大陆边缘动力学是探索大陆边缘从张裂到俯冲汇聚的构造与地球动力学过程的学科,也是板块构造理论的重要组成部分。板块构造理论基本建立在对大型洋盆研究的基础上,比如太平洋、大西洋。而对于小型洋盆,尤其是全球75%的西太平洋的边缘海盆,其陆缘张裂到海底扩张是板块俯冲汇聚阶段复杂构造背景下的过程,与经典的威尔逊旋回超级大陆裂解过程相比(如大西洋),具有独特的张裂模式和机制。包括东海、南海在内的中国边缘海是西太边缘海的典型代表,位于太平洋板块构造域和印度洋板块构造域的结合部位,规模小、年龄新,研究深部演变过程的条件更加优越,对中国边缘海“生命史”的研究不仅是西太构造演化和海陆相互作用的关键,也可以丰富和完善目前基于大型洋盆研究的板块构造理论。
自然资源部海底科学重点实验室李家彪院士引领的“海底演化与动力学过程”团队近年来基于国家自然科学基金重大计划、国家专项调查、国际合作和国际大洋发现计划(IODP)的数据资料和样品分析,开展大陆边缘的全地壳尺度深部结构、动力过程与构造-沉积响应等研究,探索以东海、南海为代表的西太平洋大陆边缘盆地的生命史研究,并取得了一系列创新性的成果。
对东海地质和地球物理资料的研究发现:
(1)东海陆架基底很可能是外来块体。东海基底很可能并非是华南陆缘向海延伸部分,在中生代是一个漂浮在古太平洋上的微陆块。随着古太平洋的NWW向俯冲,该漂浮块体最终与华南板块发生碰撞,闭合了古太平洋海沟,结束了古太平洋板块的俯冲,缝合线位置大致在据海岸线向海100 km处(图1,中国科学,2017;Geological Journal,2018);
图1 东海现今构造横剖面示意图及主要构造单元
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(2)建立了东海冲绳海槽新近纪多期次拉张的沉降模式。对冲绳海槽全盆二维构造沉降研究表明,冲绳海槽构造沉降始于北部和中部,并在晚上新世之后集中在南部,表明了从北向南的渐进式扩张趋势。冲绳海槽异常快速沉降的区域大致尅分为两类,一类与控盆断裂相关,一类分布在冲绳海槽的最南端,与加瓜海脊俯冲后产生的侵入岩浆部分熔融相关(Marine and Petroleum Geology, 2019)。
图2 冲绳海槽不同时期构造沉降速率分布图(红色圈内为异常沉降位置)
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对南海的生命史研究表明:
(1)南海的拉张-破裂过程具有构造-岩浆协同作用下“三维不均一”高度变化的特点。南海东部次海盆洋陆过渡带区狭窄(不超过20km),洋陆过渡带为“三明治”结构,包括上部岩浆侵入和侧向玄武岩流形成的火成海山,中部的减薄地壳,以及下部的岩浆底侵层。南海中-东部洋陆过渡带由于快速的陆缘拉张、温度较高的地幔以及和塑性下地壳强烈颈缩共同导致岩石圈强烈减薄,软流圈上部发生减压熔融,岩浆熔融体快速上涌,在大陆拉张的末期形成一期较为强烈的岩浆活动。不仅在洋陆过渡带向洋一侧的减薄地壳发生了包括底侵、岩墙侵入等在内的岩浆增生作用,而且使得大陆岩石圈发生破裂,最终导致海底扩张(图3)。虽然在拉张过程中岩浆作用较弱,但南海北部陆缘中-东部的破裂过程并非是前人认为的“贫岩浆”型,而是由较强的岩浆活动为主导(Earth and Planetary Science Letters, 2019; Marine and Petroleum Geology, 2018)。
图3 南海北部陆缘洋陆过渡带裂离期岩浆活动形成的“三明治”结构(左)及南海裂离过程示意图(右)
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(2)建立南海扩张洋脊两期南跃为特征的不对称、高变化扩张模式。对南海东部次海盆多道地震数据所揭示的深部结构研究,发现残留扩张脊北翼洋壳内部存在两组具有对倾的LCR,明显不同于在大洋洋壳所发现的扩张轴一侧倾向均一致的LCR,进而提出南海扩张脊由于周期性的地幔活动发生两次向南跃迁,进而在洋壳内部形成两组对称LCR结构形成的新观点(Earth and Planetary Science Letters, 2018)。同时海盆的扩张过程中不仅伴随着扩张脊的多次跃迁,也有扩张方向的多次变化(Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2019),最终刻画了南海海盆后扩张期海山分布(International Geology Review, 2019)和热液循环体系的不对称性(Marine Geology,2017)。
图4 南海洋壳内部显示的对倾的LCR结构(左)及洋中脊两次向南跃迁示意图(右)
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(3)南海马尼拉海沟区海山俯冲过程会加速俯冲板片的撕裂。对南海海盆以黄岩-珍贝海山链为代表的海盆区海山俯冲过程进行了俯冲过程的动力学数值模拟。发现在吕宋岛弧的仰冲模式下,南海俯冲板片更容易发生撕裂,撕裂发生的深度在100-300 km之间;俯冲板片海山的存在会促进板片的撕裂,撕裂的位置集中在海山的前缘或者后缘应力变化最大的地方,同时发生撕裂的时间会比无海山俯冲提前约2 Myr。17°N处地震层析成像结果显示的P波低速带表明珍贝-黄岩海山链的俯冲已经导致了俯冲板片的撕裂,验证了上述结果(Tectonophysics,2019)。
主要文章目录
1. 李家彪,丁巍伟,吴自银,孙湫词. 2017. 东海的来历. 中国科学:地球科学, 4:406-411.
2. Ding, W.W., Li, J.B., Wu, Z.C., Li, S.Z., Lin, X.B., 2017. Late Mesozoic Transition from Andean-type to Western Pacific-type of the East China continental margin—is the East China Sea Basement an allochthonous terrain? Geological Journal, doi:10.1002/gj.3029
3. Ding, W.W., Sun, Z., Dadd, K., Fang, Y.X., Li, J.B., 2018. Structures within the oceanic crust of the central South China Sea basin and their implications for oceanic accretionary processes. Earth and Planetary Science Letters, 488, 115-125.
4. Zhao, Y.H., Ding, W.W*., Yin, S.R., Li, J.B., Zhang, J., Ding, H., 2019. Asymmetric Post-Spreading Magmatism in the South China Sea: Based on the Quantification of the Volume and Its Spatiotemporal Distribution of the Seamounts. International Geology Review, doi: 10.1080/00206814.2019.1577189.
5. Cheng, Z.H., Ding, W.W*., Faccenda, M., Li, J.B., Lin, X.B., Ma, L.T., 2019. Geodynamic effects of subdected seamount at the Manila Trench: Insights from numerical modeling. Tectonophysics, 764, 46-61.
6. Sun, Z*., Ding, W.W*., Zhao, X.X*., Qiu, N., Lin, J., Li, C.F., 2019. The latest spreading periods of the South China Sea: New constraints from macrostructure analysis of IODP Expedition 349 cores and geophysical data. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. doi: 10.1029/2019JB017584.
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8. Ding, W.W.*, Sun, Z., Mohn, G., Nirrengarten, M., Tugend, J., Manatschal, G., Li, J.B., 2019. Lateral evolution of the rift-to-drift transition in the South China Sea: Evidence from multi-channel seismic data and IODP Expeditions 367&368 drilling results. Earth and Planetary Science Letters.
新闻来源:自然资源部海底科学重点实验室