印度尼西亞北蘇拉威西島弧巖漿作用及其對(duì)板塊俯沖起始的制約

張曉冉 席錦鈺 劉平平 李舢

板塊構(gòu)造理論是地球科學(xué)的革命性突破,為人類(lèi)認(rèn)知固體地球和深刻理解地質(zhì)現(xiàn)象與過(guò)程提供了全新的思路和堅(jiān)實(shí)的理論框架,并與相對(duì)論、量子力學(xué)、分子生物學(xué)一起,被譽(yù)為二十世紀(jì)自然科學(xué)四大奠基性理論(郭令智等, 1984; Silver, 2007; 鄭永飛等, 2015; 肖慶輝等, 2016; 牛耀齡等, 2018; Sunetal., 2020)。作為板塊運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力和固體地球構(gòu)造演化中不可或缺的一環(huán),板塊俯沖是板塊構(gòu)造理論的核心內(nèi)容,然而關(guān)于俯沖是如何開(kāi)始的(即俯沖起始;Subduction Initiation; SI),以及俯沖起始的控制因素和地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制等,仍存在不少爭(zhēng)議(Gurnis, 1992; Erickson, 1993; Solomatov, 2004; Stern, 2004; Hilairetetal., 2007; Arculusetal., 2015; Geryaetal., 2015; Zhangetal., 2016a, b, c, 2019b; 肖慶輝等, 2016; Stern and Gerya, 2018; 牛耀齡等, 2018; Lietal., 2019, 2022; Pandeyetal., 2019; Shervaisetal., 2019, 2021; 宋述光和楊立明, 2019; Cliftetal., 2020; Cramerietal., 2020; Zhouetal., 2020)。其主要原因在于,板塊俯沖起始是一個(gè)相對(duì)短暫的地質(zhì)過(guò)程,與俯沖起始相關(guān)的地質(zhì)記錄易受到后期地質(zhì)過(guò)程(如俯沖、增生、碰撞等)影響而極難保存下來(lái),且現(xiàn)今地球上罕有正在發(fā)生的板塊俯沖起始案例(Stern, 2004; Stern and Gerya, 2018; 陳晨等, 2018)。因此,板塊俯沖起始仍是板塊構(gòu)造理論中研究最為薄弱的環(huán)節(jié),也是地球科學(xué)領(lǐng)域急需解決的難點(diǎn)問(wèn)題。

1 板塊俯沖起始的研究現(xiàn)狀

1.1 理論模型與地質(zhì)記錄

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái),對(duì)板塊俯沖起始的成因和機(jī)制的研究從未停止,已取得的成果主要來(lái)自數(shù)值與物理模擬(Solomatov, 2004; Baesetal., 2016; Maoetal., 2017; Zhong and Li, 2019, 2020; Zhouetal., 2020)和實(shí)例研究(Taylor and Goodliffe, 2004; Choietal., 2008; Geryaetal., 2015; Bhowmik and Ao, 2016; Guilmetteetal., 2018; Lietal., 2020)。目前,關(guān)于板塊俯沖起始的形成機(jī)制或控制因素存在多種假說(shuō),主要包括:(1)由轉(zhuǎn)換斷層轉(zhuǎn)變而來(lái);(2)由洋殼內(nèi)斷裂轉(zhuǎn)變形成;(3)微陸塊、島弧、海底高原等碰撞或拼貼后,早期俯沖帶向大洋方向躍遷或遷移;(4)洋殼內(nèi)存在顯著的年齡差異導(dǎo)致橫向密度差異,在洋殼板塊斷裂帶或薄弱帶形成新的俯沖;(5)早期俯沖帶發(fā)生俯沖極性倒轉(zhuǎn);(6)大陸或島弧邊緣沉積加載;(7)板塊運(yùn)動(dòng)作用力匯聚于大洋板塊邊緣的斷裂薄弱帶;(8)巖石圈中存在由斷裂作用形成的拉張解耦;(9)巖石圈橫向組分浮力差導(dǎo)致Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性;(10)板塊運(yùn)動(dòng)速度或方向的改變;(11)巖石圈小尺度對(duì)流;(12)地幔柱頂部邊緣,熱化學(xué)作用導(dǎo)致周邊洋殼板塊坍塌形成新的俯沖;(13)隕石撞擊等(Gurnis, 1992; Erickson, 1993; Kemp and Stevenson, 1996; Niuetal., 2003; Solomatov, 2004; Stern, 2004; Hilairetetal., 2007; Uedaetal., 2008; Van Der Leeetal., 2008; Nikolaevaetal., 2010; Arculusetal., 2015; Geryaetal., 2015; O’Neilletal., 2017; Stern and Gerya, 2018; Pandeyetal., 2019; Cliftetal., 2020; Cramerietal., 2020; Sunetal., 2020; Whattametal., 2020; Zhong and Li, 2020; Zhouetal., 2020; Zhangetal., 2022)。

在總結(jié)前人認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,Stern (2004)根據(jù)驅(qū)動(dòng)力來(lái)源的不同,將俯沖帶分為自發(fā)俯沖(Spontaneous Subduction Initiation; SSI)和誘發(fā)俯沖(Induced Subduction Initiation; ISI)兩類(lèi)(圖1)。自發(fā)俯沖往往由板塊自身內(nèi)部因素(如轉(zhuǎn)換斷層轉(zhuǎn)變、被動(dòng)大陸邊緣坍塌、板塊內(nèi)年齡差異形成的橫向密度差異等)控制,在走滑斷層或巖石圈薄弱帶形成俯沖起始并達(dá)到自我維持,典型實(shí)例如始新世西太平洋伊豆-小笠原-馬里亞納(Izu-Bonin-Marianna; IBM)俯沖帶、直布羅陀島弧(Gibraltar Arc),白堊紀(jì)加勒比海(Caribbean)俯沖帶。相對(duì)的,誘發(fā)俯沖則需要外在的熱化學(xué)或應(yīng)力作用,是由板塊之外的因素(如微陸塊或海底高原等碰撞拼貼、俯沖極性倒轉(zhuǎn)等)影響,在已有薄弱結(jié)構(gòu)位置形成新的板塊俯沖,典型實(shí)例如中新世所羅門(mén)島弧(Solomon Arc)。盡管依舊存在不少懸而未決的謎題,以上兩種分類(lèi)是目前普遍接受的觀點(diǎn)(Guilmetteetal., 2018; Stern and Gerya, 2018; Zhong and Li, 2019; Zhouetal., 2020)。

圖1 板塊俯沖起始機(jī)制劃分與實(shí)例(據(jù)Stern and Gerya, 2018修改)Fig.1 General classes, subclasses and examples of how subduction zones form (modified after Stern and Gerya, 2018)

目前認(rèn)為,可能與板塊俯沖起始相關(guān)的地質(zhì)記錄主要有蛇綠巖、變質(zhì)底板、與俯沖相關(guān)的變質(zhì)巖(如藍(lán)片巖、榴輝巖等)、被動(dòng)大陸邊緣、轉(zhuǎn)換斷層、弧前巖漿巖石地球化學(xué)和同位素等。其中,研究相對(duì)較好并被多數(shù)學(xué)者認(rèn)可的主要有三種:(1)含玻安巖的特殊巖石組合; (2)俯沖帶(SSZ)型蛇綠巖;(3)變質(zhì)底板。

(1)含玻安巖的特殊巖石組合:通過(guò)對(duì)伊豆-小笠原-馬里亞納(IBM)俯沖帶樣品進(jìn)行詳細(xì)研究發(fā)現(xiàn),存在一套特殊的巖石組合,其底部為拉斑質(zhì)弧前(或前弧)玄武巖(FAB),向上漸變?yōu)椴０矌r(Boninite),最上部則轉(zhuǎn)為拉斑質(zhì)至鈣堿性巖漿,分別對(duì)應(yīng)早期拉張背景和后期俯沖改造環(huán)境(Ishizukaetal., 2011)。其中早期弧前玄武巖具有與洋中脊玄武巖類(lèi)似的地球化學(xué)特征,而后期的鈣堿性巖漿已具有明顯的俯沖帶地球化學(xué)特征。同時(shí),由于弧前環(huán)境中不同性質(zhì)巖漿源區(qū)、流體、沉積物的相互作用,形成成分多變的弧前環(huán)境玄武巖,如富鈮玄武巖、低硅玻安巖、高硅玻安巖、高鎂安山巖等。值得注意的是,玻安巖(特別是高硅玻安巖)被認(rèn)為是俯沖板塊脫水形成的富集不相容元素的流體引起地幔楔虧損地幔部分(地幔橄欖巖)在低壓高溫條件下高程度部分熔融的產(chǎn)物。因此,多數(shù)學(xué)者將弧前玄武巖+玻安巖的巖石組合作為板塊俯沖起始的巖石學(xué)證據(jù)(Arculusetal., 2015; Lietal., 2019, 2020; Ishizukaetal., 2020)。

(2)SSZ型蛇綠巖:蛇綠巖的形成和就位與板塊運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)(Dilek and Furnes, 2014; Yangetal., 2021)。研究表明,全球范圍內(nèi)出露的蛇綠巖,絕大部分屬于SSZ型蛇綠巖,其形成與洋殼板塊俯沖緊密相關(guān)(Pearce, 2003; Stern, 2004)。史仁燈(2005)進(jìn)一步提出,洋內(nèi)俯沖作用是形成SSZ型蛇綠巖的主要機(jī)制。通過(guò)對(duì)IBM俯沖帶弧前地區(qū)采樣,發(fā)現(xiàn)SSZ型蛇綠巖,其巖石組合自下而上依次為地幔橄欖巖、輝長(zhǎng)巖、席狀巖墻、枕狀熔巖(Stern, 2004; Ishizukaetal., 2011; Lietal., 2019; Reaganetal., 2019)。以上兩者的緊密組合關(guān)系進(jìn)一步表明,SSZ型蛇綠巖很可能形成于俯沖起始階段的弧前環(huán)境。因此,明確SSZ型蛇綠巖的形成時(shí)代與構(gòu)造就位過(guò)程,可以為板塊俯沖起始研究提供重要制約。

(3)變質(zhì)底板:變質(zhì)底板(Metamorphic Sole)的形成與蛇綠巖構(gòu)造就位過(guò)程中熱變質(zhì)作用有關(guān)(Wakabayashi and Dilek, 2003)。蛇綠巖變質(zhì)底板的厚度可達(dá)500m,多數(shù)位于蛇綠巖地幔橄欖巖底部或包裹于地幔橄欖巖內(nèi)部。研究表明,變質(zhì)底板呈現(xiàn)倒轉(zhuǎn)變質(zhì)梯度,其上部為角閃巖相-麻粒巖相變質(zhì),而下部為綠片巖相變質(zhì)(Dilek, 2003; Wakabayashi and Dilek, 2003; Dilek and Furnes, 2014)。倒轉(zhuǎn)變質(zhì)梯度的形成,與蛇綠巖就位過(guò)程中,位于上盤(pán)且高溫的超基性巖(蛇綠巖底部地幔橄欖巖)沿?cái)鄬幽鏇_至下盤(pán)基性與沉積巖(變質(zhì)底板)之上有關(guān)。由此可見(jiàn),變質(zhì)底板是蛇綠巖構(gòu)造就位過(guò)程中熱效應(yīng)的產(chǎn)物。已有年代學(xué)研究表明,多數(shù)變質(zhì)底板中變質(zhì)巖的冷卻年齡與上覆蛇綠巖的結(jié)晶年齡接近,表明這些蛇綠巖在形成后不久便構(gòu)造就位(Plunderetal., 2016; Guilmetteetal., 2018)。因此,變質(zhì)底板通常被認(rèn)為是形成于俯沖起始的初始或早期階段,它的出現(xiàn)是SSZ蛇綠巖形成并快速就位的關(guān)鍵證據(jù)(Wakabayashi and Dilek, 2003)?？梢?jiàn),變質(zhì)底板的變質(zhì)時(shí)代研究具有重要意義,不僅可以制約SSZ型蛇綠巖的就位過(guò)程,還可以限定板塊俯沖起始的具體時(shí)間和早期俯沖演化。

綜上,弧前玄武巖和玻安巖是板塊俯沖起始初始階段伸展環(huán)境下的產(chǎn)物。弧前玄武巖起源于虧損地幔且源區(qū)未受俯沖組分影響,并不富集不相容元素(如Rb、Sr、Cs、Ba等);玻安巖多富集不相容元素而極度虧損高場(chǎng)強(qiáng)和重稀土元素,且玻安質(zhì)巖漿事件總體要晚于弧前玄武質(zhì)巖漿事件。同時(shí),SSZ型蛇綠巖的形成和快速就位,以及伴生的具有倒轉(zhuǎn)變質(zhì)梯度的變質(zhì)底板,被認(rèn)為與板塊俯沖起始有關(guān),且變質(zhì)底板多形成于板塊俯沖起始的初始階段,并稍晚于(通常在2個(gè)百萬(wàn)年以內(nèi))蛇綠巖的就位啟動(dòng)時(shí)間。因此,弧前玄武巖、玻安巖、SSZ型蛇綠巖和變質(zhì)底板是目前認(rèn)識(shí)和制約板塊俯沖起始的關(guān)鍵地質(zhì)記錄。

另外,在俯沖起始過(guò)程中形成的基性巖(如FAB、玻安巖、富鈮玄武巖和高鎂安山巖等),往往以巖脈(主要為輝綠巖或輝長(zhǎng)巖)的形式侵入到SSZ型蛇綠巖和變質(zhì)底板中,從而得以保存下來(lái)并出露(Dileketal., 1999; Dilek and Furnes, 2014; Pearce, 2014)。因此,厘清這些成分多變的基性巖脈的野外產(chǎn)狀、形成時(shí)代、地球化學(xué)成分和巖漿源區(qū)等特征,便可為俯沖起始研究提供更為豐富的信息。同時(shí),有研究認(rèn)為蛇綠巖中的高Cr型鉻鐵礦的形成可能與玻安質(zhì)熔體有關(guān),但該觀點(diǎn)還存在不少爭(zhēng)議,需要后續(xù)進(jìn)一步詳細(xì)研究(蘇本勛等, 2018; Yangetal., 2021)。

總之,尋找更多的不同類(lèi)型的地質(zhì)記錄,并對(duì)其開(kāi)展系統(tǒng)的研究工作,將有助于進(jìn)一步理解和制約俯沖起始的時(shí)限和機(jī)制。

1.2 經(jīng)典案例

關(guān)于板塊俯沖起始的機(jī)制和控制因素,最新最全面的研究資料和成果多數(shù)來(lái)自伊豆-小笠原-馬里亞納(IBM)俯沖帶。目前認(rèn)為,西太平洋板塊在52Ma左右沿IBM開(kāi)始俯沖,并保存下來(lái)較為完整的可能與俯沖起始相關(guān)的一些地質(zhì)記錄,如洋底擴(kuò)張、FAB與玻安巖等基性巖漿巖、SSZ型蛇綠巖等。因此,IBM被眾多學(xué)者認(rèn)為是研究板塊俯沖起始的絕佳場(chǎng)所(Stern, 2004; Stern and Gerya, 2018)。

近幾十年內(nèi),美國(guó)自然科學(xué)基金委與國(guó)際大洋鉆探計(jì)劃(Integrated Ocean Drilling Program; IODP),先后投入大量科研經(jīng)費(fèi),開(kāi)展多次航次鉆探取樣,對(duì)西太平洋新生代板塊俯沖起始機(jī)制開(kāi)展了系統(tǒng)研究?，F(xiàn)有成果認(rèn)為,IBM俯沖帶屬于自發(fā)俯沖起始,其形成可能與洋殼內(nèi)年齡差異導(dǎo)致的橫向密度差異有關(guān)(Arculusetal., 2015; Maunderetal., 2020)。同時(shí)根據(jù)區(qū)域內(nèi)開(kāi)展的拖網(wǎng)、深潛、鉆孔采樣發(fā)現(xiàn),IBM俯沖起始早期產(chǎn)物為一套弧前玄武巖,緊隨其后是一套特殊的玻安巖(包括低硅玻安巖和高硅玻安巖),之后隨著俯沖過(guò)程達(dá)到自我維持,弧巖漿轉(zhuǎn)變?yōu)槔咧菱}堿性巖漿(圖2)。其中,玻安巖被認(rèn)為與俯沖板塊脫水引起淺部的虧損地幔部分高程度熔融有關(guān)。因此,目前多數(shù)學(xué)者將弧前玄武巖+玻安巖的巖石組合作為可以指示板塊俯沖起始的巖石學(xué)證據(jù)(Arculusetal., 2015),并被應(yīng)用到其他大洋的板塊俯沖起始研究(如古亞洲洋;Lietal., 2020)。通過(guò)對(duì)IBM俯沖帶弧前地區(qū)詳盡采樣發(fā)現(xiàn)(圖2),IBM弧前地體與世界上一些經(jīng)典的SSZ型蛇綠巖(例如塞浦路斯的Troodos蛇綠巖和阿曼的Semail蛇綠巖)在巖石組合方面(自下而上依次為地幔橄欖巖、輝長(zhǎng)巖、席狀巖墻)非常相似。因此,SSZ型蛇綠巖的形成和就位也被認(rèn)為可能與俯沖起始緊密相關(guān)(Stern, 2004; Ishizukaetal., 2011; Reaganetal., 2019)。

圖2 IBM俯沖帶前弧地層剖面及特殊巖石組合(據(jù)肖慶輝等, 2016; Ishizuka et al., 2020修改)Fig.2 IBM forearc sequence and special rock association (modified after Xiao et al., 2016; Ishizuka et al., 2020)

根據(jù)最新研究資料(Stern, 2004; Metcalf and Shervais, 2008; Reaganetal., 2010; 肖慶輝等, 2016; Stern and Gerya, 2018; 陳晨等, 2018; Lietal., 2019, 2022; Shervaisetal., 2019, 2021; Whattametal., 2020),IBM俯沖帶自發(fā)俯沖起始過(guò)程可分為以下3個(gè)階段:

(1)幼年弧:在已有薄弱帶(轉(zhuǎn)換斷層)兩側(cè),太平洋板塊內(nèi)可能存在年齡、厚度、密度或溫度等方面的差異,從而導(dǎo)致太平洋巖石圈沿轉(zhuǎn)換斷裂發(fā)生斷裂錯(cuò)位,在斷裂的一側(cè),年齡相對(duì)較老的低溫高密度太平洋板塊因重力失穩(wěn)而發(fā)生下沉,從而為軟流圈上涌提供了空間,上涌的軟流圈發(fā)生減壓熔融作用形成了具有似洋中脊玄武巖的最早期巖漿活動(dòng)FAB,同時(shí)在伸展擴(kuò)張前弧處可能形成了SSZ型蛇綠巖。

(2)過(guò)渡弧:隨著太平洋巖石圈逐步下沉,在弧后位置形成伸展拉張環(huán)境,形成小笠原海槽。在此階段,俯沖太平洋板片發(fā)生一定程度脫水,形成富含不相容元素的流體,引起地幔楔地幔橄欖巖在低壓高溫條件下發(fā)生高程度部分熔融,從而形成玻安巖。同時(shí),伴隨太平洋巖石圈下沉,軟流圈重新組織對(duì)流循環(huán)作用,下沉板片上覆的殼源物質(zhì)(如海洋沉積物、蝕變洋殼等)不同程度地參與成巖作用,形成化學(xué)成分變化多樣的基性巖漿。

(3)成熟弧:太平洋巖石圈繼續(xù)下沉到一定深度形成可以自我維持的俯沖作用,并在弧前位置形成小笠原海脊和島弧,在弧后位置則形成了漸新世-現(xiàn)今的島弧。在此階段,俯沖角度可能開(kāi)始發(fā)生變化,并伴隨著俯沖太平洋板塊的脫水作用,地幔楔虧損地幔在流體作用下發(fā)生部分熔融,形成更具俯沖帶地球化學(xué)特征的鈣堿性巖漿。

鑒于IBM俯沖帶及其弧前玄武巖和玻安巖在板塊俯沖起始研究中的重要性,對(duì)其巖石成因、巖漿源區(qū)性質(zhì)和成巖過(guò)程的深入探討從未停止。IODP 352航次所獲巖芯的高精度定年結(jié)果顯示,FAB巖漿活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間僅為約1.2～0.6Myr,這與IBM其他部位獲得的年齡結(jié)果十分一致,表明IBM俯沖帶俯沖起始可能是一個(gè)整體的快速事件。最近,Lietal.(2019)通過(guò)對(duì)小笠原弧前玄武巖和玻安巖樣品進(jìn)行詳細(xì)的地球化學(xué)研究,發(fā)現(xiàn)早期的低硅玻安巖巖漿源區(qū)的富集組分主要來(lái)自蝕變洋殼熔體,沉積物貢獻(xiàn)不明顯,而晚期的高硅玻安巖巖漿源區(qū)中有更多的沉積物參與。作者認(rèn)為,低硅玻安巖的形成與太平洋板塊角閃巖相熔體交代并導(dǎo)致地幔楔虧損地幔進(jìn)一步熔融有關(guān),而高硅玻安巖的形成則與弧前增生楔沉積物隨著俯沖板片下沉到一定深度而釋放流體參與玻安巖成巖作用有關(guān)。該研究證實(shí)了小笠原玻安巖的地幔源區(qū)經(jīng)歷了洋殼熔體的交代,進(jìn)一步厘清了IBM玻安巖與板塊俯沖起始的內(nèi)在聯(lián)系,并認(rèn)為洋殼角閃巖相熔融是俯沖起始的一個(gè)重要標(biāo)志。在詳細(xì)分析小笠原群島弧前玻安巖的B-Sr-Nd-Pb-Hf同位素的基礎(chǔ)上,Lietal.(2022)發(fā)現(xiàn)低硅玻安巖的源區(qū)含有太平洋板塊下洋殼輝長(zhǎng)巖的熔體,并認(rèn)為IBM俯沖起始最早期的低角度俯沖過(guò)程中,最先發(fā)生熔融的板塊物質(zhì)是下洋殼輝長(zhǎng)巖。同時(shí),作者也對(duì)IBM俯沖起始的動(dòng)力學(xué)機(jī)制提出質(zhì)疑,認(rèn)為IBM板塊俯沖起始應(yīng)為太平洋板塊側(cè)向擠入到原菲律賓板塊之下(即IBM可能是全球板塊構(gòu)造調(diào)整背景之下的誘發(fā)俯沖),而非之前認(rèn)為的由兩個(gè)板塊年齡(或密度)差異而導(dǎo)致的垂向下沉(自發(fā)俯沖)。另外,針對(duì)IBM的板塊俯沖起始機(jī)制,最新的二維動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由板塊內(nèi)部垂向作用力(板塊內(nèi)部密度差導(dǎo)致的重力差)主導(dǎo)的俯沖起始過(guò)程可以很好的解釋IBM弧前和弧后巖漿序列的時(shí)空分布,而由遠(yuǎn)場(chǎng)水平推力主導(dǎo)的俯沖起始過(guò)程則無(wú)法形成弧前FAB巖漿(Maunderetal., 2020)。

1.3 實(shí)例稀缺且現(xiàn)有理論和模式存在不足

盡管以上實(shí)例研究和模擬實(shí)驗(yàn)取得了一系列創(chuàng)新性成果,為深刻理解板塊俯沖起始過(guò)程和機(jī)制做出了重要貢獻(xiàn)(Solomatov, 2004; Taylor and Goodliffe, 2004; Choietal., 2008; Geryaetal., 2015; Baesetal., 2016; Bhowmik and Ao, 2016; Guilmetteetal., 2018; Lietal., 2020; Zhong and Li, 2020; Zhouetal., 2020),但板塊俯沖起始的具體地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制和控制因素至今仍懸而未決。

由于缺少現(xiàn)今實(shí)例和對(duì)比研究,已有研究仍存在不妥和不足之處:

(1)目前成果和模式過(guò)度依賴IBM俯沖帶和阿曼蛇綠巖的巖石學(xué)證據(jù),而這兩個(gè)地區(qū)樣品的獲取受到人為和技術(shù)等方面的影響而存在一定程度的偏差,例如目前技術(shù)手段仍無(wú)法鉆透巨厚的島弧地殼,無(wú)法獲得真正的基底樣品,無(wú)法對(duì)俯沖帶海溝-前弧-后弧環(huán)境進(jìn)行連續(xù)采樣,鉆孔取樣僅能獲得少量且局限的樣品,存在一定的隨機(jī)性和片面性(牛耀齡等, 2018)。

(2)IBM和阿曼的俯沖起始時(shí)代相對(duì)較老(分別為約50Ma和約104～95Ma),部分與俯沖起始相關(guān)的重要地質(zhì)信息(如俯沖起始早期的板塊脫水、流體作用機(jī)理、殼幔物質(zhì)能量交換、上覆地殼變形等)很可能隨著后續(xù)俯沖作用而丟失。

(3)已有板塊俯沖起始機(jī)制仍存在局限性,無(wú)法在力學(xué)角度上給出完善的解釋,更無(wú)法預(yù)測(cè)新的俯沖帶的形成位置。最為關(guān)鍵的是,由于現(xiàn)今地球上罕有正在發(fā)生的板塊俯沖起始案例,目前已有研究成果和俯沖起始模式無(wú)法進(jìn)行詳盡的對(duì)比研究,無(wú)法得到更進(jìn)一步的檢驗(yàn)和改進(jìn)。部分俯沖起始模式存在很大的局限性且并不能夠得到普遍認(rèn)可。

(4)玻安巖和FAB是否是俯沖起始的必然產(chǎn)物?現(xiàn)有研究已經(jīng)表明,玻安巖在其他構(gòu)造環(huán)境中也有發(fā)現(xiàn)(如海底平原、洋島火山、陸弧碰撞、洋殼板片邊緣、前弧擴(kuò)張中心等;Pearce and Arculus, 2021)。

(5)是否存在其他的不同的巖石組合,同樣可以用來(lái)指示板塊俯沖起始?

(6)板塊俯沖起始是否必定會(huì)伴隨SSZ型蛇綠巖和變質(zhì)底板的形成?也即,是否所有的SSZ型蛇綠巖和變質(zhì)底板的形成和就位都與板塊俯沖起始有關(guān)?

(7)不同構(gòu)造背景和地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制下的板塊俯沖起始,會(huì)有哪些不同或相同的地質(zhì)(如巖石學(xué))和地球物理記錄?更進(jìn)一步,不同時(shí)代的板塊俯沖起始有何異同?

類(lèi)似的問(wèn)題還有很多?？梢?jiàn),關(guān)于板塊俯沖起始,現(xiàn)有理論和模式的最大問(wèn)題在于實(shí)例的稀少,無(wú)法進(jìn)行詳盡的對(duì)比研究。因此,板塊俯沖起始研究迫切需求更多的實(shí)例,特別是更為年輕的或正在發(fā)生的俯沖起始案例,以進(jìn)行更直接、更全面的觀測(cè)和多學(xué)科綜合對(duì)比研究,從而完善板塊俯沖起始機(jī)制,填補(bǔ)板塊構(gòu)造理論的薄弱環(huán)節(jié)。

2 板塊俯沖起始研究的天然實(shí)驗(yàn)室——印尼北蘇拉威西島弧

印度尼西亞島鏈位于東南亞地區(qū)的東南端(圖3a),處于太平洋-菲律賓海板塊、印度-澳大利亞板塊、歐亞大陸板塊聯(lián)合匯聚的特殊且復(fù)雜的構(gòu)造域內(nèi)(Metcalfe, 1996; Hall, 2012; Zhangetal., 2018, 2019a, 2020, 2023)。自晚中生代以來(lái),伴隨著三大板塊的聯(lián)合匯聚以及來(lái)自東岡瓦納大陸北緣的微陸塊、洋內(nèi)弧、海底高原、增生雜巖等不同地質(zhì)體的俯沖、碰撞、拼貼、增生,該區(qū)域形成了典型的多島海俯沖-增生造山系統(tǒng)。復(fù)雜的構(gòu)造背景和殼幔物質(zhì)能量交換,使得該區(qū)域成為現(xiàn)今板塊運(yùn)動(dòng)最為活躍、火山地震活動(dòng)最為頻繁、各種地質(zhì)過(guò)程和現(xiàn)象最為集中且年輕的地區(qū)之一,同時(shí)中-新生代多島海俯沖-增生過(guò)程以及廣泛發(fā)育的俯沖帶和縫合帶使得該區(qū)域成為板塊俯沖起始及其地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制、俯沖過(guò)程與巖漿響應(yīng)、島弧巖漿節(jié)律與控制因素、蛇綠巖形成與就位機(jī)制、增生型造山作用等地球科學(xué)領(lǐng)域重點(diǎn)和難點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題研究的天然實(shí)驗(yàn)室(Metcalfe, 1996, 2011, 2013; Hall, 2012; Zhangetal., 2019b, 2022)。

圖3 印度尼西亞島鏈簡(jiǎn)圖(a)和北蘇拉威西島弧地質(zhì)簡(jiǎn)圖(b)(據(jù)Sukamto et al., 1994; Zhang et al., 2022修改)Fig.3 Simplified geological maps of the Indonesian archipelago (a) and the North Sulawesi Arc (b) (modified after Sukamto et al., 1994; Zhang et al., 2022)

2.1 地質(zhì)背景

蘇拉威西島位于印度尼西亞島鏈的中部(圖3),其北為西里伯斯海(Celebes Sea),西為望加錫海峽(Makassar Strait),南為弗洛勒斯海(Flores Sea),東為班達(dá)海(Banda Sea),東北為馬魯古海(Molucca Sea)。該島大體可被劃分為6個(gè)構(gòu)造單元,分別是北蘇拉威西島弧(North Sulawesi Arc)、西蘇拉威西(West Sulawesi)、中部變質(zhì)帶(Central Sulawesi Metamorphic Belt)、東部蛇綠巖(Eastern Sulawesi Ophiolites;主要分布于蘇拉威西島東支和東南支)、Banggai-Sula微陸塊和Tukang Besi-Buton微陸塊(Silveretal., 1983b; Surmontetal., 1994; Monnieretal., 1995; Polvéetal., 1997; Elburg and Foden, 1998; Parkinson, 1998; Elburgetal., 2003; Hennigetal., 2016; Maulanaetal., 2016; van Leeuwenetal., 2016; Whiteetal., 2017; Zhangetal., 2021, 2022)。以下重點(diǎn)介紹北蘇拉威西島弧。

圖3b為北蘇拉威西島弧的簡(jiǎn)要地質(zhì)圖(Sukamtoetal., 1994; Zhangetal., 2022)。已有巖石學(xué)、年代學(xué)、構(gòu)造演化重建模式認(rèn)為,北蘇拉威西島弧主要由新生代島弧巖漿巖與沉積巖組成,下覆為始新世洋殼基底,其形成可能與始新世期間印度洋洋殼北向俯沖有關(guān)(Kavalierisetal., 1992; Sukamtoetal., 1994; Ranginetal., 1997; Elburg and Foden, 1998; Hall, 2012)。目前,在北蘇拉威西島弧內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)古老大陸地殼基底,也未發(fā)現(xiàn)中新世超鉀質(zhì)超基性-基性巖,以上兩點(diǎn)是北蘇拉威西島弧與同期西蘇拉威西島弧的最主要區(qū)別(Zhangetal., 2020)。早中新世期間,馬魯古海開(kāi)始向北俯沖到北蘇拉威西之下,并逐漸向東遷移,在該島弧東北角形成了現(xiàn)今仍活躍的桑義赫島弧(Sangihe Arc;圖3b)。

北蘇拉威西島弧洋殼基底在區(qū)域內(nèi)廣泛分布,并具有弧后盆地玄武巖的地球化學(xué)特征,因此有學(xué)者認(rèn)為這些基底洋殼可能與西里伯斯?；『髷U(kuò)張有關(guān)。Polvéetal.(1997)報(bào)道了約50～40Ma的具有弧后盆地玄武巖地球化學(xué)特征的玄武巖和輝長(zhǎng)巖。但也有學(xué)者認(rèn)為,在北蘇拉威西島弧內(nèi)并沒(méi)有48～43Ma期間的與西里伯斯?；『髷U(kuò)張同期的巖漿記錄(Ranginetal., 1997)。使用全巖或礦物K-Ar和Ar-Ar定年,Ranginetal.(1997)在北蘇拉威西島弧內(nèi)發(fā)現(xiàn)了37±1.5Ma和22.5～18.4Ma兩期侵入巖且都具有鈣堿性地球化學(xué)特征(圖4),同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了28.3±0.7Ma、18～17.5Ma和3.9±1.9Ma三期拉斑質(zhì)-鈣堿性玄武巖。在北蘇拉威西島弧中部,中酸性鈣堿性巖漿也普遍發(fā)育,并可能從早中新世持續(xù)到了早上新世(Polvéetal., 1997)。

圖4 北蘇拉威西島弧代表性酸性島弧巖漿巖野外照片與鏡下照片(a-c)和代表性島弧巖漿巖地球化學(xué)特征(d, 據(jù)Bas et al., 1986; e, 據(jù)Peccerillo and Taylor, 1976; f, 據(jù)Sylvester, 1998; g, 據(jù)Dostal et al., 1996)紅色粗線長(zhǎng)度為500μm. K-Ar和Ar-Ar年齡樣品數(shù)據(jù)來(lái)自Polvé et al. (1997), Rangin et al. (1997), Elburg and Foden (1998). 鋯石U-Pb定年樣品數(shù)據(jù)來(lái)自Zhang et al. (2022). Bt-黑云母;Kfs-鉀長(zhǎng)石;Pl-斜長(zhǎng)石;Q-石英Fig.4 Representative filed photos and photomicrographs of felsic rocks (a-c) and representative geochemical signatures of magmatic rocks (d, after Bas et al., 1986; e, after Peccerillo and Taylor, 1976; f, after Sylvester, 1998; g, after Dostal et al., 1996) from the North Sulawesi Arc Red scale bars are 500μm in length. Data of K-Ar and Ar-Ar dated samples from Polvé et al. (1997), Rangin et al. (1997), and Elburg and Foden (1998); and those of zircon U-Pb dated samples from Zhang et al. (2022). Bt-biotite; Kfs-K-feldspar; Pl-plagioclase; Q-quartz

根據(jù)已有K-Ar和Ar-Ar定年結(jié)果,北蘇拉威西島弧內(nèi)巖漿事件可大體分為兩期:早期(始新世-早中新世)主要發(fā)育鈣堿性島弧巖漿,其形成與印度洋洋殼北向俯沖有關(guān);晚期(中中新世之后)發(fā)育成分復(fù)雜多變的基性-中酸性巖漿,其形成可能受到多種不同構(gòu)造背景的控制(Kavalierisetal., 1992; Polvéetal., 1997; Ranginetal., 1997)。有學(xué)者認(rèn)為,前期和后期巖漿性質(zhì)的明顯改變,可能與中中新世(約15～13Ma)Tukang Besi-Buton微陸塊碰撞拼貼到蘇拉威西有關(guān)(Elburg and Foden, 1998; Elburgetal., 2003)。

根據(jù)已有構(gòu)造、海洋地球物理探測(cè)、海底鉆探資料,西里伯斯海被認(rèn)為是一個(gè)弧后盆地或邊緣海,其形成與早始新世期間印度洋洋內(nèi)俯沖作用有關(guān)。其構(gòu)造演化可總結(jié)如下(Silveretal., 1983b; Surmontetal., 1994; Polvéetal., 1997; Hall, 2012):(1)早始新世期間(約50～45Ma),區(qū)域內(nèi)印度洋洋殼俯沖作用發(fā)生改變,導(dǎo)致西里伯斯海以弧后盆地的方式打開(kāi)并隨后擴(kuò)張,期間西里伯斯海與同樣處于擴(kuò)張狀態(tài)的西菲律賓海通過(guò)轉(zhuǎn)換斷層的方式相連接;(2)晚始新世期間(約40～30Ma),西里伯斯海在～40Ma左右停止擴(kuò)張,而西菲律賓海擴(kuò)張持續(xù)到早漸新世(～30Ma),在此階段內(nèi),印度洋洋殼開(kāi)始在北蘇拉威西南側(cè)形成北向俯沖;(3)晚漸新世期間(～25Ma),隨著印度洋洋殼持續(xù)俯沖,在北蘇拉威西島弧內(nèi)發(fā)育了大量基性和酸性島弧巖漿,同時(shí)隨著澳洲板塊西北前緣Sula Spur向巽他古陸的持續(xù)匯聚并拼貼,西里伯斯海與菲律賓海之間的轉(zhuǎn)換斷層逐漸轉(zhuǎn)變形成馬魯古海俯沖帶,并在蘇拉威西北支東北部形成了現(xiàn)今仍活躍的桑義赫島弧,且晚漸新世之后的桑義赫島弧巖漿具有逐漸向東北方向遷移的趨勢(shì);(4)早-晚中新世期間(約15～5Ma),Tukang Besi-Buton微陸塊碰撞拼貼到蘇拉威西,誘發(fā)班達(dá)海板片向澳洲方向后撤,進(jìn)一步促使北班達(dá)海盆和南班達(dá)海盆的相繼打開(kāi),在此期間,西里伯斯海洋殼板片開(kāi)始向北俯沖到蘇祿群島之下,并持續(xù)到～5Ma左右;(5)早上新世(～5Ma),Banggai-Sula微陸塊碰撞拼貼到蘇拉威西,西里伯斯海洋殼板片開(kāi)始向南俯沖到蘇拉威西島北支之下,期間盡管經(jīng)過(guò)～5Myr的俯沖作用,但目前尚未發(fā)現(xiàn)與西里伯斯海俯沖有關(guān)的島弧巖漿,因此該俯沖作用很可能尚未進(jìn)入俯沖成熟期。地震活動(dòng)資料則顯示,西里伯斯海洋殼板片至少已經(jīng)向南俯沖至～300km的深度,而馬里薩市以南的地震活動(dòng)則可能與印度洋殘留俯沖板片有關(guān)(圖5a, b)。

圖5 北蘇拉威西島弧馬里薩市周邊海拔變化(a)和地震活動(dòng)(b)(數(shù)據(jù)來(lái)自USGS)以及北蘇拉威西島弧已有定年結(jié)果與澳洲板塊北移記錄(c-e)K-Ar定年數(shù)據(jù)來(lái)自Polvé et al. (1997), Rangin et al. (1997), Elburg and Foden (1998); 鋯石U-Pb年齡來(lái)自Zhang et al. (2022). 澳洲板塊北移數(shù)據(jù)來(lái)自Sun et al. (2020). 蛇綠巖和變質(zhì)底板數(shù)據(jù)來(lái)自Parkinson (1998)Fig.5 Altitude profile (a) and seismicity (b) around the city of Marisa in the North Sulawesi Arc (data from USGS) and magmatic records in the North Sulawesi Arc and the northward drifting velocity of the Australian plate (c-e) K-Ar dating results from Polvé et al. (1997), Rangin et al. (1997), and Elburg and Foden (1998); and zircon U-Pb ages from Zhang et al. (2022). The drifting rates of the Australian plate from Sun et al. (2020). Ophiolites and metamorphic sole data from Parkinson (1998)

由上可見(jiàn),北蘇拉威西島弧經(jīng)歷了多期次的板塊俯沖事件,包括早始新世-晚漸新世期間的印度洋洋殼北向俯沖作用、晚漸新世-現(xiàn)今的馬魯古海北向(或西北向)俯沖作用、早上新世-現(xiàn)今的西里伯斯海南向俯沖作用。上述特殊的俯沖-構(gòu)造-巖漿演化過(guò)程,造就了獨(dú)特的北蘇拉威西島弧及其多期次的板塊俯沖起始記錄:較老的(～40Ma)印度洋洋殼俯沖起始、相對(duì)年輕的(約25～15Ma)馬魯古海洋殼俯沖起始、非常年輕的(～5Ma)甚至可能仍處于俯沖起始過(guò)程而尚未進(jìn)入俯沖成熟期的西里伯斯海洋殼俯沖起始。上述處于不同演化階段的俯沖作用和俯沖起始,為深刻理解板塊俯沖起始的具體過(guò)程和地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了絕佳的場(chǎng)所,更為對(duì)比研究不同板塊俯沖起始的地質(zhì)和地球物理記錄提供了天然的實(shí)驗(yàn)室。

2.2 存在的爭(zhēng)議問(wèn)題和研究薄弱環(huán)節(jié)

北蘇拉威西島弧的地學(xué)研究程度相當(dāng)薄弱,總體仍處于起步階段,依舊存在較多爭(zhēng)議問(wèn)題和研究空白。主要不足和問(wèn)題總結(jié)如下:

(1)時(shí)代不清,嚴(yán)重缺乏精確鋯石U-Pb年代學(xué)制約。目前北蘇拉威西島弧巖漿巖的定年方法主要使用全巖或礦物K-Ar或Ar-Ar定年(Polvéetal., 1997; Ranginetal., 1997; Elburgetal., 2003),嚴(yán)重缺少更為精確的鋯石U-Pb定年結(jié)果。更為重要的是,全巖或礦物K-Ar或Ar-Ar年齡,反應(yīng)的是巖漿的冷卻年齡,因此并不能直接用來(lái)限定巖漿巖的侵位或結(jié)晶年齡,盡管對(duì)于部分快速冷卻并侵位結(jié)晶的巖漿巖來(lái)說(shuō),冷卻年齡與結(jié)晶年齡十分接近。另外,K-Ar或Ar-Ar定年易受到后期蝕變或風(fēng)化和過(guò)剩Ar等因素的影響而給出無(wú)地質(zhì)意義的結(jié)果。

(2)構(gòu)造-巖漿演化歷史仍存在爭(zhēng)議并缺少可靠證據(jù)。關(guān)于北蘇拉威西島弧構(gòu)造-巖漿演化歷史,由于缺少關(guān)鍵證據(jù)(如巖漿巖結(jié)晶年齡、變質(zhì)巖變質(zhì)年齡、微陸塊碰撞記錄、斷層活動(dòng)時(shí)間等),仍存在不少爭(zhēng)議和懸而未決的問(wèn)題。例如,該區(qū)域內(nèi)印度洋洋殼俯沖的起始時(shí)間?北蘇拉威西島弧內(nèi)哪些巖體與印度洋洋殼俯沖有關(guān)(及其空間分布)?印度洋洋殼俯沖向馬魯古海北向俯沖轉(zhuǎn)變的具體過(guò)程和控制因素?北蘇拉威西島弧內(nèi)哪些巖體與馬魯古海俯沖有關(guān)(及其空間分布)?西里伯斯海南向俯沖起始的具體時(shí)間?蘇拉威西東部蛇綠巖就位對(duì)北蘇拉威西島弧的影響?兩個(gè)微陸塊具體碰撞拼貼時(shí)間以及對(duì)北蘇拉威西島弧的影響?值得注意的是,目前已有的板塊重建模式(Hall, 2012)是建立在早期K-Ar和Ar-Ar年齡的基礎(chǔ)上,因此需要根據(jù)更可靠且更精確的鋯石U-Pb年齡來(lái)進(jìn)行相應(yīng)修正。

(3)缺少針對(duì)板塊俯沖起始的系統(tǒng)研究。前人主要對(duì)北蘇拉威西島弧巖漿的形成時(shí)代、空間分布、巖石地球化學(xué)特征等進(jìn)行了研究,并取得了不少成果(Kavalierisetal., 1992; Polvéetal., 1997; Elburgetal., 2003)。但是,目前并沒(méi)有重點(diǎn)針對(duì)該區(qū)域內(nèi)板塊俯沖起始記錄、過(guò)程、地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制的研究。例如,該區(qū)域內(nèi)印度洋洋殼俯沖起始的誘因?馬魯古海北向俯沖起始的具體時(shí)間與板塊俯沖起始機(jī)制?西里伯斯海南向俯沖起始的具體時(shí)間和地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制?北蘇拉威西島弧內(nèi)是否發(fā)育與西里伯斯海南向俯沖有關(guān)的巖漿巖?北蘇拉威西島弧是否有與板塊俯沖起始相關(guān)的SSZ型蛇綠巖、變質(zhì)底板、弧前玄武巖、玻安巖等?北蘇拉威西島弧俯沖起始與IBM俯沖帶俯沖起始有何異同?

以上爭(zhēng)議問(wèn)題和研究空白,特別是精確定年的缺失,嚴(yán)重影響了學(xué)者對(duì)北蘇拉威西島弧新生代構(gòu)造-巖漿演化歷史的理解和認(rèn)識(shí),也極大的阻礙了對(duì)北蘇拉威西島弧印度洋(或西里伯斯海和馬魯古海)洋殼俯沖起始具體時(shí)間、過(guò)程和地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制的研究。

3 最新進(jìn)展

近幾年中作者所在團(tuán)隊(duì)多次前往蘇拉威西島和北蘇拉威西島弧進(jìn)行野外調(diào)查和采樣,并獲得了大量資料和數(shù)據(jù)(Zhangetal., 2020, 2021, 2022)。更為重要的是,在結(jié)合前人研究成果的基礎(chǔ)上(Polvéetal., 1997; Ranginetal., 1997; Elburgetal., 2003),這些新的數(shù)據(jù)為初步限定北蘇拉威西區(qū)域內(nèi)印度洋洋殼俯沖起始的時(shí)間和動(dòng)力學(xué)機(jī)制打下了基礎(chǔ)(Zhangetal., 2022)。

3.1 基底年齡、島弧巖漿活動(dòng)時(shí)代與構(gòu)造背景

前人研究中使用的是全巖或礦物K-Ar和Ar-Ar定年(Polvéetal., 1997; Ranginetal., 1997; Elburgetal., 2003),這些年齡需要更可靠的鋯石U-Pb年齡來(lái)進(jìn)一步檢驗(yàn)。例如,最新的鋯石U-Pb定年表明,博羅科花崗巖年齡為27.5±0.4Ma、27.7±0.6Ma、25.9±0.6Ma(Zhangetal., 2022),這些明顯老于之前的K-Ar年齡(22.2±0.5Ma與22.5±0.5Ma;Ranginetal., 1997)?？梢?jiàn),特別是中-酸性巖,K-Ar和Ar-Ar定年結(jié)果不可靠,需要鋯石U-Pb定年來(lái)進(jìn)一步檢驗(yàn)。

而對(duì)于基性巖,目前K-Ar和Ar-Ar定年仍是主流且合適的定年方法。關(guān)于北蘇拉威西基底,Polvéetal.(1997)對(duì)同一塊玄武巖樣品SN8908進(jìn)行了四次K-Ar定年,結(jié)果分別是50.23±6.45Ma、46.07±6.11Ma、41.82±5.96Ma和40.27±5.98Ma,這些是該區(qū)域內(nèi)最老的年齡報(bào)道?？紤]到以上四個(gè)結(jié)果存在較大的誤差,且后兩個(gè)年齡結(jié)果在誤差范圍內(nèi)一致,作者認(rèn)為前兩個(gè)年齡不可靠,并使用后兩年齡的加權(quán)平均值(即41±6Ma)作為該玄武巖的最佳冷卻年齡(可能接近其結(jié)晶年齡)。同時(shí),Polvéetal.(1997)還報(bào)道了另一個(gè)弧后盆地型玄武巖樣品B34,其K-Ar年齡為37.02±1.09Ma,這目前是北蘇拉威西內(nèi)最年輕的弧后盆地型基底。因此,作者認(rèn)為北蘇拉威西基底的形成時(shí)間為約41～37Ma。北蘇拉威西弧后盆地型基性基底的形成,很可能與西里伯斯海自約48～43Ma開(kāi)始的弧后擴(kuò)張有關(guān),這已被自西里伯斯海和西菲律賓海的海底磁性異常數(shù)據(jù)證實(shí)(Kavalierisetal., 1992; Polvéetal., 1997; Ranginetal., 1997)。在此過(guò)程中,北蘇拉威西島弧內(nèi)并沒(méi)有島弧巖漿記錄(Polvéetal., 1997; Ranginetal., 1997),也即沒(méi)有俯沖作用。

作者在北蘇拉威西島弧的不同區(qū)域(特別是島弧南北兩側(cè)的博羅科、賓陶納、馬里薩、哥倫打洛省等交通便利的城鎮(zhèn)周邊;圖3b、圖4)系統(tǒng)采集了中酸性侵入巖(如閃長(zhǎng)巖、花崗巖等)。這些巖體具有典型的與俯沖帶相關(guān)地球化學(xué)特征,如稀土元素的高分異,大離子親石元素富集,高場(chǎng)強(qiáng)元素虧損,并具有明顯的Nb、Ta、Ti負(fù)異常。在典型構(gòu)造判別圖中,它們均投入到島弧花崗巖內(nèi)(圖4;Zhangetal., 2022)。結(jié)合它們侵入到始新世基底中,可以認(rèn)為這些侵入巖形成于島弧環(huán)境。其中巖漿鋯石的U-Pb定年結(jié)果為約29.7～16.7Ma,呈現(xiàn)兩個(gè)峰值分別在約30～24Ma和約20～16Ma(圖5c; Zhangetal., 2022)。結(jié)合前人研究成果(Polvéetal., 1997; Ranginetal., 1997; Elburg and Foden, 1998), 作者認(rèn)為這些約30～24Ma的與俯沖相關(guān)的島弧巖漿巖,很可能與印度洋洋殼北向俯沖到北蘇拉威西基底之下有關(guān)。

另外,作者在該島弧的北緣發(fā)現(xiàn)約9.7～9.4Ma的英安巖,在中部識(shí)別出～9.2Ma的閃長(zhǎng)巖,以及在島弧南緣甄別出約6.8～4.1Ma的英安巖和安山巖(圖3b、圖5)。同期巖漿作用前人也有報(bào)道(Polvéetal., 1997; Ranginetal., 1997),如島弧南緣的約8.8～5.4Ma的花崗閃長(zhǎng)巖和～7.0Ma的安山巖。這些巖體均具有典型俯沖帶相關(guān)的地球化學(xué)特征。作者初步認(rèn)為,它們的形成可能與西里伯斯海南向俯沖到北蘇拉威西島弧之下有關(guān)。然而,目前的板塊重建模式認(rèn)為西里伯斯海在～5Ma才開(kāi)始南向俯沖(Hall, 2012),因此關(guān)于這些巖體的具體構(gòu)造背景,仍需要進(jìn)一步的研究來(lái)確認(rèn)。

3.2 俯沖起始關(guān)鍵證據(jù)——弧前玄武巖和玻安巖?

目前多數(shù)學(xué)者將弧前玄武巖+玻安巖的巖石組合作為板塊俯沖起始的巖石學(xué)證據(jù)(Ishizukaetal., 2011; Arculusetal., 2015; Lietal., 2019)。盡管類(lèi)似的巖石組合在一些古老的俯沖(或縫合)帶內(nèi)已被發(fā)現(xiàn)(Lietal., 2020),但整體而言,類(lèi)似的巖石組合在現(xiàn)今島弧或古老俯沖系統(tǒng)內(nèi)卻很少出現(xiàn)。具體原因可能有多種,如上覆巖石覆蓋、后期構(gòu)造-熱事件的改造等(Arculusetal., 2015)。

值得注意的是,越來(lái)越多的研究表明玻安巖或者具有相同地球化學(xué)特征的巖石,可以形成于諸多不同的構(gòu)造環(huán)境中,如海底平原、洋島火山、陸弧碰撞、洋殼板片邊緣、前弧擴(kuò)張中心等(Pearce and Arculus, 2021)。另外,通過(guò)對(duì)西菲律賓Central Palawan-Amnay ophiolites的詳細(xì)研究,Yuetal.(2020, 2022)認(rèn)為這些蛇綠巖形成于由海盆擴(kuò)張中心向俯沖帶轉(zhuǎn)變的過(guò)程中,但并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)玻安巖。以上研究表明,關(guān)于俯沖起始,似乎沒(méi)有唯一不變的規(guī)則,也即玻安巖(或弧前玄武巖)可以形成于俯沖起始,但并不是所有的俯沖起始都必須形成玻安巖(或弧前玄武巖)。

在北蘇拉威西島弧內(nèi),目前并沒(méi)有玻安巖(或弧前玄武巖)的報(bào)道。一方面,這可能與該區(qū)域研究程度較低、植被覆蓋嚴(yán)重、露頭出露較差、海水侵蝕和風(fēng)化作用強(qiáng)烈、后期構(gòu)造-巖漿活動(dòng)改造劇烈等因素有關(guān)。另一方面,正如前邊所述,玻安巖(或弧前玄武巖)并非是洋殼俯沖起始的必要產(chǎn)物(Yuetal., 2020, 2022)。更為重要的是,北蘇拉威西島弧的基底為弧后盆地型基性巖,這明顯不同于IBM內(nèi)的典型虧損地幔和MORB型洋殼(Ishizukaetal., 2011)。這樣的差異,也可能是造成北蘇拉威西內(nèi)缺失玻安巖(或弧前玄武巖)的關(guān)鍵因素。另外,最近的模擬研究表明,玻安巖和弧前玄武巖這樣的巖石組合一般出現(xiàn)在類(lèi)似IBM的由內(nèi)在垂直方向上重力差異誘發(fā)的自發(fā)性俯沖起始中,而由遠(yuǎn)場(chǎng)水平應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)型俯沖起始,因缺少巖石圈地幔上涌和減壓部分熔融等,則不利于玻安巖和弧前玄武巖這些巖石的形成(Maunderetal., 2020)。

作者認(rèn)為更多更詳細(xì)更廣泛的采樣,特別是弧前位置的鉆探取樣和海底拖網(wǎng)取樣等,才能確認(rèn)北蘇拉威西島弧內(nèi)是否有玻安巖(或弧前玄武巖),才能進(jìn)一步分析有或沒(méi)有這些巖石的具體成因。

3.3 俯沖起始關(guān)鍵證據(jù)——SSZ型蛇綠巖和變質(zhì)底板?

在北蘇拉威西島弧內(nèi),并沒(méi)有SSZ型蛇綠巖和變質(zhì)底板的報(bào)道,但在臨近的東蘇拉威西蛇綠巖內(nèi),有相關(guān)報(bào)道。而分隔東蘇拉威西蛇綠巖和北蘇拉威西島弧的Gorontalo海灣,被認(rèn)為是在早上新世期間北蘇拉威西海溝后撤形成的拉張環(huán)境下打開(kāi)的(Pholbudetal., 2012)。Parkinson (1998)在東蘇拉威西蛇綠巖內(nèi)發(fā)現(xiàn)了典型的變質(zhì)底板,其內(nèi)包含上部薄層的角閃巖相變質(zhì)的斜長(zhǎng)角閃巖和變基性巖,以及位于下部的綠片巖相變碎屑巖。其中基性巖具有典型MORB地球化學(xué)特征,其變質(zhì)溫度條件為約680～740℃。含石榴子石或綠簾石斜長(zhǎng)角閃巖中的角閃石K-Ar定年表明,高溫變質(zhì)作用時(shí)代為～31Ma。另外,在東蘇拉威西蛇綠巖的其他部位,也有類(lèi)似斜長(zhǎng)角閃巖的發(fā)現(xiàn),它們的K-Ar變質(zhì)年齡為約34～29Ma(Parkinson, 1998)。以上巖石組合、產(chǎn)狀、變質(zhì)溫度壓力條件等均符合典型變質(zhì)底板特征。更為關(guān)鍵的是,這些變質(zhì)年齡與區(qū)域內(nèi)蛇綠巖的最年輕定年結(jié)果(約36～32Ma)十分接近。

盡管,目前關(guān)于東蘇拉威西蛇綠巖的具體形成時(shí)代和背景仍頗具爭(zhēng)議,作者沿用Silveretal.(1983a)和Monnieretal.(1995)的觀點(diǎn),認(rèn)為東蘇拉威西蛇綠巖是一個(gè)復(fù)雜的雜巖體,其內(nèi)包含了各種不同起源和成因的蛇綠巖。進(jìn)一步的,作者認(rèn)為其中部分蛇綠巖和變質(zhì)底板的形成可能與晚始新世期間的一次俯沖起始過(guò)程有關(guān)。

3.4 印度洋洋殼俯沖起始初步認(rèn)識(shí)

目前已有的地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、年代學(xué)等資料表明,在北蘇拉威西,印度洋洋殼的俯沖作用(俯沖起始)可能發(fā)生在約37～30Ma之間,主要的支持證據(jù)有:(1)最年輕的弧后盆地型基性基底年齡為～37Ma(Polvéetal., 1997; Ranginetal., 1997);(2)最老的鈣堿性酸性島弧巖漿年齡為～30Ma(Zhangetal., 2022);(3)臨近的東蘇拉威西蛇綠巖內(nèi)出現(xiàn)約36～32Ma蛇綠巖和約34～29Ma變質(zhì)底板(Parkinson, 1998),而它們的形成很可能與俯沖起始有關(guān)。如果上述觀點(diǎn)正確的話,對(duì)于北蘇拉威西內(nèi)記錄的印度洋洋殼俯沖起始,從俯沖起始到形成俯沖相關(guān)鈣堿性巖漿的時(shí)間間隔最大為～7Myr。近似的時(shí)間間隔(約8～7Myr)在IBM地區(qū)也被觀察到(IBM弧前玄武巖首次出現(xiàn)在約52～51Ma,具有典型俯沖帶地球化學(xué)特征的拉斑和鈣堿性巖漿首次出現(xiàn)在約44～37Ma;Ishizukaetal., 2011)。

關(guān)于板塊俯沖起始的形成機(jī)制或控制因素存在多種假說(shuō)(Stern, 2004)。在北蘇拉威西島弧,根據(jù)已有的板塊重建模式(Nichols and Hall, 1999; Hall, 2012),地幔柱、巖石圈小尺度對(duì)流、熱化學(xué)作用、微陸塊(或海底高原)碰撞或拼貼等模式缺乏可靠證據(jù)支持。同時(shí),該區(qū)域內(nèi)也沒(méi)有早期的洋殼俯沖記錄(Polvéetal., 1997; Ranginetal., 1997),因此俯沖帶極性倒轉(zhuǎn)和俯沖帶躍遷等模式也不適用該區(qū)域內(nèi)的印度洋洋殼俯沖起始。

作者發(fā)現(xiàn),在晚始新世期間,澳洲板塊北漂速度突然急劇增加,由約40～36Ma期間的約4～5cm/yr突然飆升至約36～32Ma期間的約8～9cm/yr(圖5e; Sunetal., 2020)。這樣的突然加速,很可能在區(qū)域范圍內(nèi)形成一個(gè)強(qiáng)烈的擠壓環(huán)境,從而導(dǎo)致西里伯斯海和西菲律賓海的洋盆擴(kuò)張?jiān)凇?3Ma左右逐漸停止(Polvéetal., 1997; Ranginetal., 1997),也可能導(dǎo)致了印度洋洋殼開(kāi)始向北蘇拉威西基底之下俯沖。類(lèi)似的由板塊突然加速導(dǎo)致的洋殼俯沖起始,在白堊紀(jì)期間Arabia和歐亞板塊之間也有記錄(Agardetal., 2007)。另外,印度洋洋殼和北蘇拉威西基底之間的過(guò)渡部分,由于兩者性質(zhì)的截然不同,很可能存在一定的不連續(xù)或薄弱區(qū)域,而這也為洋殼俯沖起始提供了理想環(huán)境。

綜上,作者認(rèn)為晚始新世期間印度洋洋殼俯沖起始為被動(dòng)型,其形成最可能與同期的澳洲板塊的突然加速北漂有關(guān)。

3.5 北蘇拉威西島弧記錄的印度洋洋殼俯沖歷史

結(jié)合前人地質(zhì)學(xué)、巖石地球化學(xué)與年代學(xué)資料(Kavalierisetal., 1992; Polvéetal., 1997; Ranginetal., 1997; Elburg and Foden, 1998; Elburgetal., 2003)和構(gòu)造重建模式(Nichols and Hall, 1999; Hall, 2012; Zhangetal., 2022),作者將北蘇拉威西島弧記錄的早始新世-中中新世期間印度洋洋殼俯沖歷史總結(jié)如下:

(1)早-晚始新世(約50～37Ma;圖6a):北蘇拉威西基底形成階段,印度洋洋殼在該區(qū)域未形成俯沖。北蘇拉威西弧后盆地型基性基底的形成可能與西里伯斯海自約48～43Ma開(kāi)始的弧后擴(kuò)張有關(guān)(Kavalierisetal., 1992; Polvéetal., 1997; Ranginetal., 1997)。在此期間, 北蘇拉威西區(qū)域內(nèi)并沒(méi)有島弧巖漿形成, 也即沒(méi)有俯沖記錄。

圖6 北蘇拉威西島弧記錄的印度洋洋殼俯沖歷史(據(jù)Zhang et al., 2022修改)Fig.6 A tentative subduction history for the Indian oceanic plate in the North Sulawesi Arc (modified after Zhang et al., 2022)

(2)晚始新世-早漸新世(約37～30Ma;圖6b):印度洋洋殼俯沖起始階段。在該時(shí)間段內(nèi),印度洋洋殼開(kāi)始向北蘇拉威西基底之下俯沖。該印度洋洋殼俯沖起始可能與同期的澳洲板塊的突然北向加速有關(guān)(北漂速度由約4～5cm/yr激增至約8～9cm/yr)。同時(shí),在俯沖起始過(guò)程中可能形成了一些洋殼碎片(約36～32Ma)和變質(zhì)底板(約34～29Ma),并隨后拼貼到東蘇拉威西蛇綠巖內(nèi)。

(3)早漸新世-中中新世(約30～16Ma;圖6b, c):印度洋洋殼持續(xù)俯沖階段,并在北蘇拉威西島弧形成基性和酸性島弧巖漿。該階段內(nèi)的島弧巖漿呈現(xiàn)出大致兩個(gè)峰期(約30～24Ma 和約20～16Ma)。東蘇拉威西蛇綠巖的主體部分可能在該時(shí)間段內(nèi)拼貼就位(Polvéetal., 1997; Ranginetal., 1997)。

(4)中中新世(～15Ma;圖6c):Tukang Besi-Buton微陸塊碰撞拼貼,導(dǎo)致該區(qū)域的印度洋洋殼俯沖終止。在已有的板塊重建模式中(Elburgetal., 2002; Hall, 2012),Tukang Besi-Buton微陸塊被認(rèn)為可能在～15Ma碰撞拼貼到蘇拉威西。此次碰撞事件,在印尼及周邊區(qū)域構(gòu)造演化中扮演了至關(guān)重要的角色(Hinschbergeretal., 2005; Spakman and Hall, 2010; Zhangetal., 2020),可能導(dǎo)致了北班達(dá)海盆的打開(kāi)、北蘇拉威西島弧巖漿活動(dòng)的停止(圖5)、班達(dá)海板片向班達(dá)灣(Banda embayment)方向的后撤,以及該區(qū)域內(nèi)印度洋洋殼北向俯沖的終止。隨著馬魯古海板片(Molucca Sea plate)西北向俯沖到北蘇拉威西之下,桑義赫島弧(Sangihe Arc)已經(jīng)形成。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

板塊俯沖起始是板塊構(gòu)造理論中研究最薄弱環(huán)節(jié),迫切需求更多的實(shí)例,特別是年輕的或正在發(fā)生的俯沖起始案例,以進(jìn)行更直接更全面的觀測(cè)和對(duì)比研究,增進(jìn)研究者對(duì)板塊俯沖起始機(jī)制的認(rèn)識(shí),從而完善板塊構(gòu)造理論。印度尼西亞北蘇拉威西島弧經(jīng)歷了多期次(印度洋、馬魯古海、西里伯斯海)的且處于不同演化階段的俯沖事件,很可能保存下來(lái)相應(yīng)的俯沖起始記錄。這些為深刻理解板塊俯沖起始的具體過(guò)程和地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了絕佳的場(chǎng)所。

盡管目前北蘇拉威西島弧的地學(xué)研究仍十分薄弱,存在不少研究空白區(qū),但是最新的巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù), 結(jié)合已有的地球物理資料和地質(zhì)學(xué)記錄,為揭示區(qū)域構(gòu)造-巖漿演化歷史提供了詳實(shí)的證據(jù),為解析該島弧多期次俯沖事件和俯沖過(guò)程提供了一定的約束,為綜合制約印度洋(或馬魯古海和西里伯斯海)的洋殼俯沖起始時(shí)間和具體控制因素打下了基礎(chǔ)。相信未來(lái)多學(xué)科、跨尺度的綜合研究,能更進(jìn)一步的限定北蘇拉威西俯沖起始與東南亞地區(qū)大地構(gòu)造演化之間的構(gòu)造耦合關(guān)系。另外,通過(guò)將北蘇拉威西島弧與IBM等典型板塊俯沖起始的地質(zhì)記錄、巖漿記錄、源區(qū)性質(zhì)與時(shí)空變化等進(jìn)行綜合對(duì)比研究,尋找共同點(diǎn)或差異點(diǎn)及其控制因素,將極大增進(jìn)研究者對(duì)板塊俯沖起始的地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制的理解和認(rèn)識(shí)。

致謝感謝三位匿名審稿專家對(duì)本文的詳細(xì)修改和指導(dǎo)意見(jiàn)。