西太平洋新近纪的俯冲起始模型及俯冲带参数分析_李泯.pdf

西太平洋新近纪的俯冲起始模型及俯冲带参数分析李泯1,2,3,黄松1,3*,郝天珧1,2,3,董淼1,2,3,徐亚1,2,3,张健2,何庆禹1,2,3,方桂21.中国科学院地质与地球物理研究所,中国科学院油气资源研究重点实验室,北京 100029;2.中国科学院大学地球与行星科学学院,北京 100049;3.中国科学院地球科学研究院,北京 100029*通讯作者,E-mail:收稿日期:2022-06-21;收修改稿日期:2022-11-30;接受日期:2023-01-13;网络版发表日期:2023-02-22国家自然科学基金项目(批准号:91858212、91858214、41906056)资助摘要新近纪是研究俯冲起始的重要时期,在西太平洋地区形成了众多的俯冲带,包括Ryukyu俯冲带、Manila俯冲带、Philippine俯冲带、北Sulawesi俯冲带、Halmahera俯冲带、New Britain俯冲带、Solomon俯冲带以及NewHebrides俯冲带等.但有关这些俯冲带的研究是相对独立的,对其进行系统的对比研究具有重要意义.文章主要回顾了关于西太平洋地区新近纪俯冲实例的起始模型研究,极性反转式的俯冲起始、诱发性的俯冲重起始以及形成新破裂的非继承性俯冲起始是其中较为典型的三类起始模型.另外,对其俯冲带参数进行汇编,俯冲带参数包括基本特征、俯冲板片特征、上覆板块特征、运动学特征以及俯冲后续活动五类.初步对俯冲过程的规律性、不同俯冲案例所体现出的特殊性以及俯冲起始类型与俯冲带参数特征之间可能存在的约束关系等进行讨论与分析.所汇编的俯冲带参数数据集可为相关研究提供数据支撑.关键词俯冲起始,西太平洋,新近纪,俯冲带参数1引言板块构造是地球独有的构造系统,能够从海底扩张到板块俯冲,形成完整的板块运动过程,甚至可能影响了生命的起源与发展进程(Stern,2016;Pellissier等,2018).俯冲带是地球表层和深部的物质与能量交换场所,是板块构造理论研究的核心与焦点(郑永飞等,2016;陈凌等,2020).它包括大洋地幔、洋壳和沉积物俯冲时所伴随的地球化学过程,俯冲板片的脱水、变质熔融和地幔楔橄榄岩部分熔融的深部过程,以及岛弧-弧后的岩浆、地形等响应过程(孙卫东等,2010;李三忠等,2014;徐敏等,2019;Holt和Condit,2021).而俯冲的最初阶段俯冲起始(subductionzone initiation,SZI)更是板块构造研究的关键所在(Gurnis等,2004;Stern,2004;Stern和Gerya,2018;Crameri等,2019;Sun和Zhang,2022).俯冲起始研究的是新俯冲带如何形成的问题.Stern和Gerya(2018)根据俯冲带的观测实例和动力学模拟,提出两种类型的中文引用格式:李泯,黄松,郝天珧,董淼,徐亚,张健,何庆禹,方桂.2023.西太平洋新近纪的俯冲起始模型及俯冲带参数分析.中国科学:地球科学,53(3):461480,doi:10.1360/SSTe-2022-0189英文引用格式:Li M,Huang S,Hao T,Dong M,Xu Y,Zhang J,He Q,Fang G.2023.Neogene subduction initiation models in the western Pacific and analysis ofsubduction zone parameters.Science China Earth Sciences,66(3):472491,https:/doi.org/10.1007/s11430-022-1065-1 2023 中国科学杂志社中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期:461 480SCIENTIA SINICA T评 述俯冲起始模式:自发型(spontaneous)和诱发型(in-duced).所谓诱发型俯冲起始是由已存在的板块汇聚而形成的新俯冲,自发型俯冲则不需要板块运动而是由于自身岩石圈薄弱带处的巨大密度差异导致的.由于岩石圈尺度的断层激活到板块俯冲的过程至少需要38Myr,时间跨度太大;再加上俯冲起始主要发生在深海,观测难度大,俯冲起始难以直接观测.因此,对比和分析当前年轻的俯冲带是研究俯冲起始机制的最佳方式之一(赵明辉等,2016;Lallemand和Arcay,2021).目前全球可观测到的俯冲带多数形成于新生代(66Ma以来)并主要位于西太平洋地区(如图1所示).这些俯冲起始事件在起始时间上表现出了聚类的特征,主要集中在两个时间段:52Ma左右(始新世)与10Ma左右(新近纪).Izu-Bonin-Mariana(IBM)俯冲带(Ishizuka等,2018;Reagan等,2019)、Aleutians俯冲带(Jicha等,2006)以及Tonga-Kermadec俯冲带(Whattam等,2008;Meffre等,2012)共形成了总计约10000km的海沟.其形成时间集中在52Ma左右,和新特提斯洋闭合碰撞以及夏威夷-帝王海山岛链的拐点时间接近(Najman等,2010;Ber-covici和Ricard,2014;Torsvik等,2017).Sun等(2020a)认为,集中在52Ma左右的俯冲起始事件受到远程效应的影响.在55Ma左右,印度板块和澳大利亚板块漂移速度的降低显示出新特提斯洋闭合,进入硬碰撞阶段.澳大利亚板块和印度板块向北漂移的进程受到阻碍,致使耦连的太平洋板块改变漂移方向,在走滑断层等薄弱位置形成了新的俯冲带(Sun等,2020b).52Ma左右起始的俯冲带中,IBM俯冲带是研究俯冲起始机制的绝佳区域,但其机制是自发还是诱发仍存在争议.Arculus等(2015)认为IBM是自发俯冲.IODP图 1全球主要俯冲带分布据Gurnis等(2004),有修改.俯冲带的起始时间信息来自SZI数据库(Crameri等,2020).俯冲带位置信息来自PB2003(Bird,2003).红色、绿色和蓝色表示起始于新近纪、古近纪和早于新生代的俯冲带.对新生代俯冲带标注了其名称缩写:ALU,Aleutians;CAS,Cascades;IZB,Izu-Bonin;MARI,Mariana;JAVA,Java;SUMA,Sumatra;TON,Tonga;KER,Kermadec;LAT,Lesser Antilles;SSA,South Sandwich;RYU,Ryukyu;MLA,Manila;PH,Philippine;SUL,Sulawesi;HAL,Halmahera;PNG,New Guinea;NH,New Hebrides;SOLO,Solomon;NB,New Britain;PUY,Puysegur.NB-NH包括NB、SOLO和NH.下同李泯等:西太平洋新近纪的俯冲起始模型及俯冲带参数分析462351航次在俯冲带附近发现了几乎同时期的基底玄武岩(具有弧前玄武岩特征)与沉积岩.由此他们推断板片俯冲的同时发生上覆板块的拉张,这是自发型俯冲的重要特征.但是Li等(2021)指出IODP 351航次发现的玄武岩晚于IBM最早的弧前玄武岩约3Ma,而IBM俯冲最早期阶段弧前形成的低钛-钾、含铝尖晶石的拉斑玄武岩样品保留了高温高压的矿物学特征,表明俯冲起始阶段该区域处于挤压环境.Li等(2019,2022)也给出了有关IBM俯冲带诱发起始的证据.他们利用IODP 352航次钻取的小笠原弧前玻安岩样品,寻找玻安岩与板片俯冲起始之间的成因联系,并发现早期形成的低硅玻安岩源区含有俯冲板片下洋壳辉长岩的熔体,而晚期形成的高硅玻安岩源区则含有沉积物和蚀变玄武岩的流体.这可能是最早期的低角度俯冲导致俯冲板片表面的沉积物和蚀变玄武岩被刮削增生到了初始海沟的位置,因而早期低硅玻安岩源区缺失沉积物和蚀变玄武岩组分,而下洋壳辉长岩最早发生熔融.由此推断的低角度早期俯冲形态可表明俯冲初始阶段存在诱发性的水平挤压作用.在第二个时间段(新近纪,10Ma左右)发生了俯冲起始的俯冲带包括Ryukyu俯冲带、Manila俯冲带、Philippine俯冲带、北Sulawesi俯冲带、Halmahera俯冲带、New Britain俯冲带、Solomon俯冲带以及NewHebrides俯冲带等.而西太地区10Ma左右的俯冲起始事件与52Ma左右的俯冲起始事件相比,时间集中度较弱,俯冲带规模较小,尚未受到足够的关注(Hall,2019).那么,是什么原因导致它们相对集中地俯冲起始?它们是否与52Ma左右的俯冲起始类似,可能受到了远程效应的影响?它们的俯冲起始机制、驱动力的来源及其俯冲带参数之间是否存在一些规律性以及特殊性的体现呢?本文选择西太平洋新近纪俯冲带,回顾有关其起始模型的研究,并对俯冲带参数进行整理和汇编.通过对比、分析与总结这些年轻俯冲带的俯冲特征要素,期望获得对俯冲起始及演化过程的规律性认识.2西太地区新近纪俯冲事件起始模型SZI数据库(Crameri等,2020;https:/www.szidata-base.org/)对100Ma以来的大部分俯冲起始事件进行了地质学、地球化学、地球物理学、地球动力学、板块重建等多方面特征的总结.我们补充了SZI数据库未涉及的有关北Sulawesi俯冲带诸多方面研究的汇总(见网络版附录A,http:/),以便读者获得关于本文讨论的西太平洋新近纪各个俯冲起始案例较为全面的认识.结合前人对于西太平洋新近纪俯冲事件在起始机制、演化过程等方面的研究与认识,三类俯冲起始演化模型在这些案例中较为典型,分别是:极性反转式的俯冲起始、俯冲重起始以及形成新破裂的非继承性俯冲起始.2.1极性反转式的俯冲起始Philippine、New Britain、Solomon和New Heb-rides俯冲带是由于极性反转而引发的.极性反转指在预先存在一个已终止的俯冲带的弧后区域形成一个新的极性相反的俯冲带,其演化过程如图2a所示,是弧-陆碰撞期间形成新俯冲带的一种重要机制.New Britain、Solomon和New Hebrides俯冲带都位于澳大利亚板块与太平洋板块的交接位置.这些海沟彼此相连,并且都在相近时间极性反转而俯冲起始,统称为NB-NH俯冲带.NB-NH俯冲带极性反转可能是Ontong Java洋底高原与Vitiaz海沟的碰撞所引起的(Greene等,1994;Holm等,2013,2016).Ontong Java洋底高原位于西南太平洋,大约120Ma前形成(Coffin和Eldholm,1993),地壳厚度大约3035km(Miura等,2004),是现今地球上规模最大的大火成岩省.在碰撞发生之前,太平洋板块向澳大利亚板块之下南向俯冲,形成Melanesian俯冲带(如图2b).Ontong Java洋底高原与所罗门弧的初始碰撞发生在约2025Ma,随后On-tong Java洋底高原逐步堵塞了海沟,导致原俯冲带俯冲终止(Petterson等,1997;Mann和Taira,2004;Knesel等,2008;Hanyu等,2017).在水平驱动力的作用下,在岛弧的另一侧形成了新的俯冲带,即北向俯冲的NH-NB俯冲带(Hall,2002).存在岛弧岩浆活动的间歇期是支持极性反转俯冲起始模式的重要证据.在New Heb-rides群岛以及New Britain群岛上观察到的间歇期分别为1411Ma(Greene等,1994;Schellart等,2006)和2012Ma(Holm等,2013).在俯冲极性反转形成新俯冲带时,断层激活等俯冲初始阶段并未发生岩浆岛弧活动.因此,观察到的岩浆活动间歇期与极性反转后的俯冲无岛弧岩浆作用阶段是相互对应的.Philippine俯冲带的起始也经历了从碰撞到极性中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期463反转的类似过程.巴拉望陆块隶属欧亚大陆板块,沿东南方向漂移直至它与菲律宾群岛碰撞,碰撞时间约为2011Ma(Marchadier和Rangin,1990;Yumul Jr等,2003).如图2c所示,碰撞之前是东向俯冲,已形成了相应的火山弧.但碰撞引发了俯冲的极性反转,在菲律宾群岛的另一侧启动了西向的俯冲(Barrier等,1991),俯冲起始时间约为9Ma(Wu等,2016).2.2俯冲重起始诱发性的俯冲重起始是指俯冲过程由于碰撞或者俯冲板片断裂等原因而停止,后续在新的驱动力作用下俯冲重新启动的一种俯冲起始过程(如图3a所示).在年轻俯冲带中这一类型的俯冲起始也具有一定的代表性.由于新的驱动力来源多为水平方向的诱发性驱动力,因此这类俯冲也可以视为Stern和Gerya(2018)提出的诱发型俯冲的一个补充子类.Ryukyu俯冲带是诱发性俯冲重起始的代表,是菲律宾海板块向欧亚板块之下的西北向俯冲而形成的(如图3b所示).现今琉球岛弧的火山活动仍在进行,但是自中中新世以来,存在岩浆间歇性活动的现象.所观测到的岛弧岩浆活动相关岩石样品记录的时间却集中在两个分离独立的时间段内:1813Ma和6Ma至今(Ki-zaki,1986;Shinjo,1999;Faccenna等,2018).这表明俯冲活动曾经中断.原俯冲停止的原因可能是Gagua海脊与Ryukyu海沟的碰撞(接触)所引起的俯冲阻力增大或者俯冲板片断裂造成自身负浮力不足以维持俯冲活动(Lallemand等,2001;Malavieille等,2002).而IBM俯冲带在105Ma海沟迁移方式由后撤转换为前进所带来的远场水平驱动力(Faccenna等,2018)以及地幔对流驱动力(Lallemand和Arcay,2021)等因素可能促使Ryu-kyu俯冲带在约6Ma重新起始俯冲.总之,由于驱动力不足,俯冲过程停止;而原俯冲带的海沟位置是一个现成的薄弱带,当新的驱动力出现时,就可能在原海沟处重新发生起始俯冲.2.3形成新破裂的非继承性俯冲起始极性反转式的俯冲以及间歇性的俯冲重起始都是在原有俯冲带的基础上发展而成的.其形成位置位于原俯冲带的弧后或弧前区域,具有明显的“继承”特性.而在洋陆转换带形成新的破裂,继而俯冲的非继承性的俯冲起始过程在西太地区的年轻俯冲带中也有相应的案例.北Sulawesi海沟的俯冲起始发生在洋陆转换带(如图4a所示),约59Ma开始向南俯冲,上新世后持续后撤,俯冲深度有限,没有火山弧,是研究被动大陆边缘俯冲起始机制的绝佳区域(吕川川等,2019;张健等,2021).Hall(2019)认为,北Sulawesi海沟和Cotabato海沟都是在拉伸环境中从一个点独立发展起来的,并且俯冲形成过程受到了陆壳塌陷引起的载荷下压的这种自发因素的驱动.Hall(2019)提出的北Sulawesi俯冲起图 2西太地区新近纪极性反转式的俯冲起始案例及其模式图(a)为极性反转起始的演化路径示意图,据Lallemand和Arcay(2021),有修改;(b)和(c)分别为NB-NH俯冲带和Philippine俯冲带及周缘地区的地形及构造主要特征,包括停止的俯冲带、碰撞的洋底高原或陆块、新生的活动俯冲带等李泯等:西太平洋新近纪的俯冲起始模型及俯冲带参数分析464始演化模型(如图4b所示)中,Sulawesi岛北支由于碰撞活动或先前的弧活动导致地壳增厚,高海拔的地形与Sulawesi海盆形成了巨大的地形落差.Sulawesi岛北支为岛弧型地壳属性,具有热而薄弱的特点.显著的地形差异导致陆壳顶部容易发生坍塌.坍塌物作为载荷下压洋壳.随着陆壳坍塌持续进行,在洋陆转换带附近会形成逆冲推覆构造,多波束探测中也发现相应的证据(Hall,2019).随载荷的进一步下压,洋壳弯曲角度越来越大,俯冲到深部的洋壳开始榴辉岩化.俯冲的主要驱动力也由陆壳坍塌的载荷压力逐渐转变为俯冲板片自身负浮力,达到了能够自我维持的相对成熟俯冲阶段.关于北Sulawesi俯冲带断层激活、俯冲起始的过程,Hall(2019)的模型强调了陆壳坍塌载荷所提供的垂向驱动力,是一种自发性的驱动因素.但是根据Sula-wesi地区的动力学演化过程(Hall等,2011;Hall,2012)(如图4c所示),从其余岛支(Sula spur)北向漂移与Sula-wesi岛北支的拼接(30Ma),到Sulawesi海盆北向俯冲的开始(23Ma)与终止(9Ma),再到Sulawesi海盆南向俯冲的起始(59Ma),这一系列动力学过程反映了在小洋盆及其邻区的应力相互传导过程.因此,Sulawesi俯冲带断层激活的过程中周缘板块运动带来的水平驱动力也起到重要作用.2.4其余案例补充说明另外,部分西太平洋新近纪案例(比如,Halmahera俯冲带、Manila俯冲带)与上述三类俯冲起始模型表现出一定的差异性,且仍存在较多的讨论与可能,并不适于划入其中某一类俯冲起始模型中.Molucca海位于菲律宾南部与印尼东北部之间,向西俯冲形成Sangihe俯冲带,向东俯冲形成Halmahera俯冲带.Hall和Smyth(2008)对始新世以来Halmahera弧相关的俯冲历史进行了说明.4525Ma期间,Philippine弧与Halmahera弧相连,对应于澳大利亚板块的北向俯冲.25Ma左右,北向俯冲因东Philippine-Halmahera弧和新几内亚北部的弧陆碰撞而终止,在碰撞区域形成左旋走滑边界.2515Ma期间,发生了一系列的板块重组等构造活动,例如,Philippine板块的顺时针旋转与北向漂移,Molucca海西侧的Sangihe俯冲等.15Ma左右,可能由于Molucca海板块南部边缘的Sorong断裂带锁定,Molucca海板块开始东向俯冲,发展为现今的Halmahera俯冲带.Halmahera俯冲的整体情况与俯冲重起始的模式有一定的相似之处,但是Halmahera弧对应俯冲历史情况复杂,从中生代至今经历过多次俯冲图 3西太地区新近纪俯冲重起始的案例及其模式图(a)诱发性的俯冲重起始演化路径示意图,据Lallemand和Arcay(2021),有修改;(b)Ryukyu俯冲带及周缘地区的地形及构造主要特征中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期465(Hall等,1995),并且伴随着板块重组等过程,岛弧位置以及俯冲方向都发生了重大变化.Manila俯冲带由菲律宾板块向南海板块仰冲而形成,海沟西侧为南海海盆,东侧为台湾-吕宋火山岛弧(高翔等,2012).Manila俯冲带具有转换型陆缘的构造背景,俯冲开始之前,南海东部边缘已存在南北向转换断层(Wu等,2016;Huang等,2019;Zhao等,2019;Sibuet等,2021),板片俯冲在中新世沿转换断层起始.巴拉望陆块与菲律宾群岛碰撞,吕宋岛发生逆时针旋转,进而导致Manila俯冲起始(Yumul Jr等,2003).南海扩张从32Ma持续到15Ma,与Manila俯冲存在时间上的重合,南海古洋脊输入俯冲带,在深部位置板片撕裂,进而形成板片窗(Fan等,2015;唐琴琴等,2017).转换断层的构造背景、板块碰撞带来的驱动力以及洋脊输入俯冲带是影响Manila俯冲起始与演化的重要因素,其起始演化过程与上述三类典型模型存在一定的差异.2.5小结西太平洋地区新近纪俯冲起始案例的三种典型俯冲起始模型是根据动力学演化过程来确定的.根据俯冲起始是否继承了先前俯冲带形成的薄弱带,划分为形成新破裂的俯冲起始和继承性俯冲起始.继而根据所继承薄弱带的位置(弧前或者弧后)或者新俯冲的极性,划分为俯冲重起始和极性反转的俯冲起始.从三种典型俯冲起始模型对应的新近纪俯冲起始案例来看,其俯冲起始的过程均受到了不同程度的诱发因素作用.此外,还有部分俯冲起始事件表现出一定的差异性,比如,Halmahera俯冲历史伴随着复杂的板块重组图 4北Sulawesi俯冲带的地形、演化模型等图件(a)为北Sulawesi俯冲带及周缘地区的地形及构造主要特征;(b)为Hall(2019)提出的北Sulawesi俯冲带起始演化模型,有修改;(c)为Sulawesi及其周缘地区30Ma以来在南北向剖面上的构造演化过程示意图,参考Hall(2012)提出的晚侏罗世-新生代东南亚板块重建模型李泯等:西太平洋新近纪的俯冲起始模型及俯冲带参数分析466过程;转换断层、板块碰撞以及洋脊输入俯冲带的构造背景是Manila俯冲起始与演化的重要因素.3俯冲带参数分析3.1俯冲带参数简介为了对西太平洋地区新近纪俯冲起始事件进行更为系统的对比与分析,在参考了众多关于俯冲带参数统计方面的研究(Jarrard,1986;Heuret和Lallemand,2005;Mller等,2008;Heuret等,2011,2012;Hayes等,2018;Hu和Gurnis,2020;Crameri等,2020)的基础上,本文对这些年轻俯冲带的俯冲特征要素进行了统计、整理与汇编,作为分析的数据基础.将俯冲带参数划分为俯冲带基本特征、上覆板块特征、俯冲板片特征、运动学特征和俯冲后续活动五类.表1介绍了俯冲带参数的符号、定义以及数据来源,图5对俯冲带参数的定义进行了直观展示.俯冲带基本特征包括俯冲事件的起始时间、海沟深度、海沟长度以及岛弧到海沟的距离.其中俯冲事件的起始时间主要依据弧前玄武岩、玻安岩、已知最早的岛弧年龄等信息进行综合推断.主要参考了来自SZI数据库(Crameri等,2020)的起始时间.表 1俯冲带参数介绍俯冲带参数代码代表含义文献俯冲起始时间ASZI依据弧前玄武岩、玻安岩、已知最早的岛弧年龄等信息进行综合推断得到的俯冲起始时间Jarrard,1986;Gripp和Gordon,2002;Heuret和Lallemand,2005;Heuret等,2011,2012;Frisch等,2011;Hayes等,2018;Crameri等,2020;Lallemand和Arcay,2021海沟深度Zt海沟处水深海沟长度Zl海沟延续的长度沟弧距Xarc海沟至岛弧的距离上覆板块属性UPN上覆板块的地壳属于大洋地壳还是大陆型/岛弧型地壳上覆板块应变UPS依据地形特征以及应变速率,判断上覆板块的应变属于挤压型、拉张型或者中性俯冲板片年龄At俯冲板片在海沟处的年龄板片热厚度Ttslab俯冲板片的干玄武岩固相线温度对应的板片厚度板片弹性厚度Teslab俯冲板片在上覆载荷作用下产生与真实岩石圈相同弯曲的假想弹性板的厚度浅部俯冲角度as俯冲板片深度小于等于125km的部分的平均俯冲角度深部俯冲角度ad俯冲板片深度大于125km的部分的平均俯冲角度最大俯冲深度ZtomoZseisZslab2依据层析成像模型、贝尼奥夫带或者综合模型(Slab2)确定的板片最大俯冲深度俯冲板片所属海盆Infoslab俯冲板片所属海盆(洋盆)的信息俯冲板片构造活跃度Actslab指俯冲板片所属海盆是否仍在形成新洋壳俯冲板片热流HFslab指俯冲板片的整体热流水平俯冲速率vsn俯冲速率的海沟法向分量,属于相对速率,考虑了上覆板块的形变汇聚速率vcn板片汇聚速率的海沟法向分量,属于相对速率,不考虑上覆板块的形变弧后形变速率vdn上覆板块弧后区域形变速率的海沟法向分量,属于相对速率.弧后扩张为正,挤压为负海沟迁移速率vtn以固定热点为参考的海沟迁移速率,这里考虑其海沟法向的分量,属于绝对速率.海沟后撤为负,前进为正热参数为俯冲板片年龄与板片汇聚速率的乘积,单位是km火山岛弧信息Infoarc是否形成火山岛弧弧后盆地信息Infobasin是否形成的弧后拉张盆地中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期467上覆板块特征包括上覆板块属性(大洋型地壳或者大陆型/岛弧型地壳)、上覆板块的应变状态(挤压型、伸展型或者中性).由于观测数据的不足,难以用上覆板块的应变张量进行定量描述.上覆板块的震源机制解、第四纪断层信息、是否弧后扩张等指标常用来对上覆板块的应变情况进行定性描述,而获得的上覆板块应变状态所代表的是近期(第四纪约2.5Ma以内)的情况(Jarrard,1986).挤压型的上覆板块应变表明最大的水平挤压力垂直于海沟,往往存在垂直于海沟的逆冲断层等特征.伸展型的上覆板块应变表明水平最大拉张力垂直于海沟,往往存在平行于海沟的正断层或弧后扩张等特征.俯冲板片特征包括俯冲板片在海沟处的年龄、俯冲板片的热厚度及弹性厚度、浅部及深部的俯冲角度、俯冲深度、俯冲板片所属海盆及其构造活跃度与热流水平.其中,俯冲板片的热厚度是指干玄武岩固相线温度对应的板片厚度.而有效弹性厚度是指在上覆载荷作用下产生与真实岩石圈相同弯曲的假想弹性板的厚度(郑勇等,2012).俯冲板片的热厚度(Ttslab)以及弹性厚度(Teslab)与俯冲板片年龄(A)的平方根在数值上存在一定的线性关系(Jarrard,1986):TA13tslab,TA13eslab.由于俯冲板片的形态是弯曲的,不同深度处的板片弯曲角度不同,因此有必要分别测量浅部倾角和深部倾角,从而获得对于俯冲板片形态更具体的刻画.选取125km作为浅部倾角与深部倾角的分界(Jarrard,1986),因为通常上覆板块岛弧火山的位置向图 5俯冲带参数示意图参考Heuret和Lallemand(2005)、Heuret等(2011,2012)李泯等:西太平洋新近纪的俯冲起始模型及俯冲带参数分析468下 延 伸 至 俯 冲 板 片 的 深 度(弧 下 深 度)范 围 为100125km.板片的最大俯冲深度是根据Slab2俯冲带的综合几何模型(Hayes等,2018)确定的,Slab2模型综合了主动源地震数据、全球或区域的接收函数和层析成像模型以及震源分布等信息.俯冲板片所属的洋盆或海盆不同,其活跃性与热流情况也存在差异.除了产生新洋壳的活动盆地外,还有洋壳已经逐渐冷却的非活动盆地.其整体热流水平也存在差异,并且可能会对俯冲过程产生影响.故对俯冲板片所属洋盆的活跃性与热流也进行了汇编(信息来自Frisch等(2011).选择板片汇聚速率、俯冲速率、弧后形变速率以及海沟漂移速率作为板片运动学方面的参数.除表1的定义外,还有部分信息需要补充说明.三个相对速率参数在数值上存在转化关系,即在俯冲带法线方向上的汇聚速率等于俯冲速率与弧后形变速率之和.由于我们所统计的俯冲带分布在西太平洋地区,因此海沟迁移速率根据太平洋固定热点参考框架HS3-NUVEL1A(Gripp和Gordon,2002)来确定,即假定过去5.7Ma所参考的太平洋热点没有净移动,并且下地幔运动远小于上地幔.热参数的定义为俯冲板片年龄与板片汇聚速率的乘积.由于俯冲板片的年龄与厚度及密度密切相关,洋壳板片年龄越大,其相对质量越大.因此热参数可以反映俯冲板片的动量信息,即板片保持俯冲运动趋势的大小.俯冲后续构造活动部分主要统计俯冲事件的岛弧岩浆活动以及弧后盆地扩张活动.俯冲板片在俯冲的过程中,发生板片脱水,水进入地幔楔导致地幔橄榄岩固相线变化,从而导致地幔楔岩石发生部分熔融.另外,随俯冲板片俯冲的沉积物也可以发生部分熔融.部分熔融形成的岩浆上升到浅部,从而形成火山岛弧.岩石圈的俯冲作用在软流圈内引起对流,俯冲板片可能会拖拽一部分低黏度的软流圈物质至弧后区域的上覆板块岩石圈底部,地幔上涌,在拉张应力作用下形成弧后盆地.俯冲带对应岛弧与弧后盆地的形成与俯冲带的发展程度以及区域应力状态等因素有关.板片属性、岛弧岩浆活动信息等区域性的参数对于同一俯冲事件来说,是总体保持一致的.但是汇聚速率、俯冲角度等反映俯冲带在力学、几何学、运动学等方面细节信息的参数往往会沿海沟有一定的变化.因此,在俯冲带走向上以200km左右为间隔设置了共计42条横切面(如图6a所示),对横切面处的俯冲带参数进行统计与整理.横切面的位置提取自submap数据库,并参考与整理了submap数据库(Heuret和Lalle-mand,2005;Heuret等,2011,2012)所提供的力学、几何学以及运动学方面的俯冲带特征参数.42条横切面的具体俯冲参数表见网络版附录B.依据所属俯冲带,对42条横切面的参数进行归属,得到西太平洋地区新近纪俯冲带参数汇总(表2).表2中俯冲角度等参数的内容为俯冲带所包含横切面的相应参数变化范围.3.2俯冲带参数规律讨论本文所统计的对象是西太平洋地区新近纪起始的俯冲带,是现今地球上最年轻的、能够依靠俯冲板片自身负浮力而自我维持俯冲状态的案例.对其俯冲带参数进行统计、对比与分析,有助于获得有关俯冲起始以及发展过程在力学、几何学、运动学等方面的规律性认识.3.2.1单一俯冲带参数特征分析首先,根据俯冲参数汇总表(表2及网络版附录B),对俯冲带案例在单一俯冲带特征上表现出的规律性和特殊性进行讨论.部分俯冲带表现出海沟深度上的空间趋势性变化特征,比如,Ryukyu海沟与Manila海沟由南向北深度逐渐变小;Philippine海沟由中部向两侧深度逐渐变小.同时,部分俯冲带的俯冲深度也同样具有类似的空间上的趋势性变化特征,比如,Philippine俯冲带和北Su-lawesi俯冲带的俯冲深度由中部向两侧逐渐变小.在海沟深度与板片俯冲深度上的空间趋势性变化特征可能与俯冲起始事件从岩石圈最薄弱处起始进而侧向传播扩展(lateral propagation)的过程有关(Hall,2019;Zhou等,2020;Lallemand和Arcay,2021).从海沟长度来看,新近纪俯冲带的规模总体较小.其中北Sulawesi海沟长度为440km,属于典型的小型海盆(Sulawesi海盆)俯冲;海沟长度最大的是Ryukyu俯冲带,达到1650km.而52Ma左右开始俯冲持续至今的俯冲带,其海沟规模总体较大,比如,IBM俯冲带为2350km;Tonga-Kermadec俯冲带为3500km;Sumatra-Java俯冲带为3800km.依据“沟-弧距”分析,相比于其他俯冲带,NewBritain俯冲带的火山岛弧距离海沟较近,相对应的是它们的俯冲板片浅部弯折角度较大.北Sulawesi俯冲中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期469图 6部分俯冲带参数可视化分布图(a)针对新近纪俯冲事件进行俯冲带参数统计的42条横切面位置分布;(b)为俯冲带的上覆板变应变状态;(c)、(d)为俯冲板片的弹性厚度及热厚度,其底图为洋壳年龄分布(Mller等,2008),亦可观察到俯冲板片海沟处的年龄;(e)(h)分别为法向的板片汇聚速率、俯冲速率、弧后形变速率以及海沟漂移速率分布;(i)为热参数李泯等:西太平洋新近纪的俯冲起始模型及俯冲带参数分析470表 2西太地区新近纪俯冲事件参数汇总表a)俯冲带起始时间(Ma)海沟深度(km)海沟长度(km)沟-弧距(km)上覆板块属性上覆板块应变俯冲板片年龄(Ma)板片热厚度(km)板片弹性厚度(km)浅部俯冲角度()Ryukyu6147,由南到北逐渐变小1650189442陆壳N-Ryu与S-Ryu为伸展型;北部Nankai为中性1452346616301239Manila20或1504,由南到北逐渐变小1000166197洋壳挤压型2131425119232641Philippine9349,由中部向南北两侧逐渐减小1380120200陆壳挤压型3650556525303039Halmahera154270051100洋壳中性4360284651Sulawesi595440俯冲岩浆岛弧缺失陆壳中性35405458252730New Britain1023880067117洋壳伸展型3050233744Solomon102481500142206陆壳中性45018658303844New Hebrides102481350127154洋壳伸展型2655476821314457俯冲带深部俯冲角度()Slab2最大俯冲深度(km)俯冲板片所属海盆俯冲板片构造活跃度与热流法向俯冲速率(mm a1)法向汇聚速率(mm a1)法向弧后形变速率(mm a1)法向海沟迁移速率(mm a1)是否形成火山岛弧弧后盆地信息Ryukyu5765380西菲律宾海盆(Ryk);四国海盆(Nankai)不活动、低热流;不活动、高热流37963756045930是冲绳海槽Manila6075460南海海盆不活动、高热流70977096016094是无Philippine220西菲律宾海盆不活动、低热流1653709517626252是无Halmahera5055280摩鹿加海俯冲板片已完全进入深部91910789988097是无Sulawesi250Sulawesi海盆不活动、高热流2636235620433749否无New Britain7082620所罗门海盆不活动、高热流6512024810741820是无Solomon7077520所罗门海盆不活动、高热流510251024668是无New Hebrides6682340南斐济海盆不活动、低热流38163608837519145是北斐济盆地a)Manila俯冲起始时间尚存在争议:20Ma(Wu等,2016)或15Ma(Sibuet和Hsu,2004);Halmahera俯冲带的俯冲板块(摩鹿加海)已经完全俯冲到上覆板块之下,现今Halmahera不存在常规意义上的海沟,而是Halmahera与Sangihe俯冲带的上覆板块弧前形成的逆冲构造,此表中的Halmahera海沟深度以及长度为逆冲构造附近的水深及相应长度,沟-弧距为岛弧至其上覆板块前端的距离中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期471带火山岛弧的发育情况特殊.其俯冲板片已达到弧下深度,但却并未形成俯冲相关的火山岛弧.Sulawesi岛上唯一存在的Una-Una火山也并非俯冲带产生的岛弧火山(Cottam等,2011).常见的俯冲火山岛弧缺失原因有以下几种:俯冲板片几何形态影响与地幔楔之间的充分互动;俯冲挠曲正断层较小,携带的“水”不足;热俯冲板片在浅部过早脱水;含水矿物被剥离堆积在增生楔(McCarthy等,2018).而北Sulawesi俯冲带岛弧缺失的原因需要结合更多的观测以及动力学模拟手段来确定,这对于分析俯冲前期阶段形成岩浆岛弧的控制条件具有重要意义.从上覆板块的应变状态来看(如图6b所示),Ryu-kyu俯冲带的琉球段、New Britain俯冲带以及NewHebrides俯冲带的上覆板块发生了伸展形变,并形成了相应的弧后盆地,即冲绳海槽(Ryukyu)与北斐济盆地(New Hebrides);而Manila俯冲带与Philippine俯冲带的上覆板块为挤压型应变;其余案例为中性应变.俯冲板片在海沟处的年龄变化范围由“沟-脊角”(海沟和俯冲板片扩张脊的轴向夹角)控制.Ryukyu俯冲带的海沟走向与西菲律宾海盆以及四国海盆的扩张轴向大角度相交,其俯冲板片在海沟处的年龄变化范围也较大,约为1452Ma.俯冲板片的年龄进而会影响到俯冲板片的形态学、运动学参数.俯冲板片的年龄控制俯冲板片弹性及热厚度(图6c和6d).板片年龄以及厚度的增加会提高板片强度,增加板片俯冲过程中必须克服的抗弯曲阻力(Lu等,2021).因此在板块汇聚力相同的情况下,俯冲板片的年龄较小时更容易发生俯冲起始(Zhong和Li,2019).新近纪案例海沟处的俯冲板片年龄总体在1060Ma范围内.相比之下,大西洋东西两侧洋陆转换带处约100Ma甚至更高的洋壳年龄不利于发生被动陆缘俯冲起始.运动学特征方面,Manila俯冲带、Philippine俯冲带、Halmahera俯冲带、Solomon俯冲带以及NewHebrides俯冲带具有较大的汇聚速率.但由于Philip-pine俯冲带和Halmahera俯冲带的弧后形变偏向于挤压型,因此并没有显示出较大的俯冲速率(如图6e6g所示).根据海沟漂移速率,Philippine俯冲带为典型的俯冲前进型海沟漂移模式,而New Hebrides俯冲带、Halmahera俯冲带、北Sulawesi俯冲带以及Manila俯冲带为典型的俯冲后撤型海沟漂移模式(如图6h所示).俯冲板片年龄