基于重、磁异常的西太平洋中段构造特征研究

朱莹洁， 王万银， J. Kim Welford, Colin G. Farquharson，杨永， 罗新刚， 王丁丁， 马涛， 马杰

1 长安大学重磁方法技术研究所， 长安大学地质工程与测绘学院， 长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室， 西安 710054 2 海洋油气勘探国家工程研究中心， 北京 100028 3 纽芬兰纪念大学地球科学系， 加拿大圣约翰斯 A1B3X5 4 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)， 广州 511458 5 自然资源部海底矿产资源重点实验室， 广州海洋地质调查局， 广州 510075

0 引言

西太平洋中段(图1)包括西太平洋海山省(West Pacific Seamount Province, WPSP; Koppers et al., 2003a)及其西部的马里亚纳海沟和马里亚纳岛弧，其中的WPSP占据了研究区的大部分区域，也是本文的重点研究区域.WPSP广泛发育独立海山、海山链和海岭，主要包括台风(Typhoon)、北威克(Northern-Wake)、南威克(Southern-Wake)、麦哲伦(Magellan)、Ujlan、Anewetak、Ralik、Ratak海山链和一些独立海山(Koppers et al., 2003a)，以及Michelson、Dutton海岭，同时发育东马里亚纳(East Mariana)盆地和皮加费他(Pigafetta)盆地.其中，北威克海山链和南威克海山链也统称为马尔库斯-威克(Marcus-Wake)海山链.WPSP的独立海山、海山链或海岭主要形成于白垩纪，由板内火山喷发而成，并随着太平洋板块向菲律宾板块俯冲，逐渐运移到现今的位置.长期的构造演化过程使得研究区蕴含了丰富的金属矿产资源，也成为了全球海底富钴结壳资源的主要分布区(Petersen et al., 2016).由于构造特征可以在一定程度上反映研究区的演化特征，且目前对西太平洋中段的研究相对较少，因此本文旨对研究区广泛分布的火成岩、磁条带、断裂以及莫霍面特征进行研究，得到西太平洋中段的构造分布特征.

图1 西太平洋中段区域地质构造图 地形数据网度为1′×1′，来源于Smith和Sandwell(1997)；黄点表示ODP点位，来源于Pringle(1992)；灰线表示网格化的洋壳年龄，来源于Müller等(2008)；黑线表示断裂带，来源于Seton等(2014)；红线表示M29位置，来源于Tominaga等(2015)；被白色边界包围的天蓝色区域和淡黄色区域分别表示来源于Tominaga等(2015)的NE向日本磁条带集和NW向夏威夷磁条带集；蓝线表示大洋盆地 溢流型玄武岩省，来源于Bryan和Ernst(2008)；海山年龄来源于Koppers等(2003a).Fig.1 Regional tectonic map of the mid-latitude Western Pacific Bathymetry data at 1-minute spacing is from Smith and Sandwell (1997); yellow points indicate ODP sites by Pringle (1992); grey contours indicate gridded oceanic crustal ages by Müller et al. (2008); black lines indicate faults by Seton et al. (2014); red lines indicate Chron M29 by Tominaga et al. (2015); light blue and yellowish regions with white boundaries indicate the Japanese and Hawaiian magnetic lineation sets by Tominaga et al. (2015); blue lines indicate ocean basin flood basalt provinces by Bryan and Ernst (2008); seamount ages are from Koppers et al. (2003a).

西太平洋中段广泛发育的火成岩包括位于WPSP的独立海山、海山链、海岭和位于马里亚纳岛弧的马里亚纳岛弧型火成岩，以及位于WPSP的大火成岩省(Large Igneous Provinces, LIPs).其中，大部分海山链的海山年龄复杂，呈非年龄递进式排列(如, Jackson, 1976; Bonatti and Harrison, 1976; Koppers et al., 2003a).根据大洋钻探计划(Ocean Drilling Programs, ODP)、地球化学、地球年代学、板块重建等结果得知海山是经过多期火山喷发形成，通常岩浆来源于地幔中的多个热点，且单个热点的活动时间少于40 Ma(Koppers et al., 2003a).Courtillot等(2003)提出地幔中除了存在摩根-威尔逊热点(全球只识别出7个)，还存在次级热点和三级热点，这些热点或是从超级地幔柱顶部运移到浅地幔形成的地幔羽(如, Davaille, 1999; Davaille et al., 2002, 2003)，或是与大洋岩石圈伸展有关(如 Anderson, 2001, 2002).Koppers等(2003a)认为这种短期且不连续的板内火山活动不同于强烈且持续的夏威夷式热点火山活动，而与其他地质作用(板块扩张、热异常、断裂活动、湿点等)也有关.板内火山活动受控于大尺度的地质活动，由此产生许多紧密间隔的地幔羽，这些地幔羽在地质年代中短暂活跃，可能起源于浅地幔，并在那里以薄地幔柱的形式从超级地幔柱的顶部喷发出来.多数海山链海山年龄的跳跃排列及周期性的板内火山喷发表明区域拉张作用可能与板内火山活动有关(Koppers et al., 2003a).Utkin(2006)指出在WPSP存在的NE向和NW向的走滑断裂形成了雁行式排列的断裂带，在断裂带交叉点处形成岩浆通道，由此岩浆喷发最终形成海山.

根据Bryan和Ernst(2008)修订的LIPs的定义和分类，LIPs以镁铁质为主，但也有明显的超镁铁质和硅质成分，而有些以硅质岩浆作用为主而形成；不再将海山、海山链、海岭和异常洋壳认为是LIPs，因为它们是由地幔中侵位率较低时的长期熔融异常造成的，与大火成岩事件中较短暂且较高岩浆侵位率的特征不同.大洋中的LIPs分为大洋高原和大洋盆地溢流型玄武岩省.目前研究区已知存在两个大洋盆地溢流型玄武岩省，即东马里亚纳和皮加费他盆地溢流型玄武岩省(Bryan and Ernst, 2008; Bryan and Ferrari, 2013; Kerr, 2014)，均形成于约120 Ma(Tarduno et al., 1991; Pringle, 1992; Bryan and Ferrari, 2013)，且可能厚度较薄.根据ODP126段资料，在皮加费他盆地的800号钻穿透了56 m厚的块状碱性白云石基岩，矿物分离物的40Ar/39Ar激光分析显示结晶年龄约126.1±0.6 Ma；801号钻穿透了131 m厚的碱性玄武岩，在东马里亚纳盆地的802号钻穿透了51 m厚的枕状玄武岩和熔岩流，对两个岩石样本的40Ar/39Ar增量加热分析显示结晶年龄为114.6±3.2 Ma(Pringle, 1992).LIPs通常被认为是地幔柱顶部减压熔融的结果(Richards et al., 1989; Campbell and Griffiths, 1990)，可能起源于核-幔边界，相关的热点路径与地幔羽的熔融有关(Wilson, 1963; Morgan, 1971)，而大洋盆地溢流型玄武岩省可能是岩浆沿众多裂缝侵入而形成的(Castillo et al., 1994; Larson et al., 1995).

研究区存在NE走向和NW走向的中生代磁条带，前者属于在太平洋—依泽奈崎海岭(Pacific-Izanagi Ridge)形成的日本磁条带集(Japanese lineation set)，后者属于在太平洋—法拉隆海岭(Pacific-Farallon Ridge)形成的夏威夷磁条带集(Hawaiian lineation set)(Nakanishi et al., 1989, 1999; Tominaga et al., 2015)，这些磁条带记录了板块扩张的演化历史.由于研究区在北、西、南方向毗邻巨大的板块聚敛边界系统，构造挤压活动非常强烈(王洋, 2020)，因此该区域广泛发育断裂.在磁条带发育区域，存在磁条带被断裂错断或破坏的现象.自Larson和Chase(1972)首次发现磁条带以来，许多研究都在确定或者不断修正磁条带的位置，众多学者也在研究太平洋中生代的磁条带以及断裂带(如, Sager et al., 1988; Nakanishi et al., 1992; Abrams et al., 1993; Koppers, 1998; Müller et al., 2008; Matthews et al., 2011; Seton et al., 2014; Wessel et al., 2015).但前人多是直接对比分析少量的磁异常剖面，根据磁异常峰值连线位置确定磁条带位置；根据磁条带序列及错断位置、海底地形以及少量地震剖面，推断了部分NW向和NE向的断裂带(Abrams et al., 1993; Koppers, 1998; Koppers et al., 2003a; Matthews et al., 2011; Wessel et al., 2015).而重、磁异常平面数据具有较好的横向分辨率，在对大区域的断裂和磁条带研究中更有优势.根据ODP、同位素测年、古地磁学、磁条带等资料认为大部分海山区位于侏罗纪静磁区(Jurassic magnetic Quiet Zone, JQZ)，其形成时期的地磁场比正常值弱(如, Pringle, 1992; Sager et al., 1998; Tivey et al., 2005; Tominaga et al., 2008, 2015; Tominaga and Sager, 2010)，且所在洋壳扩张速度为超慢速(Guillot et al., 2015)，可能因此该时期没有磁条带记录地磁倒转(李三忠等, 2018).目前认为JQZ终止于M29，距今约为157 Ma(Gradstein et al., 2012; Tominaga et al., 2015).

断裂为火成岩和磁条带的形成提供了岩浆上涌通道，并对磁条带具有改造作用.且深大断裂通常与深部构造运动有关，一些海山链和深大断裂的方向变化也反映了太平洋板块运移方向的变化.另外，研究莫霍面的深度是深部构造研究中重要的一部分.但前人对整个西太平洋中段的莫霍面研究较少，且公开的地震剖面也非常少.其中，Kasahara等(2008)根据地震数据得到若干剖面上的莫霍面深度；Ishihara和Fujioka(2015)参考地震剖面模拟出了西太平洋中段的地壳密度结构，结合布格重力异常分区反演得到了部分西太平洋中段的莫霍面深度，范围为11～25 km.

综上，前人利用地球物理数据研究西太平洋中段构造特征的程度相对不高，因此本文重点采用卫星测高重力异常数据和世界磁异常数据(由卫星、航空和船测数据拼接而成)研究西太平洋中段的构造特征，包括对断裂分布、莫霍面深度、磁条带分布以及火成岩(即独立海山、海山链、海岭、马里亚纳岛弧型火成岩和大洋盆地溢流型玄武岩)分布的研究.根据研究区的构造分布特征讨论其形成演化机制，从而为研究西太平洋中段的构造演化提供基础地质构造依据.

1 重、磁异常及研究方法

1.1 重力异常特征

卫星测高重力异常(图2a)数据来源于Sandwell和Smith(2009)和Sandwell等(2013, 2014)，数据网度为1′×1′.取洋壳平均密度为3.0×103kg·m-3，海水密度为1.03×103kg·m-3，通过计算海水的重力影响值(王万银和潘作枢, 1993)进行海水影响校正，从而得到布格重力异常(图2b).

图2 西太平洋中段重力异常图 (a) 卫星测高重力异常图，数据来源于Sandwell和Smith(2009)、Sandwell等(2013, 2014)； (b) 布格重力异常图.白线表示-4 km地形等高线.Fig.2 Gravity anomaly of the mid-latitude Western Pacific (a) Satellite altimetry gravity anomaly from Sandwell and Smith (2009) and Sandwell et al. (2013, 2014); (b) Bouguer gravity anomaly. White contours indicate the topography at -4 km.

西太平洋中段卫星测高重力异常(图2a)的幅值变化范围为-350～410 mGal.独立海山、海山链、海岭表现为重力异常正高值，且周围为重力异常负低值区，而盆地区表现为重力异常正低值；马里亚纳海沟对应重力异常负高值，马里亚纳岛弧对应重力异常正高值.在WPSP，卫星测高重力异常整体呈明显的NW走向，与其向马里亚纳海沟俯冲的特征一致；马里亚纳岛弧对应的重力异常走向与其近N-S走向的特征一致.

西太平洋中段布格重力异常(图2b)的幅值变化范围为168～520 mGal，在WPSP，异常高值区和低值区呈NW向条带状相间分布，且海山区位于异常低值区，海盆区位于异常高值区；马里亚纳岛弧位于异常低值区.布格重力异常的高低变化及相间分布特征反映了西太平洋中段地质构造的复杂性.

1.2 磁力异常特征

磁力异常数据来源于NOAA的EMAG2V3数据集(海拔4 km处的数据；Meyer et al., 2017)，数据网度为2′×2′.采用延拓的方法，将磁力异常数据下沿至海平面，得到海平面处的西太平洋中段磁力异常(图3a).由于西太平洋中段处于中低纬度地区，且研究区经纬度跨度较大，因此采用变磁化倾角化极(RTP)技术(张锡林和姚长利, 2003)得到化极磁异常(图3b)，使得其异常峰值与实际的高磁性体的水平位置更好的对应.

海平面处的西太平洋中段磁力异常(图3a)幅值变化范围为-1320～850 nT，研究区西部及北部区域具有明显的NE向和NW向条带状异常，且NE向的条带状异常区从北到南可以分成三块区域.海山区的磁异常没有明显的分布特征.相应的西太平洋中段化极磁力异常(图3b)的幅值范围为-1100～1090 nT.与磁力异常相比，化极磁力异常突出了NE走向和NW走向的特征，也更明显的反映出了海山链的走向特征.

根据对西太平洋中段的重、磁异常特征分析认为，重、磁异常对研究区的断裂和磁条带有很好的反映，同时，重、磁异常也可以反映出火成岩，包括独立海山、海山链、海岭、马里亚纳岛弧型火成岩以及大洋盆地溢流型玄武岩省的分布及莫霍面深度等深部构造特征，因此，我们对重、磁异常数据采取相应的处理方法，从断裂分布、莫霍面深度、磁条带分布及火成岩分布四个方面研究西太平洋中段的构造特征.

1.3 研究方法

根据构造特征研究技术路线图(图4)，利用重、磁异常数据，采用不同的方法技术，研究西太平洋中段的构造特征.深大断裂和磁条带通常会引起明显的重力或磁力异常，利用重、磁异常的这一特征，可以采用归一化总水平导数垂向导数(NVDR-THDR; Wang et al., 2009)边缘检测方法技术识别断裂和磁条带，识别标志主要是NVDR-THDR的极大值位置.在布格重力异常NVDR-THDR极大值连续性较差的地方，进一步结合采用最小曲率位场分离方法(纪晓琳等, 2015)得到的区域布格重力异常和剩余布格重力异常进行断裂划分.另外，参考磁条带的错断位置进行断裂划分.采用欧拉反褶积深度反演方法(Stavrev and Reid, 2010)得到研究区断裂视深度.结合前人根据地震数据得到的莫霍面深度(Kasahara et al., 2008; Ishihara and Fujioka, 2015)，采用双界面模型快速反演方法(王万银和潘作枢, 1993)得到西太平洋中段的莫霍面深度.采用重、磁对应分析方法(鲁宝亮等, 2020)圈定研究区独立海山、海山链、海岭、马里亚纳岛弧型火成岩及大洋盆地溢流型玄武岩省的分布区域.其中，为了削弱正常洋壳和地幔的影响，进一步突出不同类型的火成岩，尤其是大洋盆地溢流型玄武岩省的重、磁异常特征，同样采用最小曲率位场分离方法得到剩余卫星测高重力异常和剩余化极磁力异常，从而得到重、磁对应分析结果.综合对研究区断裂分布、莫霍面深度、磁条带分布及火成岩分布的研究，得到西太平洋中段的构造特征.

2 西太平洋中段构造特征

2.1 断裂分布特征

从布格重力异常NVDR-THDR(图5a)可以看出，以马里亚纳海沟为界，断裂的分布特征明显不同.根据布格重力异常特征及断裂的规模，并参考断裂的视深度，将研究区断裂分为一级深大断裂(F1—F10，FM1—FM6)和二级断裂，前者在区域布格重力异常(图5b)上有较好的反映，后者在剩余布格重力异常(图5c)有更好的反映.通常二级断裂是在一级深大断裂的控制下形成的一系列断裂.从断裂对比图(图5d)上可以看出，前人划分的断裂带(Koppers et al., 2003a; Matthews et al., 2011; Wessel et al., 2015)在本文的断裂划分结果上都有一定的反映，但是断裂的位置和走向有所偏差.本文对研究区进行了系统性的断裂识别研究，重点划分区域性的断裂构造，包括大型的浅层断裂和深大隐伏断裂.根据反演得到的西太平洋中段断裂视深度(图6)可知，断裂视深度小于25 km，且二级断裂通常比一级深大断裂浅.根据断裂走向玫瑰花图(图7a)可知，研究区断裂的走向主要是NW(WNW)向和NE(ENE)向；根据断裂长度直方图(图7b)可知，大部分断裂长度小于600 km，其次是在600～1200 km范围内.根据断裂视深度直方图(图7c)可知，断裂视深度在5～10 km范围内的最多，其次是10～15 km的范围.

图3 西太平洋中段磁力异常(海平面处)图 (a) 下延所得的磁力异常图，原始数据来源于NOAA的EMAG2V3数据集(Meyer et al., 2017)，位于海拔4 km处； (b) 化极磁力异常图.白线表示-4 km地形等高线.Fig.3 Magnetic anomaly at sea level of the mid-latitude Western Pacific (a) Downward continued magnetic anomaly from NOAA′s EMAG2V3 dataset at a height of 4 km (Meyer et al., 2017); (b) RTP magnetic anomaly. White contours indicate the topography at -4 km.

基于以上对断裂的分析，进一步对一级深大断裂的水平位置特征和深度特征进行了统计和分析(表1)：马里亚纳海沟东部的一级深大断裂(F1—F10)主要分布在独立海山、海山链、海岭及大洋盆地两侧，视深度在4～20 km范围内，视深度众数在7～16 km范围内；西部的一级深大断裂(FM1—FM6)与马里亚纳岛弧的近N-S走向一致，视深度在4～20 km范围内，视深度众数在8～15 km范围内.

图4 西太平洋中段构造特征研究技术路线图Fig.4 Technology roadmap for structural features in the mid-latitude Western Pacific

表1 西太平洋中段一级深大断裂特征统计表Table 1 Features of primary deep faults in the mid-latitude Western Pacific

2.2 莫霍面深度特征

作为地壳与上地幔的分界面，莫霍面在深部构造研究中起到重要作用.在海山的形成演化过程中，火山喷发导致地幔物质亏损，莫霍面下沉，最终使得海山区莫霍面深度变深，而海盆区对应的莫霍面会相应抬升.图8是本文得到的西太平洋中段莫霍面深度，其中，取壳幔岩石密度差为0.3×103kg·m-3，反演采用的莫霍面深度约束点(Kasahara et al., 2008; Ishihara and Fujioka, 2015)位置见表2.由图8可知，在马里亚纳海沟东部，莫霍面深度范围约为7～26 km.海山区的莫霍面深度大于12 km，单座海山或海岭对应的莫霍面深度较深；海盆区的莫霍面深度较浅且起伏较平缓，约为10～12 km.

2.3 磁条带分布特征

从化极磁力异常(图3b)上可以清楚的看到NW向和NE向的磁条带.其中，NW向的夏威夷磁条带集位于研究区东北部，NE向的日本磁条带集位于研究区西部、马里亚纳海沟和海山区之间.根据磁条带序列(Koppers et al., 2003a)及分布特征可推测NE向的磁条带后期受NW向断裂错断并随着WPSP向马里亚纳海沟俯冲而分离成从北向南的三个区域.部分磁条带明显受后期构造运动的改造，虽然可以看出本身的NE或NW走向，但连续性很差.另外，研究区大部分是海山区，其岩浆活动破坏了磁条带的连续性.经过以上分析，本文主要识别具有一定规模且连续性较好的磁条带的水平位置.

表2 从地震深度剖面解释中拾取的莫霍面深度Table 2 Moho depth constraints from several interpreted seismic depth sections

图5续

图5 西太平洋中段断裂平面位置分布图 (a) 布格重力异常NVDR-THDR图； (b) 区域布格重力异常图； (c) 剩余布格重力异常图； (d) 断裂对比图，底图为地形图， 紫线和蓝线分别表示Koppers等(2003a)、Matthews等(2011)和Wessel等(2015)解释的断裂带. 黑线表示本文识别出的断裂.Fig.5 Lateral distribution of the faults in the mid-latitude Western Pacific (a) NVDR-THDR of Bouguer gravity anomaly; (b) Regional Bouguer gravity anomaly; (c) Residual Bouguer gravity anomaly; (d) Comparison of the faults overlain on the bathymetry data, purple and blue lines indicate the interpreted faults by Koppers et al. (2003a), Matthews et al. (2011) and Wessel et al. (2015), respectively. Black lines indicate the faults interpreted by this study.

图6 西太平洋中段断裂视深度图Fig.6 Apparent depths of the faults in the mid-latitude Western Pacific

图7 西太平洋中段断裂走向、长度和视深度统计图 (a) 断裂走向玫瑰花图； (b) 断裂长度直方图； (c) 视深度直方图.Fig.7 Statistics for the strikes, lengths and apparent depths of faults in the mid-latitude Western Pacific (a) Rose diagram of fault strikes; (b) Histogram of fault lengths; (c) Histogram of the apparent depths.

图8 西太平洋中段莫霍面深度图Fig.8 Moho depth in the mid-latitude Western Pacific

图9 西太平洋中段磁条带分布图 (a) 化极磁异常NVDR-THDR图，黑线表示NE向或NW向的极大值连线； (b) 磁条带对比图，底图为地形图，紫线和绿线分别表示Koppers等(2003a)、Hay等(1999)解释的磁条带，黑点表示Seton等(2014)解释的磁条带拾取点，被白色边界包围的天蓝色区域和淡黄 色区域分别表示Tominaga等(2015)解释的NE向日本磁条带集和NW向夏威夷磁条带集.蓝线表示本文识别出的磁条带.Fig.9 Distribution of magnetic lineations in the mid-latitude Western Pacific (a) NVDR-THDR of RTP magnetic anomaly, black lines indicate the ridge lines with NE- and NW-trends; (b) Comparison of magnetic lineations overlain on the bathymetry data, purple and green lines indicate the magnetic lineations by Koppers et al. (2003a) and Hay et al. (1999), respectively, black dots indicate the magnetic lineation picks by Seton et al. (2014), light blue and yellowish regions with white boundaries indicate the Japanese and Hawaiian magnetic lineation sets by Tominaga et al. (2015). Blue lines indicate the interpreted magnetic lineations by this study.

本文利用化极磁异常NVDR-THDR(图9a)的极大值，同时参考化极磁异常NVDR-THDR的NW向和NE向的极大值连线(图9a黑色线; 王丁丁等, 2021)，在前人研究的基础上，最终划分了磁条带的平面位置(图9蓝色线).需要注意的是，化极磁异常NVDR-THDR的极大值连线也有可能反映的是其他具有磁性的异常特征体，比如海山边界、某些断裂等，但可以分别根据海山圈闭的特征、与成规模的磁条带相垂直的特征等依次排除这些干扰信息.与前人划分的磁条带、磁条带拾取点和磁条带集区(图9b; Hay et al., 1999; Koppers et al., 2003a; Seton et al., 2014; Tominaga et al., 2015)相比，本文识别的磁条带方向和范围与前人研究基本一致，但有些磁条带的具体位置与前人识别的磁条带位置有所不同.对于磁力异常这种位场数据来说，平面数据比剖面数据能更好的反映出磁性在平面上的变化规律，且理论上化极磁力异常比磁力异常更能准确的描述磁条带的位置.因此，前人采用磁力异常剖面数据确定的磁条带水平位置可能存在一定的偏差，而本文根据化极磁力异常平面数据划分的磁条带结果在一定程度上对前人的结果进行了修正.

2.4 火成岩分布特征

根据重磁异常特征，可以将研究区的火成岩分为两种，一种是独立海山、海山链、海岭及马里亚纳岛弧型火成岩，另一种是大洋盆地溢流型玄武岩省.在剩余卫星测高重力异常(图10a)和剩余化极磁力异常(图10b)上，前者通常表现为重力异常正高值、磁力异常正高或负高值，因为在长期的地质演化过程中，多期的火山活动经历了多次的地磁倒转时期，因此磁性特征较复杂.而后者，即目前已知位于东马里亚纳盆地和皮加费他盆地的大洋盆地溢流型玄武岩省通常表现为重力异常正低值和磁力异常正低值，它们形成于白垩纪约120 Ma，位于侏罗纪洋壳基底之上，厚度较薄，且形成时期的全球地磁场较弱(Pringle, 1992)，因此重力异常和磁力异常均未表现为明显的高值.

根据重、磁对应分析结果(图10c)，研究区的独立海山、海山链、海岭及马里亚纳岛弧型火成岩与重高磁高区或重高磁低区(红色区域或黄色区域)的特征对应较好，据此划分了独立海山、海山链、海岭及马里亚纳岛弧型火成岩的分布区域.结合前人划分的东马里亚纳盆地和皮加费他盆地溢流型玄武岩省范围(黑色线和白色线圈定的区域；Bryan and Ernst, 2008; Kerr, 2014)，可以看出其大部分位于重磁中值区(灰色区域)，根据此特征圈定了东马里亚纳盆地溢流型玄武岩省(BEM)和皮加费他盆地溢流型玄武岩省(BP)的范围.其中由于皮加费他盆地被两条一级深大断裂(F1和F2)穿过，且发育海山，因此将BP细分为BP1和BP2两个区域.根据剩余化极磁力异常推断这两个形成于约120 Ma的大洋盆地溢流型玄武岩省呈弱磁特征；参考地磁极性转向年表，推测其在形成时期可能经历了地磁倒转.另外，在研究区北部同样存在与东马里亚纳盆地和皮加费他盆地溢流型玄武岩省重磁特征一致的重磁中值区，由此圈定了三个可能存在的大洋盆地溢流型玄武岩省(B1、B2和B3).B1区域存在的NE向磁条带和B2区域存在的NW向磁条带相交，表现了不同扩张系统的洋壳汇聚的特征，且在汇聚边缘形成了呈v字型分布的海山群，在持续汇聚的过程中，地幔局部上隆，可能由此岩浆沿着断裂溢出形成了B1和B2大洋盆地溢流型玄武岩省.根据磁条带和断裂的分布以及洋壳年龄可知，B3和B2区域的洋壳是同期形成的，后期被NE向一级深大断裂F1和F2错断.推测B3区域可能也是与B1和B2区域同期形成的大洋盆地溢流型玄武岩省.根据本文划分结果，认为研究区的大洋盆地溢流型玄武岩省呈NW向条带状展布、NE向块状分布的特征，并与独立海山、海山链或海岭相间分布.

3 讨论

根据对研究区断裂分布、莫霍面深度、磁条带分布及火成岩(包括独立海山、海山链、海岭、马里亚纳岛弧型火成岩及大洋盆地溢流型玄武岩省)分布的研究，得到西太平洋中段构造特征图(图11).这些构造特征与研究区的形成演化息息相关.

太平洋在晚古生代泛大洋的基础上发展而来，形成过程极其复杂，其板块漂移方向一直在改变.根据板块重建结果，太平洋板块自190 Ma左右开始从古太平洋(泛大洋)中央形成，最老洋壳位于马里亚纳海沟的东部；研究区内NE向的日本磁条带、NW向的夏威夷磁条带以及研究区外EW向的菲尼克斯磁条带所形成的三角形太平洋板块几何形态说明，它产生于洋内的洋中脊-洋中脊-洋中脊(RRR)三节点扩张，这个三节点扩张将古太平洋分裂为三个大洋板块，即西北部的依泽奈崎板块、东北部的法拉隆板块和南部的菲尼克斯板块，除了法拉隆板块现今在北美西侧的大洋中还有一些残余，其他两个板块都几乎俯冲殆尽(Boschman and van Hinsbergen, 2016; 李三忠等, 2019).

研究区海山链是多热点成因的板内火山作用和板块构造运动的共同产物，运移受控于太平洋板块运动的历史格局.在跟随板块漂移的过程中，海山链也经历了沿途断裂活动和热点活动的改造作用.Koppers等(2001, 2003b)基于对现今太平洋板块中的热点(或海山链)分析，得出了距今140 Ma以来太平洋板块的运移轨迹：约140—125 Ma时，Shatsky隆起和台风海山链的走向证实太平洋板块呈SSW向俯冲；约125 Ma时，Hess隆起和日本海山链的走向显示太平洋板块呈NW向运动，并一直持续至距今110 Ma；约110—100 Ma时，俯冲变成SW向；在约100 Ma时，太平洋板块漂移方向又一次发生了较大角度的旋转，由早先的SW向变为NNW向，此后较长的一段时间内都维持这一方向运移，致使Wentworth，Musicians等海山链呈NNW向延展；约43 Ma时，太平洋板块由先前的NNW向变为现今的NWW向.太平洋约43 Ma时的转向在西太平洋具有显著的影响，其容易导致一些转换断层变为张裂型转换断层，出现一些特异的菱形构造(李三忠等, 2019).其后太平洋板块与欧亚板块之间“挤入”具有大洋性质的菲律宾板块，迫使太平洋板块不断后撤，在西部地区形成颇具特色的“第二岛链”——马里亚纳弧沟体系(王洋, 2020).俯冲带区域的重、磁异常的高低变化及走向特征很好的反映了马里亚纳弧沟体系的变化特征.太平洋板块在长期演化过程中运移方向多次改变，研究区也因此受到了多期次的改造，广泛发育断裂.这些断裂可能是受不同地质时期的不同作用力而形成，一些断裂在形成后可能又被重新“激活”而重新活动.现今，以马里亚纳海沟为界，断裂特征明显不同(图11)：东部的断裂呈NW(WNW)向和NE(ENE)向分布；西部的断裂呈近N-S走向展布的特征，与马里亚纳岛弧的走向特征一致，这些断裂反映了马里亚纳弧沟体系的走向及分布特征.莫霍面深度在一级深大断裂两侧普遍存在突变.在断裂的识别过程中，同时参考了根据磁条带的错断位置推断的转换断层的位置，因此，在磁条带区域的部分断裂即是转换断层(图11中黑色虚线).随着太平洋漫长且复杂的构造演化，研究区的磁条带和转换断层在形成后也经历了火山活动、断裂活动等可能多期次的改造，磁条带的连续性受到了不同程度的破坏，有些转换断层在形成后可能又被重新“激活”、改造，最终演变成了多期断裂活动叠加的断裂带.对于研究区西部的NE向磁条带，根据磁条带的年龄(Koppers et al., 2003a)以及磁条带和断裂的相对位置，可以推测研究区的一级深大断裂F5—F8是在NE向磁条带之后形成的，并将具有相同磁条带序列的块体分割成三部分，这四条断裂可能也起源于某些转换断层，但随着太平洋板块向菲律宾板块的俯冲，具有相同磁条带序列的块体逐渐分离，F5—F8断裂也受到了构造活动的强烈改造，更倾向于是多期断裂活动叠加的断裂带.目前具有相同磁条带序列的三个相对独立的块体均位于莫霍面深度基本一致的平稳的隆起区.根据海山年龄可以推断，马尔库斯—威克海山链晚于磁条带形成；根据海山链中的多座海山年龄推测，可能受板块运移方向变化影响，海山链从NW向展布转变为NE向展布.根据海山链展布方向的变化，推测马尔库斯—威克海山链周围的断裂活动也应满足此规律，即NE向F1和F2断裂晚于NW向F5—F8断裂形成.这与我们根据重力异常特征识别出的断裂分布特征是一致的，即F1和F2断裂错断了F5—F8断裂.而后期板块运移方向的不断变化也使得不同方向的断裂活动叠加或被重新“激活”，尤其是约43 Ma时受太平洋的转向影响在西太平洋区域出现的菱形构造，使得断裂的错断关系变得不太明显.

图10续

图10 西太平洋中段火成岩分布图 (a) 剩余卫星测高重力异常图； (b) 剩余化极磁力异常图； (c) 剩余重力和剩余化极磁力异常对应分析图，红色实线为本文划分的东马里亚纳盆地和皮加费他盆地溢流玄武岩省范围，红色虚线为本文推断的三个大洋盆地溢流型玄武岩省的范围.黑色和白色线条分别表示Bryan 和Ernst(2008)和Kerr(2014)解释的东马里亚纳盆地和皮加费他盆地溢流玄武岩省的范围.Fig.10 Distribution of igneous rocks in the mid-latitude Western Pacific (a) Residual satellite altimetry gravity anomaly; (b) Residual RTP magnetic anomaly; (c) Correspondence analysis map of the residual gravity and residual RTP magnetic anomalies, red solid lines indicate the boundaries of the East Mariana and Pigafetta basins flood basalt provinces interpreted by this study, red dotted lines indicate the boundaries of the other three ocean basin flood basalt provinces inferred by this study. Black and white solid lines indicate the East Mariana and Pigafetta basins flood basalt provinces interpreted by Bryan and Ernst (2008) and Kerr (2014), respectively.

图11 西太平洋中段构造特征图Fig.11 Structural features of the mid-latitude Western Pacific

根据研究区大洋盆地溢流型玄武岩省的重磁异常特征圈定的东马里亚纳盆地和皮加费他盆地溢流型玄武岩省(BEM,BP1,BP2)，以及在研究区北部推测的三个大洋盆地溢流型玄武岩省(B1,B2,B3)均位于莫霍面较平稳的隆起区，且分布在一级深大断裂旁侧、二级断裂发育的区域，呈NW向条带状展布、NE向块状分布的特征.可能由于岩浆是沿着与断裂有关的裂隙溢出的，且形成的大洋盆地溢流型玄武岩省的厚度较薄并在形成后迅速冷却，因此没有湮没已存在的磁条带信息(Larson and Schlanger, 1981; Castillo et al., 1994).独立海山、海山链及海岭同样分布在一级深大断裂旁侧、二级断裂发育的区域，但位于莫霍面凹陷区，且多数海山链呈NW向展布的特征.马里亚纳岛弧的形成伴随着广泛发育的火山活动，从而产生了广泛分布的马里亚纳岛弧型火成岩，且其整体的分布形态也与马里亚纳岛弧的走向一致.

根据对研究区断裂分布、莫霍面深度、磁条带分布及火成岩分布特征的分析可知，研究区的板内火山活动受控于大尺度的断裂构造.莫霍面深度在一级深大断裂两侧突变，说明在一级深大断裂两侧的深部构造特征也不同.磁条带受断裂改造而分离或破碎.广泛分布并呈NW(WNW)向和NE(ENE)向交叉分布的断裂为海山区岩浆的喷发和海盆区岩浆的溢流提供了通道(图12)：深部的岩浆沿着深大断裂上涌，并且可能会在浅部形成岩浆房，岩浆房在断裂交叉处开启，之后岩浆沿着由断裂形成的通道喷发或溢流，从而形成了两种不同类型的火成岩(Utkin, 2006).

图12 岩石圈分层下的海山链和大洋盆地溢流型玄 武岩省形成的动力学模型(根据Utkin, 2006修改) 1 岩石圈和特殊岩屑层的水平滑动面； 2 岩石圈底部的断裂； 3 作为岩浆通道的雁行式排列的断裂带； 4 减压作用下在断裂带底部形成的岩浆房； 5 岩石圈底部断裂在深海板块表面的投影； 6 深海板块的断裂(岩浆在此断裂与岩石圈底部断裂的交叉点处喷发或溢出)； 7 软流圈镁铁质岩石和流体沿岩石圈底部断裂的上涌； 8 岩浆房物质向深海板块的进 一步上涌.Fig.12 Geodynamic model of seamount trails and ocean basin flood basalt provinces formation under conditions of the delaminated lithosphere (modified after Utkin, 2006) 1 Surfaces of horizontal slip of the lithosphere and particular lithic sheets; 2 Faults in the lower lithosphere; 3 Faults expressed as en echelon fault zones and served as magma conduits; 4 Magma chambers formed beneath fault zones under decompression; 5 Projection of a fault in the lower lithosphere on the surface of an abyssal plate; 6 Faults in the abyssal plate (magma eruption or overflow takes place at the intersection of this fault with the fault in the lower lithosphere); 7 Ascent of asthenospheric mafic rocks and fluids along the faults in the lower lithosphere; 8 Farther propagation of matter from a magma chamber toward the surface of an abyssal plate.

根据研究区断裂分布、莫霍面深度、磁条带分布及火成岩分布的特征，进一步划分了12个构造单元(图13)，其中，构造单元U1—U2、U3—U5、U6—U8、U9—U10和U11分别属于5个不同的NW向的构造带，且被一级深大断裂分隔开；构造单元U12主要包括马里亚纳弧沟体系.在WPSP，构造单元呈NW向条带状、NE向块状分布的特征；在马里亚纳弧沟体系，构造单元呈近N-S向带状分布的特征.

图13 西太平洋中段构造单元分布图Fig.13 Tectonic units of the mid-latitude Western Pacific

4 结论

本文通过对西太平洋中段的断裂分布、莫霍面深度、磁条带分布及火成岩分布的构造特征研究，认为西太平洋中段构造单元的形成与演化和构造活动密切相关，且西太平洋中段的构造特征也在一定程度上印证了太平洋的构造演化.

以马里亚纳海沟为界，断裂的特征明显不同：位于西太平洋海山省(WPSP)的断裂走向主要是NW(WNW)向和NE(ENE)向，而位于马里亚纳弧沟体系的断裂走向为近N-S向.本文也识别了NE向和NW向的磁条带，并圈定了研究区的火成岩，包括独立海山、海山链、海岭、马里亚纳岛弧型火成岩以及大洋盆地溢流型玄武岩省.其中，除了圈定的东马里亚纳盆地和皮加费他盆地溢流型玄武岩省，还在研究区北部推测了三个可能存在的大洋盆地溢流型玄武岩省.多数海山链呈近NW向分布的特征，大洋盆地溢流型玄武岩省呈NW向条带状展布、NE向分块的特征.

通过对研究区构造特征的研究，认为断裂的形成与研究区的构造演化息息相关，且断裂对研究区不同构造单元的形成与演化起到了重要作用.磁条带被断裂错断并改造，近NW向的一级深大断裂晚于磁条带形成，后被近NE向的一级深大断裂错断.火成岩的分布也受控于作为岩浆喷发或侵入通道的断裂构造：广泛分布的断裂为海山区岩浆的多期喷发和海盆区岩浆的溢流提供了通道.独立海山、海山链、海岭和大洋盆地溢流型玄武岩省分布在一级深大断裂的不同侧，而在海山区和大洋盆地溢流型玄武岩省内部通常发育二级断裂.在马里亚纳弧沟体系的断裂带与其近N-S向的构造特征一致.莫霍面的深度通常在一级深大断裂两侧发生突变.独立海山、海山链及海岭位于莫霍面凹陷区，大洋盆地溢流型玄武岩省及磁条带位于莫霍面隆起区.最终划分的构造单元在WPSP呈NW向条带状、NE向块状分布的特征，在马里亚纳弧沟体系呈近N-S向带状分布的特征.

本文首次采用了重、磁异常数据对西太平洋中段进行了大尺度的构造特征研究，研究结果与目前的地质认识相符.通过对断裂分布、莫霍面深度、磁条带分布及火成岩分布的研究，得到了西太平洋中段的构造特征，并划分了构造单元，为研究西太平洋中段的构造演化提供基础地质构造依据，也为其他大洋地区的构造研究提供地球物理技术支撑.

致谢感谢评审专家提出的修改意见，感谢本文编辑对论文的加工和修改建议.