菲律宾海盆磁条带特征及61 Ma以来的海底扩张过程重建

菲律宾海板块位于欧亚板块、太平洋板块和印度-澳大利亚板块的交汇处^[1](图 1)，晚中生代以来经历了三大板块的多期俯冲、碰撞，又经历了走滑断裂作用以及岛弧的形成和弧后扩张作用^[2-5]。菲律宾海盆位于菲律宾海板块之上，海底地形复杂，区域地貌特征显著，地质内涵丰富，因此被认为是研究海底地形地貌特征和边缘海盆构造演化机制的理想场所。

(bathymetric data from http://www.gebco.net/)

DownLoad: Full-Size Img PowerPoint

海底磁异常条带是洋底岩石磁化方向不同所引起的呈条带状平行分布在大洋中脊轴两侧的磁异常，是海底扩张的重要证据。能够记录海底扩张的时间、方向以及速率，反映弧后盆地的海底扩张特征和构造演化历史，可有效约束海盆的形成机制，构建海底扩张模型。

菲律宾海盆内的磁异常条带具有对称性好和易识别等特点，前人对该区的磁条带识别做了诸多研究，但缺乏菲律宾海盆整体磁异常条带特征及其与海盆时空演化关系的研究。本文基于前人在此地区获得的磁异常资料，结合水深、重力以及DSDP、ODP、IODP等钻探数据，对菲律宾海盆的磁条带特征以及海底扩张过程进行了深入的探讨，为研究菲律宾海板块乃至西太平洋地区的构造演化过程提供重要的理论依据。

1. 构造地质背景

菲律宾海地处西太平洋两大弧沟系——日本-琉球-台湾-菲律宾弧沟系和伊豆-小笠原-马里亚纳-雅浦弧沟系之间，是全球唯一同时发生板块消减和增生的区域^[6]。近南北向的九州-帕劳海脊将菲律宾海盆分割为两部分——西菲律宾海盆、四国-帕里西维拉海盆，它们的形成年代、扩张方向以及构造演化过程等都有所差异。

边缘海盆地是位于大陆边缘，以岛弧或其他海底脊岭与大洋分隔的海盆。自Karig^[7]提出马里亚纳海槽的弧后扩张起源以来，随着菲律宾海地区地质与地球物理资料的不断丰富，越来越多的研究工作表明西菲律宾海盆、四国海盆以及帕里西维拉海盆都是弧后扩张形成的边缘海盆地^[7-11]。菲律宾海盆内次级海盆的磁条带年龄由西向东总体变年轻^[12-16]，这些磁条带记录了新生代以来菲律宾海盆地的演化历史(图 2)：61~33 Ma，菲律宾海板块先后经历了菲律宾弧边缘的海沟向南后撤和古伊豆-小笠原海沟向北后撤，西菲律宾海盆以中央海盆断裂带为中心向两侧扩张，并伴随扩张轴逆时针旋转；33 Ma左右，伊豆-小笠原海沟持续地向海迁移导致古伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧裂解，新生的四国-帕里西维拉海盆开始扩张，期间菲律宾海板块发生顺时针旋转；15 Ma左右，菲律宾海板块基本停止转动，四国海盆和帕里西维拉海盆弧后扩张停止，九州-帕劳海脊演化为残留弧。

(Dotted lines represent uncertain beginning and the ending time)

DownLoad: Full-Size Img PowerPoint

2. 菲律宾海盆的磁异常特征

2.1 西菲律宾海盆

海盆内磁异常较强，幅值在300 nT以上，局部地区达到500~550 nT。海盆内条带磁异常特征显著，延伸方向与中央海盆断裂基本平行^[22]。Hilde和Lee^[23]在海盆内识别出26-13号磁条带，海盆南部和北部的26-20号磁条带沿NW—SE向延伸，海盆中部的13-19号磁条带呈E—W向延伸并被数条近南北向的转换断层错断，表明西菲律宾海盆经历了NE—SW和N—S向两个扩张阶段，推测扩张方向的改变与太平洋板块运动方向的改变有关。

磁条带沿中央海盆断裂南北对称分布，表明中央海盆断裂就是古扩张中心，裂谷两侧狭长的高热流值条带也证实了这一点^[24]。从图 3可以看出，海盆内地磁异常场与海底地形存在一定的对应关系，特别是大东海岭、冲大东海岭等在地磁异常图上显示为明显的线状异常，且主要为负磁异常带，Vargas^[25]等认为大东盆岭区是古老洋壳的残余。本哈姆海台及乌尔达内塔海台也呈现出负磁异常特征，DSDP在本哈姆海台发现了年龄为37 Ma的似洋岛玄武岩(OIB)，推测受地幔柱的影响。海盆中部N—S向的转换断层发育，E—W向延伸的条带磁异常发生了明显的错动。海盆北部最老的磁条带为24号，而海盆南部最老的磁条带为26号，说明海盆最北部可能已经俯冲到冲大东海岭之下^{[23, 26, 27]}。位于中央海盆断裂附近的13号磁条带表明扩张止于33 Ma左右。

(magnetic data from http://www.ngdc.noaa.gov, magnetic lineations from reference[14, 23, 28, 29])

DownLoad: Full-Size Img PowerPoint

2.2 四国海盆

海盆内整体磁异常不强，幅值一般低于200 nT，仅西部靠近九州-帕劳海脊的区域磁异常值较高，局部可达500 nT。磁异常分带性十分显著，条带延伸方向近乎平行于九州-帕劳海脊和硫磺岛海脊，表明四国海盆为受太平洋板块俯冲影响的弧后盆地成因。

海盆内7-6号磁条带沿NWN—SES向延伸，磁条带5E-5B沿NW—SE向延伸，磁条带的展布方向表明四国海盆经历了ENE—WSW和NE—SW向两个扩张阶段，扩张方向的改变可能与菲律宾海板块的顺时针旋转有关^[29]。海盆内7-6C磁条带由北向南逐渐尖灭于九州-帕劳海脊，此外，海盆内能够识别出的最老磁条带由北部的7号(25 Ma)，到中部的6C(24 Ma)，再到南部的6B(22.5 Ma)，表现出起始扩张年龄从NWN到SES由老变新的特点，说明海盆是由北向南渐进式扩张形成的，造就了四国海盆磁条带“南北不对等"的特点，这与海盆北宽南窄的构造形态相吻合。海盆西部磁条带非常清晰，6B和6A磁条带与帕里西维拉海盆西部南北向的磁条带相接，呈现出一定的连续性，说明四国海盆和帕里西维拉海盆此时是作为一个统一扩张系统扩张的。与磁条带发育良好的西部相比，海盆东部的磁异常则比较混乱，但仍能看出近NWN向的分带现象，由于中中新世—晚中新世海盆东部岛弧区一直存在火山活动^[30]，本文认为这些磁条带被火山活动所破坏。海盆中部的磁条带大致沿NW—SE向延伸，被数条“S"形转换断层错断，偏移距离12~23 km。

2.3 帕里西维拉海盆

除九州-帕劳海脊和西马里亚纳海脊附近，帕里西维拉海盆的整体磁异常较弱，平均幅值低于100 nT。海盆内磁异常形态宽缓，呈块状异常特征，隐约可以看到近N—S向的分带现象，但是条带不连续，且局部异常形状凌乱。Okino等^[31]认为海盆内N—S向条带状磁异常不明显的原因是E—W向扩张期间，海盆位于磁赤道附近。Seno等^[32]利用古地磁数据判定帕里西维拉海盆30~25 Ma位于现在的位置以南10°~15°，印证了Okino的观点。

海盆西部存在一套低幅值、南北向的磁条带9-5D，其中9-6A磁条带近N—S向展布，6-5D呈NW—SE向延伸，说明20 Ma左右帕里西维拉海盆扩张方向发生改变，Sdrolias等^[29]认为扩张方向的改变是菲律宾海板块的旋转造成的。海盆开始扩张的年龄从南向北由老变新，从南部的9号(28 Ma)，到中部的7号(25 Ma)，再到北部的6B(22.5 Ma)，且9-6C磁条带向北尖灭于九州-帕劳海脊，表明海盆是由南向北渐进式扩张形成的。海盆内能够识别出最年轻的磁条带是位于帕里西维拉裂谷附近的5D，意味着扩张停止于17 Ma左右。海盆中、东部难以辨别出条带状磁异常，Mrozowski等^[33]将其归因于巨厚沉积及磁异常太微弱。这也可能是扩张停止后海盆东部的火山活动造成的，因为西马里亚纳海脊的火山活动多发生于20~9 Ma，通过重力和地震折射数据得到的地壳厚度以及DSDP数据证实了该时期火山活动频繁^[34]。

3. 讨论

3.1 扩张阶段及扩张时间

Hilde和Lee^[23]根据磁条带特征提出了西菲律宾海盆的两阶段扩张模式；Deschamps等^[35]根据磁条带特征，结合多波束资料揭示的海底精细构造，认为西菲律宾海盆50 Ma以前存在一个不同于中央海盆断裂且平行于菲律宾弧的扩张轴，并提出了三阶段扩张模式。前人对四国和帕里西维拉海盆扩张阶段划分的观点较为一致，认为其存在两个阶段的扩张^{[14, 15]}。本文根据磁条带分布特征，结合水深、重力以及洋壳年龄等数据(表 1，图 1，3，4)，按照构造演化程度和扩张特征的差异性，将西菲律宾海盆划分为3个扩张阶段，将四国-帕里西维拉海盆划分为4个扩张阶段。

Table 1. Geological and geophysical characteristics of the Philippine Sea Basin

构造单元	西菲律宾海盆	九州-帕劳海脊	四国海盆	帕里西维拉海盆
磁力异常/nT	-460~560	/	-300~430	-450~420
磁条带走向	NW—SE、E—W	/	NWN—SES、NW—SE	N—S、NW—SE
扩张方向	E—W→NE—SW→N—S	/	ENE—WSW→ NE—SW	E—W→ NE—SW
半扩张速率/(mm/a)	18~44	/	28~61	24~58
平均水深/m	5 000~6 500	3 000~5 000	4 000~5 500	4 500~5 500
布格重力异常/mgal	400~600	200~300	300~400	350~400
洋壳年龄/Ma	61~33	55/50~26	30~12	30~15
地壳厚度/ km	平均5	8~20	5~10	平均8

| Show Table

DownLoad: CSV

(a)Crustal age and drill sites distribution; (b)Characteristic of the Bouguer gravity anomaly(data of crustal age from http://www.ngdc.noaa.gov; data of drill sites distribution from http://www.iodp.org; data of gravity anomaly from http://topex.ucsd.edu)

DownLoad: Full-Size Img PowerPoint

DSDP、ODP和IODP在菲律宾海盆开展了多次钻探研究，获得了丰硕的研究成果。这些钻探所获得的基底岩石或沉积物的测定年龄与磁条带所示的年龄基本吻合(表 2)，二者之间良好的相关性为正确揭示菲律宾海盆的扩张时间提供了重要依据。

Table 2. The comparison between magnetic lineations and age of the rocks in Philippine Sea Basin

区域	磁条带(年代/Ma)	大洋钻探数据
		站位	岩石测年结果/Ma	来源
西菲律宾海盆	20(43~45)	290	晚始新世	[7]
	21(47~48)	291	48	[37]
	21(47~48)	292	49.4±2(40Ar/39Ar)	[38]
	20~21(43~48)	293	42(40Ar/39Ar)	[38]
	23(50~52)	294/295	48.8±2(40Ar/39Ar)	[38]
四国海盆	6(20)	442	18~21	[39]
	6b(22)	297	早渐新世—中中新世	[40]
	6c(23)	443/444	17.2±3.2(K-Ar)	[41]
帕里西维拉海盆	7(24)	449	24	[42]

| Show Table

DownLoad: CSV

Hilde和Lee^[23]根据条带状磁异常及岩石定年数据认为，西菲律宾海盆的扩张始于61 Ma(按照新的时间尺度—Gradstein的地磁极性年表^[43])。可研究发现，尽管西菲律宾海盆的磁条带定年记录只能追溯到61 Ma，但是早期形成的西菲律宾海盆洋壳显然已经俯冲到菲律宾、琉球甚至可能俯冲至西南日本之下^[27]，因此扩张活动可能在那之前就已经存在。Hall等^[44]基于印尼东部哈马黑拉等岛屿上岩性数据的分析认为，海盆北部的大东海岭与菲律宾海南部地区在海盆张开之前属于同一岛弧系统。根据Hilde等^[23]的磁异常解释, 并以相同的扩张速率计算，西菲律宾海盆的弧后扩张应始于70 Ma左右，这个估算与该地区的弧火山记录相符^[44]。根据磁异常条带、岩石定年数据推算，西菲律宾海盆于33~30 Ma停止扩张。

根据磁异常条带，帕里西维拉海盆开始扩张的时间要比四国海盆早5~6 Ma^[45-47]，但是四国海盆初始扩张阶段是呈楔形由北向南渐进式扩张的，并且根据古地磁数据，菲律宾海板块一直存在NWN—WNW向的运动，海盆北缘在过去的15 Ma里向北俯冲到南海海槽之下。按照菲律宾海板块沿南海海槽的俯冲速度61~65 mm/a计算^[48]，四国海盆至少有915 km的洋壳在南海海槽俯冲潜没，这与Jonny等^[27]利用俯冲板片重建所得出的结论一致。因此，有理由认为四国海盆过去存在更老的洋壳。此外，九州-帕劳海脊的火山岩年龄及沉降研究表明海脊北段在30 Ma存在张裂作用^[49]，因此，本文推测四国海盆与帕里西维拉海盆在30 Ma左右同时开始扩张。16 Ma左右，向北移动的澳大利亚板块与东南亚洲大陆边缘碰撞^[50]，东南亚发生板块重组作用^{[51, 52]}，13个微板块融合成三板块系统，推测是导致四国海盆、帕里西维拉海盆以及南海、苏禄海等停止扩张的主要原因。

3.2 菲律宾海盆的阶段性扩张模型

根据海盆的形成时间，西菲律宾海盆和四国-帕里西维拉海盆分别对应西太平洋边缘海扩张幕中的始新世扩张幕和渐新世-中新世扩张幕。

3.2.1 始新世扩张幕

(1) E—W向扩张阶段(61~50 Ma)

61 Ma或以前，海盆以第一扩张轴为扩张中心沿E—W向或ENE—WSW向扩张(图 5a)。由于热点的存在^{[53, 54]}，岩浆作用强烈，导致该阶段产生的海底相对较浅。岩石学通常认为，玻安岩的产生与俯冲带的初始俯冲有关，K-Ar和⁴⁰Ar/