取芯鉆探；PSP-2孔設(shè)計終孔深度4 200 m，沉積層厚度約540 m，基底硬巖鉆進280 m，采用全取芯鉆探；PSP-3孔設(shè)計終孔深度4 850 m，沉積層厚度約220 m，基底硬巖鉆進170 m，采用全取芯鉆探；PSP-4孔設(shè)計終孔深度5 180 m，沉積層厚度約180 m，基底硬巖鉆進100 m，采用全取芯鉆探；PSP-5孔設(shè)計終孔深度6 250 m，沉積層厚度約550 m，基底硬巖鉆進150 m，采用全取芯鉆探。

表2 菲律賓?？茖W鉆探建議井位位置Table 2 Proposed well locations of Philippine Sea Scientific Drilling

5 結(jié)論

（1）系統(tǒng)分析了在菲律賓海及鄰區(qū)已完成的DSDP-ODP-IODP的25個鉆探航次進展與問題，發(fā)現(xiàn)絕大部分鉆探航次和站位集中于日本南海海槽、伊豆-小笠原-馬里亞納溝-弧-盆系統(tǒng)，少量鉆孔分布在板塊內(nèi)部的海底高原和海脊地區(qū)，深海盆區(qū)僅有零星鉆孔分布。鉆探目標以弧前增生楔結(jié)構(gòu)和孕震機理、島弧巖漿作用和大陸邊緣陸殼增生機制等為科學主題。

（2）菲律賓海蘊含的花東海盆年齡與構(gòu)造屬性、板塊俯沖起始與弧后盆地擴張停止機制、菲律賓海盆年代等科學問題等是制約菲律賓海板塊構(gòu)造演化、板塊重建和古氣候環(huán)境重建的關(guān)鍵。

（3）根據(jù)已有研究進展與實測資料，在國際大洋鉆探稀少或空白區(qū)，在九州-帕勞海脊附近選定區(qū)域，聚焦不同科學目標實現(xiàn)甄選了未來深海鉆探站位5個PSP1-5。

（4）根據(jù)地震資料和前期研究成果，對目標層位的深度和巖性特征進行了初步預測，鉆探實施預計將推進以下科學目標的實現(xiàn)：①進一步揭示俯沖啟動機制和島弧早期演化過程；②進一步揭示三聯(lián)點巖漿作用過程；③獲取更多的西菲律賓海盆年代和古地磁數(shù)據(jù)，為菲律賓海及鄰區(qū)的板塊重建提供證據(jù)。

致謝：在論文評審過程中，審稿專家提出了專業(yè)細致的評審意見，使得文稿質(zhì)量大幅提升；在此表示感謝，一并感謝2020年“海洋地質(zhì)九號”西太航次調(diào)查全體船員及工作人員。