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