基于重、磁異常的西太平洋中段構(gòu)造特征研究

朱瑩潔， 王萬銀， J. Kim Welford, Colin G. Farquharson，楊永， 羅新剛， 王丁丁， 馬濤， 馬杰

1 長安大學(xué)重磁方法技術(shù)研究所， 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院， 長安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710054 2 海洋油氣勘探國家工程研究中心， 北京 100028 3 紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)地球科學(xué)系， 加拿大圣約翰斯 A1B3X5 4 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)， 廣州 511458 5 自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局， 廣州 510075

0 引言

西太平洋中段(圖1)包括西太平洋海山省(West Pacific Seamount Province, WPSP; Koppers et al., 2003a)及其西部的馬里亞納海溝和馬里亞納島弧，其中的WPSP占據(jù)了研究區(qū)的大部分區(qū)域，也是本文的重點(diǎn)研究區(qū)域.WPSP廣泛發(fā)育獨(dú)立海山、海山鏈和海嶺，主要包括臺風(fēng)(Typhoon)、北威克(Northern-Wake)、南威克(Southern-Wake)、麥哲倫(Magellan)、Ujlan、Anewetak、Ralik、Ratak海山鏈和一些獨(dú)立海山(Koppers et al., 2003a)，以及Michelson、Dutton海嶺，同時(shí)發(fā)育東馬里亞納(East Mariana)盆地和皮加費(fèi)他(Pigafetta)盆地.其中，北威克海山鏈和南威克海山鏈也統(tǒng)稱為馬爾庫斯-威克(Marcus-Wake)海山鏈.WPSP的獨(dú)立海山、海山鏈或海嶺主要形成于白堊紀(jì)，由板內(nèi)火山噴發(fā)而成，并隨著太平洋板塊向菲律賓板塊俯沖，逐漸運(yùn)移到現(xiàn)今的位置.長期的構(gòu)造演化過程使得研究區(qū)蘊(yùn)含了豐富的金屬礦產(chǎn)資源，也成為了全球海底富鈷結(jié)殼資源的主要分布區(qū)(Petersen et al., 2016).由于構(gòu)造特征可以在一定程度上反映研究區(qū)的演化特征，且目前對西太平洋中段的研究相對較少，因此本文旨對研究區(qū)廣泛分布的火成巖、磁條帶、斷裂以及莫霍面特征進(jìn)行研究，得到西太平洋中段的構(gòu)造分布特征.

圖1 西太平洋中段區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖 地形數(shù)據(jù)網(wǎng)度為1′×1′，來源于Smith和Sandwell(1997)；黃點(diǎn)表示ODP點(diǎn)位，來源于Pringle(1992)；灰線表示網(wǎng)格化的洋殼年齡，來源于Müller等(2008)；黑線表示斷裂帶，來源于Seton等(2014)；紅線表示M29位置，來源于Tominaga等(2015)；被白色邊界包圍的天藍(lán)色區(qū)域和淡黃色區(qū)域分別表示來源于Tominaga等(2015)的NE向日本磁條帶集和NW向夏威夷磁條帶集；藍(lán)線表示大洋盆地 溢流型玄武巖省，來源于Bryan和Ernst(2008)；海山年齡來源于Koppers等(2003a).Fig.1 Regional tectonic map of the mid-latitude Western Pacific Bathymetry data at 1-minute spacing is from Smith and Sandwell (1997); yellow points indicate ODP sites by Pringle (1992); grey contours indicate gridded oceanic crustal ages by Müller et al. (2008); black lines indicate faults by Seton et al. (2014); red lines indicate Chron M29 by Tominaga et al. (2015); light blue and yellowish regions with white boundaries indicate the Japanese and Hawaiian magnetic lineation sets by Tominaga et al. (2015); blue lines indicate ocean basin flood basalt provinces by Bryan and Ernst (2008); seamount ages are from Koppers et al. (2003a).

西太平洋中段廣泛發(fā)育的火成巖包括位于WPSP的獨(dú)立海山、海山鏈、海嶺和位于馬里亞納島弧的馬里亞納島弧型火成巖，以及位于WPSP的大火成巖省(Large Igneous Provinces, LIPs).其中，大部分海山鏈的海山年齡復(fù)雜，呈非年齡遞進(jìn)式排列(如, Jackson, 1976; Bonatti and Harrison, 1976; Koppers et al., 2003a).根據(jù)大洋鉆探計(jì)劃(Ocean Drilling Programs, ODP)、地球化學(xué)、地球年代學(xué)、板塊重建等結(jié)果得知海山是經(jīng)過多期火山噴發(fā)形成，通常巖漿來源于地幔中的多個(gè)熱點(diǎn)，且單個(gè)熱點(diǎn)的活動時(shí)間少于40 Ma(Koppers et al., 2003a).Courtillot等(2003)提出地幔中除了存在摩根-威爾遜熱點(diǎn)(全球只識別出7個(gè))，還存在次級熱點(diǎn)和三級熱點(diǎn)，這些熱點(diǎn)或是從超級地幔柱頂部運(yùn)移到淺地幔形成的地幔羽(如, Davaille, 1999; Davaille et al., 2002, 2003)，或是與大洋巖石圈伸展有關(guān)(如 Anderson, 2001, 2002).Koppers等(2003a)認(rèn)為這種短期且不連續(xù)的板內(nèi)火山活動不同于強(qiáng)烈且持續(xù)的夏威夷式熱點(diǎn)火山活動，而與其他地質(zhì)作用(板塊擴(kuò)張、熱異常、斷裂活動、濕點(diǎn)等)也有關(guān).板內(nèi)火山活動受控于大尺度的地質(zhì)活動，由此產(chǎn)生許多緊密間隔的地幔羽，這些地幔羽在地質(zhì)年代中短暫活躍，可能起源于淺地幔，并在那里以薄地幔柱的形式從超級地幔柱的頂部噴發(fā)出來.多數(shù)海山鏈海山年齡的跳躍排列及周期性的板內(nèi)火山噴發(fā)表明區(qū)域拉張作用可能與板內(nèi)火山活動有關(guān)(Koppers et al., 2003a).Utkin(2006)指出在WPSP存在的NE向和NW向的走滑斷裂形成了雁行式排列的斷裂帶，在斷裂帶交叉點(diǎn)處形成巖漿通道，由此巖漿噴發(fā)最終形成海山.

根據(jù)Bryan和Ernst(2008)修訂的LIPs的定義和分類，LIPs以鎂鐵質(zhì)為主，但也有明顯的超鎂鐵質(zhì)和硅質(zhì)成分，而有些以硅質(zhì)巖漿作用為主而形成；不再將海山、海山鏈、海嶺和異常洋殼認(rèn)為是LIPs，因?yàn)樗鼈兪怯傻蒯Ｖ星治宦瘦^低時(shí)的長期熔融異常造成的，與大火成巖事件中較短暫且較高巖漿侵位率的特征不同.大洋中的LIPs分為大洋高原和大洋盆地溢流型玄武巖省.目前研究區(qū)已知存在兩個(gè)大洋盆地溢流型玄武巖省，即東馬里亞納和皮加費(fèi)他盆地溢流型玄武巖省(Bryan and Ernst, 2008; Bryan and Ferrari, 2013; Kerr, 2014)，均形成于約120 Ma(Tarduno et al., 1991; Pringle, 1992; Bryan and Ferrari, 2013)，且可能厚度較薄.根據(jù)ODP126段資料，在皮加費(fèi)他盆地的800號鉆穿透了56 m厚的塊狀堿性白云石基巖，礦物分離物的40Ar/39Ar激光分析顯示結(jié)晶年齡約126.1±0.6 Ma；801號鉆穿透了131 m厚的堿性玄武巖，在東馬里亞納盆地的802號鉆穿透了51 m厚的枕狀玄武巖和熔巖流，對兩個(gè)巖石樣本的40Ar/39Ar增量加熱分析顯示結(jié)晶年齡為114.6±3.2 Ma(Pringle, 1992).LIPs通常被認(rèn)為是地幔柱頂部減壓熔融的結(jié)果(Richards et al., 1989; Campbell and Griffiths, 1990)，可能起源于核-幔邊界，相關(guān)的熱點(diǎn)路徑與地幔羽的熔融有關(guān)(Wilson, 1963; Morgan, 1971)，而大洋盆地溢流型玄武巖省可能是巖漿沿眾多裂縫侵入而形成的(Castillo et al., 1994; Larson et al., 1995).

研究區(qū)存在NE走向和NW走向的中生代磁條帶，前者屬于在太平洋—依澤奈崎海嶺(Pacific-Izanagi Ridge)形成的日本磁條帶集(Japanese lineation set)，后者屬于在太平洋—法拉隆海嶺(Pacific-Farallon Ridge)形成的夏威夷磁條帶集(Hawaiian lineation set)(Nakanishi et al., 1989, 1999; Tominaga et al., 2015)，這些磁條帶記錄了板塊擴(kuò)張的演化歷史.由于研究區(qū)在北、西、南方向毗鄰巨大的板塊聚斂邊界系統(tǒng)，構(gòu)造擠壓活動非常強(qiáng)烈(王洋, 2020)，因此該區(qū)域廣泛發(fā)育斷裂.在磁條帶發(fā)育區(qū)域，存在磁條帶被斷裂錯(cuò)斷或破壞的現(xiàn)象.自Larson和Chase(1972)首次發(fā)現(xiàn)磁條帶以來，許多研究都在確定或者不斷修正磁條帶的位置，眾多學(xué)者也在研究太平洋中生代的磁條帶以及斷裂帶(如, Sager et al., 1988; Nakanishi et al., 1992; Abrams et al., 1993; Koppers, 1998; Müller et al., 2008; Matthews et al., 2011; Seton et al., 2014; Wessel et al., 2015).但前人多是直接對比分析少量的磁異常剖面，根據(jù)磁異常峰值連線位置確定磁條帶位置；根據(jù)磁條帶序列及錯(cuò)斷位置、海底地形以及少量地震剖面，推斷了部分NW向和NE向的斷裂帶(Abrams et al., 1993; Koppers, 1998; Koppers et al., 2003a; Matthews et al., 2011; Wessel et al., 2015).而重、磁異常平面數(shù)據(jù)具有較好的橫向分辨率，在對大區(qū)域的斷裂和磁條帶研究中更有優(yōu)勢.根據(jù)ODP、同位素測年、古地磁學(xué)、磁條帶等資料認(rèn)為大部分海山區(qū)位于侏羅紀(jì)靜磁區(qū)(Jurassic magnetic Quiet Zone, JQZ)，其形成時(shí)期的地磁場比正常值弱(如, Pringle, 1992; Sager et al., 1998; Tivey et al., 2005; Tominaga et al., 2008, 2015; Tominaga and Sager, 2010)，且所在洋殼擴(kuò)張速度為超慢速(Guillot et al., 2015)，可能因此該時(shí)期沒有磁條帶記錄地磁倒轉(zhuǎn)(李三忠等, 2018).目前認(rèn)為JQZ終止于M29，距今約為157 Ma(Gradstein et al., 2012; Tominaga et al., 2015).

斷裂為火成巖和磁條帶的形成提供了巖漿上涌通道，并對磁條帶具有改造作用.且深大斷裂通常與深部構(gòu)造運(yùn)動有關(guān)，一些海山鏈和深大斷裂的方向變化也反映了太平洋板塊運(yùn)移方向的變化.另外，研究莫霍面的深度是深部構(gòu)造研究中重要的一部分.但前人對整個(gè)西太平洋中段的莫霍面研究較少，且公開的地震剖面也非常少.其中，Kasahara等(2008)根據(jù)地震數(shù)據(jù)得到若干剖面上的莫霍面深度；Ishihara和Fujioka(2015)參考地震剖面模擬出了西太平洋中段的地殼密度結(jié)構(gòu)，結(jié)合布格重力異常分區(qū)反演得到了部分西太平洋中段的莫霍面深度，范圍為11～25 km.

綜上，前人利用地球物理數(shù)據(jù)研究西太平洋中段構(gòu)造特征的程度相對不高，因此本文重點(diǎn)采用衛(wèi)星測高重力異常數(shù)據(jù)和世界磁異常數(shù)據(jù)(由衛(wèi)星、航空和船測數(shù)據(jù)拼接而成)研究西太平洋中段的構(gòu)造特征，包括對斷裂分布、莫霍面深度、磁條帶分布以及火成巖(即獨(dú)立海山、海山鏈、海嶺、馬里亞納島弧型火成巖和大洋盆地溢流型玄武巖)分布的研究.根據(jù)研究區(qū)的構(gòu)造分布特征討論其形成演化機(jī)制，從而為研究西太平洋中段的構(gòu)造演化提供基礎(chǔ)地質(zhì)構(gòu)造依據(jù).

1 重、磁異常及研究方法

1.1 重力異常特征

衛(wèi)星測高重力異常(圖2a)數(shù)據(jù)來源于Sandwell和Smith(2009)和Sandwell等(2013, 2014)，數(shù)據(jù)網(wǎng)度為1′×1′.取洋殼平均密度為3.0×103kg·m-3，海水密度為1.03×103kg·m-3，通過計(jì)算海水的重力影響值(王萬銀和潘作樞, 1993)進(jìn)行海水影響校正，從而得到布格重力異常(圖2b).

圖2 西太平洋中段重力異常圖 (a) 衛(wèi)星測高重力異常圖，數(shù)據(jù)來源于Sandwell和Smith(2009)、Sandwell等(2013, 2014)； (b) 布格重力異常圖.白線表示-4 km地形等高線.Fig.2 Gravity anomaly of the mid-latitude Western Pacific (a) Satellite altimetry gravity anomaly from Sandwell and Smith (2009) and Sandwell et al. (2013, 2014); (b) Bouguer gravity anomaly. White contours indicate the topography at -4 km.

西太平洋中段衛(wèi)星測高重力異常(圖2a)的幅值變化范圍為-350～410 mGal.獨(dú)立海山、海山鏈、海嶺表現(xiàn)為重力異常正高值，且周圍為重力異常負(fù)低值區(qū)，而盆地區(qū)表現(xiàn)為重力異常正低值；馬里亞納海溝對應(yīng)重力異常負(fù)高值，馬里亞納島弧對應(yīng)重力異常正高值.在WPSP，衛(wèi)星測高重力異常整體呈明顯的NW走向，與其向馬里亞納海溝俯沖的特征一致；馬里亞納島弧對應(yīng)的重力異常走向與其近N-S走向的特征一致.

西太平洋中段布格重力異常(圖2b)的幅值變化范圍為168～520 mGal，在WPSP，異常高值區(qū)和低值區(qū)呈NW向條帶狀相間分布，且海山區(qū)位于異常低值區(qū)，海盆區(qū)位于異常高值區(qū)；馬里亞納島弧位于異常低值區(qū).布格重力異常的高低變化及相間分布特征反映了西太平洋中段地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性.

1.2 磁力異常特征

磁力異常數(shù)據(jù)來源于NOAA的EMAG2V3數(shù)據(jù)集(海拔4 km處的數(shù)據(jù)；Meyer et al., 2017)，數(shù)據(jù)網(wǎng)度為2′×2′.采用延拓的方法，將磁力異常數(shù)據(jù)下沿至海平面，得到海平面處的西太平洋中段磁力異常(圖3a).由于西太平洋中段處于中低緯度地區(qū)，且研究區(qū)經(jīng)緯度跨度較大，因此采用變磁化傾角化極(RTP)技術(shù)(張錫林和姚長利, 2003)得到化極磁異常(圖3b)，使得其異常峰值與實(shí)際的高磁性體的水平位置更好的對應(yīng).

海平面處的西太平洋中段磁力異常(圖3a)幅值變化范圍為-1320～850 nT，研究區(qū)西部及北部區(qū)域具有明顯的NE向和NW向條帶狀異常，且NE向的條帶狀異常區(qū)從北到南可以分成三塊區(qū)域.海山區(qū)的磁異常沒有明顯的分布特征.相應(yīng)的西太平洋中段化極磁力異常(圖3b)的幅值范圍為-1100～1090 nT.與磁力異常相比，化極磁力異常突出了NE走向和NW走向的特征，也更明顯的反映出了海山鏈的走向特征.

根據(jù)對西太平洋中段的重、磁異常特征分析認(rèn)為，重、磁異常對研究區(qū)的斷裂和磁條帶有很好的反映，同時(shí)，重、磁異常也可以反映出火成巖，包括獨(dú)立海山、海山鏈、海嶺、馬里亞納島弧型火成巖以及大洋盆地溢流型玄武巖省的分布及莫霍面深度等深部構(gòu)造特征，因此，我們對重、磁異常數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的處理方法，從斷裂分布、莫霍面深度、磁條帶分布及火成巖分布四個(gè)方面研究西太平洋中段的構(gòu)造特征.

1.3 研究方法

根據(jù)構(gòu)造特征研究技術(shù)路線圖(圖4)，利用重、磁異常數(shù)據(jù)，采用不同的方法技術(shù)，研究西太平洋中段的構(gòu)造特征.深大斷裂和磁條帶通常會引起明顯的重力或磁力異常，利用重、磁異常的這一特征，可以采用歸一化總水平導(dǎo)數(shù)垂向?qū)?shù)(NVDR-THDR; Wang et al., 2009)邊緣檢測方法技術(shù)識別斷裂和磁條帶，識別標(biāo)志主要是NVDR-THDR的極大值位置.在布格重力異常NVDR-THDR極大值連續(xù)性較差的地方，進(jìn)一步結(jié)合采用最小曲率位場分離方法(紀(jì)曉琳等, 2015)得到的區(qū)域布格重力異常和剩余布格重力異常進(jìn)行斷裂劃分.另外，參考磁條帶的錯(cuò)斷位置進(jìn)行斷裂劃分.采用歐拉反褶積深度反演方法(Stavrev and Reid, 2010)得到研究區(qū)斷裂視深度.結(jié)合前人根據(jù)地震數(shù)據(jù)得到的莫霍面深度(Kasahara et al., 2008; Ishihara and Fujioka, 2015)，采用雙界面模型快速反演方法(王萬銀和潘作樞, 1993)得到西太平洋中段的莫霍面深度.采用重、磁對應(yīng)分析方法(魯寶亮等, 2020)圈定研究區(qū)獨(dú)立海山、海山鏈、海嶺、馬里亞納島弧型火成巖及大洋盆地溢流型玄武巖省的分布區(qū)域.其中，為了削弱正常洋殼和地幔的影響，進(jìn)一步突出不同類型的火成巖，尤其是大洋盆地溢流型玄武巖省的重、磁異常特征，同樣采用最小曲率位場分離方法得到剩余衛(wèi)星測高重力異常和剩余化極磁力異常，從而得到重、磁對應(yīng)分析結(jié)果.綜合對研究區(qū)斷裂分布、莫霍面深度、磁條帶分布及火成巖分布的研究，得到西太平洋中段的構(gòu)造特征.

2 西太平洋中段構(gòu)造特征

2.1 斷裂分布特征

從布格重力異常NVDR-THDR(圖5a)可以看出，以馬里亞納海溝為界，斷裂的分布特征明顯不同.根據(jù)布格重力異常特征及斷裂的規(guī)模，并參考斷裂的視深度，將研究區(qū)斷裂分為一級深大斷裂(F1—F10，F(xiàn)M1—FM6)和二級斷裂，前者在區(qū)域布格重力異常(圖5b)上有較好的反映，后者在剩余布格重力異常(圖5c)有更好的反映.通常二級斷裂是在一級深大斷裂的控制下形成的一系列斷裂.從斷裂對比圖(圖5d)上可以看出，前人劃分的斷裂帶(Koppers et al., 2003a; Matthews et al., 2011; Wessel et al., 2015)在本文的斷裂劃分結(jié)果上都有一定的反映，但是斷裂的位置和走向有所偏差.本文對研究區(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)性的斷裂識別研究，重點(diǎn)劃分區(qū)域性的斷裂構(gòu)造，包括大型的淺層斷裂和深大隱伏斷裂.根據(jù)反演得到的西太平洋中段斷裂視深度(圖6)可知，斷裂視深度小于25 km，且二級斷裂通常比一級深大斷裂淺.根據(jù)斷裂走向玫瑰花圖(圖7a)可知，研究區(qū)斷裂的走向主要是NW(WNW)向和NE(ENE)向；根據(jù)斷裂長度直方圖(圖7b)可知，大部分?jǐn)嗔验L度小于600 km，其次是在600～1200 km范圍內(nèi).根據(jù)斷裂視深度直方圖(圖7c)可知，斷裂視深度在5～10 km范圍內(nèi)的最多，其次是10～15 km的范圍.

圖3 西太平洋中段磁力異常(海平面處)圖 (a) 下延所得的磁力異常圖，原始數(shù)據(jù)來源于NOAA的EMAG2V3數(shù)據(jù)集(Meyer et al., 2017)，位于海拔4 km處； (b) 化極磁力異常圖.白線表示-4 km地形等高線.Fig.3 Magnetic anomaly at sea level of the mid-latitude Western Pacific (a) Downward continued magnetic anomaly from NOAA′s EMAG2V3 dataset at a height of 4 km (Meyer et al., 2017); (b) RTP magnetic anomaly. White contours indicate the topography at -4 km.

基于以上對斷裂的分析，進(jìn)一步對一級深大斷裂的水平位置特征和深度特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析(表1)：馬里亞納海溝東部的一級深大斷裂(F1—F10)主要分布在獨(dú)立海山、海山鏈、海嶺及大洋盆地兩側(cè)，視深度在4～20 km范圍內(nèi)，視深度眾數(shù)在7～16 km范圍內(nèi)；西部的一級深大斷裂(FM1—FM6)與馬里亞納島弧的近N-S走向一致，視深度在4～20 km范圍內(nèi)，視深度眾數(shù)在8～15 km范圍內(nèi).

圖4 西太平洋中段構(gòu)造特征研究技術(shù)路線圖Fig.4 Technology roadmap for structural features in the mid-latitude Western Pacific

表1 西太平洋中段一級深大斷裂特征統(tǒng)計(jì)表Table 1 Features of primary deep faults in the mid-latitude Western Pacific

2.2 莫霍面深度特征

作為地殼與上地幔的分界面，莫霍面在深部構(gòu)造研究中起到重要作用.在海山的形成演化過程中，火山噴發(fā)導(dǎo)致地幔物質(zhì)虧損，莫霍面下沉，最終使得海山區(qū)莫霍面深度變深，而海盆區(qū)對應(yīng)的莫霍面會相應(yīng)抬升.圖8是本文得到的西太平洋中段莫霍面深度，其中，取殼幔巖石密度差為0.3×103kg·m-3，反演采用的莫霍面深度約束點(diǎn)(Kasahara et al., 2008; Ishihara and Fujioka, 2015)位置見表2.由圖8可知，在馬里亞納海溝東部，莫霍面深度范圍約為7～26 km.海山區(qū)的莫霍面深度大于12 km，單座海山或海嶺對應(yīng)的莫霍面深度較深；海盆區(qū)的莫霍面深度較淺且起伏較平緩，約為10～12 km.

2.3 磁條帶分布特征

從化極磁力異常(圖3b)上可以清楚的看到NW向和NE向的磁條帶.其中，NW向的夏威夷磁條帶集位于研究區(qū)東北部，NE向的日本磁條帶集位于研究區(qū)西部、馬里亞納海溝和海山區(qū)之間.根據(jù)磁條帶序列(Koppers et al., 2003a)及分布特征可推測NE向的磁條帶后期受NW向斷裂錯(cuò)斷并隨著WPSP向馬里亞納海溝俯沖而分離成從北向南的三個(gè)區(qū)域.部分磁條帶明顯受后期構(gòu)造運(yùn)動的改造，雖然可以看出本身的NE或NW走向，但連續(xù)性很差.另外，研究區(qū)大部分是海山區(qū)，其巖漿活動破壞了磁條帶的連續(xù)性.經(jīng)過以上分析，本文主要識別具有一定規(guī)模且連續(xù)性較好的磁條帶的水平位置.

表2 從地震深度剖面解釋中拾取的莫霍面深度Table 2 Moho depth constraints from several interpreted seismic depth sections

圖5續(xù)

圖5 西太平洋中段斷裂平面位置分布圖 (a) 布格重力異常NVDR-THDR圖； (b) 區(qū)域布格重力異常圖； (c) 剩余布格重力異常圖； (d) 斷裂對比圖，底圖為地形圖， 紫線和藍(lán)線分別表示Koppers等(2003a)、Matthews等(2011)和Wessel等(2015)解釋的斷裂帶. 黑線表示本文識別出的斷裂.Fig.5 Lateral distribution of the faults in the mid-latitude Western Pacific (a) NVDR-THDR of Bouguer gravity anomaly; (b) Regional Bouguer gravity anomaly; (c) Residual Bouguer gravity anomaly; (d) Comparison of the faults overlain on the bathymetry data, purple and blue lines indicate the interpreted faults by Koppers et al. (2003a), Matthews et al. (2011) and Wessel et al. (2015), respectively. Black lines indicate the faults interpreted by this study.

圖6 西太平洋中段斷裂視深度圖Fig.6 Apparent depths of the faults in the mid-latitude Western Pacific

圖7 西太平洋中段斷裂走向、長度和視深度統(tǒng)計(jì)圖 (a) 斷裂走向玫瑰花圖； (b) 斷裂長度直方圖； (c) 視深度直方圖.Fig.7 Statistics for the strikes, lengths and apparent depths of faults in the mid-latitude Western Pacific (a) Rose diagram of fault strikes; (b) Histogram of fault lengths; (c) Histogram of the apparent depths.

圖8 西太平洋中段莫霍面深度圖Fig.8 Moho depth in the mid-latitude Western Pacific

圖9 西太平洋中段磁條帶分布圖 (a) 化極磁異常NVDR-THDR圖，黑線表示NE向或NW向的極大值連線； (b) 磁條帶對比圖，底圖為地形圖，紫線和綠線分別表示Koppers等(2003a)、Hay等(1999)解釋的磁條帶，黑點(diǎn)表示Seton等(2014)解釋的磁條帶拾取點(diǎn)，被白色邊界包圍的天藍(lán)色區(qū)域和淡黃 色區(qū)域分別表示Tominaga等(2015)解釋的NE向日本磁條帶集和NW向夏威夷磁條帶集.藍(lán)線表示本文識別出的磁條帶.Fig.9 Distribution of magnetic lineations in the mid-latitude Western Pacific (a) NVDR-THDR of RTP magnetic anomaly, black lines indicate the ridge lines with NE- and NW-trends; (b) Comparison of magnetic lineations overlain on the bathymetry data, purple and green lines indicate the magnetic lineations by Koppers et al. (2003a) and Hay et al. (1999), respectively, black dots indicate the magnetic lineation picks by Seton et al. (2014), light blue and yellowish regions with white boundaries indicate the Japanese and Hawaiian magnetic lineation sets by Tominaga et al. (2015). Blue lines indicate the interpreted magnetic lineations by this study.

本文利用化極磁異常NVDR-THDR(圖9a)的極大值，同時(shí)參考化極磁異常NVDR-THDR的NW向和NE向的極大值連線(圖9a黑色線; 王丁丁等, 2021)，在前人研究的基礎(chǔ)上，最終劃分了磁條帶的平面位置(圖9藍(lán)色線).需要注意的是，化極磁異常NVDR-THDR的極大值連線也有可能反映的是其他具有磁性的異常特征體，比如海山邊界、某些斷裂等，但可以分別根據(jù)海山圈閉的特征、與成規(guī)模的磁條帶相垂直的特征等依次排除這些干擾信息.與前人劃分的磁條帶、磁條帶拾取點(diǎn)和磁條帶集區(qū)(圖9b; Hay et al., 1999; Koppers et al., 2003a; Seton et al., 2014; Tominaga et al., 2015)相比，本文識別的磁條帶方向和范圍與前人研究基本一致，但有些磁條帶的具體位置與前人識別的磁條帶位置有所不同.對于磁力異常這種位場數(shù)據(jù)來說，平面數(shù)據(jù)比剖面數(shù)據(jù)能更好的反映出磁性在平面上的變化規(guī)律，且理論上化極磁力異常比磁力異常更能準(zhǔn)確的描述磁條帶的位置.因此，前人采用磁力異常剖面數(shù)據(jù)確定的磁條帶水平位置可能存在一定的偏差，而本文根據(jù)化極磁力異常平面數(shù)據(jù)劃分的磁條帶結(jié)果在一定程度上對前人的結(jié)果進(jìn)行了修正.

2.4 火成巖分布特征

根據(jù)重磁異常特征，可以將研究區(qū)的火成巖分為兩種，一種是獨(dú)立海山、海山鏈、海嶺及馬里亞納島弧型火成巖，另一種是大洋盆地溢流型玄武巖省.在剩余衛(wèi)星測高重力異常(圖10a)和剩余化極磁力異常(圖10b)上，前者通常表現(xiàn)為重力異常正高值、磁力異常正高或負(fù)高值，因?yàn)樵陂L期的地質(zhì)演化過程中，多期的火山活動經(jīng)歷了多次的地磁倒轉(zhuǎn)時(shí)期，因此磁性特征較復(fù)雜.而后者，即目前已知位于東馬里亞納盆地和皮加費(fèi)他盆地的大洋盆地溢流型玄武巖省通常表現(xiàn)為重力異常正低值和磁力異常正低值，它們形成于白堊紀(jì)約120 Ma，位于侏羅紀(jì)洋殼基底之上，厚度較薄，且形成時(shí)期的全球地磁場較弱(Pringle, 1992)，因此重力異常和磁力異常均未表現(xiàn)為明顯的高值.

根據(jù)重、磁對應(yīng)分析結(jié)果(圖10c)，研究區(qū)的獨(dú)立海山、海山鏈、海嶺及馬里亞納島弧型火成巖與重高磁高區(qū)或重高磁低區(qū)(紅色區(qū)域或黃色區(qū)域)的特征對應(yīng)較好，據(jù)此劃分了獨(dú)立海山、海山鏈、海嶺及馬里亞納島弧型火成巖的分布區(qū)域.結(jié)合前人劃分的東馬里亞納盆地和皮加費(fèi)他盆地溢流型玄武巖省范圍(黑色線和白色線圈定的區(qū)域；Bryan and Ernst, 2008; Kerr, 2014)，可以看出其大部分位于重磁中值區(qū)(灰色區(qū)域)，根據(jù)此特征圈定了東馬里亞納盆地溢流型玄武巖省(BEM)和皮加費(fèi)他盆地溢流型玄武巖省(BP)的范圍.其中由于皮加費(fèi)他盆地被兩條一級深大斷裂(F1和F2)穿過，且發(fā)育海山，因此將BP細(xì)分為BP1和BP2兩個(gè)區(qū)域.根據(jù)剩余化極磁力異常推斷這兩個(gè)形成于約120 Ma的大洋盆地溢流型玄武巖省呈弱磁特征；參考地磁極性轉(zhuǎn)向年表，推測其在形成時(shí)期可能經(jīng)歷了地磁倒轉(zhuǎn).另外，在研究區(qū)北部同樣存在與東馬里亞納盆地和皮加費(fèi)他盆地溢流型玄武巖省重磁特征一致的重磁中值區(qū)，由此圈定了三個(gè)可能存在的大洋盆地溢流型玄武巖省(B1、B2和B3).B1區(qū)域存在的NE向磁條帶和B2區(qū)域存在的NW向磁條帶相交，表現(xiàn)了不同擴(kuò)張系統(tǒng)的洋殼匯聚的特征，且在匯聚邊緣形成了呈v字型分布的海山群，在持續(xù)匯聚的過程中，地幔局部上隆，可能由此巖漿沿著斷裂溢出形成了B1和B2大洋盆地溢流型玄武巖省.根據(jù)磁條帶和斷裂的分布以及洋殼年齡可知，B3和B2區(qū)域的洋殼是同期形成的，后期被NE向一級深大斷裂F1和F2錯(cuò)斷.推測B3區(qū)域可能也是與B1和B2區(qū)域同期形成的大洋盆地溢流型玄武巖省.根據(jù)本文劃分結(jié)果，認(rèn)為研究區(qū)的大洋盆地溢流型玄武巖省呈NW向條帶狀展布、NE向塊狀分布的特征，并與獨(dú)立海山、海山鏈或海嶺相間分布.

3 討論

根據(jù)對研究區(qū)斷裂分布、莫霍面深度、磁條帶分布及火成巖(包括獨(dú)立海山、海山鏈、海嶺、馬里亞納島弧型火成巖及大洋盆地溢流型玄武巖省)分布的研究，得到西太平洋中段構(gòu)造特征圖(圖11).這些構(gòu)造特征與研究區(qū)的形成演化息息相關(guān).

太平洋在晚古生代泛大洋的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，形成過程極其復(fù)雜，其板塊漂移方向一直在改變.根據(jù)板塊重建結(jié)果，太平洋板塊自190 Ma左右開始從古太平洋(泛大洋)中央形成，最老洋殼位于馬里亞納海溝的東部；研究區(qū)內(nèi)NE向的日本磁條帶、NW向的夏威夷磁條帶以及研究區(qū)外EW向的菲尼克斯磁條帶所形成的三角形太平洋板塊幾何形態(tài)說明，它產(chǎn)生于洋內(nèi)的洋中脊-洋中脊-洋中脊(RRR)三節(jié)點(diǎn)擴(kuò)張，這個(gè)三節(jié)點(diǎn)擴(kuò)張將古太平洋分裂為三個(gè)大洋板塊，即西北部的依澤奈崎板塊、東北部的法拉隆板塊和南部的菲尼克斯板塊，除了法拉隆板塊現(xiàn)今在北美西側(cè)的大洋中還有一些殘余，其他兩個(gè)板塊都幾乎俯沖殆盡(Boschman and van Hinsbergen, 2016; 李三忠等, 2019).

研究區(qū)海山鏈?zhǔn)嵌酂狳c(diǎn)成因的板內(nèi)火山作用和板塊構(gòu)造運(yùn)動的共同產(chǎn)物，運(yùn)移受控于太平洋板塊運(yùn)動的歷史格局.在跟隨板塊漂移的過程中，海山鏈也經(jīng)歷了沿途斷裂活動和熱點(diǎn)活動的改造作用.Koppers等(2001, 2003b)基于對現(xiàn)今太平洋板塊中的熱點(diǎn)(或海山鏈)分析，得出了距今140 Ma以來太平洋板塊的運(yùn)移軌跡：約140—125 Ma時(shí)，Shatsky隆起和臺風(fēng)海山鏈的走向證實(shí)太平洋板塊呈SSW向俯沖；約125 Ma時(shí)，Hess隆起和日本海山鏈的走向顯示太平洋板塊呈NW向運(yùn)動，并一直持續(xù)至距今110 Ma；約110—100 Ma時(shí)，俯沖變成SW向；在約100 Ma時(shí)，太平洋板塊漂移方向又一次發(fā)生了較大角度的旋轉(zhuǎn)，由早先的SW向變?yōu)镹NW向，此后較長的一段時(shí)間內(nèi)都維持這一方向運(yùn)移，致使Wentworth，Musicians等海山鏈呈NNW向延展；約43 Ma時(shí)，太平洋板塊由先前的NNW向變?yōu)楝F(xiàn)今的NWW向.太平洋約43 Ma時(shí)的轉(zhuǎn)向在西太平洋具有顯著的影響，其容易導(dǎo)致一些轉(zhuǎn)換斷層變?yōu)閺埩研娃D(zhuǎn)換斷層，出現(xiàn)一些特異的菱形構(gòu)造(李三忠等, 2019).其后太平洋板塊與歐亞板塊之間“擠入”具有大洋性質(zhì)的菲律賓板塊，迫使太平洋板塊不斷后撤，在西部地區(qū)形成頗具特色的“第二島鏈”——馬里亞納弧溝體系(王洋, 2020).俯沖帶區(qū)域的重、磁異常的高低變化及走向特征很好的反映了馬里亞納弧溝體系的變化特征.太平洋板塊在長期演化過程中運(yùn)移方向多次改變，研究區(qū)也因此受到了多期次的改造，廣泛發(fā)育斷裂.這些斷裂可能是受不同地質(zhì)時(shí)期的不同作用力而形成，一些斷裂在形成后可能又被重新“激活”而重新活動.現(xiàn)今，以馬里亞納海溝為界，斷裂特征明顯不同(圖11)：東部的斷裂呈NW(WNW)向和NE(ENE)向分布；西部的斷裂呈近N-S走向展布的特征，與馬里亞納島弧的走向特征一致，這些斷裂反映了馬里亞納弧溝體系的走向及分布特征.莫霍面深度在一級深大斷裂兩側(cè)普遍存在突變.在斷裂的識別過程中，同時(shí)參考了根據(jù)磁條帶的錯(cuò)斷位置推斷的轉(zhuǎn)換斷層的位置，因此，在磁條帶區(qū)域的部分?jǐn)嗔鸭词寝D(zhuǎn)換斷層(圖11中黑色虛線).隨著太平洋漫長且復(fù)雜的構(gòu)造演化，研究區(qū)的磁條帶和轉(zhuǎn)換斷層在形成后也經(jīng)歷了火山活動、斷裂活動等可能多期次的改造，磁條帶的連續(xù)性受到了不同程度的破壞，有些轉(zhuǎn)換斷層在形成后可能又被重新“激活”、改造，最終演變成了多期斷裂活動疊加的斷裂帶.對于研究區(qū)西部的NE向磁條帶，根據(jù)磁條帶的年齡(Koppers et al., 2003a)以及磁條帶和斷裂的相對位置，可以推測研究區(qū)的一級深大斷裂F5—F8是在NE向磁條帶之后形成的，并將具有相同磁條帶序列的塊體分割成三部分，這四條斷裂可能也起源于某些轉(zhuǎn)換斷層，但隨著太平洋板塊向菲律賓板塊的俯沖，具有相同磁條帶序列的塊體逐漸分離，F(xiàn)5—F8斷裂也受到了構(gòu)造活動的強(qiáng)烈改造，更傾向于是多期斷裂活動疊加的斷裂帶.目前具有相同磁條帶序列的三個(gè)相對獨(dú)立的塊體均位于莫霍面深度基本一致的平穩(wěn)的隆起區(qū).根據(jù)海山年齡可以推斷，馬爾庫斯—威克海山鏈晚于磁條帶形成；根據(jù)海山鏈中的多座海山年齡推測，可能受板塊運(yùn)移方向變化影響，海山鏈從NW向展布轉(zhuǎn)變?yōu)镹E向展布.根據(jù)海山鏈展布方向的變化，推測馬爾庫斯—威克海山鏈周圍的斷裂活動也應(yīng)滿足此規(guī)律，即NE向F1和F2斷裂晚于NW向F5—F8斷裂形成.這與我們根據(jù)重力異常特征識別出的斷裂分布特征是一致的，即F1和F2斷裂錯(cuò)斷了F5—F8斷裂.而后期板塊運(yùn)移方向的不斷變化也使得不同方向的斷裂活動疊加或被重新“激活”，尤其是約43 Ma時(shí)受太平洋的轉(zhuǎn)向影響在西太平洋區(qū)域出現(xiàn)的菱形構(gòu)造，使得斷裂的錯(cuò)斷關(guān)系變得不太明顯.

圖10續(xù)

圖10 西太平洋中段火成巖分布圖 (a) 剩余衛(wèi)星測高重力異常圖； (b) 剩余化極磁力異常圖； (c) 剩余重力和剩余化極磁力異常對應(yīng)分析圖，紅色實(shí)線為本文劃分的東馬里亞納盆地和皮加費(fèi)他盆地溢流玄武巖省范圍，紅色虛線為本文推斷的三個(gè)大洋盆地溢流型玄武巖省的范圍.黑色和白色線條分別表示Bryan 和Ernst(2008)和Kerr(2014)解釋的東馬里亞納盆地和皮加費(fèi)他盆地溢流玄武巖省的范圍.Fig.10 Distribution of igneous rocks in the mid-latitude Western Pacific (a) Residual satellite altimetry gravity anomaly; (b) Residual RTP magnetic anomaly; (c) Correspondence analysis map of the residual gravity and residual RTP magnetic anomalies, red solid lines indicate the boundaries of the East Mariana and Pigafetta basins flood basalt provinces interpreted by this study, red dotted lines indicate the boundaries of the other three ocean basin flood basalt provinces inferred by this study. Black and white solid lines indicate the East Mariana and Pigafetta basins flood basalt provinces interpreted by Bryan and Ernst (2008) and Kerr (2014), respectively.

圖11 西太平洋中段構(gòu)造特征圖Fig.11 Structural features of the mid-latitude Western Pacific

根據(jù)研究區(qū)大洋盆地溢流型玄武巖省的重磁異常特征圈定的東馬里亞納盆地和皮加費(fèi)他盆地溢流型玄武巖省(BEM,BP1,BP2)，以及在研究區(qū)北部推測的三個(gè)大洋盆地溢流型玄武巖省(B1,B2,B3)均位于莫霍面較平穩(wěn)的隆起區(qū)，且分布在一級深大斷裂旁側(cè)、二級斷裂發(fā)育的區(qū)域，呈NW向條帶狀展布、NE向塊狀分布的特征.可能由于巖漿是沿著與斷裂有關(guān)的裂隙溢出的，且形成的大洋盆地溢流型玄武巖省的厚度較薄并在形成后迅速冷卻，因此沒有湮沒已存在的磁條帶信息(Larson and Schlanger, 1981; Castillo et al., 1994).獨(dú)立海山、海山鏈及海嶺同樣分布在一級深大斷裂旁側(cè)、二級斷裂發(fā)育的區(qū)域，但位于莫霍面凹陷區(qū)，且多數(shù)海山鏈呈NW向展布的特征.馬里亞納島弧的形成伴隨著廣泛發(fā)育的火山活動，從而產(chǎn)生了廣泛分布的馬里亞納島弧型火成巖，且其整體的分布形態(tài)也與馬里亞納島弧的走向一致.

根據(jù)對研究區(qū)斷裂分布、莫霍面深度、磁條帶分布及火成巖分布特征的分析可知，研究區(qū)的板內(nèi)火山活動受控于大尺度的斷裂構(gòu)造.莫霍面深度在一級深大斷裂兩側(cè)突變，說明在一級深大斷裂兩側(cè)的深部構(gòu)造特征也不同.磁條帶受斷裂改造而分離或破碎.廣泛分布并呈NW(WNW)向和NE(ENE)向交叉分布的斷裂為海山區(qū)巖漿的噴發(fā)和海盆區(qū)巖漿的溢流提供了通道(圖12)：深部的巖漿沿著深大斷裂上涌，并且可能會在淺部形成巖漿房，巖漿房在斷裂交叉處開啟，之后巖漿沿著由斷裂形成的通道噴發(fā)或溢流，從而形成了兩種不同類型的火成巖(Utkin, 2006).

圖12 巖石圈分層下的海山鏈和大洋盆地溢流型玄 武巖省形成的動力學(xué)模型(根據(jù)Utkin, 2006修改) 1 巖石圈和特殊巖屑層的水平滑動面； 2 巖石圈底部的斷裂； 3 作為巖漿通道的雁行式排列的斷裂帶； 4 減壓作用下在斷裂帶底部形成的巖漿房； 5 巖石圈底部斷裂在深海板塊表面的投影； 6 深海板塊的斷裂(巖漿在此斷裂與巖石圈底部斷裂的交叉點(diǎn)處噴發(fā)或溢出)； 7 軟流圈鎂鐵質(zhì)巖石和流體沿巖石圈底部斷裂的上涌； 8 巖漿房物質(zhì)向深海板塊的進(jìn) 一步上涌.Fig.12 Geodynamic model of seamount trails and ocean basin flood basalt provinces formation under conditions of the delaminated lithosphere (modified after Utkin, 2006) 1 Surfaces of horizontal slip of the lithosphere and particular lithic sheets; 2 Faults in the lower lithosphere; 3 Faults expressed as en echelon fault zones and served as magma conduits; 4 Magma chambers formed beneath fault zones under decompression; 5 Projection of a fault in the lower lithosphere on the surface of an abyssal plate; 6 Faults in the abyssal plate (magma eruption or overflow takes place at the intersection of this fault with the fault in the lower lithosphere); 7 Ascent of asthenospheric mafic rocks and fluids along the faults in the lower lithosphere; 8 Farther propagation of matter from a magma chamber toward the surface of an abyssal plate.

根據(jù)研究區(qū)斷裂分布、莫霍面深度、磁條帶分布及火成巖分布的特征，進(jìn)一步劃分了12個(gè)構(gòu)造單元(圖13)，其中，構(gòu)造單元U1—U2、U3—U5、U6—U8、U9—U10和U11分別屬于5個(gè)不同的NW向的構(gòu)造帶，且被一級深大斷裂分隔開；構(gòu)造單元U12主要包括馬里亞納弧溝體系.在WPSP，構(gòu)造單元呈NW向條帶狀、NE向塊狀分布的特征；在馬里亞納弧溝體系，構(gòu)造單元呈近N-S向帶狀分布的特征.

圖13 西太平洋中段構(gòu)造單元分布圖Fig.13 Tectonic units of the mid-latitude Western Pacific

4 結(jié)論

本文通過對西太平洋中段的斷裂分布、莫霍面深度、磁條帶分布及火成巖分布的構(gòu)造特征研究，認(rèn)為西太平洋中段構(gòu)造單元的形成與演化和構(gòu)造活動密切相關(guān)，且西太平洋中段的構(gòu)造特征也在一定程度上印證了太平洋的構(gòu)造演化.

以馬里亞納海溝為界，斷裂的特征明顯不同：位于西太平洋海山省(WPSP)的斷裂走向主要是NW(WNW)向和NE(ENE)向，而位于馬里亞納弧溝體系的斷裂走向?yàn)榻麼-S向.本文也識別了NE向和NW向的磁條帶，并圈定了研究區(qū)的火成巖，包括獨(dú)立海山、海山鏈、海嶺、馬里亞納島弧型火成巖以及大洋盆地溢流型玄武巖省.其中，除了圈定的東馬里亞納盆地和皮加費(fèi)他盆地溢流型玄武巖省，還在研究區(qū)北部推測了三個(gè)可能存在的大洋盆地溢流型玄武巖省.多數(shù)海山鏈呈近NW向分布的特征，大洋盆地溢流型玄武巖省呈NW向條帶狀展布、NE向分塊的特征.

通過對研究區(qū)構(gòu)造特征的研究，認(rèn)為斷裂的形成與研究區(qū)的構(gòu)造演化息息相關(guān)，且斷裂對研究區(qū)不同構(gòu)造單元的形成與演化起到了重要作用.磁條帶被斷裂錯(cuò)斷并改造，近NW向的一級深大斷裂晚于磁條帶形成，后被近NE向的一級深大斷裂錯(cuò)斷.火成巖的分布也受控于作為巖漿噴發(fā)或侵入通道的斷裂構(gòu)造：廣泛分布的斷裂為海山區(qū)巖漿的多期噴發(fā)和海盆區(qū)巖漿的溢流提供了通道.獨(dú)立海山、海山鏈、海嶺和大洋盆地溢流型玄武巖省分布在一級深大斷裂的不同側(cè)，而在海山區(qū)和大洋盆地溢流型玄武巖省內(nèi)部通常發(fā)育二級斷裂.在馬里亞納弧溝體系的斷裂帶與其近N-S向的構(gòu)造特征一致.莫霍面的深度通常在一級深大斷裂兩側(cè)發(fā)生突變.獨(dú)立海山、海山鏈及海嶺位于莫霍面凹陷區(qū)，大洋盆地溢流型玄武巖省及磁條帶位于莫霍面隆起區(qū).最終劃分的構(gòu)造單元在WPSP呈NW向條帶狀、NE向塊狀分布的特征，在馬里亞納弧溝體系呈近N-S向帶狀分布的特征.

本文首次采用了重、磁異常數(shù)據(jù)對西太平洋中段進(jìn)行了大尺度的構(gòu)造特征研究，研究結(jié)果與目前的地質(zhì)認(rèn)識相符.通過對斷裂分布、莫霍面深度、磁條帶分布及火成巖分布的研究，得到了西太平洋中段的構(gòu)造特征，并劃分了構(gòu)造單元，為研究西太平洋中段的構(gòu)造演化提供基礎(chǔ)地質(zhì)構(gòu)造依據(jù)，也為其他大洋地區(qū)的構(gòu)造研究提供地球物理技術(shù)支撐.

致謝感謝評審專家提出的修改意見，感謝本文編輯對論文的加工和修改建議.