南海东部古扩张脊俯冲形成的板片窗构造及其动力学过程

It is a very ingenious angle that discussing the dynamic process of subduction in the South China Sea expansion ridge by researching the characteristic of the "slab windows" structure. There will be many limits and uncertainties as this method, after all, an indirect means. When we introduce the "slab windows" structure, we come across a problem that whether the "slab windows" can be apply in the South China Sea subduction ridge which is extinguished now or not. In other words, the problem is whether the "slab windows" structure emerges in subduction ridges which have already stopped the expansion. The problem is being discussed and expected to confirm the conclusions through our further research. In this study, we intend to use artificial and natural seismic joint tomographic imaging methods to find the characteristics of deep tectonic change in the ancient expansion subduction zones of the eastern South China Sea and to reveal the slab windows structure formed during the ancient expansion subduction and the internal relation between the slab windows and deep seismogenic as well as deep dynamic environment. Meanwhile, in combination with the characteristics of volcanic arc and seismic activity in the subduction zones, we will apply the finite element method to simulate the slab windows which is formed by the ancient expansion subduction and its dynamic process. All of these may provide new ideas for the research of earthquake disaster reduction and formation as well as evolution mechanism of ancient expansion subduction in the eastern South China Sea.

通过引入"板片窗"构造研究南海东部古扩张脊俯冲的动力学过程，应该说是一个巧妙的角度，但毕竟是间接的方法，所以存在较多的局限和不确定性。首先遇到的问题是："板片窗"是通过研究正在扩张的洋中脊俯冲而产生的概念，那么它能否应用到南海这个已经熄灭的俯冲洋脊？或者说在已经停止扩张的古洋脊俯冲时是否也能形成"板片窗"构造？这个问题我们一直在探讨并发表了相关文章，同时也希望通过本课题的进一步研究而能得到更多的证据。本次研究拟利用人工和天然地震联合层析成像的方法来获得南海东部古扩张脊俯冲带的深部构造变化特征，揭示古扩张脊俯冲过程所形成的"板片窗"构造及其与深部发震构造和深部动力环境的内在关系，同时结合该俯冲带火山弧和地震活动的特点，应用有限元方法对古扩张脊俯冲形成的"板片窗"构造及其动力学过程进行数值模拟，为南海东部防震减灾和古扩张脊俯冲带的形成演化等科学问题研究提供新的思路。

南海东部古扩张脊俯冲过程的研究一直受到中外地学界的关注，以往主要集中在局部构造区的独立研究，而未从俯冲过程的角度进行整体研究，导致较多的争议。马尼拉俯冲带是揭示南海形成演化的关键区域和地震活跃带，迄今为止对其俯冲过程的动力学机制还处在探索阶段。基于台湾—吕宋岛双火山链的研究，本课题引入“板片窗构造”概念研究古扩张脊的俯冲过程，为南海东部马尼拉海沟俯冲带的研究提出新的思路。按照课题研究计划，对研究区开展了应力场分布特征和地震应力触发机制的研究分析，结果显示应力增加区域与地震的分布较为吻合，库伦应力场空间分布的总体态势受有效摩擦系数的影响不明显，说明洋脊区段主要受区域构造应力场的控制，而应力增加区域呈NE向展布的特征，正好与南海东部古洋脊的俯冲方向和洋脊两侧正断层的展布方向相一致。利用有限元数字模拟方法，对马尼拉海沟俯冲带进行了模拟，结果表明当板块接近海沟时，其有效弹性厚度在海沟前缘隆起处最大，但在海沟下降处该厚度可能会剧减到原来的15%-25%，由板块弯曲造成的上板块拉张可能产生大量正断层，使板块的有效弹性厚度剧减。南海东部古扩张脊的深部结构特征及其动力学过程模拟则表明洋壳轻质体的俯冲使附近海沟后退速率降低，进而导致海沟中段扁平凸曲和20°N 附近凹曲的形态特征。同时，板块轻质体因难以俯冲而受到挤压并对俯冲造成阻碍，导致板片上剪切应力分布不均匀，因此古洋脊作为相对薄弱带，易于成为应力集中区而产生撕裂。最后根据以上研究，结合前人成果，探讨了南海东部古扩张脊的俯冲时间、俯冲深度及动力学过程，认为南海东部古洋脊开始俯冲的时间为16 Ma，俯冲深度在200 ~ 300 km之间，俯冲板片在100 km上下发生撕裂。由于古洋脊北部板块轻物质的存在造成洋脊两侧板块俯冲角度南高北低的现象。这一研究更好地理清了古洋脊俯冲的特征、动力学过程及其与该区特殊地质现象的关系。