伊豆-博寧-馬里亞納島弧地殼厚度分布及其對(duì)巖漿活動(dòng)的指示

白永良，楊慧良，張迪婭，容伊霖，董冬冬，吳時(shí)國(guó)

1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院，青島 266580

2. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266071

3. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，中國(guó)科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266071

4. 中國(guó)科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所，三亞 572000

俯沖帶是固體地球進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)和能量傳輸?shù)闹匾獔?chǎng)所，島弧巖漿活動(dòng)被認(rèn)為是陸殼增生的主要途徑之一[1-4]。隨著板片向地幔持續(xù)俯沖，俯沖板片含水礦物逐步變得不穩(wěn)定，達(dá)到相變溫壓條件后將水釋放到地幔楔中[5-7]；地幔楔橄欖巖被水化后，其熔融溫度降低，最終在水化和高溫共同控制下，形成地幔楔熔融區(qū)[8-9]；熔融巖漿上涌到達(dá)島弧地殼后，以底侵、侵入、噴出等形式導(dǎo)致島弧地殼增生（圖1）[10-11]。因此，島弧地殼增生與俯沖動(dòng)力學(xué)過(guò)程密切相關(guān)。

圖1 俯沖帶巖漿活動(dòng)過(guò)程示意圖Fig.1 A cartoon for the subduction-zone magmatism process

島弧巖漿活動(dòng)主要受到俯沖帶溫度、輸入板片結(jié)構(gòu)與弧后擴(kuò)張等因素的控制[11-13]。通過(guò)地球物理和地球化學(xué)不同角度的研究，對(duì)俯沖帶溫度結(jié)構(gòu)影響島弧巖漿成分和島弧火山位置的機(jī)制，已經(jīng)形成了較為一致的認(rèn)識(shí)[8,10-11]。同時(shí)，一些學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)速率、方向的研究，指出受小笠原洋底高原俯沖形成擠壓應(yīng)力的控制，博寧島弧地殼出現(xiàn)了明顯增厚現(xiàn)象[14-15]，但是，較小規(guī)模洋脊的俯沖是否會(huì)引起島弧增厚，仍然是未知的。數(shù)值模擬研究指出，弧后擴(kuò)張活動(dòng)可以影響地幔楔虧損程度，進(jìn)而影響島弧巖漿成分[13,16]，但是弧后擴(kuò)張能否顯著影響島弧地殼增生，也是未知的。

島弧地殼厚度分布與洋底高原/洋脊俯沖、弧后擴(kuò)張之間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)于理解洋底高原/洋脊俯沖、弧后擴(kuò)張對(duì)島弧巖漿活動(dòng)的影響具有直接的指示作用。通過(guò)地震成像的方式，能夠較為準(zhǔn)確地刻畫(huà)地殼結(jié)構(gòu)，進(jìn)而給出地殼厚度分布。但是受時(shí)間、經(jīng)費(fèi)等的限制，無(wú)法實(shí)施覆蓋整個(gè)IBM島弧的地震測(cè)線/測(cè)網(wǎng)，進(jìn)而無(wú)法給出島弧地殼沿走向的分布特征。隨著衛(wèi)星探測(cè)手段的逐步提高、衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)的不斷積累，目前衛(wèi)星測(cè)高反演所得重力異常的空間分辨率達(dá)到 1′×1′、數(shù)據(jù)精度逼近 1 mGal[17]。在少量地震測(cè)線約束下，利用重力反演手段可以獲取較為準(zhǔn)確的莫霍面埋深，進(jìn)而給出地殼厚度分布[18-20]。

伊豆-博寧-馬里亞納（Izu-Bonin-Mariana，IBM）俯沖帶是由太平洋板塊與西菲律賓海板塊之間一條轉(zhuǎn)換斷層演化而來(lái)的[21]。30～15 Ma的弧后擴(kuò)張形成了現(xiàn)今的四國(guó)-帕里西維拉海盆[22-23]；此后，北段伊豆-博寧海溝后側(cè)無(wú)后續(xù)弧后擴(kuò)張，但是南段的馬里亞納島弧于5 Ma再次裂解、形成新的弧后盆地，即馬里亞納海槽（圖2）。與南北兩側(cè)相比，同小笠原洋底高原鄰接的博寧島弧，具有明顯的地形隆升（圖 2）[14-15]，而較小規(guī)模達(dá)頓洋脊（Dutton Ridge）的俯沖，沒(méi)有引發(fā)明顯的島弧地形、島弧寬度的變化。此外，相比于僅有一期弧后擴(kuò)張的伊豆-博寧島弧而言，擁有兩期弧后擴(kuò)張的東西馬里亞納島弧地形偏低（圖2）。因此，IBM俯沖帶是研究洋底高原/洋脊俯沖和弧后擴(kuò)張對(duì)島弧增生影響的天然實(shí)驗(yàn)室。

因此，本文將以衛(wèi)星測(cè)高反演重力異常為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在少量地震測(cè)線約束下，通過(guò)重力反演得到IBM島弧地殼厚度分布。以IBM島弧地殼體積沿走向的分布特征為基礎(chǔ)，討論洋底高原/洋脊俯沖、弧后擴(kuò)張對(duì)島弧地殼增生的影響。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

最新的IODP鉆探和定年數(shù)據(jù)表明，IBM俯沖活動(dòng)起始于52 Ma[24-25]。俯沖初期，由于軟流圈上涌和減壓熔融，形成了最早的弧前玄武巖。古IBM島弧就是在此基礎(chǔ)上，通過(guò)巖漿增生形成的[24,26]。早期，IBM俯沖帶北段的上覆板片為大東盆嶺，由奄美海盆、奄美高原、北大東海盆、大東海脊、南大東海盆和沖大東海脊等組成[27]；南段的上覆板片為結(jié)構(gòu)較為均一的西菲律賓海盆。大東盆嶺由不同年齡、不同性質(zhì)的塊體拼合而成[28]，因此，其組成和結(jié)構(gòu)都比西菲律賓海盆要復(fù)雜。

在弧后擴(kuò)張期間，受到西菲律賓海盆旋轉(zhuǎn)的控制，帕里西維拉海盆擴(kuò)張方向由E-W轉(zhuǎn)為NE-SW。該轉(zhuǎn)向過(guò)程在四國(guó)-帕里西維拉海盆內(nèi)留下了明顯的地形印記（圖2）[22-23]。在輸入太平洋板片上，存在多個(gè)白堊紀(jì)時(shí)期形成的海山鏈[31]。雖然這些海山比所處位置的大洋巖石圈要年輕，但是因?yàn)橐呀?jīng)經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期冷卻，他們具有與周邊巖石圈相似的溫度結(jié)構(gòu)。小笠原洋底高原隨太平洋板片于15 Ma時(shí)期來(lái)到IBM海溝處[32]，其顯著的負(fù)浮力有效阻止了海溝后撤，形成的擠壓應(yīng)力在博寧島弧上引發(fā)了增厚效應(yīng)[14-15]。加之卡羅琳洋脊對(duì)IBM俯沖活動(dòng)更為顯著的阻擋，在馬里亞納海溝持續(xù)后撤的背景下，最終形成了弧形馬里亞納海溝和新月形的馬里亞納海槽[32]。此外，達(dá)頓洋脊也已經(jīng)到達(dá)海溝處，但是因其體量小，沒(méi)有引發(fā)明顯的俯沖停滯。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所指地殼為沉積層以下、莫霍面以上的巖漿巖層。因此，計(jì)算地殼厚度分布需要掌握水深、沉積層厚度與莫霍面埋深的空間分布。IBM俯沖帶的水深、沉積層厚度可以提取自開(kāi)源且廣泛使用的ETOPO1海底地形[29]和GlobSed沉積層厚度數(shù)據(jù)[33]。ETOPO1是美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）根據(jù)多波束、重力反演等結(jié)果發(fā)布的具有1弧分分辨率的全球高精度地形數(shù)據(jù)；GlobSed是美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心（NGDC）根據(jù)船測(cè)地震測(cè)線、大洋鉆探、重力反演等結(jié)果發(fā)布的具有5弧分分辨率的全球沉積層厚度數(shù)據(jù)，在遠(yuǎn)離大陸區(qū)域具有較高精度。

圖2 伊豆-博寧-馬里亞納俯沖帶地形[29]與空間重力異常[17]等值線標(biāo)注的數(shù)字為洋殼年齡[30]。Fig.2 Bathymetry, topography[29] and free-air gravity anomalies[17] of the Izu-Bonin Mariana subduction zoneThe labelled contours represent oceanic crustal ages[30].

區(qū)域性的莫霍面埋深可以通過(guò)重力反演得到。重力異常是由海水層、沉積層、地殼、地幔等地球圈層引發(fā)重力異常的疊加結(jié)果。通過(guò)構(gòu)建地球各個(gè)圈層密度模型，設(shè)定合理背景密度，正演計(jì)算各圈層重力效應(yīng)，可以從觀測(cè)空間異常場(chǎng)中剝離出由莫霍面起伏引起的剩余異常，進(jìn)而可以反演出莫霍面埋深。因此，利用重力反演莫霍面起伏的核心問(wèn)題，變?yōu)榈厍虿煌用芏饶Ｐ偷臉?gòu)建。本文反演IBM島弧地殼厚度的流程如圖3所示。

圖3 基于衛(wèi)星重力與地震約束的島弧莫霍面反演流程圖Fig.3 Island arc Moho inversion workflow under satellite gravity and seismic constrains

盡管海水密度隨著水深變化而變化，但其變化幅度小，引發(fā)的重力效應(yīng)也小[34]。因此，本文設(shè)定其密度為常值（1.03 g/cm3）。利用沉積層孔隙度（）與埋深（）之間的關(guān)系，構(gòu)建沉積層密度隨深度變化而變化的模型[35]。

受到熱膨脹影響，大洋和被動(dòng)陸緣的巖石圈地幔密度存在明顯擾動(dòng)[20,37-38]。對(duì)于俯沖帶而言，受到地幔對(duì)流、摩擦生熱等的影響，整個(gè)地幔楔的溫度和密度都受到了更為明顯的擾動(dòng)[12,39]?？紤]到溫度是控制地球深部地震波速度和密度的主控因素，地幔楔內(nèi)的地震波速度與密度之間的關(guān)系可以用下式表達(dá)[40]。

在正演計(jì)算不同圈層重力效應(yīng)時(shí)，設(shè)定海水層、沉積層、島弧上下地殼的背景密度為島弧中地殼的密度，設(shè)定地幔密度是在3.30 g/cm3背景上擾動(dòng)的。據(jù)此，從觀測(cè)重力異常場(chǎng)中剝離出來(lái)的剩余場(chǎng)，反應(yīng)的是莫霍面這個(gè)殼幔密度界面起伏引起的重力異常。進(jìn)而利用頻率域內(nèi)的重力反演方法可以得到莫霍面起伏[43]。

在計(jì)算地殼重力效應(yīng)和反演莫霍面埋深時(shí)，需要提前掌握莫霍面的大致埋深。為此，本文以CRUST 1.0數(shù)據(jù)作為研究區(qū)莫霍面埋深的粗略估計(jì)，利用上述流程反演出莫霍面埋深。然后，利用重力反演所得莫霍面埋深替代CRUST 1.0模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行第二次反演，以此作為最終的莫霍面反演結(jié)果。將反演所得莫霍面埋深與深地震剖面解釋結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，逐步調(diào)整密度建模、重力反演參數(shù)后，使得重力反演結(jié)果最佳逼近地震解釋結(jié)果，即可得到IBM俯沖帶莫霍面埋深。

為了評(píng)價(jià)重力反演結(jié)果的精度，本文搜集了兩條OBS地震剖面，位置如圖2所示。剖面AA’是由日本海洋科學(xué)技術(shù)中心（JAMSTEC）聯(lián)合東京大學(xué)和哈佛大學(xué)共同實(shí)施的，是一條包括152個(gè)海底地震儀、長(zhǎng)度近700 km的測(cè)線[36]。剖面BB’是由JAMSTEC獨(dú)立實(shí)施的，是一條包括110個(gè)海底地震儀、長(zhǎng)度近600 km的地震測(cè)線[44]。測(cè)線AA’和BB’都是用Kaiyo科考船實(shí)施的OBS地震測(cè)線，以12 000 in3容量的氣槍為主動(dòng)震源，炮間距為200 m。兩條測(cè)線的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和成像質(zhì)量均較高[36,44]。

3 地殼厚度分布特征

根據(jù)上述參數(shù)和方法，在考慮俯沖帶地幔楔及俯沖板片密度擾動(dòng)的基礎(chǔ)上，在兩條深地震測(cè)線約束下，利用測(cè)高自由空間重力異常反演得到了IBM俯沖帶的莫霍面埋深分布（圖4）。重力反演結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確地刻畫(huà)莫霍面分布的整體趨勢(shì)，重力反演莫霍面與地震結(jié)果之間存在的差異主要是局部性的（圖5），二者之間的中誤差為2.16 km，表明本文所設(shè)計(jì)的重力反演流程和選定的密度建模參數(shù)適用于IBM俯沖帶莫霍面埋深的大尺度研究?；陂_(kāi)源水深、沉積層厚度數(shù)據(jù)計(jì)算出的基底頂界面與地震解釋結(jié)果基本一致（圖5），表明兩套開(kāi)源數(shù)據(jù)在IBM俯沖帶處的可靠性。綜上所述，本文計(jì)算結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確地反應(yīng)IBM島弧地殼厚度分布的整體情況，滿足本文大尺度分析的需求。

圖4展示了本文反演所得IBM俯沖系統(tǒng)的地殼厚度分布?；?4條地震剖面的研究結(jié)果，IBM俯沖系統(tǒng)殘留九州-帕勞海脊的厚度≥8 km[45]，且IBM島弧具有與九州-帕勞海脊相似的地殼結(jié)構(gòu)[36,45]。因此，本文設(shè)定IBM島弧的邊界為8 km島弧地殼厚度等值線（圖4）。島弧東側(cè)邊界為IBM海溝。

對(duì)于只有一期弧后擴(kuò)張的伊豆-博寧島弧而言，其島弧寬度大，博寧島弧西側(cè)邊界與南北兩側(cè)邊界平滑連接，但是其東側(cè)邊界存在一個(gè)明顯的內(nèi)凹形態(tài)，導(dǎo)致博寧島弧處存在一個(gè)明顯變窄的區(qū)段。對(duì)于存在兩期弧后擴(kuò)張的馬里亞納島弧而言，西馬里亞納島弧寬度變化幅度較小；但是東馬里亞納島弧在馬里亞納海槽南端存在一個(gè)明顯變窄的區(qū)段。南馬里亞納島弧要窄于北馬里亞納島弧。

圖4 伊豆-博寧-馬里亞納俯沖帶地殼厚度與莫霍面埋深分布圖細(xì)線為地殼厚度等值線，紅線為島弧邊界。Fig.4 Crustal thickness and Moho depth variations of the Izu-Bonin-Mariana subduction zoneThin lines are crustal thickness contours and red lines are arc boundaries.

圖5 重力反演莫霍面與地震解釋莫霍面沿剖面對(duì)比圖Fig.5 Comparison between gravity-based Moho and seismic-based Moho along two profiles

從島弧厚度的角度，博寧島弧厚度大于伊豆島弧厚度，而伊豆島弧厚度大于馬里亞納島弧厚度。西馬里亞納島弧厚度和寬度變化較小。但是，東馬里亞納島弧從北向南先增大再減小，到馬里亞納海槽南端處變得最薄。

圖6 沿走向的伊豆-博寧-馬里亞納島弧地殼體積分布馬里亞納段島弧地殼體積為東西馬里亞納島弧地殼體積之和。Fig.6 Izu-Bonin-Mariana crustal volume variations along strikeThe crustal volume of central Mariana is the sum of east and west Mariana arc crust.

4 地球動(dòng)力學(xué)分析

大洋島弧地殼是在原有洋殼基礎(chǔ)上，通過(guò)長(zhǎng)期巖漿活動(dòng)形成的。需要指出的是，在俯沖帶演化的不同時(shí)期，島弧巖漿活動(dòng)的活躍程度是不同的。而重力反演得到的是島弧地殼現(xiàn)今厚度，無(wú)法區(qū)分不同時(shí)期所形成巖漿的體量。因島弧巖漿增生的形式有底侵、侵入和噴出等，即便使用地震方法也無(wú)法準(zhǔn)確刻畫(huà)不同階段新增巖漿的體量。因此，利用本文的方法，只能討論自俯沖起始以來(lái)到現(xiàn)今的整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)，巖漿活動(dòng)對(duì)島弧體積的影響。

為了定量化分析IBM島弧地殼厚度分布對(duì)俯沖動(dòng)力學(xué)過(guò)程的指示，本文計(jì)算了沿島弧走向1 km范圍內(nèi)IBM島弧地殼體積的分布情況，得到了如圖6所示的島弧地殼體積沿走向的分布曲線。島弧地殼體積的兩個(gè)峰值分別位于小笠原洋底高原和達(dá)頓洋脊俯沖位置處，最低值位于馬里亞納海槽南端；伊豆段的島弧地殼體積平均值與北馬里亞納段的平均值接近，中馬里亞納整體上呈現(xiàn)由北向南遞減的趨勢(shì)，而南馬里亞納段的平均體積最小。

相比于北側(cè)伊豆島弧和南側(cè)北馬里亞納島弧而言，博寧島弧地殼體積具有明顯的升高；而達(dá)頓洋脊俯沖位置島弧體積的增大量，沒(méi)有博寧島弧的增幅明顯。因此，島弧地殼體積的變化量與俯沖洋底高原/洋脊的體量密切相關(guān)。海山因其密度低于正常大洋巖石圈和軟流圈，存在一定的負(fù)浮力。當(dāng)輸入板片上存在厚度和范圍較大的海山或者洋底高原時(shí)，顯著的負(fù)浮力會(huì)阻止輸入板片的向下俯沖[14]。當(dāng)海山或者洋底高原兩側(cè)的俯沖板片繼續(xù)向下俯沖時(shí)，海山與島弧之間存在明顯的擠壓應(yīng)力，導(dǎo)致島弧寬度減小、厚度增大[15]。

伊豆-博寧-北馬里亞納段只有一期弧后擴(kuò)張，而中馬里亞納段存在兩期弧后擴(kuò)張。存在一期弧后擴(kuò)張的伊豆、博寧、北馬里亞納島弧體積明顯大于存在兩期弧后擴(kuò)張的中馬里亞納島弧體積。說(shuō)明弧后擴(kuò)張能夠顯著影響島弧體積增生量。數(shù)值模擬研究證實(shí)，在弧后擴(kuò)張初期，弧后盆地下的地幔處于虧損狀態(tài)，而該虧損地幔隨著地幔流進(jìn)入島弧下方地幔楔，可以有效降低島弧下熔融地幔的體量[13]。鑒于馬里亞納海槽正處于擴(kuò)張初期，海槽年齡不超過(guò)5 Ma，因此，該弧后活動(dòng)導(dǎo)致了中馬里亞納段島弧地殼體積的減小。

5 結(jié)論

為了探討洋底高原/洋脊俯沖、弧后擴(kuò)張對(duì)島弧巖漿活動(dòng)的影響，本文基于衛(wèi)星測(cè)高反演重力異常，在少量地震測(cè)線約束下，通過(guò)構(gòu)建地球不同圈層的密度模型，反演得到了伊豆-博寧-馬里亞納俯沖系統(tǒng)的地殼厚度。在地震測(cè)線和重力反演結(jié)果共同約束下，厘定了島弧邊界，繪制出了伊豆-博寧-馬里亞納島弧地殼體積沿走向的分布曲線。

島弧地殼體積沿走向的分布特征表明：洋底高原或者海山因其負(fù)浮力的存在，當(dāng)其到達(dá)海溝后，對(duì)島弧的擠壓作用導(dǎo)致島弧變厚、變窄，且島弧地殼體積的增大量與俯沖洋底高原/洋脊體量密切相關(guān)，弧后擴(kuò)張初期可以顯著減小島弧巖漿增生體積。

致謝：感謝澳大利亞悉尼大學(xué)Maria Seton博士在本文構(gòu)思過(guò)程中提供的寶貴建議。