孙卫东：西太平洋地质过程
报告人：孙卫东 | 整理：褚伟（油气室）
摘要：西太平洋是一个很特别的地方，是澳大利亚、太平洋和欧亚板块相互作用的地方，很多经典的地质现象都出现在这里，同时是研究俯冲起始机制的重要场所。孙卫东研究员带我们分析了太平洋板块的漂移历史以及太平洋洋脊的展布方向，探讨了太平洋板块转向及特提斯带的洋脊俯冲对东亚地质的影响，阐述了西太平洋板块俯冲起始的机制，提出新特提斯洋闭合是太平洋板块新生代俯冲起始的关键。
1.太平洋板块漂移历史
很多人认为太平洋一直是向北西方向运动，实际上太平洋板块在125Ma左右发生了一个大的转向，由南西向转为北西向运动，转向角度大约80°。Shatsky Rise岛链指示了板块的运动方向，岛链北端定年结果是～126Ma，南端定年结果是144Ma，而且岛链北端留下了一个弧形小尾巴，中间有10Ma没有岩浆活动，为什么会出现这个现象？我们认为太平洋板块在~125Ma的时候，除了漂移方向变化，板块也在旋转。板块旋转的记录还可以从磁异常条带中找到，目前磁异常条带的精度非常高，分辨率可以达到0.5°。磁异常条带M0和C34之间有一个夹角，我们认为这是由于太平洋板片旋转导致了洋脊的转向，板块逆时针旋转50°就能产生这个效果。板块转向和旋转的动力来源是Ontong Java大火成岩省喷发。在M0这个时间，Ontong Java大火成岩省喷发的岩浆量是1000万立方千米，这么大的岩浆量挡住了向南漂移的太平洋板块，导致了板块的转向和旋转。
图1 白垩纪以来太平洋板块的漂移历史（Sun et al., 2007）
如果上述分析是正确，那么在陆上有没有证据？华南中生代岩石圈演化成因模型很多，主要有两类模型，一个是与陆内过程有关，一个与太平洋俯冲有关。近年来大家普遍认为华南板块的形成是低角度俯冲造成的，也就是太平洋可能与华南的大规模成矿有关。华南地区的矿体分布自北向南依次是铁矿、铜矿、铅锌银矿、钨锡矿，这样一个分布跟美洲由俯冲带向内的矿体分布类似的，指示板块在125Ma之前由北东向南西俯冲。因此我们认为华南板块的成矿分带其实是太平洋板块的南西向俯冲导致的。
2. 太平洋板块洋脊展布方向
洋脊展布方向也是一个争论的问题，主要的差别在于Seton et al.(2012）没有考虑板片的旋转，但是我们认为板片是有旋转的。长江中下游、徐淮都有洋脊俯冲，我们发现80Ma也有洋脊俯冲的痕迹，我们认为Meiji火山的位置就是残留洋脊。出现这么多不同的认识是因为太平洋可能有很多次的旋转，但是有些旋转比较小，可能看不出来，125Ma的这次旋转则比较大。如果板片旋转，洋脊会跟着旋转，一侧的板片旋转，另一侧的板片不旋转，那么板片旋转θ角，洋脊就跟着旋转θ/2角。我们现在看到洋脊旋转角度是25°，意味着板片旋转了50°。
图2 夏威夷-帝王岛链（Torsvik et al., 2017）
1963年，Wilson提出夏威夷-帝王岛链大拐弯的原因是太平洋板块的运动方向发生了变化，并提出了热点假说。2003年，Tarduno在这个地方根据大洋钻探结果做了古地磁研究，他认为不是太平洋板块在动，而是地幔柱在动。我们也对这个问题很感兴趣，于是我们用GPlate做出太平洋板块的运动，然后用海山的年龄和海山之间的距离再计算出一个板块的运动，发现这两个板块运动的结果差别非常大，所以海山岛链的运动应该是太平洋板块和地幔共同运动叠加的结果。其原因是洋脊与地幔柱相互作用，由于洋脊在这期间一直向北运动，所以底特律等海山被带到较高纬度。
3.特提斯
特提斯构造域不断地有板块从南边撕下来往北贴，这里的俯冲都是单向俯冲，印尼就有很多古俯冲带。特提斯构造域与太平洋构造域的分界线在哪里？
在菲律宾，110Ma以前的岩体Pb同位素属于太平洋型，107-109Ma的岩体的Pb同位素转为印度洋型，除了Pb同位素，菲律宾板块有110Ma的埃达克岩，这些埃达克岩和更老的火山岩都是太平洋型的，也就是说它受太平洋俯冲的影响，到107Ma之后出现的埃达克岩是印度洋型的，说明是印度洋俯冲洋壳部分熔融，是特提斯的洋脊俯冲。我们认为这个转变和板块俯冲有关系。特提斯的俯冲形成了一条近东西向的构造带，影响到了中国东部的紫金山，一直向西到达青藏高原。因为在110Ma时有洋脊的俯冲，所以非常靠北远离俯冲带的位置也受到了俯冲带的影响。
因此我们提出这样一个模型，太平洋最初是向北西俯冲，影响了菲律宾、中国东部，110Ma之后，太平洋板块向北漂移，不再有向西漂移的分量，新特提斯的洋脊已经俯冲到了华南大陆的底下。菲律宾岛有一个大断层，大断层的东边和西边是完全不同的历史，根据90Ma时的岩浆岩和Sn-W分布，我们认为太平洋板块和特提斯之间的转换带应该在菲律宾。
4.西太平洋板块俯冲起始
Stern和Gerya提出了俯冲起始的两种方式，自发俯冲和诱导俯冲。自发俯冲的意思就是自己俯冲下去，诱导俯冲的意思是被推下去。因此一般认为自发俯冲需要密度差，一般是一个陆壳对一个洋壳，或者一个年轻的洋壳对一个老的洋壳。
图3 俯冲起始的两种模式(Stern and Gerya, 2018)
有人提出板块俯冲起始是由于行星撞击导致的，我认为这是完全错误的，月球上有那么多的陨石撞击坑，也没有出现板块运动。Campbell et al.（1991）认为地幔柱上来的时候，会导致上覆板块抬升数公里，板块倾斜，导致板块向两边滑，导致俯冲起始，我认为这是一个特别棒的模型。但是2005年，Campbell和Gerya合作，用动力学模型计算的结果是，地幔柱上来之后，中间隆升，板块两边不变，发生俯冲起始，我认为这个模型没有之前的模型合理。
除了动力学模型计算，还可以通过大洋钻探寻找证据，比如IODP的三个航次350、351、352，其中IODP351的航次首席科学家之一是澳大利亚国立大学的Richard Arculus，也是我的老师。Arculus从岩浆岩的角度认为西太平洋是自发俯冲，但是他们的理由并不充分，他的文章发表之后，不少人都对他有意见，所以这个地方是不是自发俯冲还是存在争议的。
俯冲起始其实是一个很长的过程，从开始俯冲到俯冲体系成熟我们发现要几个Ma。俯冲起始机制吸引了很多学者参与。徐义刚院士利用IODP352航次拿到的样品做出的结果认为Robert Stern的模型有问题。自发俯冲的情况下，老的板块俯冲到下面，就会发生部分熔融，首先是沉积物发生部分熔融，但是徐义刚院士团队发现，沉积物没有熔融，因为低硅型的玻安岩里面没有沉积物，先出现了洋壳部分熔融，然后才出现了沉积物部分熔融。徐义刚院士把这个解释为，最开始俯冲角度小，所以没有沉积物俯冲下去。但是我认为这说明了典型的自发俯冲模型在西太平洋是行不通的，西太平洋不是一个典型的自发俯冲。还有一个问题就是，西太平洋的俯冲大都是在差不多的时间开始的，如果是自发俯冲，俯冲怎么会同时开始呢？李忠海做的自发俯冲模型，是从一点开始俯冲，然后向两边扩展，1万多公里是要扩展很久的，怎么会同时起始俯冲呢？
图4 印度板块在过去130 Ma的漂移速度(Sun et al., 2020)
我们还发现了一个很有趣的问题，印度板块向北漂移，速度一直变大，速度最大的时候是60Ma，然后这时发生了板块碰撞，漂移速度开始下降，下降速度最大的时候是53Ma；澳大利亚板块漂移速度一开始变大，然后下降，在50Ma的时候，这个板块就不动了。这两个板块速度下降的时候就是太平洋板块俯冲起始的时候。刚开始，印度板块，澳大利亚板块和太平洋板块都向北漂移，突然印度板块和澳大利亚板块没有继续向北漂移的动力了，因此停下来了，但是太平洋板块还想继续向北漂移，就被拽着转弯了。从GPlates可以看到，Tasman Sea在大约52Ma的时候有一个短暂的扩张。所以我们认为俯冲起始的主要原因是板块的碰撞。至于为什么板块快要碰撞的时候，印度和澳大利亚板块速度会增加呢，其实Sobolev等人在Nature（2019）说得很有道理，当俯冲带沉积物增加的时候，俯冲速度就会增加，因为沉积物起到了润滑的作用。而当板块开始碰撞的时候，被动大陆边缘开始俯冲，被动大陆边缘的沉积物特别多，因此俯冲速度增加。
Campbell讲的板块的起始实际上是板块构造体制的起始，靠的是地幔柱，这个是相当于人类的诞生。而我刚刚讲的西太平洋的俯冲起始，相当于某个小孩的诞生，这是俯冲的一个特殊阶段，对于俯冲的特殊阶段的起始，是老的碰撞诱发了新的俯冲，所以俯冲总是生生不息。我认为，整个板块构造体制的起始是地幔柱引起的，地幔柱是板块构造的点火器。具体到某一个板块的俯冲起始，在板块构造体制形成以后，真正的自发俯冲是很少的，特提斯的俯冲都是单向俯冲，都是诱导俯冲，太平洋的这种双向俯冲可能是自发俯冲，但是也不排除它是诱导俯冲。像西太平洋的俯冲是被特提斯的碰撞诱导出来的。
主要参考文献
Stern R J, Gerya T. Subduction initiationin nature and models: A review[J]. Tectonophysics, 2018, 746: 173-198.
Sun W, Ding X, Hu Y H, et al. The golden transformation of theCretaceous plate subduction in the west Pacific[J]. Earth and Planetary ScienceLetters, 2007, 262(3-4): 533-542.
Sun W, Zhang L, Li H, et al. The synchronic Cenozoic subductioninitiations in the west Pacific induced by the closure of the Neo-TethysOcean[J]. Science Bulletin, 2020, 65(24): 2068-2071.
Torsvik T H, Doubrovine P V, Steinberger B, et al. Pacific platemotion change caused the Hawaiian-Emperor Bend[J]. Nature Communications, 2017,8(1): 1-12.
校对：李玉钤
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