Plate evolution in the Pacific domain since Late Mesozoic and its inspiration to tectonic research of East Asia margin

ZHOU Di; SUN Zhen

doi:10.11978/2016092

Journal of Tropical Oceanography >

2017 , Vol. 36 >Issue 3: 1 - 19

DOI: https://doi.org/10.11978/2016092

Orginal Article

Plate evolution in the Pacific domain since Late Mesozoic and its inspiration to tectonic research of East Asia margin

ZHOU Di ,
SUN Zhen

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CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China

Corresponding author: ZHOU Di. E-mail: zhoudiscs@scsio.ac.cn

Received date: 2016-09-30

Request revised date: 2016-12-21

Online published: 2017-06-01

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Joint Program of National Natural Science Foundation of China and Guangdong Province (U1301233)

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热带海洋学报编辑部

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Abstract

Since the Late Mesozoic, the plate evolution in the Pacific domain has influenced the tectonic evolution, magmatism and mineralization of the East Asia margin. Improving our knowledge about the Pacific evolution will benefit our understanding of the tectonic evolution of East Asia continental margin. In this paper, we summarize updated research results on the tectonic evolution of the paleo and present Pacific Ocean from three aspects, the distinction between Pacific and Tethys tectonic domains, important tectonic events during Pacific evolution and the ridge subduction around the Pacific. Possible effects of Pacific domain on the evolution of East Asia continental margin are probed. Our aim is to call on more intensified research on Asia continent and Pacific Ocean, and to provide an easy reference for such research.

Key words： Pacific,; East Asia continental margin; Late Mesozoic; plate tectonics; tectonic event; ridge subduction

Cite this article

ZHOU Di , SUN Zhen . Plate evolution in the Pacific domain since Late Mesozoic and its inspiration to tectonic research of East Asia margin[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2017 , 36(3) : 1 -19 . DOI: 10.11978/2016092

本文的“太平洋域”指现今太平洋海水所波及的区域, 其构造演化历史不仅包括太平洋板块, 也包括地质历史时期曾存在于该区域的其他一些板块的演化历史。本文的“东亚陆缘”指亚洲大陆的印支半岛、华南、华东以及西南日本一带, 以及毗连的大陆架区域、东海、南海、加里曼丹岛和印尼群岛。东亚陆缘位于欧亚大陆的东南缘, 被两个大洋所挟持, 向东是菲律宾海和广阔的太平洋, 向南邻接印度洋。从板块构造的角度来看, 东亚陆缘毗邻地球上两大超级汇聚带——环太平洋汇聚带和特提斯汇聚带——的交汇处。东亚陆缘的构造演化必然受这两大构造域的地质过程所影响。

在过去相当长一段时间内, 对特提斯构造域的研究取得了长足的进展, 对特提斯洋的多期、多岛演化历史有了越来越清晰的认识, 尤其是对印度板块挤入欧亚大陆以及青藏高原隆升历史的研究, 导致东亚陆缘板内大规模构造逃逸模式的提出(Tapponnier et al, 1982; Tapponnier et al, 1986), 揭示了特提斯构造域的汇聚有可能对东亚陆缘构造产生巨大影响, 为解释诸如南海的张开(Briais et al, 1993)、菲律宾海地幔的Dupal地球化学异常(Flower et al, 1998)等东亚陆缘构造演化的地球动力学问题提供了新的思路和重要依据。

相比之下, 对太平洋和环太平洋构造域演化历史的研究则困难得多, 主要是因为太平洋的西、北和东三侧都在发生俯冲, 大量洋壳已消失在地球深处。尽管如此, 随着科学技术的进步, 地质地球物理学家们依靠陆缘和洋岛地质分析、洋底钻探采样、大洋磁条带识别对比、地震层析成像等多种手段来积累资料, 并在此基础上进行全球或区域尺度的板块运动学模拟, 还是揭示了太平洋从中中生代(约200Ma)以来构造演化的许多基本特征, 提出了一些构造重建模型, 识别了一些重要构造事件(Engebretson et al, 1985; Nakanishi et al, 1989; Maruyama et al, 1997; Müller et al, 2008; Wessel et al, 2008; Matthews et al, 2012; Seton et al, 2012), 对一些太平洋构造域的特殊构造(如洋脊俯冲、火山岛链、大火山岩省等)进行了深入的研究(Thorkelson, 1996; Koppers et al, 2001; Thorkelson et al, 2005; Seton et al, 2015; Sager et al, 2016), 也对太平洋域地质过程与东亚陆缘构造演化的关系进行了一些探讨(Li et al, 2007; Sun et al, 2007、2010; 朱日祥等, 2012; Jiang et al, 2015)。

基于东亚陆缘构造研究不能仅考虑特提斯域的影响, 还应该考虑太平洋域的影响这一基本认识, 本文综述对晚中生代以来太平洋域构造演化的三方面主要成果(基本特征、重大构造事件、洋脊俯冲), 分析其对东亚陆缘构造研究的可能启示, 并讨论进一步研究需要解决的难点问题。

1 现今太平洋的板块构造特征

现今太平洋(图1)是地球上最大的大洋, 面积约1.7亿平方千米, 占地球表面面积的1/3。太平洋的周围有亚洲、澳洲、南极洲、南美洲和北美洲这五大陆块, 除在南面与南极洲板块之间以正在扩张的洋脊分隔之外, 在西、北、东三面都被汇聚边缘所围限, 发生太平洋向周边陆块或岛弧的俯冲。太平洋内部由多个大洋板块组成, 即太平洋(Pacific)、纳兹卡(Nazca)、科科斯(Cocos)、胡安-德富卡(Juan de Fuca)等洋块和若干微洋块; 这些洋块之间由洋脊或转换断层所分隔。太平洋内还有许多火山岛链和海台, 多数被认为是地幔柱的表现或遗迹(O’Connor et al, 2013; Whittaker et al, 2015)。根据大洋磁条带的辨识和大洋钻探的证实, 今日太平洋洋壳的年龄极不对称(图2): 最老洋壳在靠近太平洋西部边缘的大洋钻探计划(ODP)站位801c附近, 根据磁条带推算年龄约为190Ma (Seton et al, 2012); 而最新的(0Ma)洋壳在偏东部, 沿东太平洋洋脊分布, 那里是现今地球上扩张速率最高的活动洋脊。

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Fig. 1 Topographic map of the Pacific Ocean. After Wright et al (2016)

图1 太平洋地形图[源自Wright等(2016)]^黑色实线表示板块边界

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Fig. 2 Seafloor age of the Pacific Ocean

图2 太平洋洋底年龄图(截自http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/image/images/g01167-pos-a0001.pdf)^黑色实线表示板块边界; 白色圆点示ODP801c站位

2 古太平洋构造演化的回溯

2.1 回溯方法和依据

古太平洋即泛大洋(Panthalassa), 其大部分已经俯冲潜没到周边陆块之下, 因此古太平洋构造域演化的回溯方法是在实际观测资料的基础上进行定性回溯和计算机模拟。回溯所依据的观测资料主要有4个方面: 大洋磁条带、洋底钻探采样、陆缘和海山的地质分析、地震层析成像。通过大洋磁条带的识别和对比揭示出洋壳的年龄分布和扩张脊、转换断层的配置, 这些认识得到了洋底钻探的验证、修正和补充, 成为回溯古太平洋演化的基本依据。基于洋底扩张的对称性特征, 还可以外推已被俯冲潜没的那部分洋壳, 而地震层析成像则被用于验证、修正和补充对已俯冲掉的那部分洋壳的推测。在太平洋内有千余海山, 其中有大量地幔柱成因的大火山岩省和火山岛链, 虽然有证据表明热点的位置也会变化, 但研究表明热点间的相对运动不会超过板块运动的5% (Wessel et al, 2008), 所以还是可以用来作为板块运动的参照系, 大火山岩省和火山岛链的研究成为推测板块相对于热点参照系的漂移的基本依据。陆缘和俯冲带研究提供了有关俯冲洋壳的组成、年龄和俯冲历史的丰富信息, 尤其在俯冲带的增生杂岩中还有可能蕴含非常老的、在现代洋壳中找不到其对偶部分(故不可能根据磁条带外推)的已俯冲洋壳的信息。综合利用上述资料, 结合大洋和大陆的古地磁、卫星重力和其他地形、地质、地球物理、地球化学资料, 定性地或借助于计算机模拟手段来进行板块构造重建, 力求获得能拟合尽可能多的观测资料的、全球协调的板块演化模型。

虽然在日本西南部和冲绳群岛的俯冲增生杂岩的记录表明古太平洋的洋壳年龄至少可回溯到晚石

炭世(Isozaki et al, 1988; Maruyama et al, 1997), 但是在太平洋内, 根据大洋钻探和磁条带推算的最老洋壳年龄约为190Ma, 所以目前的古太平洋构造重建主要集中于中中生代200Ma以来(Engebretson et al, 1985; Wessel et al, 2006; Müller et al, 2008; Seton et al, 2012; Wright et al, 2016)。

回溯古太平洋演化是一个非常困难的任务, 由于观测、采样和研究方法的局限性, 更由于古太平洋演化本身的复杂性, 目前的数据、认识和模式都有很大的不确定性, 时代越老, 不确定性越大。本文在以下的章节中将不再逐一指出不确定性问题, 对有不同观点的问题一般将沿用较为广泛接受的观点, 特此说明。

2.2 库拉板块问题

在有关古太平洋演化的历史文献中, “库拉板块”(Kula Plate)这个名词的应用发生了重大变化, 需要特别留意。在现今太平洋的西北部可见到方向不同的4组磁条带(图3): NE—SW向的日本磁条带、NW—SE向的夏威夷磁条带、NEE—SWW走向的菲尼克斯磁条带、以及近E—W走向的库拉磁条带。在早期影响很大的古太平洋演化模式中(Hilde et al, 1977), 将日本磁条带与库拉磁条带作为同一磁条带系统, 代表已俯冲潜没的库拉板块的对偶部分。所以该模式认为太平洋大约在190Ma诞生于库拉—法拉隆—菲尼克斯三大板块的三联点处(图4a), 在太平洋扩张的同时, 库拉板块不断向欧亚大陆俯冲, 到约100Ma时已差不多俯冲殆尽, 只剩东段(即库拉磁条带指示的那段)继续向阿留申岛弧俯冲(图4b)。这个模式被许多文献采用, 影响很大。但是, 后来的研究认为原来的所谓“库拉板块”实际是两个板块, 西部是由日本磁条带(M33~M0, 约158~120Ma)所指示“依扎奈崎板块”, 东部是由库拉磁条带(C33~C21, 约83~47Ma)所指示的“库拉板块”(图3)。太平洋板块约190Ma诞生于依扎奈崎—法拉隆—菲尼克斯三大板块的三联点处, 而库拉板块约80Ma从法拉隆板块分裂出来,约47Ma俯冲消亡于阿留申岛弧之下(Woode et al, 1982; Engebretson et al, 1985; Sager et al, 1988; Nakanishi et al, 1989)。这后一种模式现在已经被广泛接受, 但在某些文献(如上世纪90年代的文献)中还是存在混淆, 需要在阅读时注意鉴别。