南海海盆俯沖消亡機(jī)制:馬尼拉海溝俯沖起始的啟示

占華旺 索艷慧 朱俊江 李三忠 王鵬程 王光增 周潔 王秀娟

西太平洋陸緣是現(xiàn)今規(guī)模最大和構(gòu)造最復(fù)雜的板塊邊界,并形成了一系列邊緣海。南海作為西太平洋最大的邊緣海,現(xiàn)今位于歐亞板塊、太平洋板塊(菲律賓海板塊)及印度-澳大利亞板塊交匯處,其地史期間是特提斯洋構(gòu)造系統(tǒng)與(古)太平洋構(gòu)造系統(tǒng)的交接地帶。長期以來,南海海盆的擴(kuò)張形成與俯沖消亡受其周緣板塊的相互制約,因此其構(gòu)造發(fā)育史復(fù)雜,為近幾十年來地學(xué)界一直關(guān)注的熱點(diǎn)。許多學(xué)者已從不同角度對其進(jìn)行了大量探索(Briaisetal., 1993; Barckhausenetal., 2014; Lietal., 2014; Fanetal., 2015; Wuetal., 2016; Wu and Suppe, 2018; Chiuetal., 2021),但至今仍然存在較多的科學(xué)問題有待解決,比如:南海初始張裂與初始俯沖的動力學(xué)機(jī)制?花東海盆與加瓜海脊的性質(zhì)及其演化?南海擴(kuò)張期后的巖漿活動特征與機(jī)制?南海巖石圈張裂/破裂模式與機(jī)制?上述一系列問題尚需進(jìn)一步研究(李春峰等, 2021; 趙明輝等, 2021)。

馬尼拉俯沖帶位于南海海盆東部,菲律賓海盆最西端,在晚新生代以來逐步形成至今仍在活動的年輕俯沖帶,其代表著南海從陸緣張裂、洋脊擴(kuò)張到俯沖消亡的完整威爾遜旋回的末端(李家彪等, 2004)。作為南海形成以來唯一的俯沖匯聚邊界,對馬尼拉俯沖帶的研究是理解南海初始俯沖過程的至關(guān)重要環(huán)節(jié)(趙明輝等, 2016, 2021),也是東南亞環(huán)形匯聚系統(tǒng)東側(cè)的關(guān)鍵地段。前人基于最新地震層析成像,揭示了南海海盆的原始范圍從現(xiàn)今馬尼拉海溝向東可延伸400～500km(Fanetal., 2015; Wu and Suppe, 2018; Zhaoetal., 2019),然而,關(guān)于其初始俯沖時間仍存在一定的爭論。一部分學(xué)者認(rèn)為馬尼拉俯沖帶形成的起始時間為晚漸新世(Hayes and Lewis, 1984; Wang and Li, 2009);而另一部分學(xué)者則認(rèn)為始于中新世(或早中新世和中中新世)(Hall, 2002; Yumuletal., 2003; 吳時國和劉文燦, 2004; 丁巍偉等, 2006; 李春峰等, 2007; Arfaietal., 2011; Huangetal., 2019; Liuetal., 2020)。

為了理清南海初始俯沖時間及俯沖消亡機(jī)制,本文基于前人最新研究成果,在綜合東南亞板塊重建的基礎(chǔ)上,結(jié)合南海東部馬尼拉俯沖帶構(gòu)造特征,厘定其初始俯沖時間,并著重論述南海周緣板塊的發(fā)育演化過程,進(jìn)而探討南海俯沖起始動力學(xué)機(jī)制及其宏觀大地構(gòu)造背景。

1 地質(zhì)背景

南海整體上可分成北部被動大陸邊緣、洋盆和南部活動大陸邊緣(圖1, 李三忠等, 2012a, b; Pubellier and Morley, 2014; 李學(xué)杰等, 2017, 2020),幾乎經(jīng)歷了一個完整威爾遜旋回的主要階段,包括晚白堊世-古新世的陸緣張裂、早漸新世-中中新世的海底擴(kuò)張和晚中新世以來的洋盆消亡三個階段(Briaisetal., 1993; Frankeetal., 2014; Pubellier and Morley, 2014; Sibuetetal., 2016; Camanni and Ye, 2022)。

圖1 南海海盆及周緣板塊構(gòu)造格局(據(jù)姜素華等, 2017修改)Fig.1 Plate tectonic units around the South China Sea Basin and its adjacent areas (modified after Jiang et al., 2017)

地形上,南海海盆為北東寬、南西窄,呈向北東開口的喇叭狀。構(gòu)造上,南海海盆周緣均存在明顯的差異性:海盆北緣以張扭和走滑構(gòu)造為主,形成北部灣、瓊東南和珠江口盆地等張扭性盆地(Wangetal., 2021),但早期經(jīng)歷了一個短暫的南北向伸展寬裂谷階段(Suoetal., 2023; Zhouetal., 2023);海盆南側(cè)實(shí)際為南沙微陸塊北部被動陸緣,再往南的活動大陸邊緣應(yīng)是南沙微陸塊與婆羅洲微陸塊之間的俯沖-碰撞區(qū);海盆西緣為走滑-拉分構(gòu)造為主的轉(zhuǎn)換型陸緣,其主干斷裂為越東斷裂,控制了萬安等走滑拉分盆地的形成;海盆東緣為馬尼拉俯沖帶,是南海海盆的真正俯沖帶。整體上,以中南斷裂為界,南海海盆可分為西北次海盆、西南次海盆和東部次海盆(圖1)。

對于南海海盆的形成時間,前人已開展了大量的地球物理調(diào)查工作,發(fā)現(xiàn)整個洋盆內(nèi)可識別出清晰的磁異常條帶(Briaisetal., 1993; Taylor and Hayers, 1983; Hsuetal., 2004; Expedition 349 Scientists, 2014; Lietal., 2014),然而針對東部次海盆洋殼磁異常條帶的研究,不同學(xué)者得出的海盆形成時間存在一定差異(32～17Ma, Taylor and Hayers, 1983; 32～16Ma, Briaisetal., 1993; 37～15Ma或33～16Ma, Hsuetal., 2004);最新大洋鉆探結(jié)果揭示,東部次海盆最早開始擴(kuò)張時間為～33Ma,在27Ma或23.6Ma時洋中脊擴(kuò)張軸開始向南躍遷(Dingetal., 2018),且洋中脊軸向開始轉(zhuǎn)變?yōu)镹E走向,擴(kuò)張形成西南次海盆,整體海底擴(kuò)張結(jié)束的時間分別為～15Ma和～16Ma(Lietal., 2014)。

馬尼拉俯沖帶位于南海海盆的東部,菲律賓島弧西側(cè),總體呈南北走向展布,主要位于14°N～22°N的范圍內(nèi),其南北分別與民都洛弧-陸碰撞構(gòu)造帶和臺灣弧-陸碰撞造山帶相連,平面上表現(xiàn)為近北延伸并向西凸出的反“S”弧形特征(圖2)。有學(xué)者認(rèn)為其形態(tài)受俯沖的南海洋殼板片寬度所控制(陳志豪等, 2009),也有學(xué)者指出其北部的彎曲與海溝西側(cè)的海底洋中脊俯沖有關(guān)(Bautistaetal., 2001),甚至在呂宋島弧下誘發(fā)了板片窗構(gòu)造,控制了新近紀(jì)的火山分布(Chengetal., 2019)。然而,孫金龍等(2014)通過分析該區(qū)域的地殼運(yùn)動,卻認(rèn)為馬尼拉海溝現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)主要與菲律賓海板塊在該區(qū)南、北部受到阻擋后沿中間區(qū)域差異性的向西楔入構(gòu)造有關(guān),與南海一側(cè)的俯沖板片寬度無關(guān),且與西側(cè)的洋盆基底構(gòu)造隆起阻礙無關(guān)。從形態(tài)來看,馬尼拉俯沖帶是南海洋殼向菲律賓海板塊之下的俯沖;但從兩側(cè)板塊運(yùn)動速度來看,中中新世或10Ma以來,菲律賓海板塊沿馬尼拉海溝以7～8cm/yr的速度向NW推進(jìn),而歐亞板塊向東的匯聚速率僅為1cm/yr(Liuetal., 2009; 李家彪等, 2004)。因此,目前普遍認(rèn)為,馬尼拉俯沖帶的形成是菲律賓海板塊仰沖至歐亞板塊之上的結(jié)果,并推動著整個俯沖體系向西移動;若此,形態(tài)上屬于東南亞環(huán)形匯聚系統(tǒng)的馬尼拉俯沖帶,其動力成因機(jī)制應(yīng)歸屬于環(huán)菲律賓海板塊俯沖系統(tǒng)。

2 馬尼拉俯沖帶分段特征

南海海盆的俯沖消亡機(jī)制受東南亞環(huán)形俯沖系統(tǒng)動力控制,還受環(huán)菲律賓海板塊俯沖系統(tǒng)動力控制,是一個關(guān)鍵的科學(xué)問題。要解決這個問題,首先要對馬尼拉俯沖帶進(jìn)行相關(guān)研究?；诘匦蔚孛病⒌刭|(zhì)構(gòu)造及地球物理等特征的差異,將馬尼拉俯沖帶構(gòu)造單元自西向東劃分為南海海盆、馬尼拉海溝、俯沖增生楔、弧前盆地(北呂宋海槽和西呂宋海槽)及火山弧(呂宋島弧)(圖2)。朱俊江等(2017)通過分析馬尼拉俯沖帶海溝沉積物充填厚度變化、增生楔寬度變化、海底變形特征及地殼速度結(jié)構(gòu)變化,提出馬尼拉俯沖帶具有明顯的分段特征,以巴布延斷裂、菲律賓大斷裂和錫布延斷裂為界(圖2),由北向南分為北呂宋區(qū)段、中部海山鏈區(qū)段和南部西呂宋區(qū)段,總體具有由南向北逐漸變新的特點(diǎn)。薛友辰等(2012)認(rèn)為馬尼拉俯沖帶以巴布延走滑斷裂和錫布延走滑斷裂為界,可劃分為北、中和南三段。北段受菲律賓海板塊NWW向的楔入影響,西側(cè)產(chǎn)生了臺西南盆地、臺西盆地及筆架南盆地,東側(cè)也形成了弧內(nèi)的呂宋海槽拉分盆地(Zhangetal., 2022);中段受南海古洋中脊向東俯沖過程中形成的“板片窗”影響(Chengetal., 2019),產(chǎn)生了一系列受弧內(nèi)走滑斷裂調(diào)節(jié)的拉分盆地;而南段受菲律賓海板塊向西俯沖作用的控制,使得該段地震和火山活動強(qiáng)烈,且受南沙微陸塊(巴拉望微陸塊)的阻擋作用和菲律賓群島中部的菲律賓大斷裂的調(diào)節(jié)作用,導(dǎo)致馬尼拉海溝平面上發(fā)生了彎曲。

本文參考薛友辰等(2012)的劃分方案,北段位于巴布延斷裂以北,與臺灣造山帶相連,其形成與呂宋島弧與歐亞板塊相互碰撞、擠壓、楔入及逃逸等活動密切相關(guān)。該段西側(cè)是走向由NE轉(zhuǎn)變?yōu)镹W向的弧形馬尼拉海溝和增生楔,東側(cè)為北呂宋海槽和呂宋島弧。其中,增生楔由西向東變形程度逐漸增加且具有多個次級單元,其主要包括:高屏斜坡和恒春海脊,二者是由向西沖斷的緊閉褶皺和逆沖斷層組成(丁巍偉等, 2006)。北段為受火山活動影響的減薄陸殼(Sibuetetal., 2016),受到俯沖增生過程的控制,形成50～140km寬的巨大增生楔構(gòu)造(Zhuetal., 2012; Lesteretal., 2013; Eakinetal., 2014)。其俯沖板塊在淺部0～30km區(qū)間為10°,隨著深度的增加,增至深部120km處的41°,俯沖板片逐漸變陡(任昱等, 2020)。該段受臺灣弧-陸碰撞作用影響,其地表形態(tài)及延伸方向已發(fā)生較大幅度改變,從南向北逐漸由洋內(nèi)俯沖演變?yōu)榛?陸碰撞和板塊俯沖共同作用的結(jié)果。基于高分辨率多道地震反射剖面,就馬尼拉俯沖帶北段增生楔的形態(tài)、構(gòu)造變形、巖漿活動及深部反射等特征,前人已進(jìn)行了精細(xì)解析(尚繼宏等, 2010; 王紅麗等, 2019)。增生楔可分為原始沉積段、褶皺變形段、逆沖推覆段和背逆沖段四部分,分別代表著增生楔演化的不同階段。增生楔下坡部分由盲沖斷層、構(gòu)造楔和疊瓦逆沖斷層構(gòu)成,這些逆沖斷層錯斷了上中新統(tǒng),滑脫層在中中新統(tǒng)延伸(圖3b)。其中構(gòu)造楔擠入了中中新統(tǒng),導(dǎo)致其以上地層發(fā)生強(qiáng)烈褶皺和錯斷,而逆沖斷層均終止于一條位于下中新世的滑脫面上(圖3c, d)(高金尉等, 2018; 趙明輝等, 2021)。

圖3 馬尼拉俯沖帶增生楔的構(gòu)造剖面特征(據(jù)高金尉等,2018;王紅麗等,2019修改)剖面位置見圖2Fig.3 Tectonic profiles across the accretionary wedge in the Manila subduction zone (modified after Gao et al., 2018; Wang et al., 2019) Profiles’ locations seen in Fig.2

中段則包括了馬尼拉俯沖帶的中、南部分和北呂宋海溝,整體呈近SN向分布并向西凸出的弧形構(gòu)造,主要受近EW向的南海古擴(kuò)張脊的黃巖鏈狀海山俯沖擠入過程中所形成的“板片窗”影響,在地震、巖漿活動、地貌特征和應(yīng)力狀態(tài)等方面表現(xiàn)出南北差異(薛友辰等, 2012)。中段由俯沖增生和剝蝕過程共同控制,形成寬度較窄的增生楔(朱俊江等, 2017)。中段增生楔中的逆沖斷層均終止于俯沖拆離面上(圖3a),其上沉積物被褶皺逆沖斷并增生于增生楔中,其下海盆基底及其上覆沉積層一起沿該拆離面向海溝俯沖。增生楔部分在地震剖面中表現(xiàn)為一系列向東傾斜的逆沖斷片相互疊置,在海底地形上形成了一系列隆丘和槽地。相較于北部高屏斜坡段的增生楔構(gòu)造域,中段增生楔部分的疊瓦狀逆沖斷層組更明顯有序。從增生楔變形前鋒來看,中段的疊瓦狀逆沖斷層沿海溝軸向平行排列,各層沖斷面之間分界明顯,呈現(xiàn)較為典型的俯沖帶增生楔特征,這說明俯沖帶中段更接近于受構(gòu)造俯沖作用控制(李家彪等, 2004; 尚繼宏等, 2010)。

南段北起錫布延斷裂帶,南至棉蘭老島東南,包括了內(nèi)格羅斯俯沖帶、哥達(dá)巴都俯沖帶及菲律賓海溝以西的部分。南段為正常的洋殼在馬尼拉俯沖帶南部的俯沖作用下形成,其可能受到構(gòu)造剝蝕作用的控制,進(jìn)而形成窄的增生楔構(gòu)造。

總體上,馬尼拉海溝俯沖帶各段均具有獨(dú)特的俯沖特點(diǎn)和復(fù)雜的構(gòu)造變形特征,反映了不同的演化模式:北段由南向北以俯沖至臺灣弧-陸碰撞為特征,主要為南海北緣減薄陸殼和洋殼俯沖;中段以南海古洋中脊為主的海山俯沖擠入為特征,具有一定的走滑性質(zhì)并且洋中脊與兩側(cè)海山向菲律賓海板塊之下俯沖;南段為“對向俯沖”,西側(cè)馬尼拉俯沖帶俯沖角度隨深度急劇增大,以近乎垂直的角度自西向東俯沖至地幔過渡帶深度處,東側(cè)以菲律賓海溝南緣減薄陸殼和洋殼俯沖為主(Eakinetal., 2014; Chenetal., 2015)。

3 馬尼拉俯沖帶起始時間及演化過程

前人對馬尼拉俯沖帶構(gòu)造-地貌單元、演化歷史及俯沖運(yùn)動學(xué)等已有一定研究,但對于南海東部洋殼俯沖時間或俯沖帶形成的起始時間,各學(xué)者觀點(diǎn)存在差異。對于馬尼拉俯沖帶北段,丁巍偉等(2006)根據(jù)臺灣島南部海域的多道反射地震剖面,認(rèn)為其起源于中中新世;基于馬拉尼海溝最北端的多道反射地震剖面及重磁反演數(shù)據(jù),李春峰等(2007)認(rèn)為,中新世以來南海地區(qū)發(fā)生過多階段的次級俯沖活動;根據(jù)臺灣南部地區(qū)蛇綠巖中輝長巖和斜長花崗巖的鋯石測年數(shù)據(jù),Chenetal.(2015)認(rèn)為,呂宋島弧-弧前基底的年齡在18～16Ma;根據(jù)地震剖面解析結(jié)果及已有地球化學(xué)測年和沉積巖古生物測年數(shù)據(jù),高金尉等(2018)認(rèn)為,馬尼拉俯沖帶北段開始的時間要早于16.5Ma?；隈R尼拉北段局部增生楔中逆沖斷裂演化(圖4),本文推測南海海盆應(yīng)在中中新世就已經(jīng)開始俯沖消減。

圖4 馬尼拉俯沖帶局部增生楔中逆沖構(gòu)造平衡剖面及構(gòu)造演化階段剖面位置見圖2Fig.4 Tectonic evolution and their balanced cross-sections of thrusts of the accretionary wedge in Manila subduction zone Profiles’ location seen in Fig.2

綜合以上數(shù)據(jù)結(jié)果表明,南海海盆在臺灣地區(qū)的初始俯沖時間為中中新世(18～16Ma)。對于馬尼拉俯沖帶中、南段,黃奇瑜(2017)認(rèn)為,南海海洋巖石圈在早中新世就開始沿著馬尼拉海溝向東俯沖于花東海盆之下,并且從6.5Ma開始,北呂宋火山島弧與歐亞大陸發(fā)生斜向碰撞,形成了臺灣島;根據(jù)多波束水深數(shù)據(jù)和反射地震剖面對馬尼拉俯沖帶中段的構(gòu)造和地貌進(jìn)行分析,李家彪等(2004)認(rèn)為,馬尼拉俯沖帶初始俯沖時間為中新世;根據(jù)反射地震剖面解析結(jié)果和前人研究成果,Arfaietal.(2011)認(rèn)為,馬尼拉俯沖帶在早中新世開始形成,而南段的俯沖消減可能早在晚漸新世就已開始;Hall (2002)認(rèn)為,南海板塊于早中新世(23Ma)向東沿著馬尼拉海溝俯沖于菲律賓海板塊之下;李三忠等(2012a)認(rèn)為,南海早期東部較開闊,～17Ma之后,馬尼拉海溝才出現(xiàn),且隨著菲律賓海板塊向北俯沖運(yùn)移和順時針旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致6Ma以來呂宋溝-弧-盆系統(tǒng)逐漸形成,同時向西俯沖的呂宋海溝和俯沖帶形成,使得南海成為半封閉海盆。

南海海盆俯沖的起始時間也可以通過對呂宋島弧-弧前基底的年齡測定和呂宋弧上覆板塊最早的火山活動來限定。Yumuletal.(2003) 根據(jù)北呂宋Baguio地區(qū)噴發(fā)巖和侵入巖K-Ar測年和沉積巖古生物測年數(shù)據(jù),表明其初始俯沖時間為早中新世。結(jié)合Hollingsetal.(2011) 在Baguio地區(qū)的埃達(dá)克巖的年齡(～20Ma),說明其在Baguio地區(qū)的初始俯沖形成于早中新世。雖然呂宋島西側(cè)晚新生代島弧火山巖中的鋯石裂變徑跡年齡為26Ma(Yangetal., 1996),但學(xué)者們普遍更傾向于南段的初始俯沖時間為早中新世。綜上所述,本文認(rèn)為南海海盆的初始俯沖時間為早中新世-中中新世(23～16Ma),并且具有由南向北遷移的趨勢,也就是說,菲律賓海板塊在整體向NWW向運(yùn)動。

目前,有關(guān)馬尼拉俯沖帶演化過程已具有較多研究,普遍認(rèn)為菲律賓群島最初可能位于南半球,隨著菲律賓海板塊的運(yùn)動早期發(fā)生了NNW向的漂移,并沿著一條大型剪切帶平移至現(xiàn)今位置(Hall, 2002; Sibuetetal., 2002; Queanoetal., 2007)。Yumuletal.(2003)認(rèn)為,在菲律賓群島漂移過程中,菲律賓中部與親華南的巴拉望微陸塊發(fā)生了碰撞,引發(fā)了呂宋島發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn),連續(xù)的NWW向運(yùn)動使得呂宋島向更年輕的南海海盆仰沖,于是呂宋島西側(cè)的轉(zhuǎn)換斷層轉(zhuǎn)變?yōu)楦_帶(即馬尼拉海溝),年輕洋殼向老洋殼或老島弧下俯沖必然是在外部作用力觸發(fā)下發(fā)生的誘發(fā)性俯沖啟動,因而可認(rèn)為馬尼拉俯沖起始必然是被動俯沖機(jī)制;范建柯(2013)則認(rèn)為,在菲律賓群島北向平移且與巴拉望微陸塊碰撞之前,馬尼拉海溝俯沖帶就已經(jīng)存在,由于沿馬尼拉海溝俯沖后撤,導(dǎo)致不斷消耗南海洋殼,使得巴拉望微陸塊與菲律賓移動帶在10Ma左右于現(xiàn)今位置發(fā)生碰撞。

綜上所述,并結(jié)合南海地區(qū)新生代板塊重建(Liuetal., 2023),可將馬尼拉俯沖帶構(gòu)造演化分為以下三個階段:(1)始新世-漸新世(55～23Ma):由于太平洋板塊北向俯沖(Mülleretal., 2008; Setonetal., 2012),華南陸緣在55～45Ma初始裂解表現(xiàn)為一系列寬裂谷,45～34Ma表現(xiàn)為右行右階的拉分盆地,珠江口盆地記錄了這兩期構(gòu)造演化(Suoetal., 2023; Zhouetal., 2023),之后,局部應(yīng)變集中,使得陸緣徹底破裂,進(jìn)而南海海盆于33Ma時打開,此時,馬尼拉俯沖帶作為一條NNW向大型轉(zhuǎn)換斷層存在;(2)早-中中新世(23～15Ma):南海海盆南北的歐亞板塊和南沙微陸塊相關(guān)部分(前人曾稱為南海板塊,實(shí)際不存在這個板塊)同時開始沿著同一條馬尼拉海溝向東俯沖于菲律賓海,然后于15Ma,南海海盆停止擴(kuò)張;(3)中中新世-早上新世(15～5Ma),隨著菲律賓海板塊持續(xù)地向西北運(yùn)動,馬尼拉海溝的北端逐漸進(jìn)入碰撞造山階段,而南部則為洋殼俯沖背景,最終形成了現(xiàn)今的海溝-增生楔-弧前盆地(北呂宋海槽和西呂宋海槽)-火山弧(呂宋火山弧)的地貌組合。

4 東南亞環(huán)形俯沖形成與南海海盆俯沖啟動

南海海盆東側(cè)的馬尼拉俯沖帶是東南亞環(huán)形俯沖系統(tǒng)的一部分,此環(huán)形俯沖系統(tǒng)的演化極其復(fù)雜,要認(rèn)識馬尼拉俯沖帶起始的前因后果,就必須要全面探索東南亞環(huán)形俯沖系統(tǒng)的形成歷史(Lietal., 2021; 李三忠等, 2022)。此外,該環(huán)形俯沖系統(tǒng)的形成與演化主要受歐亞、太平洋(含菲律賓海)、印度-澳大利亞三大板塊活動與重組事件的影響:南海海盆西部的印度板塊、澳大利亞板塊不斷差異向北漂移,最終印度板塊與歐亞大陸西側(cè)先碰撞,而南海海盆南部的澳大利亞板塊往北漂移與東南亞(巽他陸塊)后碰撞;據(jù)夏威夷熱點(diǎn)軌跡可知,47Ma～現(xiàn)今,南海海盆東部的太平洋板塊做北西西向運(yùn)動,菲律賓海板塊形成并向北西-北西西漂移與旋轉(zhuǎn)。因此,需要綜合考慮上述三方面共同作用或共同制約的影響,才可能更好的認(rèn)識馬尼拉俯沖帶的演化過程。

古新世-早始新世(60～47Ma):自晚中生代以來,西部的印度板塊開始向北漂移,并在新生代早期,由于北部的新特提斯洋俯沖消亡,沿著現(xiàn)今雅魯藏布江縫合帶的位置碰撞拼合;之后,澳大利亞板塊也從岡瓦納大陸裂離,并且與印度板塊向北的遷移速率不同,兩者之間通過轉(zhuǎn)換斷層分割。至古新世-始新世(約60～48Ma),印度板塊與歐亞板塊發(fā)生自西向東穿時碰撞(Huetal., 2016; Tongetal., 2017; Wang, 2017; Suoetal., 2022; 朱日祥等, 2022),也有學(xué)者認(rèn)為印度-歐亞板塊初始碰撞時間發(fā)生在65～63Ma,后期向東西兩側(cè)遷移(Dingetal., 2016, 2017),使得歐亞板塊內(nèi)部不同剛性強(qiáng)度的塊體開始向東擠出逃逸。與此同時,澳大利亞板塊北部的邊緣海盆(北澳大利亞洋)沿菲律賓島弧帶發(fā)生北向俯沖(丁巍偉等, 2023)。西菲律賓海作為北澳大利亞洋向北俯沖形成的弧后盆地,在58～51Ma左右開始以近E-W軸向擴(kuò)張(Hilde and Lee, 1984; Ishizukaetal., 2013)。至此,東南亞環(huán)形俯沖系統(tǒng)中向北俯沖的南部俯沖系統(tǒng)初步形成(圖5a)。

圖5 始新世-上新世期間的東南亞板塊重建(據(jù)Liu et al., 2023修改)AUS-澳大利亞;CP-卡羅琳板塊;CB-蘇拉威西海盆;MS-馬魯古海盆;NT-新特提斯洋;PSCS-古南海;SCS-南海海盆;BM-婆羅洲微陸塊;PP-太平洋板塊;PSP-菲律賓海板塊;EUR-歐亞大陸Fig.5 Plate reconstruction of Southeast Asia from the Eocene to Pliocene (modified after Liu et al., 2023) AUS-Australia; CP-Caroline Plate; CB-Celebes Basin; MS-Molucca Sea; NT-New Tethys; PSCS-Proto-South China Sea; SCS-South China Sea; BM-Borneo Micro-block; PP-Pacific Plate; PSP-Philippine Sea Plate; EUR-Eurasia

在太平洋構(gòu)造域,隨著依澤奈崎-太平洋洋中脊俯沖殆盡,太平洋板塊在55Ma左右向北俯沖至東亞大陸之下(Mülleretal., 2008, 2016),其安第斯型活動大陸邊緣開始顯著轉(zhuǎn)換為西太平洋型活動大陸邊緣,太平洋板塊由此真正開始發(fā)生俯沖(李三忠等, 2019),活動陸緣發(fā)生垮塌,東亞陸緣大量新生代盆地早期出現(xiàn)短暫的寬裂谷演化(Suoetal., 2023)。此后不久,菲律賓海板塊東側(cè)的轉(zhuǎn)換型板塊邊界轉(zhuǎn)變?yōu)楦_帶(Liuetal., 2023),受此弧后擴(kuò)張作用,菲律賓海板塊北西向的洋中脊開始擴(kuò)張。在此期間,馬尼拉俯沖帶是一條大型的左旋轉(zhuǎn)換斷層或走滑斷裂帶,作為東側(cè)太平洋和西側(cè)古南海的邊界存在,將其分隔開來(圖5a)。

中晚始新世(47～34Ma):太平洋板塊由原來的N向運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)镹WW向運(yùn)動(李三忠等, 2019),但俯沖速率維持在8cm/yr左右,進(jìn)而對地幔流動產(chǎn)生阻擋,促使其向東南方向運(yùn)動。這種作用使得太平洋板塊西部的NNW向轉(zhuǎn)換斷層轉(zhuǎn)變?yōu)楦_帶(圖5b),即北部的伊豆-小笠原-馬里亞納俯沖帶(Wuetal., 2022)。之后,西菲律賓海持續(xù)擴(kuò)張,并發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)。同時,在新特提斯洋構(gòu)造域,印度板塊和歐亞板塊也開始發(fā)生“硬”碰撞,引起地幔流向東南蠕變。在兩大構(gòu)造域共同作用下,中國東部,包括南海和東海陸架盆地在內(nèi)的區(qū)域,整體處于右旋張扭應(yīng)力場背景,由此形成一系列右行右階走滑拉分盆地(李三忠等, 2012a; Suoetal., 2023; Zhouetal., 2023)。由于澳大利亞板塊突然加速向北漂移,蘇門答臘及其北部南海受到擠壓作用,這種擠壓使得古南海開始向婆羅洲微陸塊俯沖(Hall, 2002)。受此弧后擴(kuò)張作用影響,蘇拉威西海開始擴(kuò)張,其洋殼與同在擴(kuò)張的西菲律賓海通過一條轉(zhuǎn)換斷裂帶相連(圖5b)(Hall, 2012)。在此期間,馬尼拉俯沖帶作為一條俯沖帶邊界存在(圖5b, c)。

漸新世(34～23Ma),南海初始擴(kuò)張,而位于華南地塊東南邊緣的禮樂-東北巴拉望微陸塊開始向南漂移,古南海逐漸消亡,西菲律賓海盆開始停止擴(kuò)張,此時南海開始普遍出現(xiàn)由裂陷向拗陷過程的轉(zhuǎn)變(李三忠等, 2013)。在此期間,菲律賓海板塊連續(xù)向北遷移,伴隨有順時針旋轉(zhuǎn)。受此影響,馬尼拉俯沖帶逐漸再次轉(zhuǎn)變?yōu)橐粭l大型左旋走滑斷裂帶(圖5d)。以南海海盆為界,50～23Ma期間,該海盆以西的西部動力系統(tǒng)(新特提洋動力系統(tǒng))逐漸弱化,而其以東的東部動力系統(tǒng)(太平洋動力系統(tǒng))逐漸增強(qiáng)。漸新世末(25～23Ma),太平洋板塊NWW向運(yùn)動加快(Northrupetal., 1995; 包漢勇等, 2013),澳大利亞板塊快速向北俯沖,逆時針旋轉(zhuǎn)的菲律賓海板塊南端俯沖帶與澳大利亞板塊北段發(fā)生碰撞,使得太平洋板塊向菲律賓海板塊俯沖并阻止其向北運(yùn)移,俯沖帶也逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樽呋瑪嗔?索龍斷裂)。受這種碰撞和俯沖活動的影響,菲律賓海板塊在順時針轉(zhuǎn)動的過程中也逐漸向NNW方向移動,菲律賓弧和西側(cè)的俯沖帶順時針旋轉(zhuǎn),并楔入到歐亞板塊和太平洋板塊之下,形成琉球海溝(圖5d),四國-帕里西維拉海盆停止擴(kuò)張。與此同時,西菲律賓海盆沿著菲律賓海溝在東菲律賓群島下向西俯沖,從南部起始,后傳遞到北部(Fan and Zhao, 2018);原馬魯古海也開始向西側(cè)的蘇拉威西海盆之下沿著桑義赫海溝(Sangihe trench)俯沖(Jaffeetal., 2004)。而此時,古南海南側(cè)的俯沖帶因婆羅洲微陸塊逆時針旋轉(zhuǎn),其走向由近EW向變?yōu)镹E向,導(dǎo)致古南海板片拖曳力轉(zhuǎn)變?yōu)镾E向,因而主動俯沖導(dǎo)致南海洋中脊發(fā)生向南躍遷,并被動地調(diào)整為NE軸向擴(kuò)張。至此(即23Ma左右),東南亞環(huán)形俯沖系統(tǒng)中向西俯沖的東部俯沖系統(tǒng)初步形成。

早-中中新世(23～15Ma):23Ma后,菲律賓島弧持續(xù)NWW向運(yùn)動到達(dá)南海東側(cè),與巴拉望微陸塊發(fā)生碰撞引發(fā)了南海海盆東部的走滑邊界轉(zhuǎn)變?yōu)楦_帶。南海東部洋殼開始向西菲律賓海俯沖消減,形成了馬尼拉海溝(Fanetal., 2016)。之后,蘇祿海和蘇拉威西海也分別沿著內(nèi)格羅斯海溝(Negros trench)和哥打巴托海溝(Cotabato trench)向東俯沖于菲律賓島弧之下(Laietal., 2021; 欒錫武, 2022)。至此(即23～15Ma),東南亞環(huán)形俯沖系統(tǒng)中向東俯沖的中部俯沖系統(tǒng)也初步形成(圖5d)。

中中新世至今:南海海盆擴(kuò)張結(jié)束,并沿馬尼拉海溝不斷向東側(cè)的西菲律賓海之下俯沖(圖5e),呂宋島弧東側(cè)的菲律賓海板塊沿NWW向歐亞板塊俯沖,整體表現(xiàn)為在呂宋島的雙向俯沖,并在呂宋弧內(nèi)形成EW向盆地。在6～5Ma左右(圖5f),馬尼拉海溝的北端逐漸進(jìn)入碰撞造山階段,向西北運(yùn)動的菲律賓海板塊在臺灣地區(qū)與歐亞大陸發(fā)生弧-陸碰撞,臺灣島開始出現(xiàn)并逐漸形成(黃奇瑜, 2017)。

5 馬尼拉海溝俯沖與南海海盆的消亡機(jī)制

一般認(rèn)為,俯沖起始的動力學(xué)機(jī)制可分為自發(fā)型和誘發(fā)型兩種方式(Gurnisetal., 2004; Stern, 2004; Stern and Gerya, 2018)。迄今,前人已經(jīng)提出了幾種地球動力學(xué)模型來解釋俯沖起始的形成機(jī)制,主要包括小規(guī)模地幔對流(Solomatov, 2004)、活動俯沖帶的極性反轉(zhuǎn)和傳遞(von Hagkeetal., 2016; Almeidaetal., 2022)、地幔柱(Geryaetal., 2015; Davailleetal., 2017; van Hinsbergenetal., 2021)、洋底高原堵塞(Nair and Chacko, 2008)、熱軟化(Kissetal., 2020)、沿先存薄弱帶的擠壓或應(yīng)力變化(例如斷裂帶、轉(zhuǎn)換斷層或拆離斷層;Sutherlandetal., 2017; Fan and Zhao, 2019)和板塊運(yùn)動方向變化(Stern, 2004)等模型。

根據(jù)南海海盆周鄰板塊的重建結(jié)果,小規(guī)模地幔對流、俯沖極性反轉(zhuǎn)和傳遞、熱軟化和洋底高原堵塞等模型似乎不太可能成為早中新世馬尼拉俯沖起始的形成機(jī)制。同樣,地球物理和地球化學(xué)證據(jù)表明,海南地幔柱主要存在于南海北部、海南島、雷瓊半島和印支地塊等大片區(qū)域之下(Xuetal., 2012; Wangetal., 2013, 2022),這也排除了地幔柱是研究區(qū)內(nèi)俯沖起始的主要觸發(fā)因素。因此,沿先存薄弱面/不連續(xù)面的擠壓或應(yīng)力變化可能會符合馬尼拉俯沖起始的動力學(xué)機(jī)制。值得注意的是,在晚漸新世(約25Ma),澳大利亞板塊快速向北俯沖,馬魯古海開始向西側(cè)的蘇拉威西海盆之下沿著桑義赫海溝俯沖(Hall, 2012, 2019)。同時,菲律賓海板塊不斷向西北移動并與向南漂移的北巴拉望微陸塊發(fā)生碰撞,古南海向南俯沖產(chǎn)生的SE向拖曳力。這幾大板塊共同作用下可能最終導(dǎo)致了南海東側(cè)突然的應(yīng)力變化,產(chǎn)生了強(qiáng)烈擠壓,最終誘發(fā)了南海初始俯沖,進(jìn)而逐漸形成了馬尼拉俯沖帶。

結(jié)合現(xiàn)有資料綜合分析,本文認(rèn)為澳大利亞板塊向北運(yùn)動,并與正北方的菲律賓海板塊碰撞,導(dǎo)致的南北向擠壓是南海海盆東側(cè)俯沖消亡起始的關(guān)鍵,與此同時菲律賓海板塊西側(cè)的仰沖運(yùn)動更為重要,為太平洋板塊整體向NWW運(yùn)動所驅(qū)動,而菲律賓海板塊東側(cè)四國-帕里西維拉海盆擴(kuò)張停止可能與馬里亞納俯沖帶俯沖板片高角度俯沖相變、加速俯沖后撤相關(guān),可見,最主要的地球動力來源可能還來自太平洋板塊西側(cè)馬里亞納俯沖帶后撤。因此,南海俯沖消亡的動力學(xué)機(jī)制受這三大板塊共同作用影響,其具體演化模式如下:

(1)中晚始新世期間(47～34Ma,圖6a),南海海盆東部的西菲律賓海板塊形成并演化,伴隨著順時針旋轉(zhuǎn)向北運(yùn)動。太平洋板塊繼續(xù)以NWW向俯沖,受控于NE向斷裂體系右行右階走滑拉分及古南海向南的俯沖拖曳聯(lián)合作用,南海陸緣在南北向伸展拉張作用下逐漸裂解形成寬裂谷,之后快速轉(zhuǎn)入右行走滑拉分,局部出現(xiàn)開平凹陷的變質(zhì)核雜巖式箕狀斷陷盆地,最后在東西走向的局部化地帶出現(xiàn)洋殼(王鵬程等, 2017; Suoetal., 2023; Zhouetal., 2023)。此時,馬尼拉俯沖帶僅作為一條大型轉(zhuǎn)換斷層、走滑斷裂帶或者俯沖帶邊界存在,分隔著南海與西菲律賓海盆(Liuetal., 2023)。

圖6 南海海盆及周邊構(gòu)造演化過程Fig.6 Tectonic processes from rifting, via spreading to subduction of the SCS Basin and its surrounding areas

(2)漸新世-中中新世期間(34～16Ma,圖6b),約25Ma,澳大利亞板塊的快速向北俯沖,導(dǎo)致其北緣與巽他溝弧系發(fā)生初始弧陸碰撞(Hall, 2012),婆羅洲微陸塊作逆時針旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致古南海南側(cè)俯沖帶由近EW走向轉(zhuǎn)變?yōu)镹E走向,因而其SE拖曳力導(dǎo)致南海洋中脊被動響應(yīng)并轉(zhuǎn)變?yōu)镹E軸向(王鵬程等, 2017);此外,太平洋板塊以NWW向斜向向歐亞板塊俯沖,導(dǎo)致華南陸塊向SE向逃逸、擠出,并呈逆時針旋轉(zhuǎn),影響整個區(qū)域的構(gòu)造演化。受這種碰撞和俯沖活動的影響,南海、蘇祿海及蘇拉威西海在南方處于封閉擠壓環(huán)境之中。

(3)中中新世以來(16Ma～現(xiàn)今,圖6c),太平洋板塊的北西西向持續(xù)運(yùn)動、澳大利亞板塊的北向移動和菲律賓海板塊北西向運(yùn)動及順時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,使得呂宋島發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致巴拉望微陸塊及卡加延脊與菲律賓島弧在民都洛島處發(fā)生碰撞,進(jìn)而將菲律賓海西部邊界的走滑斷裂帶轉(zhuǎn)化為俯沖帶,南海海盆開始沿馬尼拉海溝向東俯沖于菲律賓海板塊之下。黎雨晗等(2020)綜合分析認(rèn)為,澳大利亞板塊北部在后期出現(xiàn)洋內(nèi)俯沖,使得南海南部在動力上變?yōu)閿D壓,這可能導(dǎo)致馬尼拉俯沖帶的形成,進(jìn)而導(dǎo)致南海開始俯沖消亡。隨著南海洋殼的俯沖消減和菲律賓海板塊持續(xù)的NWW向運(yùn)動,馬尼拉俯沖帶不斷向西朝南海海盆后撤遷移,在海溝后部形成寬闊的增生楔。持續(xù)的NWW向運(yùn)動的菲律賓海板塊最終楔入歐亞板塊和太平洋板塊之間,并于6Ma左右在臺灣地區(qū)發(fā)生弧-陸碰撞,臺灣島開始形成(圖6c),臺灣西部出現(xiàn)大量NW向走滑斷層,其在臺灣島南、北兩側(cè)運(yùn)動方向分別為左行和右行;整個南海洋殼被NE向右行走滑斷層和呂宋-菲律賓島弧上的近NS向左行走滑斷層新分割為獨(dú)立向SE逃逸的微板塊,快速消亡到南沙海槽之下,導(dǎo)致南沙微陸塊與婆羅洲微陸塊碰撞。

6 結(jié)論

通過上述綜合分析,從新生代以來歐亞、太平洋、印度-澳大利亞三大板塊相互作用入手,結(jié)合南海東部馬尼拉俯沖帶的分段特征及其初始俯沖時間,本文初步得出以下新認(rèn)識:

(1)南海東部馬尼拉海溝最初俯沖時間為早中新世,且自南向北遷移,馬尼拉俯沖帶未來必然向西被動后撤,并關(guān)閉南海。

(2)南海海盆俯沖消減啟動的動力來源于菲律賓海板塊的NWW向運(yùn)動和順時針旋轉(zhuǎn),與北巴拉望微陸塊(民都洛)發(fā)生碰撞是南海俯沖消亡形成的關(guān)鍵階段;雖然沿馬里亞納海溝在局部后撤,但太平洋板塊整體向NWW運(yùn)動的驅(qū)動力使得菲律賓海板塊向NWW主動楔入,這種運(yùn)動是南海最終關(guān)閉的根本動因。

(3)澳大利亞板塊向北運(yùn)動,并與正北方的菲律賓海板塊碰撞,導(dǎo)致的南北向擠壓是南海海盆東側(cè)俯沖消亡起始的關(guān)鍵,與此同時菲律賓海板塊西側(cè)的仰沖運(yùn)動與太平洋板塊和澳大利亞板塊之間差異運(yùn)動誘發(fā)的索龍-菲律賓大斷裂的左行楔入有關(guān),而菲律賓海板塊東側(cè)四國-帕里西維拉海盆擴(kuò)張停止可能與馬里亞納海溝后撤誘發(fā)的弧后擴(kuò)張中心向東躍遷相關(guān),最主要的地球動力來源還應(yīng)來自太平洋板塊西側(cè)馬里亞納俯沖帶后撤。

(4)南海海盆東側(cè)的馬尼拉俯沖帶形態(tài)上是東南亞環(huán)形俯沖系統(tǒng)的一部分,但動力學(xué)上可能應(yīng)歸屬環(huán)菲律賓海板塊俯沖系統(tǒng)?？梢?東南亞環(huán)形俯沖系統(tǒng)的演化極其復(fù)雜,是兩大俯沖動力系統(tǒng)的復(fù)合,而非一個動力學(xué)上的環(huán)形俯沖系統(tǒng),最早形成其南部俯沖系統(tǒng),之后才形成東部俯沖系統(tǒng)。

致謝感謝審稿專家及本刊編輯對本文提出的寶貴意見和建議。