漫话“环太平洋”（5）
胡经国
3、西太平洋沟－弧－盆体系
西太平洋（黄帝岭－夏威夷以西）分布着地球上60%以上的沟－弧－盆体系。其中，聚集了全球几乎所有的洋内俯冲带，并且有全球分布密度最高的板内火山活动（海山和洋底高原）。
⑴、岛弧系统（岛弧俯冲带）
其主要岛弧系统（岛弧俯冲带），从北向南包括：阿留申俯冲带、勘察加俯冲带、琉球俯冲带、伊豆小笠原－马里亚纳俯冲带、雅浦－帕劳俯冲带、马努斯俯冲带、汤加－科玛迪克俯冲带,及其相关的弧后盆地系统。
下图为西太平洋构造和地形分布图（来源：网络）。
尽管这些岛弧俯冲带距离大陆边缘远近不同,但是对岛弧火山岩的放射性定年表明，这些岛弧都形成于始新世以来（＜50Ma）（Arculusetal，2015a；Reaganetal，2013）。岛弧开始形成的年龄,大致对应于黄帝岭－夏威夷海山链所记录的太平洋从北西西向北北西转向的时间（Setonetal，2015）。因此，有研究普遍认为，西太平洋板块俯冲与太平洋板块向西的运动转向有关（Setonetal，2015）。但是,关于太平洋向西运动和西太平洋俯冲带形成的因果关系还存在较大争议（Setonetal，2015）。尤其是，中国陆地自中生代以来存在古太平洋板块的向西俯冲，但是没有证据显示现代西太平洋俯冲带与古太平洋板块俯冲的相关性（Zhouetal，2000；Sunetal，2007）。也有研究者认为，太平洋向北运动期间形成了南北方向的转换断层；后来这些转换断层在始新世以后转换为俯冲带（Uyedaetal，1972；Muelleretal，1991；Collotetal，1995）。
为了研究西太平洋岛弧的发育历史，国际上在近年来对马里亚纳岛弧系统开展了一系列大洋钻探工作（IODP350-352）。其中，为了研究早期岛弧的演化，IODP350航次在伊豆后弧进行了钻探。IODP351航次基于对IBM岛弧形成问题的研究,在九州－帕劳海岭的西侧进行了钻探，获得的样品对于理解初始俯冲和随后的岛弧演化具有重大意义（Arculusetal，2015b）。IODP352航次通过对前弧的钻探来验证初始俯冲的过程。通过钻探获得的样品和数据,有助于对弧前的地壳演化和初始俯冲过程有更好的了解（Pearceetal，2015）。
大洋板块在海沟处俯冲进入地幔之前经历了脱水/熔融作用，这是导致岛弧地幔楔加水熔融的关键因素（Pearceetal，1995；Kelleyetal，2006）。通常认为,岛弧和弧后盆地火山岩中较高的挥发分（包括水）含量和广泛的亲流体元素（如Cs、Rb、Ba、U等）富集，体现了俯冲板块脱水对岛弧岩浆的影响（Pearceetal，1995；Kelleyetal，2006）。大洋板块在俯冲带经历的脱水或熔融过程，会直接影响残留并最终进入地幔的板块组成。然而，关于俯冲板片是否通过部分熔融对岛弧岩浆产生贡献，还存在较大争议（Castilloetal，2009）。通过同一岛弧的不同俯冲板块组成、或通过同一俯冲板块俯冲形成的不同岛弧系统火山岩进行对比研究，有助于分析俯冲板块组成变化对岛弧岩浆的影响，从而揭示俯冲过程因素和板块熔融/脱水过程对岛弧系统岩浆成因的控制机理（Castilloetal，2009）。
⑵、弧后盆地
弧后盆地通常是由于板块俯冲在岛弧后侧形成的弧后拉张所致。西太平洋的海盆，除了与已知岛弧的弧后拉张有关以外，而有一些则并没有对应明确的现代岛弧，如菲律宾海盆、加洛林海盆、南海海盆等。由于这些海盆都位于现代西太平洋岛弧靠陆地一侧，因而通常认为，这些海盆的形成也与弧后拉张有关（Sunetal，2016；Deschampsetal，2002）。弧后拉张形成的岩浆主要反映了上地幔源区的组成。西太平洋弧后盆地玄武岩的地球化学组成显示，岩浆的地幔源区广泛存在Dupal异常。Dupal异常是指地幔的Pb同位素组成在208Pb/204Pbvs.206Pb/204Pb图上位于北半球参考线以上（Hart，1984；Dupréetal，1983）。Dupal异常通常在南半球的中低纬度地区广泛存在，因此通常也叫南半球同位素组成异常。后来研究发现,无论是在南半球还是在北半球的西太平洋海盆，也都存在着Dupal异常（Hickey-Vargas，1998；Floweretal，2001；Miyazakietal，2015）。关于Dupal异常是否来自南半球软流圈，或是西太平洋地幔固有的组成特征，还是西太平洋地幔受到俯冲板片熔融作用并对弧后盆地上地幔产生混染的结果，目前还有很大争议（Hickey-Vargas，1998；Floweretal，2001；Miyazakietal，2015）。
⑶、海山及洋底高原
西太平洋除了广泛存在沟－弧－盆体系以外,还是全球大洋板内岩浆活动较为集中的海区。马里亚纳岛弧前缘的太平洋板块具有全球最高的海山分布密度，多个海山链交错分布。除了海山以外,这里还分布着多个洋底高原，如OntongJava洋底高原、Manihiki洋底高原、Hikurangi洋底高原、本汉姆隆起（Benham）、Urdaneta隆起、加洛林洋底高原等。
根据基岩组成类型（拉斑或碱性玄武岩）和年龄分布规律，可以将海山分为有年龄序列和无年龄序列两种不同类型。典型的海山链有年龄序列，其形成最可能来自地幔柱活动，源区可能与俯冲－再循环的俯冲大洋板块有关（Abouchamietal，2005）。近年来，研究认为，一些海山的形成（尤其是无年龄序列的海山）可能不需要地幔柱的存在。例如，大洋板块内部剪切带形成的岩浆活动（Conradetal，20110），浅部物质小尺度地幔对流形成的岩浆活动（Hoernleetal，2011；Kipfetal，2014）。一部分海山的形成明显不与地幔柱有关。例如，Petitspots的海山是形成于古老的太平洋之上的年轻海山，不是来自地幔柱活动（Hiranoetal，2006）。海山是由与板内火山活动而形成的，实际上西太平洋海山大多由碱性玄武岩组成。但是，碱性玄武岩的形成机制还存在着较大争议（Kogisoetal，2003；Dasguptaetal，2006）。认识西太平洋海山的形成机制，必须对碱性玄武岩的形成机制进行详细研究。
⑷、沟－弧－盆体系和板内火山活动的年龄框架
①、主要沟－弧－盆体系的构造和年龄
A马里亚纳岛弧
伊豆小笠原马里亚纳岛弧、雅浦岛弧和帕劳岛弧构成了菲律宾海板块的东南边界是菲律宾海板块、太平洋板块和卡罗琳板块之间的汇聚型板块边界也是全球典型的在大洋内部发育的岛弧。从马里亚纳岛弧到九州帕劳海脊自东向西依次分布着马里亚纳岛弧其岛弧火山活动仍旧活跃弧前区有古近纪的火山岩马里亚纳海槽是活动的弧后盆地西马里亚纳海脊是岛弧火山活动已经停止的残留弧帕里西维拉海盆是停止扩张的弧后盆地中部帕里西维拉裂谷为海盆的扩张轴九州帕劳海脊是岛弧火山活动已停止的残留弧。
在西太平洋汇聚板块边界中马里亚纳岛弧最为典型。马里亚纳岛弧发育了完整的“沟弧盆”体系发育成熟程度高Kimetal，2009），研究程度也相对较高。Karig最先提出岛弧裂解和弧间扩张的假说Karig，1971，1974认为马里亚纳俯冲带的后撤形成了一系列残留弧和弧后海盆。随后进行的DSDP59航次的结果表明在九州帕劳海脊的448站位获取的安山玄武岩年龄为34～32Ma帕里西维拉海盆的449、450站位的基底年龄分别为24和17MaScottetal，1980）。西马里亚纳海脊的451站位获取的火山岩年龄为11Ma。DSDP60航次钻探结果表明马里亚纳海槽是早上新世以来形成的。马里亚纳岛弧的构造运动和火山活动至今仍然活跃。马里亚纳岛弧火山岩类型为玄武质、安山质和英安质年龄不超过上新世。前弧地区存在拉斑和钙碱性系列的火山岩它们的产生可能与始新世到早渐新世晚渐新世到古新世的两次大规模的火山活动有关Shirakietal，1978）。ODP125和ODP126航次在伊豆小笠原马里亚纳弧前区获得的岩石以玻安岩为主基底年龄为始新世早渐新世Lapierreetal，1992），海沟内侧沟壁岩石类型以拉斑玄武岩、安山岩为主Sternetal，2003）。这些研究成果支持Karig1971）提出的弧间扩张和残留弧模式。此出马里亚纳岛弧早渐新世以来的演化历史30Ma左右初始IBM岛弧开始裂解岛弧火山作用逐渐停止四国海盆、帕里西维拉海盆开始扩张15Ma左右四国海盆和帕里西维拉海盆扩张停止现今九州帕劳海脊残留弧基本形成11Ma左右伊豆小笠原马里亚纳岛弧处的火山活动重新活跃5Ma左右岛弧开裂为西马里亚纳海脊和马里亚纳岛弧扩张形成马里亚纳海槽。
B雅浦岛弧
雅浦岛弧系统东侧受卡罗琳洋底高原俯冲东北部与马里亚纳海沟近直角相交北连帕里西维拉海盆扩张中心南接帕劳岛弧。雅浦岛弧基本由变质岩组成火山岩也有零星分布。缺乏活动性的岛弧火山活动Shiraki，1971；Hawkinsetal，1977；Oharaetal，2002）；加洛林洋脊从东向西俯冲于雅浦海沟但弧后扩张盆地并不发育Satoetal，1993；Kobayashi，2004）。成熟岛弧的沟弧间距一般在100200km（Satoetal，1993；Kimetal，2009），而雅浦岛弧的沟弧间距异常短约为50Fujiwaraetal，2000）。弧前无明显沉积物发育增生楔缺失。地震活动性很弱震源深度不超过40Oharaetal，2002）。关于雅浦岛弧的成因并没有一致的结论。McCabe等1983）研究认为在早中新世卡罗琳洋脊的碰撞使雅浦岛弧的火山作用停止并导致雅浦的弧前地区遭受俯冲侵蚀。Fujiwara等2000）根据地球物理结果认为现今雅浦岛弧的主体部分代表帕里西维拉海盆的洋壳。Ohara等2002）通过研究雅浦海沟的橄榄岩和火山岩认为橄榄岩来源于岛弧拉斑玄武岩浆产生之后的残余地幔物质是与雅浦弧前环境相关的超基性岩并不是来自帕里西维拉海盆或者捕获的洋壳岩石圈物质。
C帕劳岛弧
帕劳岛弧火山岩类型为玄武岩、安山岩和英安岩其K-Ar年龄为37.720.1Ma（Hastonetal，1988，1991）。帕劳海沟和雅浦海沟的俯冲速率都很低帕劳海沟为30mm/yr，雅浦海沟为63mm/yr），远小于马里亚纳海沟的俯冲速率40～30mm/yr）。马里亚纳、雅浦、帕劳岛弧形成了一个连续的岛弧体系Matsuda等1997）研究认为帕劳、雅浦、马里亚纳岛弧可能分别代表岛弧演化三个不同阶段帕劳岛弧代表岛弧发展的初始阶段雅浦岛弧代表岛弧的埋藏或区域变质阶段马里亚纳岛弧代表岛弧发展的成熟阶段。
D、海盆
a、菲律宾海盆
西太平洋的海盆的形成主要与弧后拉张环境有关，而且主要形成于新生代以来（见下表；来源：网络；有省略）。
其中,菲律宾海是西太平洋沟－弧－盆体系最大的海盆。九州－帕劳海岭及其西马里亚纳海岭将菲律宾海分为三部分；菲律宾海的西部由西菲律宾海盆和奄美高原组成。西菲律宾海盆是菲律宾海最大最深的海盆。对于海盆的形成目前还存在较大的争议（Hildeetal，1984）。其中最主要的观点是，菲律宾海盆的打开分为两个阶段：在中央盆地断裂带第一阶段在6045Ma，沿东西向打开，在这一阶段形成的高原和隆起可能是由岩浆活动形成的；第二阶段在4535Ma，沿北东－南西向平行于九州－帕劳海岭打开（Hildeetal，1984；Okinoetal，1999）。
海盆名称 年龄（Ma） 测年方法 西菲律宾海盆 60～45；45～35 地磁条带 帕里西维拉海盆 30～17 地磁条带 四国海盆 25～15 地磁条带 日本海盆 32～10 地磁条带，K-Ar 卡（加）洛林海盆 42～25；18～13.7 地磁条带 南中国海盆 33～16 地磁条带 苏禄海盆 41～45；30～37 地磁条带 西里伯斯海盆 65～72；42～47 地磁条带 马努斯海盆 3.5 地磁条带 冲绳海槽 12 Ar-Ar 劳海盆 4～6 地磁条带 鄂霍次克海盆 36 动力学数据 阿留申海盆 晚白垩纪；早新生代－中渐新世 b、卡（加）罗琳海盆
卡罗琳板块位于太平洋板块、菲律宾海板块、印度－澳大利亚板块之间，主要由卡罗琳海盆、索罗尔海槽、西卡罗琳洋脊构成。索罗尔海槽为卡罗琳板块与太平洋板块的分界（Bird，2003），将卡罗琳洋脊分为近乎平行的两部分；东卡罗琳洋脊和西卡罗琳洋脊。海底地磁条带研究显示，加洛林海盆年龄分为两个阶段：42～25Ma、18～13.7Ma（Bracey，1975）。DSDP62、63钻孔的研究结果，确定了卡罗琳基底的年龄为37～24Ma（Gainaetal，2007）。最初研究认为，卡罗琳海盆沿欧里匹克隆起（EauripikRise）东西向扩张。但是，后来的研究表明，该海盆的扩张方向为南北向（Braceyetal，1974）。一般认为，卡罗琳板块向南俯冲，弧后扩张形成了卡罗琳海盆（Weisseletal，1978）。
c、南海海盆
菲律宾海盆以西的亚太地区还存在着一系列新生代时期形成的海盆；这里处于欧亚板块的巽他陆架、澳大利亚－新几内亚板块及太平洋－菲律宾海板块的交界处，具有复杂的构造环境。这些海盆主要包括：南海、苏禄海、西里伯斯海。
南海位于欧亚大陆、太平洋、印度洋的交界处，是东南亚大陆裂解以后形成的扩张盆地。通过地磁条带和钻孔玄武岩年代学研究认为，南海扩张发生在33～16Ma（Briaisetal，1993；Lietal，2014）。由于南海海盆具有独特的构造背景，因而关于南海扩张形成和演化的动力学原因是极具争议的。南海扩张有关的动力学模型，包括：印支半岛的构造侵入（Briaisetal，1993）、作为弧后扩张盆地而形成（Karig，1973；Hildeetal，1977；Sunetal，2016）、海南地幔柱的影响（Floweretal，1998），或者与古南海（Proto-SouthChinaSea）俯冲拖拽有关（Holloway，1982；Tayloretal，1982）。2014年，IODP349航次首次对南海海盆基岩进行了科学钻探，获得了东部次海盆和西南次海盆残留脊附近的玄武岩，证实了南海海盆是由海底扩张形成的洋壳组成。随后的IODP367、368航次连续对南海北部进行了钻探,也获得了洋壳玄武岩。详细的岩石学和地球化学研究，可以为南海形成和相关地幔深部信息提供重要约束。
d、苏禄海盆及西里伯斯海盆
苏禄海得西面与北婆罗洲的沙巴州相邻；东面与菲律宾群岛相邻；南边苏禄群岛将苏禄海与西里伯斯海分开；北边巴拉望岛将南海与苏禄海隔开。其内部北东向的卡洛延岭，将苏禄海分成了西北水深1000～2000米和东南水深4500～5500米两个海盆。
整个苏禄海西北海盆具有较厚的岛弧型的洋壳（Murauchietal，1973；Jolivetetal，1989）。苏禄海东南海盆具有典型的洋壳特征，洋壳向苏禄海沟的方向逐渐倾斜。关于苏禄海东南海盆的成因主要存在两种争议：弧后扩张（Uyedaetal，1979；Mitchelletal，1986）和自班达海到苏禄海一个连续的洋盆（Leeetal，1986；Spadeaetal，1996）。
也有研究认为，苏禄海东南海盆是弧后扩张的结果。
地磁条带异常及周边岛屿的构造演化相关研究认为，从班达海到苏禄海最初是一块连续的大洋基底（Leeetal，1986；Parsonsetal，1977）。地磁条带异常研究认为，苏禄海盆的打开年龄为41～45Ma（McCabeetal，1982；Muelleretal，1991）。Taylor和Hayes认为，N80°E地磁异常具有低振幅、低强度的特点，与南海的洋壳有密切联系，苏禄海为南北向打开的（Tayloretal，1983）。
在古近系时，西里伯斯海在卡洛延岭的位置俯冲到苏禄群岛的下面；在早渐新世的时候（30～37Ma）岛弧南移,此时苏禄海东南海盆在苏禄海岭北边以弧后扩张的形式打开（Mitchelletal，1986）。据苏禄海盆的地球动力学研究，苏禄海的打开及其俯冲终止经历了10～15Myr（Uyedaetal，1979）。而关于关闭的原因可能与巽他陆架的侧向碰撞有关，并且导致了苏禄海盆的倾斜（Rangin，1989）。Leg124-768的生物地层样品，得到了苏禄海洋壳的年龄最少为17～18Ma（Muller，1991；Roeser，1991）；根据地磁条带异常获得的苏禄海盆的打开年龄为30～37Ma（Müller，1991；Roeser，1991）。
关于西里伯斯海的研究，对其成因有三种观点：大陆边缘裂解的盆地，古老海盆的碎片或弧后扩张（Murauchietal，1973；Leeetal，1986）。对于这两个海盆的形成年龄的研究，主要基于地磁条带、热流值、生物地层及同位素地球化学测年方法。西里伯斯海的年龄，主要通过地磁条带、热流值及其生物地层得出的形成时间为42～47Ma（Nicholsetal，1999；Shyuetal，1991）。然而，Lee和McCabe对地磁条带和热流值的解释为，西里伯斯海的打开时间为65～72Ma（Leeetal，1986）。根据取自卡洛延岭Site769及Site771的玄武岩样品进行K-Ar测年，得到卡洛延岭的年龄为23.9～25.8Ma（Bellonetal，1991）。
②、板内火山活动年龄和分布
A海山链
西太平洋存在大量板内火山活动形成的海山链。其中，马里亚纳岛弧以东，是全球大洋海山最为集中的海区。这里有Japanese-Joban链（103.6～94Ma）、北Wake（113～109Ma）及南Wake海山链（119.7～89.7Ma）、Magellan海山链（117.8～87.1Ma）、Gilbert海山链（77.9～65.7Ma）、Tokelau海山链（72.1～66.1Ma）等。相关研究认为，这些海山大多与位于中太平洋的超级地幔柱在早白垩－晚白垩期间的活动有关（Suetsuguetal，2009）。
南半球西太平洋的主要海山链有路易斯维尔Louisville）海山链其最老一端与汤加科玛迪克岛弧相交年龄为78MaKoppersetal，2004）。这是仅次于黄帝岭夏威夷海山链以外的第二长海山链通常被认为形成于一个长期的地幔柱活动。西太平洋海山链还存在于边缘海盆中如南海海盆中存在多个海山尤其是南海扩张停止后沿残留脊形成了一个海山链～16MaLietal，2014）。
B洋底高原
aOntongJava高原
除板内海山以外也形成了大量规模巨大的洋底高原。其中OntongJava高原是现存海洋中最大的洋底高原形成于124～119Ma期间的一个地幔柱活动Larson，1997）。最近的研究认为OntongJava洋底高原只是代表了这次地幔柱活动形成的洋底高原的一部分而西太平洋的Manihiki和Hikurangi洋底高原也是该次地幔柱活动的产物由于中生代时期古太平洋扩张中心的活动将Manihiki和Hikurangi洋底高原与OntongJava洋底高原分离并位于现在的位置Taylor，2006）。
bBenham隆起
Benham隆起位于西菲律宾海盆的西部边缘是一个相对比较小的长方形隆起。关于Benham隆起的形成时间McKee使用Benham隆起南侧的Site292的样品用K-Ar法测得了年龄37.5Ma（McKee，1975）。Hilde等1984）认为Benham隆起是在菲律宾海打开的第二阶段沿中央海盆断裂带通过巨量岩浆活动形成。相对应地位于东北部的Urdaneta隆起与Benham隆起相对中央裂谷带具有相同的距离被认为是同一隆起岩浆作用之后通过转换断层分开成为现在的两个隆起然后伴随海盆的打开运动到现在的位置Hildeetal，1984）。Karig1975）认为Benham隆起可能代表了一种沿吕宋岛东边的俯冲结束的挠曲也可能是代表了一种西菲律宾海盆形成后的大规模的岩浆活动。对Benham隆起的岩石学及其地球化学性质的认识主要是基于在DSDPSite292钻孔在Benham隆起南缘的玄武岩岩芯。Benham隆起的基底玄武岩主要为碱性玄武岩Pb同位素组成显示玄武岩具有Dupal异常。Dupal异常原因可能是其形成时位于南半球Dupal异常区或是形成过程受到菲律宾海板块岩石圈地幔的混染Daleetal，2008）。
c加洛林海山链2022年7月19日编写于重庆
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