第49卷 第10期 2004年5月
论 文
马尼拉海沟增生楔中段的挤入构造
李家彪①② 金翔龙①② 阮爱国① 吴世敏③ 吴自银① 刘建华①
(①国家海洋局海底科学重点实验室, 杭州 310012; ②浙江大学理学院, 杭州 310027; ③中国科学院南海海洋研究所,
广州 510301. E-mail: [email protected])
摘要 根据对马尼拉海沟俯冲带增生楔及挤入构造的多波束构造地貌分析, 结合其他地质地球物理资料的对比研究, 建立了马尼拉海沟俯冲带增生楔3个构造带和海山挤入构造的断裂活动特征、空间展布规律和构造应力机制, 提出了沿马尼拉海沟板块斜向俯冲的应力方向为NW55°, 分析了马尼拉海沟俯冲带的形成与南海东部海盆扩张停止之间的关系. 通过模型分析和区域对比, 认为沿马尼拉海沟的海山挤入并没有导致增生楔的侵蚀, 俯冲带的斜向俯冲实际上是吕宋微陆块向北西西的一种仰冲机制, 其动力来源应导因于菲律宾海板块向北西西的位移运动.
关键词 马尼拉海沟增生楔 挤入构造 斜向俯冲 构造地貌分析
洋壳板块上海山或海脊沿海沟俯冲在增生楔上形成的挤入构造的研究近年来取得了一些重要进展[1~8]. 由于该项研究对深化陆缘增生带的构造型式、力学机制、增生与削蚀作用以及俯冲带板块运动学特征具有重要意义和指示作用, 因此倍受地学界关注. 对中美洲哥斯达黎加-尼加拉瓜俯冲带地区的挤入构造研究使人们有理由相信, 该陆缘增生楔正在遭受底蚀而非增生[2]. 日本海沟和千岛海沟地区的构造地貌分析以及Erimo海山的挤入构造研究表明, 该陆缘增生楔正在遭受强烈的张裂和沉降作用, Erimo海山的挤入是导致两海沟间左行位移的主要因素, 并且指示沿日本海沟正在进行板块斜向俯冲作用[6]. 西北菲律宾海加爪脊沿琉球海沟的斜向俯冲不仅控制了该区的增生楔构造特征和弧前盆地的分布, 而且还导致了琉球岛弧的基底隆起[7].
马尼拉海沟俯冲带地处南海海盆东缘, 南、北分别与民都洛深地震复杂构造带和台湾碰撞构造带相连[9], 被认为是一条正在活动的、具有特殊构造意义的重要会聚边界(图1). 研究表明, 沿马尼拉海沟, 南海海盆正在向东俯冲, 并形成了非火山弧(增生楔)-弧前盆地(北吕宋海槽和西吕宋海槽)-火山弧(吕宋火山弧)构造组合, 南海东部海盆形成于32~17 Ma的南北向扩张[10,11], 近期研究认为南海东部海盆24 Ma后的晚期扩张为北北西-南南东向扩张而非南北向扩张[12], 其代表古扩张中脊的黄岩海山链已向马尼拉海沟俯冲、挤入, 并一直延伸至弧前盆地之下[13]. 由于受数据和方法的限制, 马尼拉海沟俯冲带的构造力学性质、俯冲应力方向和形成演化机制一直研究较
少. 马尼拉海沟的俯冲作用是洋壳俯冲还是陆壳仰冲, 其与南海海盆扩张停止的关系, 俯冲带活动的动
力来源, 以及局部构造与区域构造的响应机制等问题的研究具有重要意义和理论价值. 有鉴于此, 本文利用在马尼拉海沟增生楔中段最新获得的全覆盖高分辨率多波束地形地貌数据, 结合天然和人工地震资料, 通过海底构造地貌的分析和增生楔海山、海脊的挤入构造特征的研究, 进而探讨马尼拉海沟俯冲带的构造特征、应力分布、俯冲方向和俯冲机制.
1 数据获取与研究方法
多波束高分辨率海底地形地貌探测方法, 结合其他地质地球物理资料, 在海底区域构造分析, 尤其是海底年轻构造和活动构造的研究上具有独特的优势, 已成为洋中脊、俯冲带构造特征和形成机制研究的重要手段[2,14].
为研究马尼拉海沟的构造特征, 1999~2000年国家海洋局第二海洋研究所利用“大洋一号”船在南海东部海区进行了多波束调查航次, 在该区获得了高分辨率的地形地貌全覆盖数据. 调查采用SeaBeam- 2112深水多波束测深系统, 工作频率为12 kHz, 定位采用12通道SeaStar 3000 L广域差分全球定位系统. 经各项改正后的数据进行了定点重复和交叉测线的精度评估, 结果表明水深误差小于水深值的0.3%. 上述多波束数据集中选取最能反映增生楔构造特征和挤入构造的马尼拉海沟俯冲带中段17°~18°N区域为本文的研究区. 为突出海底构造地貌特征, 数据经编辑后被处理为海底地貌阴影图[15](图2). 1998年
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图1 南海东部构造位置图
地形由SeaBeam多波束水深数据(深水海域)和ETOPO 2全球水深数据(吕宋岛及岛坡)融合而成, 矩形框为研究区图2的位置. 细实线为单道及多道反射地震剖面位置, 粗实线A, B为图3反射地震剖面的位置, C为文献[13]图9反射地震剖面的位置. 实点为1977年1月7日~2002年7月30日震级大于4级的地震震中, 地震震中及震源机制解数据分别取自中国地震台网数据中心和美国哈佛大学CMT数据中心. 插图所示为
14°~18°N范围内地震的剖面分布和贝尼奥夫带
国家海洋局第二海洋研究所还利用“向阳红十四号”船在该区进行了底质和柱状取样调查. 本文利用上
述资料并结合马尼拉海沟俯冲带中段前人单、多道地震剖面的主要调查(图1)对该区进行构造地貌分析.
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图2 马尼拉海沟增生楔中段多波束海底地貌阴影图
阴影图假想由西南方向设置低角度光源照射而成, 多波束调查测线主要为南北向, 东部部分为北东向. 位置见图1
2 俯冲带构造特征
马尼拉海沟地貌上表现为一深达5000 m的狭长深水槽地, 它南起民都洛岛西南陆架的海底峡谷, 向北水体变浅并一直延伸到台湾碰撞构造带中, 空间上呈南北向弧形展布. 海沟东侧为正在活动的俯冲带增生楔, 海沟西侧为南海海盆. 由于存在高频率的地震和火山等现代活动, 马尼拉海沟俯冲带被认为是一条正在活动的板块边界.
2.1 海沟沉积与基底构造
14°~18°N之间的马尼拉海沟段呈南北向展布. 地震调查表明, 沿海沟沉积物厚度具有由北向南减薄的趋势, 从18.5°N的2.6 km向南至17.5°N的1.7 km, 减至16.5°~15.5°N古扩张脊区的0.5~0.3 km, 古扩张脊以南, 沉积物主要集中在4~11 km宽的狭长海沟洼地内, 厚度一般为1.2 km. 上述变化趋势常被解释为海沟沉积物主要来自北部, 因受古扩张脊的
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阻隔, 南部沉积物较少[16]. 然而对南海东部海盆扩张的研究表明, 物源来自北部的因素可能并不是主要或惟一的, 由于32~17 Ma之间南海东部海盆普遍经历南北向和北北西-南南东向的扩张, 受沉积时间长短的影响, 沉积物厚度必然存在自古扩张脊向南北两侧增厚的现象[10~12].
在地震剖面(图3, 4)上, 可以识别出3个重要反射界面. T1界面以上是海沟充填沉积层, 反射波表现为高能的强振幅多层结构. 该沉积层自西向东厚度迅速增大, 从海盆0.25 s向海沟轴部增大为1 s以上. 楔形的海沟充填沉积层受局部构造沉降和近地丰富物源供给影响, 主要分布于宽度为40 km的较深海沟洼地内, 并在俯冲过程中褶皱变形. 根据沿海沟的沉积 柱状样, 海沟充填沉积物以多层火山灰-浊流沉积为 特征的粉砂质黏土为主. 对位于118°54′E, 16°44′N, 水深4183 m的海沟附近4.2 m长的149柱状样的分析表明, 目前CCD面以下的浊积层中, 碳酸钙含量高达16.06%, 说明海沟浊积层物质具有陆源和火山
源性质, 是一种近源的海底滑塌、火山和浊流共同作用的快速混合产物, 其物源可能主要来源于增生楔上海底峡谷和沉溺河道的陆源物质供给和近地的火山物质供给. T1界面的年代目前仍未确定, 根据该短柱底部年龄为晚更新世和区域地震层组对比, 海沟充填沉积物应形成于上新世以来.
T1界面以下存在3套反射波能量较弱的半深海沉积层(图3, 4), 各层内部声波较透明, 物质均匀, 反射层组不清晰, 主要以平行和亚平行波组组成. 在地震剖面揭示的近海沟70 km的范围内, T1与T2界面之间的沉积层厚度较为均匀, 而T2与T3界面之间的沉积层存在自西向东厚度逐渐减小的趋势, 与T1界面以上的层组的变化规律相反. 沉积层之下的洋壳基底被认为是海盆扩张的产物, 常被同扩张断裂切割成一系列的掀斜断块, 总体上自古扩张脊向南北两侧基底埋深加大, 基底起伏程度减弱. 地震剖面 上, 洋壳基地以十分醒目的强振幅的散射波为特征, 内部基本无反射信号. 基底形态主要呈波状起伏, 平
图3 马尼拉海沟及增生楔反射地震剖面图
(a) 剖面A; (b) 剖面B. 位置见图1
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图4 马尼拉海沟及增生楔反射地震剖面解释图
为图3的构造解释图, T1, T2, T3为主要反射界面, 详见正文. (a) 剖面A; (b) 剖面B
均起伏为500 m, 并常被埋藏海山复杂化, 最大起伏可达1200 m, 进入增生楔后, 基底起伏逐渐平缓, 并向海沟加大. 2.2 俯冲拆离面
T2界面为上、下板块相互作用的俯冲拆离面. 该界面之上是沉积厚度均匀层, 之下为因俯冲压实厚度递减的俯冲沉积层. 图3, 4和文献[13]中图9(位置见图1)表明, 增生楔中的逆冲断层均终止于该界面, 同时海沟充填沉积层中的褶皱变形也向下一直影响到T1与T2之间的半深海沉积层. 因此该界面构成了上、下板块的边界, 其上沉积物被褶皱冲断增生于增生楔中, 其下海盆基底及其上覆沉积层一起沿该拆离面向海沟俯冲. 根据海沟中段地震剖面(图3, 4和文献[13]中图9)和声纳浮标211V28速度剖面[16], 研究区俯冲拆离面在变形前缘之下埋深约为5.4 km, 并呈近水平状态向增生楔延伸约5 km后, 俯冲拆离面沿6°倾角向下俯冲. 根据天然地震分布分析(图1插图), 俯冲板块拆离面延伸至50 km深度后再次发生转折弯曲, 并沿27.7°的俯冲带平均倾角直到150 km的深部, 其变化规律与琉球俯冲带和哥斯达黎加-尼加拉瓜俯冲带相似[2,17]. 俯冲拆离面的上述变化规律将作为马尼拉海沟中段俯冲构造带剖面模型的底边界在下文进一步讨论. 2.3 增生楔构造
增生楔构造分布于海沟东侧俯冲拆离面之上. 地震剖面(图3, 4及文献[13]中图9)上表现为由一系列向东倾斜的逆冲断层所组成的冲断岩片相互叠置, 在海底地形上形成了一系列隆丘和槽地, 隆丘的海沟一侧均被逆冲断层所占据. 因不同构造部位褶皱断裂的强度和形成时间不同, 冲断岩片内的地震反射波组表现为自海沟内壁的下陆坡向上陆坡逐渐弱化的特点, 下陆坡冲断岩片内仍能分辨出与海沟充填沉积褶皱连续的反射波组, 至上陆坡几乎极少存在有效反射信息, 反映出增生楔从下陆坡至上陆坡存在形成时代上由新到老、变形强度逐渐加大的变化规律, 在构造特征上存在明显的分带性.
处理后的多波束海底地貌阴影图(图2)揭示出本区俯冲带增生楔构造的平面分布特征. 密集分布的线性隆丘和槽地总体沿海沟相互平行排列, 是海沟俯冲带增生构造的典型地貌表现. 图5是根据地震剖
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面对图2的构造解释, 显示了增生楔的总体构造格 局. 根据构造样式和活动特点, 从海沟轴部向陆可识别出3个构造带, 即下构造带(LTZ)、中构造带(MTZ)和上构造带(UTZ). 这3个构造带之间又受3个大型的逆冲断裂所分割(LMT, MMT, UMT), 构造带内以逆冲断裂和背斜构造为特征, 槽脊相间的海底地貌对应着叠瓦状阶梯式加积岩片构造.
下构造带西界为俯冲带增生楔的变形前锋(图5中DF), 目前仍在形成新的活动增生构造. 在变形前锋, 俯冲作用在表层主要通过海沟沉积层持续弯曲褶皱, 并在褶皱翼部剪断逐步形成低角度逆冲断裂推覆叠加的方式实现增生(图3), 从而在地貌上形成一系列密集的线性海丘. 与日本Nankai海槽类似[18], 沉积物增生过程主要涉及海沟充填沉积, 变形前锋第一个褶皱对应新生的逆冲断面, 该断面向下收敛于俯冲拆离面. 下构造带位于下陆坡, 宽度一般为7.5 km, 海山挤入处变窄为3.5 km(图5), 一般由2~3个大型推覆逆掩构造组成, 地形坡度变化较大, 一般为5°, 最大9°, 最小3°, 呈阶梯状或孤立线性海丘地貌, 是增生楔中正在强烈活动的挤压构造区.
中构造带由一系列向海沟冲断的大型构造岩带组成, 并分别由下、中两个主断裂带(LMT和MMT)与下构造带和上构造带分割(图5). 构造带宽度和地形坡度变化较为稳定, 分别为7 km和3.5°, 构造岩
[13]
片间的逆冲断层倾角向陆侧迅速增大, 是增生楔中正在强烈隆升的挤压构造区.
上构造带主要由一系列叠瓦状构造带和线形褶皱组成, 分解构造岩片的冲断带密度比下构造带和中构造带明显降低, 从而在海底形成一系列清晰的相间排列的代表断裂和褶皱的线形垄丘和槽地. 横向上构造特征变化较大, 接近挤入构造区时, 褶皱断裂带分布密集, 向南北两侧逐渐舒展, 并呈左行排 列. 该带宽度一般为17 km, 平均坡度极小, 一般为0.8°, 受差异性断陷活动, 在挤入构造南北两侧分布了一些向陆倾斜的大型陆坡沉积盆地, 北侧的断陷盆地因沉积物供给不足仍处于构造断陷洼地状态(图5), 反映出该带目前的逆冲挤压活动已不再活跃, 主要表现为没有明显表面缩短的差异升降状态, 而上主断裂带(UMT)以东的狭长隆起则构成了北吕宋海槽弧前盆地的前缘高地.
3 挤入构造特征
研究区南海海盆在14°~18°N之间分布了古扩张中脊、大量孤立海山和NE向线性海丘. 海丘和海山沿海沟的俯冲, 在俯冲带增生楔上形成了一系列挤入构造, 并使海沟变形前锋(DF)弯曲复杂化. 高分辨率多波束地形数据揭示了这种由刚性块体挤入所引起的向陆隆起和向海滑塌的特殊构造地貌. 同时密集分布的线性构造相互平行排列, 并在延伸方向上交汇、终止, 总体沿海沟呈弧形弯曲, 也构成了俯冲海山在增生构造中的响应.
图2和5中部的俯冲海山(海山A)对应了一个典型的挤入构造, 其构造特征与尖顶海山的砂箱实验和数值模拟可良好对比[19]. 由于在其前缘形成了一个规模大于目前出露海山3~4倍的大型港湾状弧形陡崖, 因此该海山可能已大部分被俯冲, 已俯冲海山的大小应与弧形陡崖大小相似, 陡崖的坡度达12.4°, 是海山俯冲后方张性断裂活动所致. 同时俯冲海山也导致了在其向陆一侧形成局部隆起, 形成了高差达2136 m的海底山峰. 该挤入构造主要影响下构造带和中构造带, 在海山挤入通道的陡崖区除伴有滑塌构造外, 还形成了特有的放射状近直立的滑动断裂束, 断裂束收敛点对应挤入刚性海山. 同时在图2和5南部还可以看出, 虽然海山B东端的增生楔变形前锋存在明显的弧形挤入构造地貌, 但在海底地形上却表现出海山尚没有真正与该变形前锋接触, 显示出新生挤入构造往往首先从海山的根部开始发动.
研究区中部的海山挤入使俯冲带变形前锋后退了8~10 km, 同时在挤入构造的北侧将总体沿NE方向延伸的构造线改造为近SN向和NW向. 在中构造带上可识别出2个弧形断层陡崖构造, 它们呈阶梯式断陷, 切割了增生形成的褶皱和逆冲断层, 是滑塌作用所致, 空间上对应研究区中部和南部两个挤入构造的北翼, 是海山向南东东斜向挤入在其北侧形成局部拉张应力所致(图5). 在上构造带, 中部挤入构造的东南方向对应了本区最强烈的隆起区, 并向南北两侧逐渐断陷下降, 过渡为陆坡盆地沉积区.
挤入构造对会聚边界的区域应力场和板块相对运动提供了一种良好的指示, 反映出研究区马尼拉海沟俯冲带正处在NWW-SEE向的斜向俯冲过程中. 增生楔总体呈NE向延伸的3个构造带因海山俯冲被
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图5 马尼拉海沟增生楔中段构造解释图
1. 变形前锋(DF); 2. 主断裂构造带; 3. 压性断裂带; 4. 张性断裂带; 5. 性质不明断裂带; 6. 断裂陡崖; 7. 褶皱; 8. 海底峡谷; 9. 海山; 10. 陆坡沉积盆地; 11. 俯冲海山引起的局部隆起; 12. 增生楔体积变化统计剖面及剖面号. A为中部俯冲海山, B为南部海山. LMT: 下主断裂带; MMT:
中主断裂带, UMT: 上主断裂带. 位置同图2
改造呈“S”型弯曲, 其构造线由北部的SN向延伸至中部挤入构造区的NE向, 向南再度转为SN向, 并至南部海山B挤入构造区又转为NE向, 再向南转为NW向进入下一个大型挤入构造区. 海沟变形前锋沿俯冲会聚方向常被弯曲、错断, 在本区中、南部的一些主要海沟变形前锋弧形转折处, 可识别出此类横切增生构造带的断裂走向为NW55°. 增生楔3个构造带内部大量左行雁行排列的褶皱断裂构造说明会聚矢量与海沟斜交. 由于海山的挤入, 在其前缘的增生楔上形成了大量垂直于主压应力的走向NE35°的
褶皱和逆冲断层, 反映俯冲带主压应力为NW55°. 在这种斜向主压应力作用下, 还在增生楔上导致了垂直于主构造线的张性断裂, 本区中部总体呈NW60°方向延伸、下切300 m的大型“V”型海底峡谷就是沿该斜向挤压应力作用形成的纵张断裂遭受侵蚀的产物(图5).
4 讨论与结论
刚性火山岩体在海沟的挤入和俯冲对增生楔的作用是相对削蚀、增生还是基本平衡? 为此对增生楔
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物质的收支进行了估计. 根据地震剖面和多波束地形数据构建了增生楔综合剖面如图6(b), 由于研究区南北1°的小范围内海沟充填沉积物供给的变化和俯冲板块倾角的变化是可以忽略不计的, 因此可以用增生楔的垂直构造走向的截面积来说明增生楔的体积变化. 统计的范围为变形前锋(DF)至上主断裂带(UMT)之间的增生楔, 研究区南北共7条剖面均垂直构造走向. 计算表明(图6(a)), 增生楔截面积除总体上存在从北向南逐渐减小的趋势外, 中部挤入构造(图6(a)中剖面4)对应一局部约3%的相对亏损, 说明海山挤入和俯冲对增生楔来说并没有产生增生作用, 而且这种相对亏损在中部挤入构造南侧的剖面5达到最大, 是海山斜向俯冲的反映. 上述少量的物质亏损对于中美洲哥斯达黎加-尼加拉瓜俯冲带局部约38%的相对削蚀量[2]来说几乎是微不足道的, 因此本区海山挤入导致的物质收支基本上是平衡的, 其少量物质亏损可能是由于本区挤入构造前方隆起区的差异侵蚀引起的.
为了揭示这一构造地貌分析获得的应力场的深部变化, 我们从中国地震台网数据中心收集了1977年1月7日~2002年7月30日4级以上的地震资料(图1). 深度分布上, 上覆板块地震主要分布在60 km以浅, 以15~35 km深度最为密集, 俯冲板块地震呈贝尼奥夫带以27.7°倾角主要分布在30~150 km深度范围内(图1). 平面上, 地震主要集中在马尼拉海沟及其以东, 近海沟部分地震与海山(链)挤入构造相关.
为避免马尼拉海沟俯冲带南端民都洛深地震构造和北端台湾碰撞构造的复杂影响, 震源机制解分析取14.5°~19.5°N范围, 震源机制解数据取自美国哈佛大学震源机制解数据中心, 共获得同期117个震源机制解数据. 其中深源地震(大于60 km)12个, 而位于俯冲板块贝尼奥夫带上的深源地震仅8个. 从这8个震源机制解来看(图1), 构造应力主要为向东倾斜的南东东向挤压, 表明本区斜向俯冲机制不仅具有区域意义, 而且一直延伸到了深部, 并非仅为局部和浅部表现. 同样, 周硕愚等人[20]对福建及其边缘海的地壳运动定量综合分析表明, 中国大陆东南陆缘及南海北部目前正经历北西西-南东东向的主压应力的作用. Wang等人[21]根据西南海盆中部1965年11月7日震源深度约5 km的5.6级地震的力学机制解得出, 西南海盆目前的水平主压应力轴方向为 NW52°, 也与本文刚性海山在海沟的俯冲、挤入方向基本一致.
南海东部海盆的海底扩张被认为中止于15 Ma的中中新世[22]. 然而东部海盆扩张为何突然停止, 其与马尼拉海沟的形成之间有何关系, 目前依然不清. 根据马尼拉海沟俯冲带弧前盆地西吕宋海槽和北吕宋海槽底部存在中新世沉积[13], 说明马尼拉海沟俯冲带也应形成于中新世, 与海盆扩张停止的时间相近. 同时东部海盆古扩张脊已部分俯冲于马尼拉海沟增生楔之下[13], 俯冲的古扩张脊并没有导致上部增生楔相关的岩浆活动, 说明俯冲活动前海盆扩张已经停止. 因此可能正是由于马尼拉海沟俯冲带的形成导致了南海海盆扩张的停止.
根据菲律宾海板块以70 mm/a呈NW55°方向与欧亚板块会聚的应力状况[23]和本区上述构造分析表明, 菲律宾海板块的运动也恰好与南海东部海盆沿SEE方向向马尼拉海沟俯冲的运动方向一致. 古地磁研究表明, 东亚大陆板块新生代以来位置基本没有变化[24], 而南海海盆在扩张停止后已成为东亚大陆板块的一个组成部分, 因此南海海盆缺乏实际俯冲的运动学机制. 这样南海海盆与吕宋微板块之间的会聚, 只能由吕宋微板块的向NWW方向的位移来
承担, 因此马尼拉海沟俯冲带的俯冲作用实际上应是一种吕宋微板块的仰冲机制, 而动力应来自菲律宾海板块.
致谢 感谢徐赛英女士为本文绘制了部分图件. 本工作受
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图6 俯冲构造带剖面模型及上板块(增生楔)横截面面积
(a) 17°~18°N之间俯冲带上板块(增生楔)垂直构造走向的DF至UMT
间剖面的横截面面积(km2), 1~7为剖面号, 剖面位置见图5, 横坐标为剖面与DF相交的纬度(N); (b) 俯冲带构造剖面模型, 1, 4, 7为剖面号,
剖面起点为剖面与UMT的交点
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国家重点基础研究发展规划项目(G2000046704)资助.
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(2003-11-28收稿, 2004-03-03收修改稿)
第49卷 第10期 2004年5月
论 文
马尼拉海沟增生楔中段的挤入构造
李家彪①② 金翔龙①② 阮爱国① 吴世敏③ 吴自银① 刘建华①
(①国家海洋局海底科学重点实验室, 杭州 310012; ②浙江大学理学院, 杭州 310027; ③中国科学院南海海洋研究所,
广州 510301. E-mail: [email protected])
摘要 根据对马尼拉海沟俯冲带增生楔及挤入构造的多波束构造地貌分析, 结合其他地质地球物理资料的对比研究, 建立了马尼拉海沟俯冲带增生楔3个构造带和海山挤入构造的断裂活动特征、空间展布规律和构造应力机制, 提出了沿马尼拉海沟板块斜向俯冲的应力方向为NW55°, 分析了马尼拉海沟俯冲带的形成与南海东部海盆扩张停止之间的关系. 通过模型分析和区域对比, 认为沿马尼拉海沟的海山挤入并没有导致增生楔的侵蚀, 俯冲带的斜向俯冲实际上是吕宋微陆块向北西西的一种仰冲机制, 其动力来源应导因于菲律宾海板块向北西西的位移运动.
关键词 马尼拉海沟增生楔 挤入构造 斜向俯冲 构造地貌分析
洋壳板块上海山或海脊沿海沟俯冲在增生楔上形成的挤入构造的研究近年来取得了一些重要进展[1~8]. 由于该项研究对深化陆缘增生带的构造型式、力学机制、增生与削蚀作用以及俯冲带板块运动学特征具有重要意义和指示作用, 因此倍受地学界关注. 对中美洲哥斯达黎加-尼加拉瓜俯冲带地区的挤入构造研究使人们有理由相信, 该陆缘增生楔正在遭受底蚀而非增生[2]. 日本海沟和千岛海沟地区的构造地貌分析以及Erimo海山的挤入构造研究表明, 该陆缘增生楔正在遭受强烈的张裂和沉降作用, Erimo海山的挤入是导致两海沟间左行位移的主要因素, 并且指示沿日本海沟正在进行板块斜向俯冲作用[6]. 西北菲律宾海加爪脊沿琉球海沟的斜向俯冲不仅控制了该区的增生楔构造特征和弧前盆地的分布, 而且还导致了琉球岛弧的基底隆起[7].
马尼拉海沟俯冲带地处南海海盆东缘, 南、北分别与民都洛深地震复杂构造带和台湾碰撞构造带相连[9], 被认为是一条正在活动的、具有特殊构造意义的重要会聚边界(图1). 研究表明, 沿马尼拉海沟, 南海海盆正在向东俯冲, 并形成了非火山弧(增生楔)-弧前盆地(北吕宋海槽和西吕宋海槽)-火山弧(吕宋火山弧)构造组合, 南海东部海盆形成于32~17 Ma的南北向扩张[10,11], 近期研究认为南海东部海盆24 Ma后的晚期扩张为北北西-南南东向扩张而非南北向扩张[12], 其代表古扩张中脊的黄岩海山链已向马尼拉海沟俯冲、挤入, 并一直延伸至弧前盆地之下[13]. 由于受数据和方法的限制, 马尼拉海沟俯冲带的构造力学性质、俯冲应力方向和形成演化机制一直研究较
少. 马尼拉海沟的俯冲作用是洋壳俯冲还是陆壳仰冲, 其与南海海盆扩张停止的关系, 俯冲带活动的动
力来源, 以及局部构造与区域构造的响应机制等问题的研究具有重要意义和理论价值. 有鉴于此, 本文利用在马尼拉海沟增生楔中段最新获得的全覆盖高分辨率多波束地形地貌数据, 结合天然和人工地震资料, 通过海底构造地貌的分析和增生楔海山、海脊的挤入构造特征的研究, 进而探讨马尼拉海沟俯冲带的构造特征、应力分布、俯冲方向和俯冲机制.
1 数据获取与研究方法
多波束高分辨率海底地形地貌探测方法, 结合其他地质地球物理资料, 在海底区域构造分析, 尤其是海底年轻构造和活动构造的研究上具有独特的优势, 已成为洋中脊、俯冲带构造特征和形成机制研究的重要手段[2,14].
为研究马尼拉海沟的构造特征, 1999~2000年国家海洋局第二海洋研究所利用“大洋一号”船在南海东部海区进行了多波束调查航次, 在该区获得了高分辨率的地形地貌全覆盖数据. 调查采用SeaBeam- 2112深水多波束测深系统, 工作频率为12 kHz, 定位采用12通道SeaStar 3000 L广域差分全球定位系统. 经各项改正后的数据进行了定点重复和交叉测线的精度评估, 结果表明水深误差小于水深值的0.3%. 上述多波束数据集中选取最能反映增生楔构造特征和挤入构造的马尼拉海沟俯冲带中段17°~18°N区域为本文的研究区. 为突出海底构造地貌特征, 数据经编辑后被处理为海底地貌阴影图[15](图2). 1998年
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图1 南海东部构造位置图
地形由SeaBeam多波束水深数据(深水海域)和ETOPO 2全球水深数据(吕宋岛及岛坡)融合而成, 矩形框为研究区图2的位置. 细实线为单道及多道反射地震剖面位置, 粗实线A, B为图3反射地震剖面的位置, C为文献[13]图9反射地震剖面的位置. 实点为1977年1月7日~2002年7月30日震级大于4级的地震震中, 地震震中及震源机制解数据分别取自中国地震台网数据中心和美国哈佛大学CMT数据中心. 插图所示为
14°~18°N范围内地震的剖面分布和贝尼奥夫带
国家海洋局第二海洋研究所还利用“向阳红十四号”船在该区进行了底质和柱状取样调查. 本文利用上
述资料并结合马尼拉海沟俯冲带中段前人单、多道地震剖面的主要调查(图1)对该区进行构造地貌分析.
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图2 马尼拉海沟增生楔中段多波束海底地貌阴影图
阴影图假想由西南方向设置低角度光源照射而成, 多波束调查测线主要为南北向, 东部部分为北东向. 位置见图1
2 俯冲带构造特征
马尼拉海沟地貌上表现为一深达5000 m的狭长深水槽地, 它南起民都洛岛西南陆架的海底峡谷, 向北水体变浅并一直延伸到台湾碰撞构造带中, 空间上呈南北向弧形展布. 海沟东侧为正在活动的俯冲带增生楔, 海沟西侧为南海海盆. 由于存在高频率的地震和火山等现代活动, 马尼拉海沟俯冲带被认为是一条正在活动的板块边界.
2.1 海沟沉积与基底构造
14°~18°N之间的马尼拉海沟段呈南北向展布. 地震调查表明, 沿海沟沉积物厚度具有由北向南减薄的趋势, 从18.5°N的2.6 km向南至17.5°N的1.7 km, 减至16.5°~15.5°N古扩张脊区的0.5~0.3 km, 古扩张脊以南, 沉积物主要集中在4~11 km宽的狭长海沟洼地内, 厚度一般为1.2 km. 上述变化趋势常被解释为海沟沉积物主要来自北部, 因受古扩张脊的
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阻隔, 南部沉积物较少[16]. 然而对南海东部海盆扩张的研究表明, 物源来自北部的因素可能并不是主要或惟一的, 由于32~17 Ma之间南海东部海盆普遍经历南北向和北北西-南南东向的扩张, 受沉积时间长短的影响, 沉积物厚度必然存在自古扩张脊向南北两侧增厚的现象[10~12].
在地震剖面(图3, 4)上, 可以识别出3个重要反射界面. T1界面以上是海沟充填沉积层, 反射波表现为高能的强振幅多层结构. 该沉积层自西向东厚度迅速增大, 从海盆0.25 s向海沟轴部增大为1 s以上. 楔形的海沟充填沉积层受局部构造沉降和近地丰富物源供给影响, 主要分布于宽度为40 km的较深海沟洼地内, 并在俯冲过程中褶皱变形. 根据沿海沟的沉积 柱状样, 海沟充填沉积物以多层火山灰-浊流沉积为 特征的粉砂质黏土为主. 对位于118°54′E, 16°44′N, 水深4183 m的海沟附近4.2 m长的149柱状样的分析表明, 目前CCD面以下的浊积层中, 碳酸钙含量高达16.06%, 说明海沟浊积层物质具有陆源和火山
源性质, 是一种近源的海底滑塌、火山和浊流共同作用的快速混合产物, 其物源可能主要来源于增生楔上海底峡谷和沉溺河道的陆源物质供给和近地的火山物质供给. T1界面的年代目前仍未确定, 根据该短柱底部年龄为晚更新世和区域地震层组对比, 海沟充填沉积物应形成于上新世以来.
T1界面以下存在3套反射波能量较弱的半深海沉积层(图3, 4), 各层内部声波较透明, 物质均匀, 反射层组不清晰, 主要以平行和亚平行波组组成. 在地震剖面揭示的近海沟70 km的范围内, T1与T2界面之间的沉积层厚度较为均匀, 而T2与T3界面之间的沉积层存在自西向东厚度逐渐减小的趋势, 与T1界面以上的层组的变化规律相反. 沉积层之下的洋壳基底被认为是海盆扩张的产物, 常被同扩张断裂切割成一系列的掀斜断块, 总体上自古扩张脊向南北两侧基底埋深加大, 基底起伏程度减弱. 地震剖面 上, 洋壳基地以十分醒目的强振幅的散射波为特征, 内部基本无反射信号. 基底形态主要呈波状起伏, 平
图3 马尼拉海沟及增生楔反射地震剖面图
(a) 剖面A; (b) 剖面B. 位置见图1
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图4 马尼拉海沟及增生楔反射地震剖面解释图
为图3的构造解释图, T1, T2, T3为主要反射界面, 详见正文. (a) 剖面A; (b) 剖面B
均起伏为500 m, 并常被埋藏海山复杂化, 最大起伏可达1200 m, 进入增生楔后, 基底起伏逐渐平缓, 并向海沟加大. 2.2 俯冲拆离面
T2界面为上、下板块相互作用的俯冲拆离面. 该界面之上是沉积厚度均匀层, 之下为因俯冲压实厚度递减的俯冲沉积层. 图3, 4和文献[13]中图9(位置见图1)表明, 增生楔中的逆冲断层均终止于该界面, 同时海沟充填沉积层中的褶皱变形也向下一直影响到T1与T2之间的半深海沉积层. 因此该界面构成了上、下板块的边界, 其上沉积物被褶皱冲断增生于增生楔中, 其下海盆基底及其上覆沉积层一起沿该拆离面向海沟俯冲. 根据海沟中段地震剖面(图3, 4和文献[13]中图9)和声纳浮标211V28速度剖面[16], 研究区俯冲拆离面在变形前缘之下埋深约为5.4 km, 并呈近水平状态向增生楔延伸约5 km后, 俯冲拆离面沿6°倾角向下俯冲. 根据天然地震分布分析(图1插图), 俯冲板块拆离面延伸至50 km深度后再次发生转折弯曲, 并沿27.7°的俯冲带平均倾角直到150 km的深部, 其变化规律与琉球俯冲带和哥斯达黎加-尼加拉瓜俯冲带相似[2,17]. 俯冲拆离面的上述变化规律将作为马尼拉海沟中段俯冲构造带剖面模型的底边界在下文进一步讨论. 2.3 增生楔构造
增生楔构造分布于海沟东侧俯冲拆离面之上. 地震剖面(图3, 4及文献[13]中图9)上表现为由一系列向东倾斜的逆冲断层所组成的冲断岩片相互叠置, 在海底地形上形成了一系列隆丘和槽地, 隆丘的海沟一侧均被逆冲断层所占据. 因不同构造部位褶皱断裂的强度和形成时间不同, 冲断岩片内的地震反射波组表现为自海沟内壁的下陆坡向上陆坡逐渐弱化的特点, 下陆坡冲断岩片内仍能分辨出与海沟充填沉积褶皱连续的反射波组, 至上陆坡几乎极少存在有效反射信息, 反映出增生楔从下陆坡至上陆坡存在形成时代上由新到老、变形强度逐渐加大的变化规律, 在构造特征上存在明显的分带性.
处理后的多波束海底地貌阴影图(图2)揭示出本区俯冲带增生楔构造的平面分布特征. 密集分布的线性隆丘和槽地总体沿海沟相互平行排列, 是海沟俯冲带增生构造的典型地貌表现. 图5是根据地震剖
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面对图2的构造解释, 显示了增生楔的总体构造格 局. 根据构造样式和活动特点, 从海沟轴部向陆可识别出3个构造带, 即下构造带(LTZ)、中构造带(MTZ)和上构造带(UTZ). 这3个构造带之间又受3个大型的逆冲断裂所分割(LMT, MMT, UMT), 构造带内以逆冲断裂和背斜构造为特征, 槽脊相间的海底地貌对应着叠瓦状阶梯式加积岩片构造.
下构造带西界为俯冲带增生楔的变形前锋(图5中DF), 目前仍在形成新的活动增生构造. 在变形前锋, 俯冲作用在表层主要通过海沟沉积层持续弯曲褶皱, 并在褶皱翼部剪断逐步形成低角度逆冲断裂推覆叠加的方式实现增生(图3), 从而在地貌上形成一系列密集的线性海丘. 与日本Nankai海槽类似[18], 沉积物增生过程主要涉及海沟充填沉积, 变形前锋第一个褶皱对应新生的逆冲断面, 该断面向下收敛于俯冲拆离面. 下构造带位于下陆坡, 宽度一般为7.5 km, 海山挤入处变窄为3.5 km(图5), 一般由2~3个大型推覆逆掩构造组成, 地形坡度变化较大, 一般为5°, 最大9°, 最小3°, 呈阶梯状或孤立线性海丘地貌, 是增生楔中正在强烈活动的挤压构造区.
中构造带由一系列向海沟冲断的大型构造岩带组成, 并分别由下、中两个主断裂带(LMT和MMT)与下构造带和上构造带分割(图5). 构造带宽度和地形坡度变化较为稳定, 分别为7 km和3.5°, 构造岩
[13]
片间的逆冲断层倾角向陆侧迅速增大, 是增生楔中正在强烈隆升的挤压构造区.
上构造带主要由一系列叠瓦状构造带和线形褶皱组成, 分解构造岩片的冲断带密度比下构造带和中构造带明显降低, 从而在海底形成一系列清晰的相间排列的代表断裂和褶皱的线形垄丘和槽地. 横向上构造特征变化较大, 接近挤入构造区时, 褶皱断裂带分布密集, 向南北两侧逐渐舒展, 并呈左行排 列. 该带宽度一般为17 km, 平均坡度极小, 一般为0.8°, 受差异性断陷活动, 在挤入构造南北两侧分布了一些向陆倾斜的大型陆坡沉积盆地, 北侧的断陷盆地因沉积物供给不足仍处于构造断陷洼地状态(图5), 反映出该带目前的逆冲挤压活动已不再活跃, 主要表现为没有明显表面缩短的差异升降状态, 而上主断裂带(UMT)以东的狭长隆起则构成了北吕宋海槽弧前盆地的前缘高地.
3 挤入构造特征
研究区南海海盆在14°~18°N之间分布了古扩张中脊、大量孤立海山和NE向线性海丘. 海丘和海山沿海沟的俯冲, 在俯冲带增生楔上形成了一系列挤入构造, 并使海沟变形前锋(DF)弯曲复杂化. 高分辨率多波束地形数据揭示了这种由刚性块体挤入所引起的向陆隆起和向海滑塌的特殊构造地貌. 同时密集分布的线性构造相互平行排列, 并在延伸方向上交汇、终止, 总体沿海沟呈弧形弯曲, 也构成了俯冲海山在增生构造中的响应.
图2和5中部的俯冲海山(海山A)对应了一个典型的挤入构造, 其构造特征与尖顶海山的砂箱实验和数值模拟可良好对比[19]. 由于在其前缘形成了一个规模大于目前出露海山3~4倍的大型港湾状弧形陡崖, 因此该海山可能已大部分被俯冲, 已俯冲海山的大小应与弧形陡崖大小相似, 陡崖的坡度达12.4°, 是海山俯冲后方张性断裂活动所致. 同时俯冲海山也导致了在其向陆一侧形成局部隆起, 形成了高差达2136 m的海底山峰. 该挤入构造主要影响下构造带和中构造带, 在海山挤入通道的陡崖区除伴有滑塌构造外, 还形成了特有的放射状近直立的滑动断裂束, 断裂束收敛点对应挤入刚性海山. 同时在图2和5南部还可以看出, 虽然海山B东端的增生楔变形前锋存在明显的弧形挤入构造地貌, 但在海底地形上却表现出海山尚没有真正与该变形前锋接触, 显示出新生挤入构造往往首先从海山的根部开始发动.
研究区中部的海山挤入使俯冲带变形前锋后退了8~10 km, 同时在挤入构造的北侧将总体沿NE方向延伸的构造线改造为近SN向和NW向. 在中构造带上可识别出2个弧形断层陡崖构造, 它们呈阶梯式断陷, 切割了增生形成的褶皱和逆冲断层, 是滑塌作用所致, 空间上对应研究区中部和南部两个挤入构造的北翼, 是海山向南东东斜向挤入在其北侧形成局部拉张应力所致(图5). 在上构造带, 中部挤入构造的东南方向对应了本区最强烈的隆起区, 并向南北两侧逐渐断陷下降, 过渡为陆坡盆地沉积区.
挤入构造对会聚边界的区域应力场和板块相对运动提供了一种良好的指示, 反映出研究区马尼拉海沟俯冲带正处在NWW-SEE向的斜向俯冲过程中. 增生楔总体呈NE向延伸的3个构造带因海山俯冲被
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图5 马尼拉海沟增生楔中段构造解释图
1. 变形前锋(DF); 2. 主断裂构造带; 3. 压性断裂带; 4. 张性断裂带; 5. 性质不明断裂带; 6. 断裂陡崖; 7. 褶皱; 8. 海底峡谷; 9. 海山; 10. 陆坡沉积盆地; 11. 俯冲海山引起的局部隆起; 12. 增生楔体积变化统计剖面及剖面号. A为中部俯冲海山, B为南部海山. LMT: 下主断裂带; MMT:
中主断裂带, UMT: 上主断裂带. 位置同图2
改造呈“S”型弯曲, 其构造线由北部的SN向延伸至中部挤入构造区的NE向, 向南再度转为SN向, 并至南部海山B挤入构造区又转为NE向, 再向南转为NW向进入下一个大型挤入构造区. 海沟变形前锋沿俯冲会聚方向常被弯曲、错断, 在本区中、南部的一些主要海沟变形前锋弧形转折处, 可识别出此类横切增生构造带的断裂走向为NW55°. 增生楔3个构造带内部大量左行雁行排列的褶皱断裂构造说明会聚矢量与海沟斜交. 由于海山的挤入, 在其前缘的增生楔上形成了大量垂直于主压应力的走向NE35°的
褶皱和逆冲断层, 反映俯冲带主压应力为NW55°. 在这种斜向主压应力作用下, 还在增生楔上导致了垂直于主构造线的张性断裂, 本区中部总体呈NW60°方向延伸、下切300 m的大型“V”型海底峡谷就是沿该斜向挤压应力作用形成的纵张断裂遭受侵蚀的产物(图5).
4 讨论与结论
刚性火山岩体在海沟的挤入和俯冲对增生楔的作用是相对削蚀、增生还是基本平衡? 为此对增生楔
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物质的收支进行了估计. 根据地震剖面和多波束地形数据构建了增生楔综合剖面如图6(b), 由于研究区南北1°的小范围内海沟充填沉积物供给的变化和俯冲板块倾角的变化是可以忽略不计的, 因此可以用增生楔的垂直构造走向的截面积来说明增生楔的体积变化. 统计的范围为变形前锋(DF)至上主断裂带(UMT)之间的增生楔, 研究区南北共7条剖面均垂直构造走向. 计算表明(图6(a)), 增生楔截面积除总体上存在从北向南逐渐减小的趋势外, 中部挤入构造(图6(a)中剖面4)对应一局部约3%的相对亏损, 说明海山挤入和俯冲对增生楔来说并没有产生增生作用, 而且这种相对亏损在中部挤入构造南侧的剖面5达到最大, 是海山斜向俯冲的反映. 上述少量的物质亏损对于中美洲哥斯达黎加-尼加拉瓜俯冲带局部约38%的相对削蚀量[2]来说几乎是微不足道的, 因此本区海山挤入导致的物质收支基本上是平衡的, 其少量物质亏损可能是由于本区挤入构造前方隆起区的差异侵蚀引起的.
为了揭示这一构造地貌分析获得的应力场的深部变化, 我们从中国地震台网数据中心收集了1977年1月7日~2002年7月30日4级以上的地震资料(图1). 深度分布上, 上覆板块地震主要分布在60 km以浅, 以15~35 km深度最为密集, 俯冲板块地震呈贝尼奥夫带以27.7°倾角主要分布在30~150 km深度范围内(图1). 平面上, 地震主要集中在马尼拉海沟及其以东, 近海沟部分地震与海山(链)挤入构造相关.
为避免马尼拉海沟俯冲带南端民都洛深地震构造和北端台湾碰撞构造的复杂影响, 震源机制解分析取14.5°~19.5°N范围, 震源机制解数据取自美国哈佛大学震源机制解数据中心, 共获得同期117个震源机制解数据. 其中深源地震(大于60 km)12个, 而位于俯冲板块贝尼奥夫带上的深源地震仅8个. 从这8个震源机制解来看(图1), 构造应力主要为向东倾斜的南东东向挤压, 表明本区斜向俯冲机制不仅具有区域意义, 而且一直延伸到了深部, 并非仅为局部和浅部表现. 同样, 周硕愚等人[20]对福建及其边缘海的地壳运动定量综合分析表明, 中国大陆东南陆缘及南海北部目前正经历北西西-南东东向的主压应力的作用. Wang等人[21]根据西南海盆中部1965年11月7日震源深度约5 km的5.6级地震的力学机制解得出, 西南海盆目前的水平主压应力轴方向为 NW52°, 也与本文刚性海山在海沟的俯冲、挤入方向基本一致.
南海东部海盆的海底扩张被认为中止于15 Ma的中中新世[22]. 然而东部海盆扩张为何突然停止, 其与马尼拉海沟的形成之间有何关系, 目前依然不清. 根据马尼拉海沟俯冲带弧前盆地西吕宋海槽和北吕宋海槽底部存在中新世沉积[13], 说明马尼拉海沟俯冲带也应形成于中新世, 与海盆扩张停止的时间相近. 同时东部海盆古扩张脊已部分俯冲于马尼拉海沟增生楔之下[13], 俯冲的古扩张脊并没有导致上部增生楔相关的岩浆活动, 说明俯冲活动前海盆扩张已经停止. 因此可能正是由于马尼拉海沟俯冲带的形成导致了南海海盆扩张的停止.
根据菲律宾海板块以70 mm/a呈NW55°方向与欧亚板块会聚的应力状况[23]和本区上述构造分析表明, 菲律宾海板块的运动也恰好与南海东部海盆沿SEE方向向马尼拉海沟俯冲的运动方向一致. 古地磁研究表明, 东亚大陆板块新生代以来位置基本没有变化[24], 而南海海盆在扩张停止后已成为东亚大陆板块的一个组成部分, 因此南海海盆缺乏实际俯冲的运动学机制. 这样南海海盆与吕宋微板块之间的会聚, 只能由吕宋微板块的向NWW方向的位移来
承担, 因此马尼拉海沟俯冲带的俯冲作用实际上应是一种吕宋微板块的仰冲机制, 而动力应来自菲律宾海板块.
致谢 感谢徐赛英女士为本文绘制了部分图件. 本工作受
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图6 俯冲构造带剖面模型及上板块(增生楔)横截面面积
(a) 17°~18°N之间俯冲带上板块(增生楔)垂直构造走向的DF至UMT
间剖面的横截面面积(km2), 1~7为剖面号, 剖面位置见图5, 横坐标为剖面与DF相交的纬度(N); (b) 俯冲带构造剖面模型, 1, 4, 7为剖面号,
剖面起点为剖面与UMT的交点
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国家重点基础研究发展规划项目(G2000046704)资助.
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(2003-11-28收稿, 2004-03-03收修改稿)