东印度洋Roo海隆区域属性及其俯冲区域响应特征

冉伟民， 鲁银涛， 魏新元， 栾锡武， 刘鸿， 蒋陶，叶传红， 何明勇， 秘丛永， 尚鲁宁

1 中国地质调查局青岛海洋地质研究所， 青岛 266071 2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室， 青岛 266237 3 中国石油杭州地质研究院， 杭州 310025 4 中国海洋大学海洋地球科学学院， 青岛 266100 5 山东科技大学地球科学与工程学院， 青岛 266590

0 引言

Roo海隆位于印度尼西亚爪哇岛南部近海区域，经纬度范围大致为108.00°—114.67°E和10.50°—14.83°S，属于东印度洋沃顿海盆圣诞岛海底火山群省最东段延伸部分，其东侧与澳大利亚西北大陆架相隔阿尔戈深海盆地(图1).海底高分辨率多波束扫描测深显示Roo海隆为形状不规则且坡度和缓的宽阔隆起区，表面有许多呈孤立形态的海山，海隆区域整体平均高度高于周围平滑海底约2000 m(Kopp et al.，2006).Roo海隆最早被发现于1960年由美国科学家Bruce Heezen和Marie Tharp主导开展的印度洋海洋学调查航次，并在1965年美国地质学会正式出版的“印度洋地形图”中首次被标注为“Roo”.2018年，在由IHO-IOC(国际海道测量组织和政府间海洋学委员会)联合实施开展的通用大洋水深制图项目《海底特征地名词典》中将其正式命名为“Roo Rise”，构造类型正式定义为海隆(IHO-IOC，2018).

全球范围内汇聚型板块边缘俯冲构造体系是最为活跃的板块汇聚边界地带之一(Clift and Vannucchi，2004)，以板块间汇聚、碰撞、俯冲、拆离、扩张等构造演化过程为主，其中，对于一些海底异常凸起构造形成的粗糙海底表面，主要包括洋脊、海岭、海底高原(海台)、海山和海隆等，在伴随板块俯冲汇聚过程中更加容易形成特殊俯冲构造体系(Huene et al.，2004；Dong et al.，2018；高金尉等，2018；何庆宇等，2021)，这些区域内复杂的构造动力背景通常伴随活跃的流-固跨圈层物质能量交换过程(郑永飞等，2016；李三忠等，2018)，广泛的海底热液与冷泉活动、多金属硫化物喷发(孙卫东等，2010)和海底裂隙活动、空间聚集性浅层地震活动(Gao and Wang，2014，2017)等，因此，海底凸起构造俯冲研究一直是全球海洋地学研究的前沿与热点.

东南亚巽他弧俯冲构造体系位于印澳联合板块与巽他大陆板块汇聚边缘，自始新世以来形成了长度超过5000 km的安达曼—苏门答腊—爪哇海沟连续俯冲体系(Metcalfe，2011；Hall，2012，2018；汪品先，2017；Li et al., 2021)(图1)，从东部的弗洛雷斯岛和松巴群岛一直向西北延伸到缅甸南部安达曼海区域，这段连续俯冲体系以印度洋90°E海岭以东的开阔东印度洋洋壳俯冲为主，且大部分海底区域表面光滑平坦，因此大部分巽他弧俯冲体系曾经一直被认为是俯冲增生型板块边缘，发育较为典型的高压增生棱柱体弧前隆起地貌特征.直到2006年，随着海底高分辨率多波束扫描测深技术的发展与应用，Kopp等(2006)首次公开发表东爪哇南部近海区域高分辨率海底图像，发现东印度洋沃顿海盆圣诞岛海底火山群省最东段Roo海隆已经随板块运动到达爪哇海沟区域，并根据海底地貌特征认为该区域正在发生板块俯冲侵蚀过程，且推测Roo海隆可能处于早期俯冲阶段.至此，在巨大的巽他“沟-弧-盆”俯冲构造体系中发现了东爪哇南部近海Roo海隆区“隆-沟-弧-盆”局部新俯冲构造格局.

图1 东南亚巽他弧俯冲构造体系与圣诞岛海底火山群省(含Roo海隆)位置图黄色阴影区域表示巽他古陆核范围，其他颜色阴影区域表示中生代从冈瓦纳大陆裂离并拼接到巽他古陆核陆块碎片，据文献(Metcalfe，2011，2021；Hall，2012，2017)标注.Fig.1 The location map of the Sunda arc subduction tectonic system and the Christmas Island Seamount Province (including Roo Rise) in Southeast AsiaThe yellow shaded areas indicate the extent of theSunda craton, while the other shaded areas indicate the Mesozoic fragmentation from Gondwana and splice into the Sunda craton，according to the literature(according to Metcalfe，2011，2021；Hall, 2012，2017).

与巽他弧相邻区域正常洋壳俯冲过程相比，由于粗糙海底地形特征接近海沟，Roo海隆凸起构造在巽他弧体系中触发了不同的俯冲地质过程.本文结合前人研究成果，全面梳理认识Roo海隆区域属性特征，包括海隆岩性与年代学特征、起源争议、“隆-沟”区域俯冲深部结构特征；进一步增强对弧前海隆早期俯冲侵蚀过程的认识，包括局部弧前增生棱柱体前缘碰撞侵蚀、差异性抬升和变形特征；首次利用二维多道地震资料，分析探讨弧后盆地对“隆-沟-弧-盆”新俯冲构造格局的响应特征.

1 区域地质背景

Roo海隆属于东印度洋圣诞岛海底火山群省最东段，圣诞岛海底火山群省延东西轴向展布超过2200 km，南北宽度超过550 km，覆盖面积超过1200000 km2，自西向东包括四个次级海底火山群省，依次为科科斯—基林火山群省、维宁—曼尼斯火山群省，东沃顿海盆火山群省和阿尔戈深海盆地火山群省(Hoernle et al.，2011)(图2).现今Roo海隆区域的印澳联合板块正以北东11°方向俯冲到巽他大陆下(Wallace et al.，2004)，而近东西向延伸的圣诞岛海底火山群省与板块俯冲方向近乎垂直，因此无法简单套用太平洋板块夏威夷—皇帝海山链固定热点地幔柱理论解释圣诞岛海底火山群成因；在科科斯—基林火山群省和维宁—曼尼斯火山群省之间存在一条南北走向、长达2500km的调查者海脊破碎带(Lange et al.，2010；Koulakov et al.，2016)，虽然调查者海脊破碎带南北向贯穿圣诞岛海底火山群省内部，但目前调查者海脊破碎带对圣诞岛海底火山群省的形成是否具有控制作用尚不明确.

图2 圣诞岛海底火山群省(含Roo海隆)区域地质年代学及磁异常条带分布特征白色虚线为Roo海隆范围(据IHO-IOC，2018)；绿色虚线为Roo海隆俯冲侵蚀区域；红色实线和三角形为苏门答腊—爪哇海沟；黑色实线圈定范围代表为四个次级海底火山群省，科科斯—基林火山群省(CKVP)、维宁—曼尼斯火山群省(VMVP)，东沃顿海盆火山群省(EWBVP)和阿尔戈海盆火山群省(ABVP)，数字与空心圆圈代表测年及拖曳采样位置(据Hoernle et al.，2011).缩略词：MI，马都拉岛；RMKIZ，南望—马都拉—康厄安反转构造带； K-MSB，肯登—马都拉海峡盆地； CI，圣诞岛； CKI，科科斯—基林群岛； GAP，加斯科因深海平原；AAP，阿尔戈深海平原；BI，巴厘岛；LI，龙目岛；SWI，松巴哇岛；SI，松巴岛.Fig.2 Distribution characteristics of regional geochronology and magnetic anomaly bands in the Christmas Island Seamount Province (including Roo Rise)The white dotted line is the Roo Rise range (according to IHO-IOC, 2018). The green dotted line is the Roo Rise subduction erosion area. The solid red lines and triangles are the Sumatra-Java Trench. The definite range of the black solid lines represent by four sub-submarine volcanic provinces, Cocos-Keeling volcanic provinces (CKVP), Vining-Mannes volcanic provinces(VMVP), East Wharton Basin volcanic provinces (EWBVP) and Argo Basin volcanic provinces (ABVP). Numbers and hollow circles represent dating and drag-sampling locations (according to Hoernle et al., 2011). Acronym :MI, Madura Island. RMKIZ, Rembang-Madula-Kangean inversion tectonic zone; K-MSB, Kendeng-Madura strait basin. CI, Christmas island. CKI, Cocos-Keeling islands. GAP, Gascoyne abyssal plain. AAP, Argo abyssal plain. BI, Bali island. LI, Lombok island. SWI, Sumbawa island. SI, Soemba island.

Roo海隆地处东印度洋沃顿海盆北部地区，从全球板块构造划分来看，属于印澳联合板块——巽他大陆俯冲汇聚体系.根据板块模型重建显示，中生代侏罗纪到新生代是东南亚区域长期且重要的板块调整重组时期；晚侏罗世到白垩纪，多个陆块碎片依次从南方冈瓦纳大陆裂离(Li et al.，2018，2019)，经过长距离北向漂移运动，碰撞拼接到巽他古陆核上，这些陆块碎片主要包括西南婆罗洲块体(Metcalfe，2011)、东爪哇—西苏拉威西块体(Smyth et al.，2007；Emmet et al.，2009；Granath et al.，2011)、沙巴—北西苏拉威西块体(van Leeuwen et al.，2007)(图1)，以上块体均被认为从现今澳大利亚西北部埃克斯茅斯高原与新几内亚岛鸟头之间的边缘地带裂离(Hall，2012，2017，2018).

研究发现在Roo海隆东侧的阿尔戈深海平原与澳大利亚西北大陆架交接部位洋壳年龄大于155 Ma(Gradstein，1992)(图2)，这意味着上述边缘地带发生裂谷作用时间会更早.侏罗纪随着中特提斯洋壳向南俯冲，冈瓦纳北缘发生弧后张裂作用，推测在160 Ma时西南婆罗洲块体首先从现今外班达海区域开始裂离，同时，沙巴—北西苏拉威西块体近乎同时期从现今内班达海区域裂离，到155 Ma时，东爪哇—西苏拉威西块体从现今阿尔戈深海平原裂离.西南婆罗洲块体大约在早白垩世115～110 Ma之间沿着从纳土纳(Natuna)地区向南延伸到勿里洞岛的构造线拼接到巽他大陆南部边缘.东爪哇—西苏拉威西块体和沙巴—北西苏拉威西块体在大约90 Ma时期与较早拼接到巽他大陆的西南婆罗洲块体再次碰撞拼接(Hamilton，1979；Parkinson et al.，1998；Hall et al.，2009；Hennig et al., 2016)，这次碰撞拼接过程形成了梅拉图斯缝合带，并导致了巽他大陆南缘白垩纪俯冲过程的结束.

Roo海隆以北与东爪哇岛相隔爪哇海沟，前人研究发现在东爪哇岛弧前盆地与现今火山弧之间的基底为大陆块体碎片，Smyth等(2007)根据碎屑锆石年龄特征研究，发现东爪哇岛南部基底中的太古宇-古生界锆石年龄与澳大利亚西部皮尔布拉(Pilbara，3.5～2.9 Ga)和伊尔刚克拉通(Yilgarn，2.7～2.6 Ga)相一致，同时在西苏拉威西地区也发现了与西澳大利亚年龄特征相似的太古宇锆石(van Leeuwen et al.，2007)，验证了板块重建模型中东爪哇—西苏拉威西块体(图1)从澳大利亚西北缘裂离，并经过板块漂移后拼接到巽他大陆边缘的运动过程.

晚白垩世到古新世，巽他大陆南缘为被动大陆边缘，此时印澳联合板块与欧亚板块汇聚活动处于近乎停滞状态，到了始新世，印澳联合板块与欧亚板块之间重新开始相对运动，现今东南亚构造格局下印澳联合板块——巽他大陆俯冲汇聚体系形成(Hall，2012，2017；Li et al.，2021).始新世至今，随着印澳联合板块与巽他大陆之间持续俯冲碰撞挤压过程，东南亚区域主要包括巽他大陆及其邻域形成以“加里曼丹岛”为中心，逆时针“铰链式”旋转收缩运动过程(Hall，2012，2017；Pownall et al.，2016).

2 Roo海隆区域属性特征

2.1 Roo海隆区域岩性与地质年代学特征

Roo海隆及其邻域海底地形图显示圣诞岛海底火山群省以大小规模不一的海底火山结构为主要地貌特征，广泛分布小型、孤立的火山锥、平顶海山和宽阔平坦的海底隆起状高原.1998年，国际地圈-生物圈过去的全球变化研究计划(IGBP-PAGES，International Geosphere-Biosphere Program Past Global Changes)深海沉积物取芯项目曾在Roo海隆靠近爪哇海沟一侧，钻获长度为30.3 m的重力柱状岩心(钻孔编号MD982156，水深3884 m，位置见图2)，岩心上段为保存完好的晚中新世至全新世沉积，下段为富含钙十字沸石的古新世沉积地层，研究认为上下段之间的沉积间断或不连续是由于区域在始新世到中中新世经历构造侵蚀，同时，研究认为Roo海隆古新统地层富含的钙十字沸石来源于火山活动产物，并随后在长期沉海沉积作用下形成，推测该钻孔中古新世地层沉积时位于洋中脊侧翼(Kusnida，2009)，据此表明Roo海隆区域可能已经随印度洋板块进行了长距离漂移.Roo海隆区域的拖曳样品中以强蚀变橄榄岩质熔岩碎块、锰结壳和深海沉积物为主(van Hunen et al.，2002).

Hoernle等(2011)等通过开展大规模海底拖曳采样工作，发现整个圣诞岛海底火山群省区域岩石类型多样，全区广泛分布形成于上地壳的枕状玄武岩和席状岩脉，形成于下地壳的各种基性和长英质侵入岩以及层状堆积岩，在靠近调查者海脊破碎带附近偶见形成于上地幔的蛇纹岩，在一些未遭受侵蚀的海山区广泛分布斑片状和枕状熔岩，在遭受侵蚀的平顶海山周缘区域常见原生火山碎屑沉积岩和碳酸盐沉积物.

通过对圣诞岛海底火山群省区域拖曳样品进行40Ar/39Ar年龄测定(Hoernle et al.，2011)，发现全区域内海山岩石样品年龄自西向东呈递增趋势，同时结合海底磁异常条带发现，海山样品年龄与其所在区域洋壳年龄相差约0～25 Ma；在最西侧的科科斯—基林海底火山群省采集岩样年龄为56～47 Ma，其周围洋壳年龄自南向北约为67～61 Ma；中西部维宁—曼尼斯海底火山群省岩样年龄为95～64 Ma，其周围洋壳年龄约为100～78 Ma；中东部东沃顿海盆海底火山群省岩样年龄为115～94 Ma，其周围洋壳年龄约为120～105 Ma；最东部阿尔戈深海盆地火山群省岩样年龄为136 Ma，阿尔戈深海盆地内洋壳年龄约为154～134 Ma.圣诞岛和科科斯—基林群岛是研究区两座露出水面的海山，根据圣诞岛火山岩样分析(Taneja et al., 2015)，识别出现今圣诞岛及其海底侧翼两次较年轻的板内火山活动，较老一期火山活动发生在始新世43～37 Ma期间，最新一期发生在上新世4.5～4.3 Ma，两期火山活动相差约33 Ma；有研究人员推测，圣诞岛沉积灰岩可能完全覆盖了一次更古老的晚白垩纪火山活动事件，至今尚未发现相关地质露头证据，但该推测与圣诞岛所属的维宁—曼尼斯海底火山群省拖曳岩样年龄相对应，即圣诞岛可能经历三期火山活动，发生在新生代的后两期火山活动将最古老的晚白垩世火山活动完全覆盖.

2.2 Roo海隆区域俯冲体系深部结构特征

早期折射地震剖面显示Roo海隆区域洋壳平均厚度为11.5 km(Curray et al.，1977).近来利用P波速度、重力建模和二维多道反射地震数据联合反演，新建的复合构造模型较为清晰的揭示了Roo海隆区域俯冲体系的深部几何结构特征(图3)，Roo海隆区的地壳厚度在18～12 km之间，平均厚15 km，覆盖面积约10万km2；同时模型显示，海沟以北弧前巽他大陆边缘地壳的平均厚度为14 km，继续向爪哇岛陆域方向急剧增加至33 km(Shulgin et al.，2011).前人研究认为Roo海隆区域凸起构造特征造成的洋壳厚度增加，可能与洋底基性火山活动形成的辉长岩和玄武岩侵入有关(van Hunen et al.，2002).

二维多道地震反射成像(Lüschen et al.，2011)显示，东爪哇弧前Roo海隆区俯冲板块上表面形成一系列正断层构造破碎带，与高分辨率多波束海底测深显示的一系列平行于海沟的小型断层崖和陡坎相对应(Kopp et al.，2006).受二维多道地震采集与成像技术限制，正断层构造破碎带沿俯冲板块上表面隐约可见向下延伸60～70 km(图3).有学者认为东印度洋俯冲板片弯曲是洋壳上表面形成正断层构造破碎带的主要原因(Hall，2012)；同时，俯冲板片弯曲引起区域板块应力机制与深部岩浆动力变化(Taneja et al.，2015)，可能也与上文提及的圣诞岛上新世4.5～4.3 Ma最新一期火山活动相对应.

图3 Roo海隆俯冲区域P波速度分布、重力建模与多道地震联合反演(a) P波速度分布，数值与颜色表示速度大小，红色三角形表示海底地震仪，黑色粗实线表示根据折射地震剖面解释的莫霍面，虚线表示推测界面； (b) 区域密度分布模型剖面，数值为密度值，单位为g·cm-3； (c) 实测(黑色实线)与模型(蓝色实线)计算自由空间重力异常； (d) Roo海隆俯冲区域深部结构联合反演模型(据文献修改Shulgin et al.，2011；Lüschen et al.，2011；Kopp et al.，2006).Fig.3 Gravity modeling and multi-channel seismic joint inversion of P-wave velocity distribution in Roo Hillong subduction region(a) P wave velocity distribution, the value and color represent the velocity magnitude, the red triangle represents the ocean-bottom seismometers (OBS), the thick black line represents the Moho surface interpreted according to the refraction seismic profile, and the dashed line represents the presumed interface; (b) Density distribution model section, the numerical value is density value, the unit is g·cm-3; (c) Observed (black solid line) and model (blue solid line) calculated free-air gravity anomalies; (d) Joint inversion model of deep structures in the Roo Rise subduction zone(according to Shulgin et al.，2011；Lüschen et al.，2011；Kopp et al.，2006).

本文利用最新卫星测高反演重力异常数据(Sandwell et al.，2014；Garcia et al.，2014)，绘制了东印度洋圣诞岛海底火山群省区域及其邻域自由空间重力异常图(图4)，网格精度达到1′×1′.自由空间重力异常对地表和近地表质量分布较为敏感，在陆地区，与地形高程呈正相关，在海洋区域，相关关系相对较弱.通过图4可见，圣诞岛海底火山群省区域呈弥散状低异常分布特征，异常值主要集中在0～100 mGal，且海底火山群省在整个东印度洋壳区域没有表现出明显的自由空间重力异常特征，推测可能是由于存在低密度补偿地壳山根，这在现今一些洋中脊扩张中心或其附近形成的海底火山的重力异常特征较为常见(Walther，2003).而在苏门答腊岛—爪哇岛弧前区域，主要为两条平行分布的负高异常条带中间夹一条正低异常条带，两条负高异常条带值为-100～-150 mGal，对应弧前盆地与海沟区域；正低异常条带值约为0～80 mGal，对应于东印度洋壳俯冲在巽他大陆边缘形成的增生棱柱体弧前隆起区.值得注意的是，正低异常条带在东爪哇弧前Roo海隆俯冲区域被切断，且Roo海隆正低异常区向海沟负高异常区挤压，造成该海沟区域负高异常条带向北凹陷.

图4 东印度洋圣诞岛海底火山群省区域及其邻域自由空间重力异常图Fig.4 Free-space gravity anomaly map of the Christmas Island Seamount Province in the eastern Indian Ocean and its adjacent regions

2.3 Roo海隆及圣诞岛海底火山群省起源

Roo海隆及圣诞岛海底火山群省的起源一直是印度洋海洋地学研究的前沿与热点.圣诞岛海底火山群省轴向呈近东西向弥散状延伸，与所在区域内印澳联合板块北北东向漂移运动近似垂直，同时Hoernle等(2011)发现区域内部分平顶海山由于二期火山活动在其平台上形成新的火山锥，及平顶海山与未被侵蚀的海山相间分布，表明在同一海山区域可能经历多期次火山活动，或早期形成的火山锥经历构造抬升侵蚀为平顶海山，后期构造沉降而重新发育新一期火山活动，这与圣诞岛已经识别的两期火山活动相符合，因此无法简单套用太平洋板块夏威夷—皇帝海山链固定热点地幔柱理论解释其成因.另外发育于现今印澳联合板块内的调查者海脊岩石圈深大断裂带，由于其南北走向，与圣诞岛海底火山群省东西延伸方向垂直，所以岩石圈裂缝形成火山活动成因理论也不能较好解释圣诞岛海底火山群省起源.

Hoernle等(2011)根据圣诞岛海底火山群省火山岩40Ar/39Ar年龄研究发现，区域内海山年龄主要为136～47 Ma，从西向东海山年龄逐渐增加，且与周围洋壳年龄相比晚0～25 Ma，这与洋中脊附近形成的海底构造年龄特征相似.同时根据拖曳岩样Sr、Nd、Hf、Pb同位素含量分析结果与Gplates板块构造模型相结合，认为在中生代时期，南方冈瓦纳大陆边缘首先由于岩石圈拆沉减薄作用发生裂离，拆沉的澳大利亚边缘古老大陆岩石圈地幔物质和中特提斯洋壳南向新俯冲的部分洋壳物质再次减压熔融，被上升地幔流夹带并沿新生洋中脊再次折返上涌，最终形成圣诞岛海底火山群省，该过程称为新生洋中脊大陆岩石圈地幔浅层再循环作用.同时该过程可能是陆缘裂解背景下新生洋盆海山省形成的重要机制，而对于较古老的太平洋板块，洋中脊远离大陆边缘，其上涌岩浆中基本没有古老大陆岩石圈地幔拆沉物质，因此东印度洋圣诞岛海底火山群与太平洋板块海山群是两种完全不同的成因机制.

目前关于圣诞岛海底火山群省起源的争议主要集中在与圣诞岛海底火山群省相关的洋中脊发育位置，该洋中脊被认为已经随印澳联合板块俯冲消亡于巽他大陆之下.Hoernle等(2011)支持的Gplates板块重建模型认为该洋中脊曾发育于西缅甸块体与澳大利亚陆块裂离的位置，且在该位置可能存在固定热点地幔柱，可以解释阿尔戈海底火山群省136 Ma和中东部东沃顿海盆海底火山群省115～94 Ma的火山活动，但不能较好解释中西部维宁—曼尼斯海底火山群省93～70 Ma、西部科科斯—基林火山群省56～47 Ma和圣诞岛4 Ma的火山活动.而Hall(2012，2017)的板块重建模型认为该洋中脊曾经发育于澳大利亚西缘陆块与裂离的东爪哇—西苏拉威西块体之间，主要依据是西缅甸块体中一直未发现年龄超过2.8 Ga的太古代锆石；基于此板块重建模型可以较好解释上述136 Ma，115～94 Ma，93～70 Ma和圣诞岛44～37 Ma火山活动；同时，Hall(2012)又提出科科斯—基林火山群省和外海山更可能与转换断层火山活动成因相关，与洋中脊-热点地幔柱成因似乎关系不大.

3 Roo海隆俯冲区域响应特征

3.1 弧前早期俯冲侵蚀过程

新生代以来印澳联合板块向巽他大陆之下持续俯冲，在上覆巽他陆块边缘发育较为典型的高压增生棱柱体弧前隆起地貌，且弧前隆起顶部构造线走向与苏门答腊—爪哇海沟走向近似平行且较为连续，等深线与海沟走向也呈近似平行分布.但在东爪哇岛弧前Roo海隆俯冲区域，弧前隆起顶部构造线走向模糊且弯曲；与东西部较为连续展布的龙目弧前隆起(Planert et al.，2010)和西爪哇岛弧前隆起(Kopp et al.，2006)相比，东爪哇岛弧前隆起地貌呈多个孤立的较为清晰的海底山峰，平均高出周边海底约800～1200 m(图2，图3)；Masson等(1990)推测这些孤立的海底山峰的位置可能是早期Roo海隆以北已经俯冲潜没海山的对应位置，但同时发现观测到的海底山峰的隆起体积大于推测的俯冲潜没海山的体积.研究区融合部分高分辨率多波束扫描数据(Kopp et al.，2006)的海底地形图显示，Roo海隆俯冲区域在东爪哇岛弧前增生棱柱体前缘已经形成了不规则碰撞疤痕，具体表现为俯冲区域内海沟平均向北方向凹陷约40 km，局部最大超过60 km；海沟内凹与增生棱柱体前缘后退，共同形成了一个面积约25000 km2大小的Roo海隆俯冲前缘侵蚀区(图2，图4).

为了更直观的认识Roo海隆俯冲侵蚀特征，本文利用地形高程数据，计算并绘制研究区地形坡度图(图5).全区地形坡度较大的地区主要为巽他大陆边缘海沟-火山弧区域、圣诞岛海底火山群省和澳大利亚西北大陆架边缘坡折带.研究区地形坡度图显示圣诞岛海底火山群省以大小不一的实心圆或空心圆高亮色填充为主要特征，表明区域内火山锥和平顶海山相间分布且较为高耸；西部地区南北向延伸的调查者大断裂带从中南段两条高亮色填充平行线向北段逐渐收敛，表明海脊状断裂带顶部北段更为尖棱，中南段相对平缓.在俯冲海沟区，巽他大陆边缘弧前隆起前缘地形坡度最大，接近海沟处地形坡度平均约为3～4°，顶部坡度较小；弧前隆起区连续平行线性高亮填充清晰表明区域整体弧前隆起走向与海沟走向近似平行.但在Roo海隆俯冲侵蚀区，弧前隆起前缘呈断续高亮填充，局部地区地形坡度可达5～6°，且同样显示出弧前隆起前缘凹陷特征；弧前隆起顶部呈不规则圆形高亮填充特征，与其多个孤立不规则形状的海底山峰地貌相对应.

图5 苏门答腊—爪哇海沟及其邻域地形坡度图Fig.5 Topographic slope map of the Sumatra-Java Trench and its adjacent areas

另外，地形坡度图显示Roo海隆俯冲形成的弧前隆起区北向挤压凹陷将西爪哇弧前盆地与东部龙目弧前盆地分割开来，造成东爪哇弧前盆地宽度变窄，发生明显挤压变形.根据弧前盆地地震-地质解释剖面显示(图6)，盆地内浅层沉积较为连续，Kopp等(2006)将其解释为爪哇岛陆源碎屑与火山灰交替沉积，但缺乏地质年代约束；同时受限于当时地震采集与成像技术，深层地震反射特征无法清晰识别.弧前盆地内靠近弧前隆起一侧浅部沉积地层整体向北侧倾斜，可能是由于弧前隆起的掀斜抬升导致地层先沉积后构造弯曲过程所引起；同时在盆地内北部基底小规模隆起并向北侧倾斜，推测是由于弧前盆地遭受自南向北挤压导致；而弧前隆起顶部发育一系列张性断层，说明该区域正经历垂向隆起和构造抬升；以上弧前盆地与弧前隆起浅层构造与沉积特征均反映了该区域正经历新一期构造运动，推测与Roo海隆早期俯冲阶段相对应.

图6 Roo海隆俯冲区域爪哇弧前盆地地震-地质综合解释剖面(剖面位置见图2，据Kopp et al.，2006修改)Fig.6 Integrated seismic and geological interpretation section of the Javaforearc basin in the Roo Rise subduction region (section location is shown in Fig.2，modified according to Kopp et al., 2006)

根据Clift和Vannucchi(2004)总结的全球板块汇聚边缘的弧前地形坡度与板块相对汇聚速率交会图分析(图7)，Roo海隆俯冲区域西侧西爪哇弧前区域和东侧龙目弧前区域均属于板块俯冲增生区域，而Roo海隆俯冲区域即东爪哇弧前区域为俯冲侵蚀区域.但与全球其他俯冲侵蚀区相比，Roo海隆俯冲侵蚀区弧前地形坡度与板块相对汇聚速率变量均处于临界值，结合上述弧前地形地貌特征分析，说明该区处于早期俯冲侵蚀阶段.同时前文提到，Roo海隆弧前俯冲板块形成的正断层构造破碎带，沿俯冲板块向北延伸60～70 km，有学者结合区域板块边缘汇聚速率粗略推算Roo海隆俯冲开始于约1 Ma(Shulgin et al.，2011)，这也对应了Roo海隆区弧前早期俯冲侵蚀特征.

图7 全球板块汇聚边缘的弧前地形坡度与板块相对汇聚速率交会图(板块汇聚边缘地名缩略词请见Clift and Vannucchi，2004)Fig.7 Crossplot of forearc topographic slope and relative plate convergence rate at global plate convergence margins (please refer Clift and Vannucchi，2004 the geographic abbreviation of plate convergence margin)

3.2 弧后盆地构造变形响应

目前在东南亚巽他“沟-弧-盆”俯冲构造体系中存在由于东爪哇岛南部近海Roo海隆俯冲形成的“隆-沟-弧-盆”新俯冲构造格局，但近年来研究重点倾向于Roo海隆起源、深部结构及其弧前俯冲碰撞过程方面；同时，由于一般在弧后地区很难保留直接地质记录，因此，关于Roo海隆碰撞背景下弧后东爪哇盆地构造变形响应特征缺乏相关研究.

东爪哇盆地是位于加里曼丹岛南部和东爪哇岛现代火山弧之间的新生代弧后盆地，主要受始新世以来印澳联合板块和巽他大陆俯冲汇聚过程控制(e.g.Cole and Crittenden，1997；Kusumastuti et al.，2002；Sharaf et al.，2005；Smyth et al.，2007；Hutchison，2010；Hall，2012，2017，2018).东爪哇盆地基底组成主要由前白垩纪巽他古陆核，一些小型古陆块碎片及缝合带拼接而成，这些小型板块碎片来源在地质背景中已作简要介绍，主要包括早白垩世拼接的西南婆罗洲微板块(Metcalfe，2011，2021)，中白垩世时期俯冲背景下发育的梅拉图斯缝合带(Hamilton，1979；Parkinson et al.，1998)，晚白垩世时期与巽他陆块拼接的东爪哇—西苏拉威西微板块(Smyth et al.，2007；Emmet et al.，2009；Granath et al.，2011).新生代以来东爪哇盆地主要经历了中始新世到渐新世的断陷-裂后沉降期、中新世到现今的继承性构造连续挤压反转期演化阶段(Cole and Crittenden，1997；Kusumastuti et al.，2002；Sharaf et al.，2005，2014；Ran et al.，2019)(图8)，另外盆地南部东爪哇岛火山弧的幕式火山作用对盆地构造演化同样产生重要影响(Lokier，2000；Smyth et al.，2007，2008；Waltham et al.，2008；Ran et al.，2020).

图8 东爪哇盆地地质构造格架剖面(剖面位置见图2，据Sharaf et al.，2005；Ran et al.，2019修改)Fig.8 Geological tectonic framework section of East Java Basin (section location is shown in Fig.2，modified after Sharaf et al., 2005; Ran et al., 2019)

有学者通过数学建模研究发现，新生代以来东爪哇盆地南部二级构造单元肯登—马都拉海峡盆地(Kendeng-Madura Strait Basin)形成演化主要受南部火山弧负荷控制而发生沉降(Waltham et al.，2008).肯登—马都拉海峡盆地位于东爪哇岛南部第四纪火山弧与南望—马都拉—康厄安反转构造带之间，从肯登陆域向东一直延伸至马都拉海峡，东西狭长超过400 km，南北宽度较窄(约100～120 km)，与东爪哇岛南部火山弧平行.东爪哇岛南部主要包括两条平行火山弧，分别为中始新世-中中新世(约42～18 Ma)南部古老火山弧和第四纪现代火山弧(图2).前人通过建立火山弧负荷与盆地沉降线性正相关数学地质模型分析肯登—马都拉海峡盆地演化过程，该数学模型假设盆地形成区域是由于存在物质密度差异导致的负荷而发生沉降，且该负荷由两部分组成，分别是地面以下埋藏的岩浆岩与沉积岩密度差异负荷和地面以上火山建造负荷(图9)；通过给出的东爪哇盆地充填密度、火山弧密度、地幔密度、地壳密度与厚度、盆地与火山弧宽度、地面火山坡度等参数，计算预测出东爪哇火山弧产生的负荷造成其北侧肯登—马都拉海峡盆地沉降深度约为6.9 km；同时利用该数学地质模型进行重力正演，发现模型预测的重力异常曲线与进行地形校正后的实测布格重力异常曲线具有较好相关一致性，说明该火山弧负荷-盆地沉降模型与肯登—马都拉海峡盆地实际较为吻合，验证了模型具有一定程度合理性，因此，研究人员认为东爪哇岛南部火山弧负荷控制了肯登—马都拉海峡盆地形成演化过程(Waltham et al.，2008).

图9 (a) 肯登—马都拉海峡盆地火山弧负荷成因盆地沉降地质模型; (b) 剖面实测与模型正演重力异常曲线图(剖面位置见图2，据Waltham et al.，2008修改)Fig.9 (a) Geological model of basin subsidence in genesis of volcanic arc loading in the Kendeng-Madura Strait Basin; (b) Curve of the observed and the forward modeling gravity anomaly in section (The section position is shown in Fig.2, modified after Waltham et al., 2008)

但是，本文认为该模型中巽他大陆边缘地壳厚度参数(40 km)设置较大，与后来实际观测地壳厚度33 km(Shulgin et al.，2011)相比误差大于20%；同时模型中设置火山弧密度(2900 kg·m-3)和盆地宽度(150 km)也相对较大；因此，肯登—马都拉海峡盆地形成演化过程必然存在其他控制因素.此前由于肯登—马都拉海峡盆地缺乏地质露头且没有南北向地震测线数据贯穿盆地，研究人员推测弧后地壳伸展造成的盆地内伸展断裂作用可能是其中一个因素；另外一个因素推测可能是在东爪哇南部火山弧喷发之前，由于岩浆分异作用，造成中酸性岩浆喷出，大量基性岩浆在深部聚集，从而形成深部高密度弧岩，其产生的负荷作用于盆地沉降过程，与模型中设置的高密度火山弧对应.

本文获得一条马都拉海峡盆地内南北向二维多道地震剖面，并利用钻井约束进行地震-地质综合解释(图10).马都拉海峡盆地中部沉积层最厚达6 s，该厚度与前人利用数学模型计算预测的盆地沉降深度基本吻合.根据地震剖面解释结果，马都拉海峡盆地在晚上新世时期经历了一期自南向北强烈挤压构造运动，盆地南部地区发育逆冲推覆断层，沿逆冲断层向北强烈推覆，地层相当点推覆距离可能超过3 km；且南部晚中新世-早上新世沉积层遭受挤压揉皱作用，内部以杂乱反射结构为主.盆地中部浅构造层发育两个挤压背斜构造，背斜构造底部初始层间滑脱层位于上上新统，背斜枢纽部位沉积层自下而上弯曲角度逐渐增大，并沿背斜轴面发育近乎垂直断层；背斜两侧地层均向下弯曲形成小向斜构造，盆地中部浅构造层形成了“三向夹两背”新构造格局，说明盆地正在经历新一期较为强烈挤压构造运动.

图10 马都拉海峡盆地N-S向二维多道地震-地质综合解释成果剖面Fig.10 The N-S direction 2D multi-channel integrated seismic and geological interpretation section of the Madura Strait Basin

目前Roo海隆区域板块相对汇聚速率为67 mm·a-1，且东印度洋壳俯冲平面运动方向为N11°E(DeMets et al.，1994；Tregoning et al.，1994)，与东爪哇海沟呈近似垂直正交角度，同时震源机制解析区域内板片正以相对高角度(大于45°)俯冲至巽他大陆之下(Wallace et al.，2004；Spakman and Hall，2010；Hall and Spakman，2015)，东爪哇弧前为Roo海隆凸起构造背景下垂直正交快速高角度俯冲构造格局.同时，肯登—马都拉海峡盆地与弧前爪哇海沟的间距仅为250 km左右，且紧邻东爪哇岛火山弧，与海沟和火山弧均相互近似平行，呈东西向狭长带状延伸.

综上所述，本文认为肯登—马都拉海峡盆地内正在发生的新一期挤压构造运动，对应于Roo海隆凸起构造形成的垂直正交快速高角度新俯冲构造格局，其发育的浅层挤压背斜构造特征是Roo海隆俯冲碰撞背景下弧后盆地内的直接构造变形响应.同时，挤压背斜构造主要发育于盆地内浅构造层，说明该期次构造变形开始时间较晚，与弧前Roo海隆处于早期俯冲碰撞阶段相对应.另外，除了上文提及火山弧负荷控制因素之外，我们认为Roo海隆俯冲对弧后肯登—马都拉海峡盆地形成的构造挤压，未来也将会随着Roo海隆持续俯冲碰撞过程对弧后盆地区域产生进一步重要影响.

4 结论

早期研究认为巽他弧俯冲体系主要发育俯冲增生型板块边缘，形成较为典型的高压增生棱柱体弧前隆起地貌特征；近来研究发现东印度洋沃顿海盆圣诞岛海底火山群省最东段Roo海隆已经随板块运动到达爪哇海沟区域，与巽他弧其他区域正常洋壳俯冲过程相比，由于粗糙海底地形特征接近海沟，Roo海隆凸起构造在巽他弧体系中触发了不同的俯冲地质过程.本文结合前人研究成果，全面梳理认识Roo海隆区域属性特征，包括海隆岩性与年代学特征、起源争议、“隆-沟”区域俯冲深部结构特征；进一步增强对弧前海隆早期俯冲侵蚀过程的理解，包括局部增生棱柱体前缘碰撞侵蚀凹陷、弧前隆起差异性抬升、弧前盆地挤压破碎变窄.

本文首次通过二维多道地震资料分析，探讨弧后盆地对“隆-沟-弧-盆”新俯冲构造格局的响应特征；目前弧后肯登—马都拉海峡盆地内正在发生新一期挤压构造运动，我们认为其发育的浅层挤压背斜构造特征是Roo海隆凸起构造形成的垂直正交快速高角度新俯冲构造格局下弧后盆地内的直接构造变形响应.

全球海底凸起构造俯冲侵蚀在壳幔物质循环过程中表现出物质缺失，通常难以被记录，相反俯冲增生形成的物质增加过程容易保留地质记录；同时，由于一般在弧后地区很难保留或难以发现直接地质证据，因此对于海底凸起构造俯冲区域响应过程的研究一直是科学难点.基于Roo海隆垂直正交快速高角度俯冲过程、弧前与弧后盆地紧邻且直面弧前Roo海隆俯冲区域的优越地理条件，东印度洋Roo海隆区域是开展海底异常凸起构造俯冲体系研究的天然实验室.

致谢本文使用了最新公开全球海洋与陆地地形模型与卫星测高反演重力异常网格数据.感谢中国石油杭州地质研究院海外项目研究团队提供的二维多道地震数据.