弧后盆地的形成與演化探討_以東亞陸緣區(qū)為例

1、海 洋 地 質(zhì) 與 第 四 紀 地 質(zhì)第16卷第4期V o l. 16, N o 4.1996 年 12 月M A R IN E GEOL O GY & Q U A T ERN A R Y GEOL O GYD ec. ,1996弧后盆地的形成與演化探討3以東亞陸緣區(qū)為例吳有林畢林華舸郭范蔚茗張琴華峰楊明惠( 中國科學院長沙大地構造研究所, 長沙, 410013)提要通過對弧后盆地大地構造體制的討論, 作者認為其屬活化作用的產(chǎn)物。根據(jù)地質(zhì)、地球物理、地球化學等資料的分析, 作者得出結論認為, 由于東亞島弧系巖石圈的均衡作用及海溝外側冷卻大洋巖石圈塊體的下沉拖曳牽引等 作用, 使軟流圈在

2、島弧系下方發(fā)生分異, 這種分異作用帶動東亞陸緣向東擴張, 從而產(chǎn)生弧后的張開。文中還對其它模式做了概略的討論。最后, 作者將弧后盆 地分為五個演化階段, 并對各階段特征做了簡述。關鍵詞東亞弧后盆地軟流圈分異陸緣擴張現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的主要沿環(huán)太平洋大陸邊緣的海溝島弧弧后系 ( 下稱 T 2A 2BA 系) 是世界上最為引人注目的構造特征1 。T 2A 2BA 系具有共同的特征2, 3 , 它們常是向大洋凸 出的弧形, 但又不總是這樣1 。任何假說都必須能夠解釋這些特征的成因和多樣性。由于 弧后盆地, 特別是東亞陸緣海, 如東海、南海等可能蘊藏著極豐富的石油天然氣資源, 因此, 對其研究具有顯著的經(jīng)濟意義

3、。 通過地質(zhì)、地球物理、地球化學及行星地質(zhì)等不斷深入的研究, 人們已經(jīng)形成了一些共識: 地殼、地幔的結構、組成、能量分布在縱橫方向的不均一性; 軟流圈及巖石圈中低速 層橫向不連續(xù); 地球是一個相對開放的系統(tǒng), 巖石圈的演化變動是地球本身各種因素與星外因素綜合作用的結果; 地球各層圈間存在相互作用或影響; 深部地質(zhì)作用對巖石圈的演化變動起著決定性的作用等。我們認為對弧后盆地形成機制的討論, 不僅應能夠解釋 T 2A 2BA系特征的成因和多樣性, 而且要建立在上述認識的基礎上, 只有這樣, 才能得出正確的結論。本刊收稿日期: 1995年2月28日。第一作者簡介: 吳有林, 男, 27歲, 碩士,

4、構造地質(zhì)與工程地質(zhì)學專業(yè)。3國家自然科學基金資助項目 ( 49252001) 。1大地構造體制的討論不同的大地構造屬性蘊含著不同的構造、巖石學、地球化學和地球物理學特征, 大地構造體制的演進記錄了弧后盆地形成演化的地質(zhì)背景及發(fā)展條件, 所以, 明確弧后盆地區(qū) 所處大地構造體制, 對探討其形成機制及演化是很必要的。沖繩海槽的地殼結構不是典型大洋型構造而是延展大陸型構造, 沖繩海槽內(nèi)的沉積厚度從兩側向內(nèi)部增大 (與海底擴張模式相反) , 第四紀火山活動以酸性巖漿為主4 , 表現(xiàn) 為由陸殼拉張而成的陸緣裂谷5 。日本海及太平洋西北部均存在前寒武紀結晶基底6 , 綜 合地震資料7 和鉆孔資料8 等都已

5、表明東海盆地的地殼結構為成熟的大陸型。南海及其周緣地區(qū)為陸緣擴張作用所造成9 。日本島弧內(nèi)帶地區(qū)廣泛出現(xiàn)中生代花崗巖1 , 它是脫 離大陸的古老殘塊, 與大陸有邊緣海盆相隔10 。太平洋型造山作用是因為現(xiàn)今在太平洋周邊的 T 2A 2BA系中占優(yōu)勢, 這種造山作用不是造山作用的局部變異, 而是最重要的造山作用類型11 。D ew ey 等所說的“最重要的造山作用類型”依其意顯然不屬地槽型造山作用, 實際上, 這次造山作用是經(jīng)歷過地槽、地臺階段之后, 發(fā)生于地臺期后的活化造山作用 或稱地洼造山作用12 。綜合上述資料, 說明東亞陸緣海原和日本臺灣島弧系本為一體,因陸緣擴張作用而被拉離, 它們均已

6、經(jīng)歷過地槽、地臺階段, 現(xiàn)在其大地構造體制均屬活化階段體制 (地洼體制)。2陸緣擴張和軟流圈分異越來越多的人將弧后盆地的形成歸結于陸緣擴張。L e P icho n ( 1982) 認為愛琴海是大陸殼伸長和減薄的結果13 ; 南海為陸緣拉張, 陸殼減薄的結果4, 9 ; 東亞陸緣海的形成是 陸緣擴張作用的結果12 ?；顒哟箨戇吘壓５拇箨懟椎臏p薄作用的原因肯定在于強大的 伸展作用10 , 許多人把這種強大的伸展作用歸因于板底墊托作用14, 15, 16 。目前的資料有力支持東亞陸緣的擴張作用; 中國東南陸緣區(qū), 三組地幔流大致沿北緯3°, 東經(jīng)132°方向 匯聚于鳥頭半島北

7、, 地幔流主要向東及東南方向, 它牽引了我國東南巖石圈向太平洋、菲 律賓和爪哇海溝方向遷移, 形成東南大陸邊緣強大的拉張擴散場, 導致大規(guī)模沉降, 形成 一系列邊緣海17 。變粘滯度地幔蠕動流的數(shù)學模式18 結果顯示, 日本臺灣島弧系處為 東西向擠壓應力場, 而島弧以西的中國東部陸緣區(qū)則以向東擴散的張性應力場為主。所以, 地幔流的向東蠕動導致了東亞陸緣的向東擴張。我們把地幔流的向東蠕動歸因于日本臺灣島弧系下的軟流圈的分異作用。大多數(shù)地殼之上的均衡是小的, 這表明非常接近于均衡平衡, 主要的例外是島弧海溝系19 。臺灣山脈地區(qū)重力異常為-400g. u - 800g. u. , 而臺灣海峽處重力

8、變化緩慢,為+ 70g. u + 300g. u. , 為弧后盆地重力場特征20 。臺灣地震構造綜合剖面上, 明顯可見莫霍面下凹21 , 見圖1。當均衡調(diào)整迅速進行時, 巖石圈會程度不同地陷入到軟流圈內(nèi)10 。島弧系處軟流圈在上覆巖石圈過剩質(zhì)量的作用下, 經(jīng)均衡調(diào)整被迫向下分異, 來自海溝一側插向島弧系下的冷卻巖板的拖曳牽引加劇了這種分異。軟流圈的這種分異表現(xiàn)為向下的匯聚地幔流動。軟流圈的分異導致島弧系的中心發(fā)生擠壓逆沖及褶皺作用, 而近陸一側 的地幔蠕動流則帶動陸緣巖石圈塊體向海溝方向運移, 從而導致陸緣發(fā)生擴張。地幔流運 動方向的結果表明這一推斷與實際相符。日本島弧系呈重力負異常, 而日本

9、海及馬里亞納 海溝則呈重力正異常22 , 可得到與臺灣島處相同的結論。所以, 日本臺灣島弧下的軟流圈分異導致陸緣擴張, 從而引起弧后張開。海 溝 形 成 之 初, 巖 板 冷 卻 厚 度 小, 傾 斜 角 度 緩 ( <10°) 23 , 陸側阻擋強烈, 但陸 緣 隆 起 ( 島 弧) 尚 不 強, 故 海溝處負重力異常明顯高于島 弧 系 處, 因 而 軟 流 圈 的 向 下 分異發(fā)生于海溝下。后來, 巖 板 厚 度 增 大, 傾 角 變 陡 ( 約30°) ; 隆起帶 (島弧) 因強烈隆升, 巖石圈質(zhì)量過剩, 而海溝 處 因 均 衡 已 得 到 調(diào) 整, 故 軟 流

10、圈分異逐漸轉移到島弧系 下。東 亞 陸 緣 區(qū) 這 種 分 異 作 用位置的轉換大致發(fā)生于晚圖1 臺灣地震構造綜合剖面示意圖F ig. 1 Com p reh en sive sk e tch sec t io n o f se ism o lo gy and st ruc tu re in T a iw an白 堊 至 古 新 世 ( 相 當 于 拉 拉米運動后期)。具體演化模式 見作者另文24 。軟流圈分異引起陸緣擴張, 致使弧后巖石圈被拉張減薄, 由于均衡作用, 弧后盆地下軟流圈及莫霍面上隆。軟流圈隆升導致熱流值增高, 在巖石圈相對薄弱處, 軟流圈及因熱 侵蝕等產(chǎn)生的巖漿沿裂縫處上升造成

11、軟流圈貫入以及地幔底辟或局部對流及次級分異等。我們認為板底墊托作用是發(fā)生于弧后伸展條件下的一種地質(zhì)現(xiàn)象, 伴隨陸緣擴張而產(chǎn)生, 而不是陸緣擴及弧后盆地形成的原因。目前, 東亞陸緣海因島弧系軟流圈分異而發(fā)生擴張的情況見圖2。需要指出的是, 由于不同地區(qū)巖石圈結構、組成、熱狀態(tài)等的差異性4, 12, 17, 21, 25, 26 及軟流圈的不連續(xù)27, 28, 29或呈硬的地幔腎被漫延寬廣的地幔軟體所分隔30 , 而且因東亞陸緣的不同區(qū)域受歐亞塊體、印度塊體、太平洋塊體、菲律賓塊體等作用的不均衡性等原因, 軟流圈地幔流在不同區(qū)域的流動方向、速度、規(guī)模等存在差異, 從而也導致弧后盆地張開的 時間、巖

12、漿、地震活動的時間、強度等方面也各具特色。因此,“軟流圈分異陸緣擴張”具 有不均衡性。3本 模 式 對 其 它 模 式 的修正上文已提到, 目前東亞陸緣區(qū)的總體應力場方向向東, 那么上馱 板塊退離海溝模式31, 32 假定上馭板 塊 ( 島弧弧后巖石圈) 向陸運動與 事實不符。海溝俯沖 松 馳33, 34 理 應 造成海溝向陸一側的島弧和弧后均產(chǎn)生松馳效應; 但是除局部發(fā)育滑 塌或正斷層之外, 島弧自中生代以 來總體一直處于擠壓狀態(tài)29 , 而且 地震資料顯示目前應力場仍以東西 方向擠壓為主35 , 因此, 島弧弧后這種構造格局顯然不能用松馳來解 釋, 而應從更深層次如軟流圈的運 動方面來解釋

13、。巖石圈厚度自大陸圖2 一個典型的西太平洋陸緣擴張區(qū)的速度、密度、熱結構及軟流圈分異過程剖面F ig. 2 A sec t io n o f ve lo c ity, den sity and h ea t st ruc tu re and d iffe ren t ia t ing p ro ce ss in th e a sth eno sp h e re向大洋變薄引起的張應力25 , 如果是陸緣擴張的主因的話, 相對隆起的島弧則應產(chǎn)生向東及向西的張應力, 這和實際不符。因此, 巖石圈厚度差異及其引起的重力位能效應, 只是 巖石圈表層重力滑動的力源, 而非陸緣擴張的動力。考慮到地震資料所得

14、出的中國東北地區(qū) ( 盧造勛)、華北地區(qū) ( 孫武城) 26 、東南陸緣區(qū)17, 36地殼、地幔波速、Q p 值縱橫方向的差異性, 及 P 波初至及部分續(xù)至震相研究表明華北、華南、黃海、渤海、東海、南海等區(qū)橫向有明顯的不均一性26 。在巖石圈結構、性狀等區(qū)域上差異如此明顯的情況下, 從中國南北帶將歐亞、印度塊體的擠壓應力傳遞到弧后及島 弧區(qū), 并產(chǎn)生張性、壓性應力場的差異, 其有效性是值得懷疑的。所以,“傳播式擠壓”37, 38 觀點尚待驗證。因為并非所有活動大陸邊緣區(qū)的島弧都凸向洋側1 , 島弧拱結構39 不能 解釋島弧弧后結構的多樣性, 何況拱結構發(fā)生作用是靠地球自轉或是地幔的運動還是 其

15、它什么作用? 也解釋得不夠明確。依作者的觀點, 地幔底辟或局部對流及次級分異33 、軟流圈貫入40 、巖石圈底層剝 落4 、熱侵蝕25 等只是軟流圈分異造成陸緣擴張的伴生結果而非起因。假如這些作用是主因的話, 則應引起弧后的向大陸一側的擠壓作用, 而且, 這種擠壓不應是局部的, 因為東亞陸緣海域自日本海向南海延伸如此之廣。實際結果表明弧后的近大陸一側為向東的擴 散張應力場。把海底擴張作用作為弧后成因19, 34, 38, 41 , 也應造成弧后的大陸一側產(chǎn)生指向大陸的應力場, 正如上文所述, 實際在東亞陸緣區(qū)的弧后西側應力場向東。應指出的是, 在弧后盆地發(fā)育的初期及成熟期, 軟流圈貫入、地幔底

16、辟、次級分異及局 部海底擴張作用等均是軟流圈分異的結果; 隨著各種因素的主次制約條件的變化, 這些作用也有可能在局部區(qū)域成為構造演進的主因。但是到目前為止, 絕大多數(shù)弧后盆地 ( 愛琴海是例外? ) 在發(fā)生似大洋一樣的擴張作用前, 均已消亡或反轉封閉。日本島東西部發(fā)震機 制是不同的, 東部主要和海溝處消減 (大洋巖石圈) 作用有關, 而西部則和與陸緣擴張相伴 生的局部地幔底辟、次級分異等相關。我們認為日本海及島弧雖然目前處于陸緣擴張的衰 老階段, 熱流值偏低、火山活動相對變?nèi)? 但因其界于構造及應力體制的轉換過渡階段 (弧 后趨于反轉、應力場由張性開始向壓性方向轉變)。因此, 日本海及島弧區(qū)地

17、震活動相對變 得活躍; 而臺灣島及東海區(qū)域尚未到這種階段, 雖然火山活動略強, 但地震活動及其烈度 卻相對低些。另外, 島弧處火山活動等與大洋中的島嶼的生成有本質(zhì)的不同, 前者是大陸 隆起基礎上的改造作用, 而后者則是生成作用。4弧后盆地演化階段弧后盆地有其發(fā)生、發(fā)展及消亡的演化歷程?；『笈璧靥幱诓煌难莼A段, 其熱流值、火山活動、地殼厚度、地震波速、盆地規(guī)模等均有差異, 據(jù)此, 我們將弧后盆地的演化區(qū) 分為孕育、年青、成熟、衰老、消亡五個階段。陸緣擴張剛開始。沒有高熱流值 ( 0192113H FU ) ; 火山活動不顯著; 地孕 育階段殼 厚度減薄不明顯; 橫波 (Sn ) 和表面反射縱

18、波 (Pp ) 衰減正常; 尚未發(fā)育有典型的盆地形態(tài)。如阿留申島弧后 (不含白令海)。陸緣擴張強烈。熱流值較高 ( 110210H FU ) ; 火山作用較強烈; 地殼雖開年青階段始拉伸減薄, 但仍較厚; Sn、Pp 衰減較快; 盆地規(guī)模較小。如愛琴海, 擴張在距今一千萬年左右開始13 。成熟階段陸緣持續(xù)擴張。熱流值高 ( 315 11H FU ) ; 火山活動強烈; 地殼厚度明顯減薄, 巖石圈底層受構造熱侵蝕; Sn、Pp 衰減快; 盆地規(guī)模繼續(xù)增大; 局部出現(xiàn)軟流圈貫入、地幔底辟或局部對流。如東海, 晚白堊世開始擴張25 。衰老階段陸續(xù)擴張減弱。熱流值仍較高, 但有下降趨勢; 火山活動不明

19、顯; 地殼厚度薄, 因冷卻開始加厚; Sn、Pp 衰減快; 盆地規(guī)模達到極限, 并開始反轉。如日本海, 距今100M a±開始擴張1 。消亡階段陸緣擴張伴隨島弧系與其它大陸或島嶼的碰撞而終止。熱流值趨于正常; 火山活動停止; 地殼厚度因冷卻而開始增大至正常大陸水平; Sn、Pp 衰減近于正常; 若沒有明顯的擠壓作用, 仍可保留盆地形態(tài), 但已升為陸地。如塔里木盆地, 二疊紀開始擴 張13 。江 南 古 陸 北 側 的 下 揚 子 區(qū) 中 的 滑 脫 拆 離 構 造 系 因 中晚 印 支 期 的 陸 緣 擴 張 形成24 。結語直到目前為止, 仍沒有一種為人們所公認的模式, 既能解釋

20、T 2A 2BA 系的特征成因,又能解釋其多樣性。本文意在對弧后盆地的形成演化提一些較為粗淺又與眾不同的看法,目的在于拋磚引玉。參考文獻123456塔爾奧尼M . 島弧、海溝和弧后盆. 北京: 海洋出版社. 1984.Sug im u ra A. and U yeda S. Island A rc s: J ap an and It s E nv iro nm en t s. E lsev ie r, A m ste rdam , 1973.B u rk C. A. and D rak e C. L. ( ed ito r s). T h e Geo lo gy o f Co n t inen

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