陳傳緒，吳時國，趙昌壘

1中國科學院海洋研究所，青島 266071

2中國科學院大學，北京 100049

3中石油杭州地質研究院，杭州 310023

1 引言

馬尼拉海溝是位于南海東部的匯聚板塊邊界，包含了眾多的板塊俯沖情形，例如最北端的斜向俯沖與弧陸碰撞，北段的過渡殼（？）俯沖，中段的洋中脊俯沖，南段的雙向俯沖等，因此該匯聚邊界的研究對于理解地球活動基本過程以及約束南海形成演化過程都有重要的科學意義（Hayes and Taylor，1980；Hall，1996；Huang et al.，1997；Hall，2002；Sibuet and Hsu，2004）.

馬尼拉海溝北段輸入板塊的海底地形呈緩慢傾斜，沒有劇烈起伏的海底地貌單元（如海山，洋底高原等）（圖1），由此容易造成認知上的假象，即該區(qū)域輸入板塊是形態(tài)平整，性質均一的.造成這一形態(tài)的原因是，臺灣造山帶的近乎世界之最的強烈抬升剝蝕速率（1300mg·cm－2·a）與南海東北部陸坡區(qū)大量發(fā)育的峽谷—沖溝體系（Li，1976；丁巍偉等，2010）.近年的地球物理觀測揭示了該區(qū)域的沉積物厚度和基底起伏存在明顯差異，而且與之相關的大陸張裂減薄和深部巖漿活動也有時空分布的不同（Yeh and Hsu，2004；Ku and Hsu，2009）.這些觀測證據(jù)均表明馬尼拉海溝北段的輸入板塊是不均一的，由此引出了新的問題：南北向的區(qū)域輸入板塊差異會引起怎樣的構造響應？

圖1 馬尼拉海溝北段地形、主要地質構造單元和地震測線位置圖水深線間隔1000m，紅色細線為圖4a，b對應的測線位置，白色填充的橫線為圖5對應的測線位置，黑色橫線為ACT，ORI689，ORI693，MCS0905和MCS0908航次的測線位置，黃色短線表示巖漿侵入范圍，COB1，COB2：洋陸過渡邊界.LRTPB：呂宋—琉球轉換板塊邊界Fig.1 Regional bathymetric map showing major tectonic features and locations of seismic lines in study area Contour interval is 1000m.Thin red line is the location of Fig.4aand b.White rectangles with red framework show the location of Fig.5.The black thin lines show the locations of seismic lines acquired during the ACT，ORI689，ORI693，MCS0905and MCS0908cruises.COB1，COB2：continent－ocean boundary.LRTPB：Luzon－Ryukyu Transform Plate Boundary.The inset map shows the location of the present study area（red box）.

前人針對馬尼拉海溝的研究，大多數(shù)都集中在馬尼拉海溝的最北段，即初始碰撞和弧陸碰撞區(qū)域，并且指出了斜向碰撞在刻畫區(qū)域地形地貌形態(tài)上所起的主導作用（Huang et al.，1997；Liu et al.，2004；Sibuet and Hsu，2004；Lin et al.，2009）.本文將整個馬尼拉海溝北段作為研究對象，利用地形地貌數(shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)了掩埋在上覆沉積物之下的輸入板塊的不均一性，并分析與其相關的構造響應，如恒春港灣弱變形帶的成因，海溝及板片形態(tài)的改變等.

2 區(qū)域地質框架研究進展

馬尼拉海溝北段毗鄰華南張裂陸緣和臺灣弧陸碰撞造山帶，是華南陸塊、南海板塊和菲律賓海板塊交互作用的區(qū)域.由于該區(qū)復雜的構造背景，使得區(qū)內不同區(qū)域可能受控于不同的構造因素，然而受限于觀測資料的覆蓋區(qū)域以及資料本身的分辨率，該區(qū)內的構造劃分仍存在不確定性.

對于洋陸過渡邊界（COB）的位置仍存在爭議，爭議的焦點在于出現(xiàn)在馬尼拉海溝北段西部的與火山侵入相關聯(lián)的基底隆起（圖1，圖2a）的地殼性質類型.例如，Briais等（1993）認為洋陸過渡邊界位于該基底隆起南部，如圖1中COB1所示，而Hsu等（2004）認為該邊界在基底隆起的北部，如圖1中COB2所示，Hsu等（2004）圈定的巖漿活動影響范圍如圖1中黃色短線所示.近年的震測資料表明，實際的巖漿侵入或者底侵的范圍可能要比此范圍更大（欒錫武等，2011；Yeh et al.，2012）.該基底隆起接近3000m水深線，和西北部的東沙隆起具有連續(xù)性，而且有可能部分已經(jīng)俯沖至了深部（圖2a）.關于該基底隆起的起源及其性質也尚未達成共識，Hayes和Taylor（1980）認為這一構造單元是磁靜區(qū)的一部分，代表了陸殼和洋殼之間的過渡區(qū)域；Bautista等（2001）認為這一區(qū)域是由華南塊體分離出的微陸殼（micro－continental crust）；Hsu等（2004）認為這一構造隆起是南海洋殼的一部分，但是受到了裂后期巖漿侵入或者底侵作用的影響；而Lester等（2013）認為南海東北部的地殼屬性為受到了巖漿活動影響的陸殼.

圖2 （a）馬尼拉海溝北段輸入板塊基底深度，據(jù)（Yeh et al.，2010）修改；（b）馬尼拉海溝北段地形地貌圖，HE為恒春港灣；（c）馬尼拉海溝北段地形地貌解釋Fig.2 （a）Acoustic basement depth（TWT，sec）of the incoming crust（modified from Yeh et al.，2010）；（b）Seafloor morphology along northern Manila trench；（c）Tectonic interpretation of bathymetric features

位于馬尼拉海溝最北端的呂宋—琉球轉換板塊邊界（LRTPB）被認為是一條NW－SE走向的溝－溝轉換斷層（Sibuet et al.，2002；Hsu et al.，2004）.在該轉換邊界兩側存在明顯的地磁、海底地形、基地起伏的差異，表明兩側的地層性質很有可能不同.Sibuet等（2002）認為邊界北部的地殼為初始的南海洋殼，Hsu等（2004）認為這一區(qū)域的地殼可能為圈閉的菲律賓海板塊.

盡管存在上述的有關地殼性質和動力學機制方面的不確定性，但這些來自不同資料和不同側重點的研究恰恰揭示了沿馬尼拉海溝北段的輸入板塊存在南北向的差異.本文中將該區(qū)分為三個區(qū)塊：最北段的區(qū)塊A，性質可能是圈閉的菲律賓海洋殼或者是初始南海洋殼；中段的區(qū)塊B，性質可能是華南陸塊張裂分離出的微陸殼受到了后期巖漿活動影響，也可能是受到裂后巖漿活動影響的南海洋殼，整體表現(xiàn)為過渡殼性質；南段的區(qū)塊C，探測到清晰的可定年的磁條帶（Hsu et al.，2004），可以確定其性質為正常的南海洋殼.區(qū)塊B的過渡殼相對兩側的洋殼，表現(xiàn)為低密度和更大的正浮力，同時我們的結果表明該地區(qū)沉積物薄，地殼厚度大，而且基底隆起起伏劇烈.Pn波的成像結果（胥頤等，2007），以及50km深度P波、S波的成像結果（Koulakov et al.，2014）也體現(xiàn)出馬尼拉海溝北段輸入板塊自北向南的差異：北段的Pn波速度，P波、S波速度低，而南段的波速高.

3 數(shù)據(jù)來源與處理方法

文中的973地震測線是2001年“中國邊緣海形成演化及其重大資源的關鍵問題”項目委托廣州海洋地質調查局用“探寶號”調查船采集所得地震測線的一部分，具體采集參數(shù)為240道地震拖纜，道間距12.5m，氣槍容量3000in3，炮間距50m，采樣間隔為2ms，記錄長度為10.024s（宋海斌等，2007）.EW－35測線是1995年由美國Maurice Ewing科考船采集，采集參數(shù)為240道地震拖纜，道間距25m，氣槍容量8470in3，激發(fā)間距20s（5節(jié)船速，約50m），采樣間隔2ms，記錄長度為16s.此次研究共搜集了19條地震測線的層位信息，其中的13條地震測線是來自于臺灣的三個航次，1996年的ACT航次，2003年的ORI689和ORI693航次，測線的采集參數(shù)和地震剖面可參閱文獻（Yeh and Hsu，2004；Ku and Hsu，2009），另外的6條測線來自于MCS0905和MCS0908航次，測線的采集參數(shù)和地震剖面可參閱文獻（Yeh et al.，2012；Lester et al.，2013）.

973地震測線由特普地球物理分公司處理中心進行了疊后時間偏移，淺部構造清晰，多次波壓制效果顯著，但深部構造基本沒有任何信息，特別是增生楔的上陸坡段.本文作者在前人工作的基礎上，對該條測線的海溝兩側部分重新做了針對性處理，采用了更適合復雜構造成像的疊前時間偏移方法（Yilmaz，2001），具體處理流程如圖3所示.同時，作者注意到增生楔上陸坡段的多次波出現(xiàn)位置和可能存在的滑脫面延伸位置很有可能重合（圖4b），因此在多次波壓制過程中，作者在炮集記錄和CMP道集噪聲壓制參數(shù)選擇，盡可能地保留增生楔上陸坡段的深部信息，即使這樣有可能會導致整個剖面的信噪比降低.重新處理的地震剖面揭示了兩處新的重要的深部信息，一個是位于CDP 4800—9000，深度7.0～9.0s之間的地震軸，另一個是位于CDP號19200－22000，深度6.0～7.0s之間的地震軸.這兩處地震同相軸的位置和臺灣最新采集的大容量（6600in3）、長偏移距地震剖面（Yeh et al.，2012；Lester et al.，2013）（468道，6km）所揭示的深部信息相一致.

4 結果與討論

沿馬尼拉海溝北段的增生楔可自西向東地分為三部分：下陸坡區(qū)，上陸坡區(qū)和背向沖斷區(qū)（圖1），三部分展現(xiàn)了增生楔不同的演化階段特征（Lin et al.，2009）.下陸坡區(qū)發(fā)育逆沖疊瓦斷層，在海底地貌上表現(xiàn)為整齊的平行海溝分布的沖斷背斜（圖2b，c），地震剖面上向西傾斜的逆沖斷層特征明顯，滑脫面清晰可見（圖4c，CDP號12000—19000）.上陸坡區(qū)遭受了強烈擠壓變形和顯著抬升，21°N以北位置上下陸坡水深落差將近2000m，上陸坡地震反射特征雜亂，不存在明顯的地層同相軸.研究區(qū)內增生楔的變形在自南向北的方向上也表現(xiàn)出較強的差異性，例如21°N處出現(xiàn)的弱變形帶，北部海底抬升明顯高于南部的抬升等，而造成這一差異的主要因素就是平行于海溝的輸入板塊的差異.前人研究表明，輸入物質的性質，如組分、厚度、內聚力，流變性，孔隙率和孔隙壓力等，均可影響增生楔變形（Davis et al.，1983；Schott and Koyi，2001；Liu et al.，2004；Simpson，2010）.另外，出現(xiàn)在輸入板塊中的構造隆起，如海山、無震海嶺以及洋底高原等，也會引起上覆板塊的變形模式的顯著改變（Dominguez et al.，2000；Rosenbaum and Mo et al.，2011）.

圖3 地震測線973的重新處理流程Fig.3 Reprocessing flow chart of seismic line 973

4.1 馬尼拉海溝北段輸入板塊南北向差異與增生楔變形響應

研究區(qū)內的海底地形地貌呈現(xiàn)出明顯的三個特征：（1）21.5°N 位置的弱變形帶；（2）向海方向內凹，而不是外凸的海溝形態(tài)；（3）20.5°N以北上陸坡的大幅抬升（圖2b，2c）.

和南北兩側的地貌相比，弱變形帶在下陸坡區(qū)表現(xiàn)為海底平緩、沒有遭受強烈的變形以及缺失褶皺沖斷構造，Lin等（2009）將此區(qū)域定義為“恒春港灣”.上陸坡區(qū)此弱變形帶抬升程度弱，地貌上展現(xiàn)為一條深谷，和下陸坡區(qū)的恒春港灣具有連續(xù)性.穿過該區(qū)域的地震測線EW－35剖面（圖5a，5b）和南部的地震測線973剖面（圖5c，5d）相比，可看出該弱變形帶在下陸坡區(qū)內地層較為平整，褶皺沖斷構造少，具有更寬闊的初始沖斷區(qū)（約30km）.與該弱變形帶相關的另一個重要特征是變形前緣外的深基底埋深和厚沉積物，如圖6b，6c所示.弱變形區(qū)外基底的雙程走時深度為7.0s左右，對應的沉積物厚度約為3.5s，而弱變形兩側的基底深度為6.0s左右，北側沉積物厚度為2.5～3.0s，南側沉積物厚度僅為1.0s左右.弱變形區(qū)和輸入板塊的厚沉積物在空間位置上的高度對應關系表明兩者之間存在著成因上的因果聯(lián)系.沉積物在進入俯沖帶時分為兩部分：大部分物質被刮下堆積在上覆板塊形成增生楔，少部分物質會隨下伏板塊俯沖至深部，如圖4滑脫面下富集的底沖沉積物，而蘊含在沉積物中的水分會隨擠壓排出，排出的水分傾向于沿著主要的斷層如滑脫面流動，從而使得斷層區(qū)的孔隙壓力增大，進而減弱斷層面以及圍巖的剪切強度（Moore and Vrolijk，1992），最終形成寬闊的初始逆沖斷層區(qū)，而且初始逆沖斷層區(qū)的范圍和孔隙壓力的大小成正相關關系（Cello and Nur，1988；Wang et al.，1994；Lin et al.，2009）.因此關于弱變形區(qū)形成的可能解釋是，該區(qū)變形前緣外的較厚的沉積物會使得該區(qū)比兩側形成更高的孔隙壓力，如此會減弱變形強度，并形成比兩側更寬的初始沖斷區(qū).

圖4 地震測線973剖面及簡要解釋（a）原地震剖面；（b）重新處理得到的剖面；（c）地震剖面的簡要解釋.Fig.4 Profiles of seismic line 973and simple interpretation（a）Previously processed profile；（b）Reprocessed seismic profile；（c）Simple interpretation of seismic profile.

圖5 地震測線973和EW－35下陸坡段地震剖面及解釋（a）、（b）地震測線EW－35的疊加剖面及其解釋；（c）、（d）地震測線973的偏移剖面及其解釋.V.E.為垂直拉伸.Fig.5 Profiles at lower slope segment of seismic line 973and EW－35and their interpretations（V.E.＝Vetical Exaggeration）（a）、（b）Stacked profiles of seismic line EW－35and interpretation；（c）、（d）Migrated profile of seismic line 973and interpretation.

圖6 馬尼拉海溝外40km范圍內俯沖帶輸入板塊的差異性（a）插值得到海底深度，其中的黑色橫線表示用于插值的地震剖面；（b）沿馬尼拉海溝的聲學基底深度，白色虛線標示了較深的基底，紅色虛線標示了基地隆起區(qū)；（c）沿馬尼拉海溝的沉積物厚度，白色虛線標示了較厚的沉積物，紅色虛線標示了較薄的沉積物；（d）地殼厚度圖，黑色虛線標示了發(fā)表在（Yeh et al.，2012）中的地震測線位置圖，黑色實線標示了新增加的測線位置圖 （Lester et al.，2013）；（e）馬尼拉海溝北段俯沖帶的地震活動性，震中參數(shù)來自于IRIS，圖中只標示了震級大于4.0的地震.Fig.6 Incoming plate variations along northern Manila trench within a distance of 40km off the trench（a）Seafloor depth along northern Manila Trench.Black lines denote the seismic lines used to interpolate the depth of the acoustic basement and the sediment thickness；（b）Acoustic basement depth along northern Manila Trench.The white dashed line denotes the deeper（7.5s，TWT）acoustic basement.The red dashed line denotes the shallower basement relief；（c）Sediment thickness of the incoming plate along northern Manila Trench.The white dashed line denotes the thick sediment.The red dashed line denotes the thin sediment；（d）Crustal thickness map，the black dashes lines denote the seismic survey lines（Yeh et al.，2012），the black line denote the new added seismic survey line（Lester et al.，2013）；（e）Earthquake hypocenters（M＞4.0）from catalogues of the Incorporated Research Institutions for Seismology（IRIS）.

世界上大部分海溝和島弧都呈現(xiàn)朝向輸入板片外凸的弧形，如南海海槽，馬里亞納海溝，阿留申海溝等，這一現(xiàn)象是由海溝后撤過程中的環(huán)形回流作用導致的，可用乒乓球類比理論（Ping－Pong ball analogy）解釋（Frank，1968；Morra et al.，2006）.但朝向輸入板片方向內凹的海溝和島弧形態(tài)也是存在的，而且這些例外情形往往均伴隨著海溝外的高海底隆起（如海山、海嶺以及洋底高原等），因為這些地形隆起構造往往具有較大的正浮力，會阻礙海溝的后撤.馬尼拉海溝北段的海溝為向海內凹的形狀，雖然不存在上述幾種出露海底的地形隆起單元，但圖2a和圖6b，6c）均揭示了掩埋在沉積物下的地殼性質差異，區(qū)塊B的基底隆起要比兩側高出至少1.5s的雙程走時時間深度，海溝彎曲的最大曲率處恰好對應了基底隆起開始俯沖進入的位置.而且區(qū)塊B表現(xiàn)為過渡殼性質，其正浮力均比兩側的洋殼要高，因此都會減小海溝的后撤速率，從而形成了內凹的海溝形態(tài).

研究區(qū)內的另一個顯著的增生楔變形特征就是北段的上陸坡大幅抬升，地震測線973表明位于21°N和21.5°N之間的上陸坡比其西側的下陸坡高出了2200m左右，上陸坡的坡角達到了6°～7°，而臺灣增生楔的平均坡角為3°～4°（Davis et al.，1983）.一個可能的解釋是有掩埋的海山俯沖到了上陸坡深部，這種現(xiàn)象較為常見，例如南海海槽（Frank，1968；Park et al.，1999；Bangs et al.，2006），卡斯卡迪亞俯沖帶（Tréhu et al.，2012），湯加—克馬德克俯沖帶島?。═imm et al.，2013）等地區(qū)，物理模擬的結果也證實海山俯沖會引起較大的海底抬升（Dominguez et al.，2000），另外在馬尼拉海溝變形前緣分布有掩埋的海山（圖2c，圖4c），也增大了上陸坡地區(qū)深部存在有俯沖至深部的海山的可能性.但是眾多穿過上陸坡的多道地震測線上并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的與海山相對應的地震反射信息，造成這一現(xiàn)象的原因包括：（1）上陸坡地區(qū)強烈變形的地層以及可能存在的位于天然氣水合物層下的游離氣體使得地震信號衰減強烈，從而使得到達深部的地震能量較少；（2）該區(qū)洋流活動劇烈（Yuan et al.，2006），引起地震電纜漂移量較大，而常規(guī)的海上二維測線資料處理沒有將其考慮在內，因此會影響最后的偏移成像（Nedimovic′et al.，2003）；（3）上陸坡地區(qū)深部的滑脫面位置和二階多次波的位置很接近，因此容易在壓制多次波的同時將有效信號也消除掉.在我們重新處理的地震剖面上，盡管可以看到區(qū)別于多次波的同相軸，但仍然比較模糊，而且由于受到速度上拉的影響，所呈現(xiàn)的同相軸要高于其實際的位置.最新發(fā)表的穿過該地區(qū)的寬方位OBS（海底地震儀）數(shù)據(jù)（Lester et al.，2013）證實在上陸坡的下部存在有增生地殼，并推斷該增生地殼可能是推動上陸坡大幅抬升的主要原因，但對其增生的模式尚不清楚.

4.2 對馬尼拉海溝俯沖帶地震活動性的影響

馬尼拉海溝北段的地震活動性分析表明，在20°N—21°N之間的海溝外側隆起（outer－rise）處地震發(fā)生頻率、強度明顯高于相同構造環(huán)境下的其他地區(qū)，而且該震群的位置和基底隆起區(qū)恰好在空間位置相一致（圖6b，6d）.作者認為這兩者空間位置重合的動力學聯(lián)系可能為：（1）輸入板塊處的基底隆起阻礙俯沖過程的進行，從而使得在基底隆起區(qū)聚集了更多的應力；（2）基底隆起區(qū)的地殼性質可能為過渡殼，受塊體張裂作用的影響地殼厚度減薄、強度減弱，相比于隆起區(qū)南北兩側的洋殼更容易發(fā)生應力集中和斷裂；（3）基底隆起區(qū)可能對應了裂后的巖漿侵入和底侵過程，因此在隆起區(qū)的深部可能對應存在一個薄弱帶，而這一薄弱帶可能會傳遞應力至上部正斷層，誘發(fā)斷層錯動發(fā)生地震.一般的海溝外部隆起區(qū)地震發(fā)生頻率和震級均較小，而且多是正斷層觸發(fā)的25km之上的淺源地震（Lee and Lin，2013）.而位于研究區(qū)的海溝外部隆起區(qū)地震震群中地震最大震級達到Mw6.5，發(fā)生時間集中在2006年10月份，震源深度最深達到40km左右，而且在兩個月之后的2006年12月26日，在該震群的東北部發(fā)生了臺灣西南部震級最大的屏東大地震.但這兩者之間時間上的先后關系是否反映了溝外隆起區(qū)地震和巨型逆沖斷層地震之間的動力機制上的聯(lián)系還需要進一步的研究.

沿著整個馬尼拉海溝俯沖帶的地震活動性分析表明，隨著震源深度的增加，其相距海溝的距離也增大（圖7a—7d），而且在海溝中段位置缺失了深源地震（臧紹先等，1994；陳愛華等，2011）.我們利用震源位置大致勾勒了和達—貝尼奧夫帶，結果表明馬尼拉海溝北段的板片俯沖角度較小，而南段的俯沖角度較大，而且有可能在古洋脊俯沖的延伸方向上存在板塊撕裂現(xiàn)象（Bautista et al.，2001）.盡管馬尼拉海溝北段的輸入板塊存在南北向差異，但區(qū)塊B占據(jù)了其中的大部分（圖2a），因此相比于馬尼拉海溝南段的正常南海洋殼，馬尼拉海溝北段整體上仍表現(xiàn)為過渡殼的性質.因此馬尼拉海溝北段的輸入板塊具有更大的正浮力值，因而造成馬尼拉海溝俯沖帶南北俯沖角度差異.

5 結論

圖7 馬尼拉海溝俯沖帶的地震分布（a）—（d）分別表示不同深度范圍內的地震震中位置；（e）地震震源的三維分布.藍色細線表示海岸線，黑色細線表示可能的和達—貝尼奧夫帶形態(tài).Fig.7 Earthquake distribution along the whole Manila trench（a）—（d）Earthquake hypocenters at different ranges of depth.（e）Three－dimensional distribution of earthquakes and possible geometry of the Wadati－Benioff zone.

作者借助地形地貌、多道地震以及天然地震數(shù)據(jù)，綜合分析了馬尼拉海溝北段的輸入板塊自南向北的差異及其對增生楔變形和地震活動的影響，研究結果表明除了斜向碰撞之外，輸入板塊的不均一性也是控制馬尼拉海溝北段變形的主要因素之一.這一控制作用具體體現(xiàn)在：（1）馬尼拉海溝北段的輸入板塊自南向北上覆沉積物厚度的差異引起了俯沖沉積物上滑脫面上的孔隙壓力差異，并最終導致了自南向北的增生楔變形強度差異，由此解釋了恒春弱變形帶的成因；（2）輸入板塊地殼性質的不均一性伴隨著板塊正浮力大小的差異，導致了俯沖帶的后撤速率差異，并最終形成了當今的向海方向內凹的海溝形態(tài).研究結果證實了馬尼拉海溝北段的輸入板塊在地形地貌以及地球物理性質的差異，對于地殼屬性的最終厘定（洋殼、陸殼、過渡殼）還需要更多的地質和地球化學的證據(jù).致謝 感謝參加973項目南海東北部航次調查，EW9509－35測線采集，ACT航次，ORI689航次，ORI693航次，MCS0905航次以及MCS0908航次的所有科考人員，感謝葉一慶（Yeh Yi－Ching）博士提供了圖2a的原始圖件，感謝中石油杭州地質研究院的葉月明博士、張金陵博士、楊存、劉午牛在地震測線973的處理中所提供的無私的幫助，文中部分圖件是由GMT軟件（Wessel and Smith，1998）繪制.

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