菲律宾海板块与南海协同构造演化探讨

刘伟, 赵西西, 林间, 赵明辉, 刘青松*

1 哈尔滨工业大学环境学院，哈尔滨 150006 2 南方科技大学海洋科学与工程系，广东 深圳 518055 3 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)，广州 511458 4 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室，中国科学院南海海洋研究所，广州 511458

0 引言

自早新生代，印度板块与欧亚板块发生碰撞，太平洋板块向西俯冲，导致东南亚及西太平洋地区构造活动强烈，其地形地貌及气候系统也随之发生重大改变(Zahirovic et al., 2014; Lallemand, 2016; Wu et al., 2016; Liu et al., 2017).除了板块的整体刚性运动，东南亚及西太平洋地区还表现出更为复杂的剪切、塑性变形以及新盆地开启与洋壳增生、俯冲过程，使得原有的一些岛弧和一部分洋壳消失.因此，重构该区的构造演化历史极具挑战.研究该区详尽的构造演化历史，不但是全球板块重建的重要前沿科学课题，更是深入理解该区矿产资源分布、边缘海演化机制、气候演化模型等重大地学问题的基础(Hall, 2002; Tetley et al., 2019; Queao et al., 2020).

南海(South China Sea, SCS)与菲律宾海是位于东南亚与西太平洋交汇区域的两个典型海盆.研究这两个盆地的构造演化，对东南亚与西太平洋的区域构造乃至全球板块重建具有重要意义.特别是近年来，随着国际大洋钻探计划在这两个盆地的开展，SCS与菲律宾海板块(Philippine Sea Plate, PSP)的构造演化受到广泛关注(Li et al., 2014; Reagan et al., 2019; Hou et al.,2019; 林间等, 2019; 孙珍等, 2021).本文详细总结了这两个海盆的古地磁学和海底磁异常条带研究进展.结合地震层析成像结构和其他地质资料约束，进一步对SCS与PSP的演化模式及其协同演化关系进行了探讨.

1 PSP与SCS地质构造背景

PSP北接日本岛，南连卡洛琳板块，西靠吕宋岛弧，东邻太平洋板块；以九州—帕劳脊为界，PSP西部为年龄偏老的西菲律宾海盆地，东部为年轻的帕里西维拉盆地、四国盆地以及马里亚纳海槽(图1).前人研究表明，西菲律宾海盆地于60 Ma (Hilde and Lee, 1984)、 54 Ma (Deschamps and Lallemand, 2002)或者52～51 Ma(Ishizuka et al., 2013)开始扩张，36～34 Ma (Sasaki et al., 2014)或者33～30 Ma(Hilde and Lee, 1984; Deschamps and Lallemand, 2002)停止扩张.而帕里西维拉盆地和四国盆地则形成于30～15 Ma(Okino et al., 1994, 1999; Sdrolias et al., 2004).在30 Ma之前，现今的九州—帕劳脊和伊豆—小笠原—马里亚纳 (IBM) 岛弧为一个整体.30 Ma开始二者裂开，并逐步形成帕里西维拉盆地和四国盆地.马里亚纳海槽在7 Ma时才打开(Hussong and Uyeda, 1982; Yamazaki et al., 2003).在PSP中，还有大量的洋脊和海台，包括冲大东脊、大东脊以及奄美海台，这些地质单元的年代属于白垩纪(Hickey-Vargas, 2005).

图1 PSP与SCS地理位置及古地磁岩心分布黄色圆圈代表DSDP(深海钻探计划)、ODP(大洋钻探计划)、IODP(综合大洋钻探计划、大洋发现计划)钻取的岩心，紫色圆圈代表海底钻机取样的岩心.红色方块代表采自陆上岛屿的定向岩心.①：伯宁岛，②：塞班岛，③：关岛，④：帕劳岛，⑤：Halmahera地区岛屿，⑥：北吕宋岛.ODR:冲大东脊，DR:大东脊，AP:奄美海台.橙色实线代表洋陆转换带，黑色实线代表岛弧(洋脊)的中心位置连线，红色虚线代表残留海底扩张中心.Fig.1 Location of the Philippine Sea Plate (PSP) and South China Sea (SCS), and distribution of paleomagnetic sitesYellow circles denote sites in DSDP, ODP and IODP. Purple circles denote cores sampled by deep sea Boring Machine System. Red squares denote oriented cores of onshore islands. ①: Bonin, ②: Saipan, ③: Guam, ④: Palau, ⑤: Islands in the Halmahera area, ⑥: North Luzon. ODR: Oki-Daito Ridge, DR: Daito Ridge, AP: Amami Plateau. The solid orange lines denote ocean-continent transition, solid brown lines denote the central locations of oceanic arcs (ridges), and dotted red lines denote the remanent seafloor spreading centers.

PSP四周被俯冲带围绕，东边是伊豆—小笠原—马里亚纳海沟，西边是菲律宾海沟，南边为雅浦海沟、帕劳海沟，北边为琉球海沟与南海海槽.由于周边俯冲带的存在，PSP的古地理重建一直是研究的难点之一.

SCS北接华南板块、南部为巴拉望地块、西靠印支地块，东与PSP相邻.其周缘陆架上发育各类沉积盆地，中央发育洋壳，洋壳之上的海盆分为东部次海盆、西南次海盆和西北次海盆.东部次海盆与西南次海盆以中南断裂为界.本文所说的SCS与PSP协同演化，指SCS的中央洋壳与PSP的洋壳协同演化过程.关于SCS中央洋壳形成，也就是海底扩张的时间曾存在长期争议，IODP 349航次的系统研究发现：SCS东部次海盆先于33～15 Ma扩张，而SCS西南次海盆则在23～16 Ma后扩张(Li et al., 2014).西北次海盆的扩张时间短，展布范围小，磁测资料多解性大，亦缺乏大洋钻探资料支持，因此其准确的扩张时间还未定(Wang et al., 2020).

2 PSP古地磁研究

自1971年DSDP(深海钻探计划)第6航次的古地磁资料发表以来，不同的研究者在PSP和周缘地区开展了较为系统的古地磁研究.

2.1 海底岩心古地磁结果

DSDP、ODP(大洋钻探计划)、IODP(综合大洋钻探计划、大洋发现计划)等在PSP海底获取了较为丰富的古地磁资料(图2，表1).Louden(1977)基于西菲律宾海DSDP 290、292、294孔的古地磁数据，提出PSP起源于靠近赤道附近的南半球5°—10°位置，之后向北移动到现今地点.Kinoshita(1980)根据位于PSP北部的DSDP 442、443、444、445、446孔的古地磁结果，认为在42 Ma以来其古纬度向北漂移了约20°，指示该区以至少5 cm·a-1的速度向北漂移约2000 km.Keating(1981)以及Keating和Herrero(1981)对位于PSP中南部的DSDP 447、448、450孔进行古地磁学研究，显示33 Ma以来板块向北移动了约8.5°～12°.Bleil(1982)根据分布于马里亚纳海槽的DSDP 453、454、456、458、459孔的古地磁倾角，也同样指出PSP经历了北向运动.Haston等(1992)基于PSP东北部伊豆—小笠原岛大洋钻探的ODP 782、784、786孔的研究，认为PSP自始新世以来古纬度向北移动了约20°.随着岩心定向技术的发展，Koyama等(1992)根据伊豆—小笠原区域ODP 787、792、793孔的古地磁资料，利用微电阻率成像测井和现代地磁场的黏滞剩磁方向对岩心定向，显示30 Ma以来，该区域旋转了约80°，向北移动约14°.由于该区位于PSP边缘，80°的旋转作用可能既包含了整个PSP的旋转，也包含了局部构造导致的旋转.

图2 PSP钻孔的纬度变化随时间演化.纬度变化=现今纬度-古纬度Fig.2 Change in latitude versus age for sites from the PSP. Change in latitude=Current latitude-Paleolatitude

表1 PSP各钻孔古地磁结果Table 1 The paleomagnetic resultsfor sites from the PSP

续表1

除了大洋钻探的古地磁资料外，为了更好地限定PSP北部的古纬度演化，Yamazaki等(2010)沿着九州—帕劳脊北部及邻区，利用海底钻机系统地采集了古地磁样品.古地磁结果显示在50 Ma时，该区古纬度位于赤道附近.在50～25 Ma之间，该区快速向北移动，速度约为8 cm·a-1，15 Ma之后PSP趋向稳定，只向北运动了约2°.

近年来，在前期对大洋钻探古地磁研究的基础上，研究人员主要对PSP内部的长岩心序列进行古地磁研究，以期获得PSP自形成以来的演化细节.Richter和Ali(2015)选取西菲律宾海最完整的长岩心序列ODP 1201孔进行系统的古地磁学研究，认为始新世PSP位于南半球，并一直北向运动，其中50～20 Ma期间，PSP以较慢的速度北移，在20 Ma时北移速度最低；同时其利用现代地磁场的黏滞剩磁方向对岩心进行定向，也得出PSP发生顺时针旋转的结论.Liu等(2021)则对四国盆地内部最老的大洋钻探岩心ODP1177孔进行古地磁研究，得到～20 Ma时其古纬度为16.0°±4.5°N，与SCS的扩张中心在～20 Ma时的古纬度基本一致，并结合物源演化特征，提出SCS与PSP四国盆地在早中新世时为同一构造动力学演化系统.

以往的古地磁研究由于大多缺乏岩心的原位精准定向，导致对PSP的旋转模式还存在争议.最近Yamazaki等(2021)利用ROV(Remote Operated Vehicle)岩心定向取心系统，在九州—帕劳脊北部首次获得PSP海底原位定向古地磁偏角数据，显示PSP自中晚渐新世以来顺时针旋转～50°，向北移动了约5°.这一古地磁旋转结果与前人的PSP旋转模型具有较好的一致性 (Hall et al.,1995b; Sdrolias et al., 2004; Liu et al.,2021).

受到取样技术限制，已发表的海底古地磁学数据大多缺乏定向，不能确定板块的古地磁极，也无法受到野外剩磁稳定性检验的约束.因此，海洋古地磁数据质量不能完全满足Van der Voo(1990)和Meert 等(2020)提出的7条判别标准.但海底岩心样品也具有自己的优势，其年龄均有可靠的磁性地层学和微体古生物学年龄的约束，也不需要地层校正，退磁步骤和数据统计方法都较明确.本文依据Van der Voo(1990)提出的α95≤16.0°的标准，对上述海底岩心的古地磁数据质量进行评判.舍去α95过大的数据和没有完全退磁的数据后，数据趋势更为一致(图2)，显示出PSP自始新世以来主要为北向移动.

2.2 板块周缘陆上岛屿古地磁结果

PSP周边出露于水面的岛屿，为直接进行古地磁偏角研究提供了便利.这些采样地区(图1中①—⑥红色方块)包括PSP东北部的伯宁岛(Kodama et al., 1983)、东南部的塞班岛、关岛、帕劳岛(Haston et al., 1988; Haston and Fuller, 1991)、南部Halmahera地区岛屿(Hall et al., 1995a,b,c)以及西部的北吕宋岛(Queano et al., 2007).下面从PSP东北缘开始，按照顺时针方向综述古地磁结果.

古地磁样品采样地区①伯宁岛处于PSP的东北边缘，岛上火成岩(熔岩流和岩墙)属于始新世.Kodama等(1983)在该岛获得两组古地磁结果，其中一组数据显示正负极性：I=7°，D=110°，α95=14°；I=-10°，D=273°，α95=32°(I:磁倾角，D:磁偏角).在95%置信区间，该组数据可以通过地磁极性倒转检验.这说明伯宁岛在始新世时位于赤道偏北的地方，自始新世发生了差不多90°的顺时针偏转(图3a).虽然该组数据处于负极性时的α95大于16°，但该组数据的品质因子Q=5，符合Van der Voo(1990)提出的Q≥4的标准，考虑到PSP陆上岛屿古地磁数据的稀少，以及正极性数据的α95小于16°，我们认为该组数据具有一定的可靠度，可做参考.将这组数据的负极性转成正极性后平均，得到平均值为：I=7.7°，D=107.7°，α95=12.5°.另一组古地磁数据为I=3°，D=213°，α95=19°，但该组数据的地质构造背景不明确，相对前一组数据，可靠度较差(Kodama et al., 1983).

在PSP东南部分布着一系列岛屿，与伯宁群岛相比，这里的地层相对广泛，时代分布从早始新世到早中新世，刚好可以用来研究始新世以来PSP的旋转细节.Haston和Fuller(1991)在塞班岛、关岛、帕劳岛开展了古地磁学工作，获取的古地磁数据均显示品质因子Q≥4，具有较好的可信度.在采样地区②塞班岛获得两个可靠的古地磁数据，一个在早始新世(I=-12.0°，D=43.0°，α95=12.5°)，一个在中中新世(I=30.7°,D=28.1°,α95=8.4°).这说明塞班岛在早始新世位于赤道以南，而到了中中新世，塞班岛已经大幅度向北漂移.在采样地区③关岛亦获得一个中渐新世的古地磁数据(I=15.1°，D=66.1°，α95=11.1°)，说明中渐新世这个地点位于赤道以北.结合前期大洋钻探获得的古纬度数据，Haston和Fuller(1991)提出自始新世以来，PSP经历了约80°顺时针旋转(图3a)，且古纬度向北漂移了至少20°.但Hall(2002)认为这80° 的旋转可能既包含了板块整体的旋转，也包含了局部的旋转.在采样地区④帕劳岛，古地磁偏角数据显示中渐新世以来该岛经历了60°～70°的旋转(图3a)(Haston et al., 1988; Haston and Fuller, 1991).

在PSP的南部，Hall等(1995a,b,c)根据Halmahera地区(采样地区⑤)的古地磁结果，提出PSP南部的旋转历史表现为不连续的旋转.在50～40 Ma，该区顺时针旋转将近50°；在40～25 Ma，处于相对稳定状态，没有发生旋转；而在25 Ma之后，该区再次发生将近40°的顺时针旋转和10°～20°的北向移动(图3b，3c).在渐新世和中新世之交的25/23 Ma前后，澳大利亚板块与PSP相撞 (Hall et al., 1995b; Hall, 2011)，可以解释PSP在25/23 Ma之后的旋转事件，亦能解释区域广泛存在的早中新世不整合.

图3 PSP陆上岛屿钻孔的磁偏角(a，b)和纬度变化(c，d)随时间演化. 纬度变化=现今纬度-古纬度.(a)中的偏角数据经由Haston和Fuller(1991)校正，消除了海底扩张的影响Fig.3 Magnetic declination (a,b) and change in latitude (c,d) versus age for land sites from the PSP. Change in latitude=Current latitude-Paleolatitude. The declination data (a) were corrected by Haston and Fuller (1991) to eliminate the effect of seafloor spreading

在PSP西部，古地磁采样地区⑥北吕宋岛处于非常独特的位置，Queano等(2007)认为自新生代以来的主要时间段内，北吕宋岛是PSP的一部分.其古地磁结果表明，该区构造复杂，古地磁偏角数据较为分散，可能反映了局部块体的构造旋转，无法讨论整个板块构造旋转问题.但是，古地磁倾角数据较为合理地记录了吕宋岛的古纬度演化特征.在晚始新世至渐新世，吕宋岛相对稳定地处在赤道附近.晚渐新世以来，吕宋向北移动了约15°，与PSP的整体运动特征相当(图3d).赵西西等(2021)报道了菲律宾吕宋岛始新世—渐新世的古地磁学及锆石U-Pb年代学结果，提出晚始新世—早渐新世吕宋岛北部地区的古纬度运动轨迹与PSP类似.特别是古地磁数据展示的～35°顺时针旋转与已知的PSP旋转历史较为一致，表明吕宋岛和PSP在新生代的古地理位置上具有一定的亲缘性.

需要指出的是，虽然PSP南部的Halmahera地区(采样地区⑤)和西部的北吕宋岛(采样地区⑥)获取的古地磁资料的品质因子均大于等于4，古地磁结果也显示这两个地区和PSP具有亲缘性，但也有学者认为北吕宋岛(Hall, 2002)和Halmahera地区(Yamazaki et al., 2010)构造活跃，可能并不属于PSP.尽管对这两个地区的构造属性存在争议，但综合其他地方的海底岩心和陆上岛屿的古地磁资料，经过近50年的努力，大家基本达成一致意见，认为PSP自形成以来发生了将约90°的顺时针旋转.同时，PSP从赤道附近逐渐向北漂移至现今位置(Hall, 2002；Yamazaki et al., 2010；Richter and Ali, 2015; Wu et al., 2016).

3 PSP磁异常条带

虽然PSP的一级构造演化模型已经建立，但是进一步研究会发现，在不同区域，其构造模式并不完全一致.这是因为PSP在运动过程中，除了整体漂移和旋转以外，其内部还发生了海底扩张而形成盆地，比如帕里西维拉盆地、四国盆地等.因此，只有确定板内盆地的形成演化历史，才能深化对整个板块演化的认识.

3.1 西菲律宾海盆地

西菲律宾海盆地是构成PSP的最大盆地.其西边界是活动的琉球—台湾—菲律宾沟弧体系，而东边则是不活跃的九州—帕劳脊.自20世纪70年代以来，前人对该区的磁异常条带做了大量工作.

Louden(1976)和Mrozowski等(1982)在西菲律宾海盆地鉴定出磁异常条带C21—C17.Shih(1980)在西菲律宾海盆地中心断裂带鉴定出最年轻的磁异常条带C7a，在西菲律宾海盆地北部鉴定出最老磁异常条带C21，在西菲律宾海盆地南部鉴定出最老磁异常条带C25，并认为西菲律宾海盆地经历了持续的NE-SW向扩张.

Hilde和Lee(1984)则在西菲律宾海盆地鉴定出磁异常条带C26—C13(图4)，认为其经历了两期扩张，并被广泛引用(Hall, 2002; Deschamps and Lallemand, 2002; Seton et al., 2012).具体而言，其在中心扩张区识别出磁异常条带C13—C20.其中磁异常条带C13—C19区域属于慢速扩张特征，而在磁异常条带C19—C20之间的区域，西菲律宾海盆地扩张速率和扩张方向都发生重大变化.在中心扩张区南北两侧，磁异常间距变宽，说明此时的扩张速率要快得多.在北部区域，识别出磁异常条带C20—C24，而南部则识别出磁异常条带C20—C26，年龄显得稍老一些.

图4 PSP与SCS磁异常条带分布图中黑线代表磁异常条带，红线代表磁异常条带6a(～20 Ma).磁异常数据来源于Briais等(1989, 1993)，Hilde和Lee(1984)以及Sdrolias等(2004).AA′为SCS东部次海盆长度，BB′为四国盆地北部宽度.Fig.4 Distribution of magnetic anomaly in the PSP and the SCSBlack lines denote magnetic anomaly and red lines denote the magnetic anomaly 6a (～20 Ma). The magnetic anomaly data are from Briais et al. (1989, 1993), Hilde and Lee (1984), and Sdrolias et al. (2004). AA′ denotes the length of the East sub-basin in the SCS, and BB′ denotes the width of the northern Shikoku Basin.

很明显，磁异常条带特征暗示着西菲律宾海盆地经历了两期不同的扩张.在45 Ma(磁异常条带C20附近)之前，西菲律宾海盆地的扩张方向为NE-SW，半扩张速率为4.4 cm·a-1，此次扩张形成北部磁异常条带C20—C24(45～56 Ma)以及南部磁异常条带C20—C26(45～60 Ma).45 Ma之后，扩张方向变为近N-S，相应的半扩张速率缩减到1.8 cm·a-1，此次扩张形成中心区域磁异常条带C13—C19(45～35 Ma).需要说明的是磁异常条带显示的扩张方向是现今观察到的方向，并不是地质历史时期的方向.但45 Ma前后的扩张方向的变化，显然应与构造事件有关，可能对应了古IBM弧区域的初始俯冲活动 (Hilde and Lee, 1984).

虽然西菲律宾海盆地最老的磁异常条带只有60 Ma，但是这并不是说这部分板块只有60 Ma的历史.有很大的可能在60 Ma之前，它早已存在，只不过老于60 Ma 的部分已经淹没在周边的俯冲带内.比如西菲律宾海盆地的西北部明显已经俯冲到琉球海沟之下.而到了30 Ma时，西菲律宾海盆地则停止了扩张.

Hilde和Lee(1984)的海底扩张模型在很长的时间里占据主导地位.但Deschamps和Lallemand(2002)根据新采集的磁异常数据，结合海底地形地貌，认为西菲律宾海盆地在54 Ma开始扩张，在33/30 Ma停止扩张.Sasaki等(2014)基于三分量磁探头获得的海底磁异常数据，亦支持Hilde和Lee(1984)提出的两阶段扩张模型，但认为海底扩张的停止时间约为36 Ma，比通常认为的30 Ma要早.Doo等(2015)则将视角放在西菲律宾海盆地西北角，识别出吕宋岛冲绳断裂带与加瓜海脊之间的磁异常条带年龄为54～47.5 Ma，与西菲律宾海盆地的第一期扩张有关；花东海盆的磁异常条带年龄为42～33 Ma，与西菲律宾海盆地的第二期扩张有关.

3.2 东菲律宾海盆地

东菲律宾海盆地主要包括帕里西维拉盆地、四国盆地、马里亚纳海槽(图1，4).由于马里亚纳海槽展布范围较窄，磁异常不是特别明显，现主要论述帕里西维拉盆地和四国盆地的磁异常条带特征.

Mrozowski和Hayes(1979)对帕里西维拉盆地的磁异常条带进行了研究.磁异常条带总体上呈N-S向分布，与盆地扩张中心平行.在盆地东部，磁异常条带的数目远远小于西部，且模式更为复杂，比如，存在局部的E-W走向的异常.因此，帕里西维拉盆地的演化模式主要靠其西部磁异常条带模式建立.大体上，可以识别出磁异常条带C10—C5e/C5d，对应的时间约为30～18/17 Ma.也就是说，该盆地从30 Ma起向两翼开始出现扩张，直到18/17 Ma 结束.在停止扩张前，岩浆供应不足，喷发呈现间歇式，造成年龄较小磁异常条带的模式不易识别.随后，Kasuga和Ohara(1997)以及Okino等(1998)根据新的水深、磁异常和大洋钻探等资料，提出了帕里西维拉盆地的演化经历了五个演化阶段：岛弧裂解与地壳减薄期(29～26 Ma)，E-W向扩张与扩张中心向北传播期(26～23 Ma)，与四国盆地一道E-W向协同扩张期(23～21 Ma)，NE-WS向扩张期(20～15 Ma)，扩张后火山作用和变形期.

Watts和Weissel(1975)在四国盆地西部识别出平行于九州—帕劳脊的磁异常条带C7—C5e(27～20 Ma)，而东部条带则显杂乱，这可能与伊豆—小笠原岛弧与日本碰撞后导致盆地东部的基底地形崎岖不平有关.Kobayashi和Nakada(1978)根据四国盆地的地形、磁异常和地震反射特征，提出了四国盆地的对称扩张模式.认为四国盆地在最北端于30 Ma开始裂陷，并以10 cm·a-1的速度向南传播.从25 Ma到22 Ma，盆地沿中央扩张轴以4 cm·a-1的半扩张速率开始两侧对称扩张，22 Ma开始半扩张速率减慢至2.2 cm·a-1，至16/17 Ma时盆地停止扩张.Okino等(1994)则通过精细的磁异常和地形特征，提出了四国盆地30～15 Ma的演化模式，即岛弧裂解期(30～27 Ma)、NEE-SWW向扩张期(27～23 Ma)、E-W向扩张期(23～20 Ma)、NE-SW向扩张期(20～15 Ma)和扩张后火山活动与变形期5个阶段.

Sdrolias等(2004)全面系统地总结了前人的资料，将四国盆地与帕里西维拉盆地作为一个整体来研究(图4)，鉴定出四国盆地与帕里西维拉盆地现存的最老磁异常条带分别是C7o(25.2 Ma)和C9o(28 Ma)，同时推测四国盆地和帕里西维拉盆地初始扩张时间约为30 Ma，只是四国盆地北部已经俯冲到日本之下，而导致目前鉴定的条带偏年轻.其将四国盆地与帕里西维拉盆地的构造演化分为5个阶段：岛弧裂解(30～28 Ma)，四国盆地扩张中心南移与帕里西维拉盆地扩张中心北移(28～23 Ma)，四国盆地与帕里西维拉盆地共享一个扩张中心，但各自扩张方向有所不同(23～20 Ma)，四国盆地与帕里西维拉盆地扩张中心与扩张方向皆一致的统一扩张(20～15 Ma)，以及扩张后的岩浆作用阶段.

综上所述，由于最老的磁异常条带在盆地边缘附近，不易鉴定，且部分条带已经俯冲，导致PSP的最老磁异常条带还不明确，盆地演化细节还存在争议.但PSP海底扩张的共识是西菲律宾海盆地的扩张期在渐新世以前，东菲律宾海盆地的扩张期则在渐新世之后.考虑到SCS也在渐新世开始扩张，东菲律宾海盆地的扩张与SCS的扩张之间的地理亲缘性和动力学联系是一个前沿科学问题.

4 SCS古地磁与磁异常条带

目前在SCS的大洋钻探岩心中只有有关磁性地层学的报道，还未见基于岩心的构造古地磁学报道.金钟等(2002,2004)对SCS的16座海山进行磁性反演，获得了海山的古地磁数据，认为东部次海盆的9座海山向北移动了2.90°～11.06°，西南次海盆的7座海山向南移动了0.40°～9.00°.但由于是反演数据，反演精度尚存疑，且并没有获得确定时代的古纬度信息.Lee和Lawver(1995)基于Taylor和Hayes(1983)识别的海底磁异常条带数据，给出了礼乐滩的古纬度演化信息，认为礼乐滩从32 Ma的～17.5°N逐渐向南运动到现今位置(图5)，进而能对SCS西南次海盆的古地理位置做出约束.依据这一思路，可基于SCS周缘板块的古纬度信息来约束SCS的古纬度.SCS北接华南地块，而华南地块自渐新世以来基本保持稳定(黄宝春等，2008)或者轻微向北运动(Cogné et al., 2013)，故SCS的古扩张中心位置可由海底磁异常条带的位置来约束，即SCS北部的磁异常条带的位置可大致认为是地质历史时期的扩张中心.

图5 礼乐滩古地理位置随时间变化图(修改自Lee和Lawver, 1995)Fig.5 Paleogeographic location versus age for the Reed Bank (Modified after Lee and Lawver, 1995)

关于SCS的磁异常条带，前人做了大量的研究.Ben-Avraham和Uyeda(1973)首次在东部次海盆识别出近东西走向的线性磁异常条带，说明SCS的扩张方向偏南北向，但其未给出磁异常条带的年龄信息.Taylor和Hayes(1980，1983)结合新的磁异常资料，认为东部次海盆的扩张年代为32～17 Ma(C11—C5d磁异常条带)，但其未能识别西南次海盆的磁异常条带，而是根据重力资料，推测西南次海盆和东部次海盆的形成年代大致相同.中国学者随后获取了SCS西南次海盆的磁异常资料，但存在不同的海底扩张年龄解释：126～119 Ma(陈圣源，1987)、70～63 Ma(吕文正等，1987)、42～35 Ma(姚伯初和曾维军，1994).Briais等(1993)和Hayes等(1995)综合研究了整个SCS的磁异常和水深资料，在西南次海盆识别出C6b—C5c磁异常条带，在东部次海盆识别C11—C5c磁异常条带，据此提出了颇具影响的SCS扩张年龄模型：SCS东部次海盆的扩张年龄为32～15.5 Ma，西南次海盆的扩张年龄为23～15.5 Ma.

进入21世纪，Hsu等(2004)根据在SCS北部新获取的磁异常资料和磁异常模拟，认为SCS最古老洋壳的磁异常条带为C17，从而认为SCS的扩张不晚于37 Ma.Li等(2007)基于地震反射特征，认为Hsu等(2004)提出的37 Ma对应的地壳并非洋壳，SCS北部陆缘最老的磁异常条带应为C12(～32 Ma), 而南部陆缘最古老的磁异常条带还不明确(Li and Song, 2012).Barckhausen等(2014)则将SCS的磁异常条带年龄解释为32～20.5 Ma.Chang等(2015)基于K-Ar 测年、化石组合等对Barckhausen等(2014)解释的磁异常条带所指示的SCS停止扩张年龄提出了质疑，认为海盆的停止扩张时间在15 Ma.Barckhausen等(2015)则回复称K-Ar定年误差较大，还需要更多的资料加以佐证.

由此可见，关于SCS海盆的扩张时代还存在较大争议.主要表现为两点：一是SCS东部次海盆扩张时间为渐新世-中新世，但起止扩张的具体时间还不确定.二是西南次海盆扩张时间到底是在东部次海盆扩张之前还是存在同步扩张.这些争议主要是因为磁异常条带的解释具有非唯一性，且以前的磁测资料主要为船载磁测和航空磁测，离海底磁源较远，造成测量的磁异常精度不高(Li et al. 2014).另外需要说明的是，1995年之前使用的磁异常条带年龄是来自老的地磁极性年代表，但根据新的地磁极性年代表(Cande and Kent, 1995; Ogg, 2020)，识别的SCS扩张的磁异常条带年龄应有所改正，为与原文保持一致，本文引用时并未根据新的地磁极性年代表做校正.虽然关于SCS磁异常条带的识别存在较多争议，但IODP 349航次结束后，Li等(2014)结合最新采集的深拖磁异常资料，同时进行磁异常模拟，与IODP 1433、1435孔岩心年龄相互标定，综合认为SCS最先于东部次海盆开始扩张，初始扩张约为33 Ma，在15 Ma时东部次海盆停止扩张.东部次海盆扩张过程中发生洋中脊跃迁事件，23.6 Ma左右发生向南的跃迁，跃迁后扩张方向改变，从近N-S变为NNW-SSE.23.6 Ma也是西南次海盆初始打开的时间，并于16 Ma停止扩张.这一SCS扩张演化的年龄目前普遍为学界所接受.但最近Guan等(2021)发表的磁异常资料则显示SCS的扩张年龄可能略有变化，东部次海盆的扩张年龄在29.7～15.6 Ma.另一方面，近年的研究则显示SCS的初始扩张年龄可能更老.Zhong等(2018)基于在SCS获取的斜长花岗岩的Ar-Ar定年结果，认为SCS的初始扩张年龄应早于～32 Ma.Jian等(2019) 则在SCS北部发现了晚始新世的深海相沉积，可能是SCS盆地的最早沉积，也可能是古南海北缘的残余沉积.

SCS扩张结束后，运动并没有停止，而是向PSP发生了俯冲.关于俯冲开始的时代，根据台湾和吕宋岛弧发育的蛇绿岩、岩浆岩等定年数据和相关推测，认为SCS向东的俯冲起始时间可能发生在早中新世-中中新世(Yang et al., 1995; Shao et al., 2015; Yu et al., 2022).显然由于俯冲的穿时性，不同地点的俯冲起始时间不一样，但与SCS停止扩张的时间出入不大.

5 PSP与SCS协同演化关系探讨

5.1 PSP与SCS的古地理位置

前人对整个东亚的重建中提出了很多模型，由于SCS紧靠华南，所以对其古地理的争议不大，但PSP存在旋转和俯冲作用，其古地理重建则有较大争议，从而导致PSP与SCS的相对古地理位置存在不确定性.比如，Hall(2002)和Queano等(2007)认为在～20 Ma时四国盆地与SCS靠的很近，Isozaki等(2010)和Raimbourg等(2017)则认为～20 Ma时四国盆地与SCS离得较远，而离日本较近.这一方面是因为缺少对PSP精细的古地磁约束(即以前板块重建利用的正演的古地磁资料精度不够).另一方面通过PSP周缘地块如日本的构造事件来反演推测PSP构造演化(Isozaki et al., 2010; Raimbourg et al., 2017)可能存在多解性，构造事件的精确年龄亦存在不确定性.

那么SCS与PSP在空间上到底是什么关系？

通过上述古地磁和磁异常条带分析，可以建立SCS和PSP各自的一级演化模型：PSP在52 Ma时位于赤道附近，52～30 Ma，西菲律宾海盆地向北运动的过程中边扩张、边顺时针旋转，30 Ma时四国盆地和帕里西维拉盆地开始裂陷和扩张，至15 Ma时海底扩张停止.而SCS则于33/29.7 Ma开始海底扩张，在15/15.6 Ma时海底扩张停止.考虑到整个PSP的旋转，在从赤道附近的低纬度旋转到现今板块位置的高纬度的过程中，必存在一个时间段，其古纬度和SCS的古纬度相当.这个时间段是什么时候？

Liu等(2021)系统地研究了四国盆地内部最老的钻孔ODP 1177孔的古地磁和物源信息，发现四国盆地和SCS在～20 Ma(磁异常6a对应的年代，图4)时的古纬度是基本一致的，在四国盆地也发现了和SCS一致的锆石物源.由此提出四国盆地和SCS至少在20 Ma时就曾连接在一起(图6a).考虑到澳大利亚板块与东南亚地块在～23 Ma(Hall, 2011)或者～20 Ma(Sdrolias et al., 2004)开始碰撞，其导致了PSP的旋转和北移，进而促使～15 Ma时四国盆地已经与SCS分离(图6b)，并发现有来自长江等地的沉积物(Clift et al., 2013).尽管现今ODP 1177孔的位置离珠江和长江有一定距离，和长江之间还隔着冲绳海槽，但冲绳海槽在～15 Ma 之前还没形成(Clift et al., 2013)，而且浊流可以长距离搬运沉积物，搬运距离甚至超过1500 km(Talling et al., 2007)，在ODP 1177孔分别发现来自珠江和长江的物源是合理的，且与PSP的旋转过程有很好的对应.

SCS与PSP四国盆地协同扩张模型一方面能很好地解释“SCS东部次海盆先形成，西南次海盆后形成(SCS东宽西窄)；四国盆地北部先形成，南部后形成(四国盆地北宽南窄)”这一盆地演化过程.另一方面，这一模型亦能很好地解释SCS的扩张方向在～23 Ma洋脊跃迁后由近N-S向转变为NNW-SSE方向(磁异常条带上表现为走向由近E-W向转变为NEE-SWW向)：由于SCS与四国盆地形成之初即连在一起，磁异常条带近E-W走向，海底扩张方向近N-S向；～23 Ma澳大利亚板块与东南亚地块发生碰撞，使四国盆地与SCS发生分离，分离时北向运动的四国盆地对SCS侧向拖曳牵引，使得原本E-W走向的SCS转变为NEE-SWW走向.

5.2 PSP与SCS的俯冲板片恢复

古地磁和磁异常条带数据可以用来恢复SCS与四国盆地的运动轨迹，而地震层析成像结果从地震学的角度为SCS与四国盆地的板块边界、空间展布形态及板块构造恢复提供空间上约束.随着全球和区域地震台网的地震数据的不断增加，为精细刻画与恢复已经俯冲下去的板片形态提供了坚实的数据基础和极为重要的约束.

通过开展纵波速度结构及天然地震层析成像方面研究(Liu et al., 2018)，发现SCS已经沿马尼拉海沟俯冲到地下深处400～500 km(Wu et al., 2016;Zhao et al., 2019)；如果将沿马尼拉海沟俯冲下去的SCS洋壳部分恢复到地球表面上来，可获得SCS停止扩张时的整个洋壳范围(图7a)；说明在SCS扩张结束时的洋壳面积比现今大约一倍，此处的SCS东部洋壳边界就是后来马尼拉俯冲起始的地方(Zhao et al., 2019).同样，根据地震层析成像研究结果(Wu et al., 2016)，获得了四国盆地沿着南海海槽向北俯冲下去的部分(图7b).四国盆地以残余扩张脊为界，分为东部和西部两个海盆的俯冲板片，四国盆地东部板片达到920 km，西部板片达到720 km(图7b).将SCS向东俯冲下去的部分和四国盆地向北俯冲下去的部分全部恢复出来，SCS与四国盆地应该可以连接在一起，连接处可能就是当时SCS与四国盆地统一的扩张中心(图6a).

图6 PSP与SCS在～20 Ma和～15 Ma时的构造重建(Liu et al., 2021)(a)四国盆地与SCS连在一起，在四国盆地ODP 1177孔发现与SCS X28孔一致的锆石物源；(b)四国盆地与SCS分离，在四国盆地ODP 1177孔发现来自长江的物源.Fig.6 Tectonic reconstruction of the PSP and the SCS at ～20 Ma and ～15 Ma (Liu et al., 2021)(a) The Shikoku Basin was connected to the SCS, and the zircons of ODP Site 1177 were consistent with that of Site X28；(b) The Shikoku Basin was separated from the SCS, and the materials of the Yangtze River were detected in ODP Site 1177.

图7 地震层析成像恢复的俯冲板片(a) SCS东向俯冲板片恢复(Zhao et al., 2019); (b) PSP北向俯冲板片恢复(Wu et al., 2016).Fig.7 Subduction slabs recovered by seismic tomography(a) Eastward subduction slab recovered in the SCS (Zhao et al., 2019); (b) Northward subduction slab recovered in the PSP (Wu et al., 2016).

我们认为SCS与四国盆地在～20 Ma具有地质上的亲缘性是合理的，并进一步认为它们在形成之初就属于同一个海底扩张系统.理由如下：(1)从时间上看，四国盆地的形成时间(30～15 Ma)与SCS的扩张时间(33/29.7～15 Ma)基本重合；(2)从空间上看，SCS东部海盆洋壳的长度(A-A′，图4)与四国盆地北部的宽度大体一致(B-B′，图4)；(3)从两个盆地的基底看，SCS洋中脊玄武岩来源于印度洋型地幔源区 (Zhang et al., 2018)，而四国盆地的洋中脊玄武岩同样为印度洋型地幔源区(Hickey-Vargas, 1998)；(4)从PSP旋转过程看，Hall等(1995a,b,c)认为PSP在40～25 Ma古纬度相对比较稳定，无明显的旋转，而四国盆地在20 Ma与SCS连在一起(Liu et al., 2021)，说明SCS与四国盆地在形成之初的33/30 Ma也应该离得很近；(5)从SCS与四国盆地形成之前的邻区构造背景看，45～33 Ma期间，苏拉威西海与西菲律宾海连在一起 (Nichols and Hall, 1999)，则在33/30 Ma时，处于苏拉威西海北部的SCS与处于西菲律宾海北部的四国盆地也很可能连在一起.

5.3 PSP与SCS的动力学联系

要厘定SCS与PSP的动力学关系，首先需要确定SCS打开的动力学机制.关于SCS初始扩张打开的动力来源前人提出了不同的观点，如碰撞侧向挤出逃逸模型 (Tapponnier et al., 1982; Briais et al., 1993)、 古南海俯冲拖曳模型(Holloway, 1982; Hall, 2002)、弧后扩张模型(Karig, 1971; Ben-Avraham and Uyeda, 1973)、地幔柱模型(Flower et al., 1998; Zhang et al., 2018)，以及新特提斯洋俯冲模型等(孙卫东等，2018).其中最为流行的是碰撞侧向挤出逃逸模型(动力来源于西边)和古南海俯冲拖曳模型(动力来源于南边).碰撞侧向挤出逃逸模型认为印度板块与欧亚板块的碰撞导致印支地块沿红河—哀牢山断裂向南走滑逃逸，进而导致了SCS的形成.这一模型与构造物理模拟实验具有很好的一致性，也与SCS西缘印支地块的挤出构造特征一致.但SCS若是由于青藏高原的碰撞挤出产生，则SCS最先应该在西部次海盆开始扩张，可事实恰好与之相反，故这种模型引起了不少争议.古南海俯冲拖曳模型认为地质历史时期在现今SCS南部存在一个古南海，古南海向南的俯冲在现今SCS处产生的伸展拉张使SCS打开.该模型能很好地解释SCS的扩张方向，也能解释SCS南部婆罗洲、巴拉望地区发育的蛇绿岩.但古南海周缘地块的碰撞作用，导致古南海俯冲拖曳的速度逐渐减慢，在早中新世，仅靠古南海的拖曳拉张，可能不能导致SCS的持续打开(Huang et al., 2019).

显然，单靠来源于西边或者南边的动力，都不足以解释SCS的打开.近年来，Wang等(2019)和林间等(2019)提出了南海破裂的“板缘张裂”新模式，表明南海的张裂与传统的大西洋型“板内张裂”模式明显不同.Huang等(2019)提出SCS东边的走滑断裂在SCS打开的过程中扮演了重要作用.而东边的走滑断裂显然与PSP的运动有关.这就将“PSP与SCS的动力学关系”这一课题摆在了前所未有的重要位置.

前人对PSP与SCS的动力学联系有过为数不多的探讨.Zhao等(2019)认为二者之间由大型的左旋走滑断裂相连接，在区域动力学上存在紧密联系.在西菲律宾海扩张的第一阶段(60～45 Ma, Hilde and Lee,1984) 正是SCS陆缘发生第一期裂谷作用的阶段(56～40 Ma, Lei et al., 2019).西菲律宾海扩张的第二阶段(45～35 Ma, Hilde and Lee,1984) 正是SCS陆缘发生第二期裂谷作用的阶段(40～33 Ma, Lei et al., 2019).在SCS停止扩张后，SCS与PSP的边界由左旋走滑转变成俯冲.Wu等(2016)认为西菲律宾海北部的琉球海沟俯冲带会向西传递到SCS南部，伴随着古南海的向北俯冲，导致SCS的弧后扩张打开.这一弧后扩张模型在目前的地表还缺少岩浆弧存在的证据，遭到了不少反对 (Zahirovic et al., 2014).但Wu等(2016)认为在地表上缺乏保留或识别的弧并不能完全拒绝这一SCS打开模型，而且这一模型与SCS及邻区的地壳、地幔结构能很好的对应.

我们认为由于SCS从东部先打开，且东部的PSP扩张期次和SCS裂陷和扩张期次有如此好的对应性，SCS的打开一定不能忽略东部的动力来源.但仅仅依靠东部的走滑断裂，显然不足以将SCS打开.东部的走滑断裂和南部的俯冲拖曳的联合作用可能更有利于SCS的初始打开.虽然这还需要进一步的地球动力学模拟来加以验证，但该模型表明了SCS与PSP四国盆地协同演化的特点，暗示了SCS与PSP四国盆地的洋壳结构和深部地幔地球化学性质应具有相关性，能很好地协调SCS从东部扩张到西部和四国盆地从北部扩张到南部的动力学过程，并为未来更进一步的地球动力学模拟奠定了古地理基础.

5.4 PSP与SCS协同扩张模型

Liu等(2021)提出了SCS与PSP四国盆地协同演化模型，目前主要证据来源于20 Ma时的古地理重建.但是这一模型还需进一步研究.

就现有的板块重建而言，在一级演化模型之下，新生代以来，特别是渐新世以来，东亚的古地理重建基本都将SCS北部的欧亚大陆固定不动.这就导致SCS的扩张中心在向南运动.而古地磁数据则显示PSP的一级演化模型为北向运动.SCS的南向运动与PSP的北向运动似乎不支持两者之间的协同演化和共享一个扩张中心.

但欧亚板块渐新世以来真的是一直不动的吗？Cogné等(2013)的古地理重建显示欧亚板块渐新世以来存在北移，能很好地解释SCS与四国盆地扩张中心的一致性.另一方面，PSP北向运动的一级演化模型中是否可能在某一时间段存在南移？结合现有的古地磁数据(表1，图2)，我们发现30～20 Ma之间并不能排除PSP内的部分块体存在南向移动.这是因为PSP并非完全是一个刚体，由于俯冲带以及海底扩张等的存在，板块内部各块体的演化细节绝非单纯的北向移动.四国盆地扩张中心西侧块体在30～20 Ma之间的南向运动能很好地和PSP四国盆地与SCS协同演化模型相契合.

由此可见，SCS北部的欧亚板块和PSP内部块体的运动方式还不太明确.我们提出PSP四国盆地与SCS初始扩张时的三种可能模型(图8).一是协同扩张中心的古纬度基本保持不动，这就要求欧亚板块在渐新世以来存在向北的运动分量(图8a).二是协同扩张中心的古纬度向南运动，这就要求地质历史上四国盆地扩张中心以南的块体(即现今扩张中心西侧的块体)在30～20 Ma之间存在南向运动分量，而欧亚板块的古地理位置可以固定不动(图8b).三是协同扩张中心的古纬度向北运动，这就要求欧亚板块具有相当大的北向运动分量(图8c).以上模式还有待于对欧亚板块和PSP更精细的古地磁学研究.

6 结论与展望

根据前人获取的PSP和SCS的古地磁数据、海底磁异常条带资料，并结合其它地质证据，本文系统综述了SCS和PSP的演化历史以及协同演化过程.PSP四国盆地与SCS在渐新世开始就连在一起，共享一个海底扩张中心；早中新世澳大利亚板块的北向运动，导致四国盆地逐渐与SCS发生走滑分离.但PSP与SCS的协同演化模型还不完善，需要加强以下方面的研究：

(1)四国盆地与SCS在～20 Ma同处一个构造演化单元，其扩张中心以南的块体(即现今扩张中心西侧的块体)是否在30～20 Ma存在向南的运动分量，还有待高分辨率的古地磁学研究.在四国盆地西部的九州—帕劳脊以及西菲律宾海获取的沉积年龄超过30 Ma的大洋钻探岩心，是后续进行古地磁研究的理想材料.

(2)SCS的古纬度主要根据SCS磁异常条带的位置来确定，缺少古地磁学数据支持.同时需要确定欧亚板块渐新世以来的演化模式，加强对SCS古纬度的精细约束.

(3)PSP旋转过程主要依赖于盆地边缘岛屿的古地磁偏角测量，这可能既包含了整个板块的旋转，也包含了局部旋转.如果想进一步精确厘定PSP的旋转过程，由于海盆中央不受盆地边缘构造影响，其岩心的古地磁偏角更具代表性.在后续的大洋钻探中，对该区域的长序列岩心进行原位定向至关重要.

图8 PSP四国盆地和SCS协同扩张的三种可能模型黄色虚线为扩张中心初始扩张时的古纬度，红色方框指示扩张中心.Fig.8 Three possible spreading models for the co-evolution of the Shikoku Basin and SCSThe yellow dotted lines denote the paleolatitudes of the initial spreading center. The red squares denote the spreading centers.

(4)SCS与PSP四国盆地的协同演化过程主要基于古地磁、海底磁异常条带和洋壳地震层析成像的约束，目前缺乏更加详细的地质记录验证.因此，需要加强SCS与PSP的构造演化与其周缘块体构造响应特征对比研究.在未来的地球动力学的模拟中，需要“跳出南海看南海”，在更大的“东南亚环形俯冲带”的视野范围内，关注SCS与PSP协同演化的动力学过程，将西太平洋板块的俯冲、澳大利亚板块与东南亚地块的碰撞、印度洋板块的俯冲过程与SCS与PSP的演化联系在一起.

致谢感谢四位审稿人对本文提出的详细而中肯的意见.感谢盖聪聪博士、张强博士、仲义博士、冯婉仪博士、郭来银博士、张伟杰博士生和王浩森博士生在前期资料准备过程中的贡献.与南科大海洋磁学中心各成员的探讨受益匪浅！