北吕宋岛弧火山活动和台湾造山带造山事件约束下的台湾弧前盆地演化

The Evolution of the Taiwan Forearc Basin Constrained by the Volcanic Activities of the North Luzon Island Arc and the Orogenic Events of the Taiwan Orogen Belt

摘要

旨在对台湾弧前盆地可容纳空间、盆地边界和基底性质进行分析，并对弧前盆地层序构型及其主控因素和演化阶段进行探索性研究. 结合地震剖面的层序构型解析，基于南海俯冲板俯冲、底侵及隆升剥蚀等造山事件、北吕宋岛弧火山岩活动对弧前区变化的影响，对台湾弧前盆地性质、边界特征及演化阶段进行探讨. 台湾弧前盆地演化可分为3阶段：扩张期矩形裂谷盆地、初始碰撞期楔形弧前盆地和弧-陆碰撞期席状弧前盆地阶段. 扩张期矩形裂谷盆地的东部边界先期为南海洋壳，后期为吕宋岛弧；西部边界为菲律宾海洋壳；基底为弧前扩张区地幔. 初始碰撞期楔形弧前盆地东、西边界分别为北吕宋岛弧和增厚的南海板块边缘；基底为先期复理石沉积及吕宋岛弧火山建造的一部分. 弧-陆碰撞期席状残余弧前盆地东、西边界分别吕宋岛弧和剥露并持续隆升的台湾增生造山带.

Abstract

The paper aims to analysis the accommodation feature, basin boundaries and basement properties of the Taiwan forearc basin, and probe into the sequence basic configuration, main controlling factors and evolution stage of the Taiwan forearc basin. Based on the orogenic events, such as the initial and normal subduction of the South China Sea Plate, slabs under plating, accretion, exhumation, uplift and denudation of the accretionary prism and the series of volcanic activities of the North Luzon Island Arc, combined with the sequence configuration analysis of the seismic profiles, this paper will study the basin character, boundary nature and evolutionary stages of the Taiwan forearc basin in more depth. The evolution history of Taiwan forearc basin can be divided into three stages: “rectangular rift basin in the spreading period”, “wedge⁃shaped forearc basin in the initial collision period” and “sheet (residual) forearc basin stage in the arc⁃continental collision period”. The initially eastern boundary of the rectangular rift basin is the South China Sea oceanic crust and later the North Luzon Island Arc, the western boundary is the Philippine Sea oceanic crust, and the basement is forearc split mantle. The eastern and western boundaries of the wedge-shaped forearc basin are the North Luzon Arc and the subducted South China Sea Plate margin which is thickened by the under platings labs respectively, and part of the north Luzon Island Arc gradually evolved into the basement of the forearc basin. The eastern boundary of the deformed residual forearc basin is the North Luzon Island Arc, and the western boundary is the Taiwan accretionary wedge that has been exhumed and continuously uplifted this period.

Graphical abstract

关键词

层序基本构型 / 地震层序 / 弧前盆地 / 台湾造山带 / 北吕宋岛弧 / 台湾 / 构造学.

Key words

sequence configuration / seismic sequence / forearc basin / Taiwan Orogen / The North Luzon Island Arc / Taiwan / tectonics

0 引言

位于欧亚板块东南缘的南海板块沿马尼拉海沟于早中新世（~18 Ma）向菲律宾海板块俯冲并增生，~6.5 Ma与北吕宋岛弧发生碰撞并快速隆升形成台湾造山带 （Hsu et al.， 2016；解习农等，2022）. 欧亚板块的俯冲及其与吕宋岛弧的碰撞过程将大部分大陆物质通过俯冲进入上地幔，少部分物质通过增生形成增生楔——即台湾造山带，驱动着西太平洋多圈层之间的物质循环和能量交换. 吕宋岛弧与增生楔的弧-陆碰撞作用以31~60 mm/a的速度自南向北迁移，导致造山带自南向北由新变老，呈现明显的分段特征：21°10′N~20°00′N为俯冲带、21°10′N~22°40′N为初始碰撞带、22°40′N~24°00′N为碰撞带（图1）（Kirstein et al.， 2010）. 台湾弧前盆地发育在增生造山楔和北吕宋岛弧之间俯冲体系的上覆板块之上，形成世界上最年轻的沟-弧-盆体系之一，并构成西太平洋弧-陆碰撞体系的一个关键结点：马尼拉海沟为南海洋壳向菲律宾海板块的俯冲边界、屈尺断层为造山楔前缘的增生边界、纵谷断层（纵谷带）为造山带与吕宋岛弧的弧-陆碰撞边界（图1）.

南海岩石圈板块的俯冲和增生楔的生长及北吕宋岛弧火山喷发等造山和火山事件对台湾弧前盆地形成、层序基本构型及盆地演化起着关键制约作用. 研究表明，许多弧前盆地，如台湾弧前盆地、小安德列斯群岛附近的多巴哥盆地（Speed and Larue， 1982），沿阿拉斯加西部边缘的哥伦比亚-厄瓜多尔-秘鲁边缘弧前盆地（Lüschen et al.， 2011）的体积与增生楔的体积正相关（Huang et al.， 2006；Lüschen et al.， 2011），弧前盆地的变形过程及演化受控于增生楔的形成及增生楔与岛弧之间的逆冲碰撞特点 （Malavieille and Trullenique， 2009； 肖文交等，2022）. 当前对台湾弧前盆基本性质，如不同时期的边界特征、基底性质、可容纳空间变化规律等明显不足，对台湾弧前盆地层序基本构型及主控因素的认识出现了较大差异，进而导致对弧前区形成及演化阶段认识上的分歧. Hirtzel et al. （2009）曾通过地震剖面解释将台湾弧前盆地划分为3个超层序及9个层序，最老的超层序（由层序9⁃8构成）代表未受增生造山楔形成影响的古老沉积层序；中部超层序（由层序7⁃4构成）是在增生造山楔还未隆升出海面情况下的弧前区沉积；上部最新超层序（由层序3⁃1构成）的形成明显受已经隆升的造山楔的影响，开创性地认为3个超层序的形成分别对应于洋内俯冲、起始弧-陆碰撞和正常弧-陆碰撞等3个演化阶段. Huang et al. （2018）利用更多新的地震剖面，同时也引用了Hirtzel et al. （2009） 所用的地震剖面，经分析则认为弧前盆地由碰撞期和破坏期2个“垂向叠置”的超层序组成，残余弧前盆地遭受双冲构造作用后使“垂向叠置”的超层序在横向上“并置排列”.

笔者认为，Huang et al. （2018）的“垂向叠置”和“并置排列”两阶段弧前盆地层序构型中，漏掉了弧前区扩张期（对应于洋内俯冲阶段）沉积建造的存在；更为关键的是，Hirtzel et al. （2009）和Huang et al. （2018）也没有系统考虑南海板片俯冲导致的底侵板片从无到有、到底侵叠置、再到增生直至隆升的增生造山过程对弧前盆地性质的影响及层序构型的制约. 针对当前对弧前盆地层序样式和演化阶段认识上的明显分歧，本文将台湾弧前盆地置于西太平洋沟弧盆体系的协同演化系统中，以南海岩石圈沿马尼拉海沟的起始俯冲、正常俯冲、底侵增生及增生楔的隆升剥蚀等造山事件和北吕宋岛弧形成及演化中火山事件为约束，澄清对弧前盆地层序和地震相解释上的误判，客观分析台湾弧前盆地的层序样式，并定量厘定其演化进程.

1 区域地质概况

台湾造山带自西向东划分为西部麓山带、中央造山带和东部海岸山脉（图2）. 中央造山带是弧前盆地西部边界——造山增生楔的构成部分，自西向东由雪山山脉、脊梁山和大南澳杂岩带组成（图2）. 雪山山脉由始新统、渐新统、中新统板岩、板岩夹砂岩、粘土岩夹钙质砂岩组成，其源岩为南海陆缘裂谷地堑沉积，变质程度（葡萄石相至绿片岩相）和剥露深度自西向东增加. 因此可以认为雪山山脉的俯冲源岩为南海浅层沉积物. 大南澳杂岩带由太鲁阁和玉里两个构造带组成：西部太鲁阁带为高温低压带，不含（超）镁铁质岩块，泥岩基质原生沉积序列保存良好；东部玉里带由始新统的变质岩和大量（超）镁铁质岩块组成，泥岩基质原生沉积序列破坏殆尽（Hsu and Sibuet， 1995），为低温高压带. 玉里带的俯冲源岩为南海洋壳及白垩纪古海沟-岛弧系，该带内的蛇绿岩岩块为白垩纪古太平洋板块向华南板块俯冲形成的古海沟-岛弧系物质，分布于欧亚大陆边缘斜坡，于早中新世经历欧亚大陆向菲律宾海板块俯冲（~18 Ma）及随后与吕宋岛弧碰撞（6.5 Ma）并隆升剥露而成（Yui et al.， 2012）. 东部海岸山脉由北吕宋岛弧火山岩、残余弧前盆地和利吉混杂岩组成，与中央造山带之间的接触带为纵谷断层.

南海浅层沉积和南海洋壳主要因密度等因素（彭希等，2022），在初始俯冲阶段即发生脱耦，进入俯冲通道后经历不同的俯冲-底侵-增生-剥露-隆升路径（Xu et al.， 2022）. 南海陆缘裂谷等浅层沉积因较低密度俯冲稍晚、俯冲深度浅、变质作用弱、增生位置位于增生楔前端，经历碰撞隆升后形成雪山山脉（Chen et al.， 2018）；南海洋壳和古海沟-岛弧系物质因高密度俯冲稍早、俯冲深度深、变质作用强、增生位置位于增生楔后部，碰撞隆升之后形成玉里构造带（Lo and Onstott， 1995； Sandmann et al.， 2015；Chen et al.， 2017； Chim et al.， 2018），也是台湾弧前盆地的西部构造边界. 底侵区俯冲板片出现垂向叠置特征，上覆叠置板片变质温度压力较低，下伏叠置板片变质温度压力较高，雪山山脉之下的底侵区俯冲板片的叠置式底侵特征更为明显（Beyssac et al.， 2007； Xu et al.， 2022）.

吕宋岛弧位于西太平洋岛弧的中间位置，向北有琉球岛弧和日本岛弧，向南为新几内亚岛弧和印尼岛弧. 南海板块于35~17 Ma之间向菲律宾海板块俯冲形成吕宋火山岛链，火山岛链北部与欧亚大陆板块碰撞形成北吕宋岛弧. 作为弧前盆地的东部边界，北吕宋岛弧南起吕宋岛，北至台湾东部的海岸山脉（位于19˚N~24˚N之间），为吕宋岛以北至台湾东部海岸山脉部分，包括因弧-陆碰撞形成的海岸山脉的部分火山岩体以及位于台湾岛和吕宋岛之间的已经停止喷发和仍在喷发的巴丹和巴布亚火山岛群. 海岸山脉自北向南分布有4座火山，分别为月眉火山、奇美火山、成广澳火山和都籣山火山（图3）. 北吕宋岛弧火山演化可分为4个阶段：第一阶段自南海板块俯冲作用产生的岩浆上涌至深海喷发，并随着火山岛的生长出露海面，巴丹岛和巴布亚岛等尚处在活动期的火山岛也是该阶段的产物；第二阶段巴丹岛以北至绿岛等岛屿，随着板块的移动，这些火山岛已停止喷发；第三阶段的火山岛因弧-陆碰撞而抬升，并受到不同程度的侵蚀，如东部海岸山脉的奇美火山、成广澳火山和都籣山火山；第四阶段随着弧-陆碰撞的进行及岛弧持续向北移动，最北部月眉火山的火山中心已经部分俯冲到欧亚大陆板块之下（图1、3）.

2 台湾中央造山带的关键造山事件和北吕宋岛弧火山活动年龄

2.1　台湾中央造山带的关键造山活动事件

作为台湾弧前盆地的西部边界，南海岩石圈沿马尼拉海沟的起始俯冲、正常俯冲、增生形成中央造山带及造山带的隆升剥蚀等各构造阶段对弧前区及弧前盆地的形成和演化有重要影响. 为了探索它们对弧前盆地发育演化的具体影响，论文综合了雪山山脉、中央山脉和碎屑岩锆石U⁃Pb年龄、低级变质矿物组合年龄、变砂岩中白云母变斑晶⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄、全岩Lu⁃Hf等时线年龄、碎屑岩磷灰石冷却年龄，分别代表南海洋壳起始及正常俯冲年龄、底侵年龄、底侵时长、剥露年龄，以此与弧前盆地演化的事件年龄进行“盆山耦合”分析.

台湾造山带（增生楔）的关键造山事件包括南海板块的初始俯冲、俯冲板片在俯冲通道中的脱耦及持续俯冲、脱耦板片在不同底侵位置的底侵、叠加、增生、增生楔的剥露及抬升等. 南海板块向菲律宾海板块初始俯冲（24.0~17.4 Ma）至持续俯冲阶段（17.4~6.2 Ma）（Chen et al.， 2017；Chen et al.， 2018； Xu et al.， 2022），弧前区也几乎同时发生扩张，该阶段因俯冲板片尚未发生底侵增生，所以弧前区的西部边界仍为相对正常南海板块的俯冲前缘. 南海洋壳和浅层沉积因密度和能干性的不同在俯冲过程中脱耦，其底侵过程分别发生在~6.5~4.1 Ma和6.2~2.5 Ma两个阶段（Sandmann et al.， 2015；Chen et al.， 2016），该阶段因板片底侵，弧前区西部边界性质相较前一阶段发生改变，演变为受底侵板片影响的增厚的俯冲带前缘. 增生造山楔的起始剥露及后续隆升发生在3.0 Ma之后（Lo and Onstott， 1995；Liu et al.， 2001；Chim et al.， 2018），至增生造山带阶段，弧前盆地的西部边界为剥露隆升的增生造山楔. 作为前弧盆地的西部边界，增生楔的形成、剥露和隆升等关键造山事件不但直接影响着弧前区及弧前盆地的边界条件、应力状态，还影响盆地的可容纳空间及沉降速率等，进而形成对弧前区层序基本构型的约束并影响其演化阶段.

2.2　吕宋岛弧火山岩年龄序列

北吕宋岛弧作为台湾弧前盆地的东部边界，其初始深海相喷发、浅海陆相喷发、陆相喷发、息止及抬升剥蚀过程不但使弧前区基底性质发生改变，也导致弧前盆地边界的滚动式干煸，弧前盆地的形成、发展和消亡也影响至深.

本文综合了北吕宋弧的Ar⁃Ar年龄、K⁃Ar年龄、U⁃Pb、Lu⁃Hf等时线、磷灰石和锆石裂变径迹年龄，与弧前盆地演化的事件年龄进行“弧盆耦合”分析，以为了探索吕宋岛弧火山活动及其发展历史对弧前盆地边界性质、可容纳空间及层序样式的影响.

吕宋岛弧火山喷发最早可追溯到晚渐新世（29 Ma）（转引自赖昱铭，2012），洋-洋俯冲期（16.4~14.3 Ma）为主力深海相喷发期，其岩石组合包括枕状熔岩、枕状角砾岩和玄武玻璃质碎屑岩. 深海相火山产物自深海床喷出后遇海水冷却形成特征的枕状结构，均处于挥发分破碎深度（volatile fragmentation depth，VFT）以下. 火山弧深海相喷发建造大部分形成弧前盆地的基底，一部分形成弧前盆地底部火山碎屑岩建造（图3）.

吕宋岛弧浅海相喷发发生在初始弧-陆碰撞期（14.3~6.2 Ma），岩石组合包括火山角砾岩、玻璃质角砾岩和熔积岩，为岛弧火山向上成长至高于挥发分破碎深度且尚未出露海面之前岛弧喷发的产物（赖昱铭，2012）. 岩性相对单一的火山角砾岩爆发后堆积形成的火山岛式向上进一步形成火山碎屑建造的基础，玻璃质角砾岩及熔积岩则堆积在接近海面的火山岛边坡附近（图3）. 火山弧及其浅海相喷发建造一部分形成弧前盆地近弧侧的火山岩建造，更大部分是呈滚动式逐渐形成弧前盆地的东部边界.

吕宋岛弧陆相喷发发生在正常弧-陆碰撞期（6.2 Ma至今），其岩石组合包括中酸性凝灰岩、火山碎屑堆积及凝灰质砂岩等. 由炙热的火山碎屑流堆积而成的中酸性凝灰岩出露在火山层序的顶部（图3），具有特征的塑性变形构造、撞击构造和熔结构造. 白色火山弹或火山角砾岩及熔积岩只存在于酸性凝灰岩中. 火山陆相喷发建造与火山弧浅海相喷发建造的作用相似，一部分形成弧前盆地近弧侧的火山岩建造，更主要的是作为弧前盆地的东侧边界. 也正是弧-陆碰撞才使火山弧抬升至海面并导致其陆相喷发，继而遭受剥蚀. 海岸山脉部分的北吕宋岛弧在6.2~3.5 Ma间由北向南先后停止喷发，其中月眉火山于6.2 Ma、奇美火山于5.0 Ma、成广澳火山和都籣山火山于3.5 Ma停止喷发（Song and Lo， 2002）.

3 台湾弧前盆地的层序的基本构型

弧-陆碰撞区（22°40′N~24°00′N）弧前盆地地层剧烈变形并遭受明显剥蚀，所以本文利用位于俯冲区（20°00′N~21°10′N）正常弧前盆地和初始碰撞区（21°10′N~22°40′N）弱变形弧前盆地地震剖面（分别为地震剖面A和地震剖面B）来解析弧前盆地的基本层序构型，进而探讨其不同阶段的结构特征及演化进程（图1，图2）. 弧-陆碰撞区残余弧前盆地因在弧-陆碰撞背景下受逆冲退覆构造作用显著，地层隆升并遭受变形和剥蚀等，层序基本构型破坏严重，残留地层分布规律将在另文详述（图4）. 依据地震反射轴振幅、连续性、频率、内部结构和外部形态等地震波组特征，弧前盆地地震层序从下向上识别出SⅠ、SⅡ、SⅢ三个超层序（图5）.

底部超层序SⅠ位于T3和T2反射界面之间，地震相外部形态呈近矩形，构成该阶段可容纳空间的基本特征，并整体向东倾斜（图5a）. 依据地震反射的特征，将超层序SI划分为两个层序：下部层序SⅠa为低频强振幅、亚平行-平行、不连续反射结构，基底处呈不连续甚至杂乱反射结构；上部层序SⅠb为高频中强振幅、平行连续反射结构，东侧见少量空白反射（图5a）. 超层序SⅠ的几乎所有的地震反射轴在地堑中呈垂直叠置状态，地堑内各层厚度近似相同，长度也几乎相等，不见横向尖灭、上超和下超等反射现象. 因此，这种矩形的可容纳空间特征很容易让人联想到弧前扩张期的地堑形态. 外部结构整体呈近矩形倾斜的超层序SⅠ中各层相互平行，并与其顶、底界面平行，表明该矩形地堑在沉积时为水平，沉积后由于俯冲板片的底侵作用使其西侧抬升并向东倾斜.

中部超层序SⅡ地震反射特征在盆地西侧表现为退覆和超覆结构组合，总体上呈向西收敛的楔形，局部见杂乱反射；在盆地东侧表现为超覆和披覆特征，局部见有空白反射；在盆地中心表现为连续、水平、平行、厚度近似相等结构特征. 依据超层序SⅡ的地震反射结构特征，可将其划分两个层序——层序SⅡa和层序SⅡb. 下部层序SⅡa较薄，其退覆式进积反射结构特征代表海平面缓慢下降半周期的海退沉积；上部层序SⅡb相对较厚，其超覆式的退积反射特征则代表海平面较快速上升半周期时的海侵期沉积；进积和退积结构的转换面（超层序SⅡ中部的蓝线）又称沉积作用转换面，代表该超层序在最低海面期形成的最大海退沉积界面，该界面也是层序SⅡa和层序SⅡb的边界. 超层序SⅡ西侧的杂乱反射相为海底扇的反射特征，东侧的空白反射结构为港口灰岩的反射特征（图6）（陈文山，2009）. 超层序SⅡ的地层覆盖了超层序SⅠ东部边界之上的一些低矮火山岛，并进一步向东上超披覆到更高的火山岛弧之上，沉积范围远超超层序SI的东侧边界.

超层序SⅢ位于T1和T0界面之间，T1为强振幅高连续反射界面，T0作为弧前盆地的最上部界面，也具有与T1界面相同的反射特征. 依据超层序SⅢ的地震反射结构特征，可将其划分两个层序——层序SⅢa和层序SⅢb. 下部层序SⅢa的地震反射具有高频、平行、连续、高-中等振幅属性，上部层序SⅢb的反射表现为不连续、杂乱、亚平行、高-中等振幅属性（图5，图6）. 超层序SⅢ的厚度从盆地边缘到沉积中心几乎相等，T0和T1之间近乎平行的地震反射同相轴使得超层序SⅢ具有席状外形，披覆于超层序SⅡ之上. 超层序SⅢ的席状等厚特征与超层序SⅡ的单侧楔形外形和超层序SⅠ的总体矩形外形明显不同. 总体上看，超层序SⅢ对凹凸不平的弧前区起到了填平补齐的作用，其东部沉积边界进一步向东拓展，覆盖了更大的火山岛弧面积. 超层序SⅢ西侧的抬升一方面继承了超层序SⅡ的特征，另一方面也是增生造山楔进一步逆冲隆升的结果.

地震剖面B位于剖面A的北部的弧陆初始碰撞区（图1、图6）. B剖面中，地震反射及地震层序除了受逆冲退覆构造作用影响之外，总体与A剖面的总体特征相同，也由3个超层序SⅠ、SⅡ、SⅢ组成，且3个超层序的总体外部形态和内部结构与剖面A也基本相同. 下部超层序SⅠ外部形态呈近矩形，中部超层序SⅡ外部形态呈楔形，上部超层序SⅢ外部形态呈席状. 与地震剖面A不同的是，地震剖面B中超层序SⅠ和SⅡ的厚度稍薄，地震双向走时小，而相应较小的走时代表较浅的地层埋深（图6a）.

4 台湾造山带造山事件和北吕宋岛弧火山活动约束下的弧前盆地演化进程

4.1　南海板块俯冲期弧前扩张阶段弧前区性质及沉积特征

弧前区最下部超层序SⅠ具有近矩形外形、内部反射轴等厚等长垂直叠加、相互近平行并与顶、底界面平行、反射轴无横向尖灭、上超或下超等结构特征，这些特征共同形成较为典型的地堑型裂谷沉积盆地样式，为弧前扩张期裂谷沉积，简称裂谷盆地阶段. 很显然南海板块向菲律宾海板块的初始俯冲及持续俯冲是弧前区初始及持续扩张并形成弧前扩张裂谷的主要力源，因此，弧前扩张期地堑型小洋盆形成及沉积时间的厘定就显得至关重要. 近年来弧前区利吉混杂岩年龄、弧前盆地深海复理石浮游有孔虫年龄、台湾造山带造山事件（变质年龄）等成果数据为弧前扩张期张裂小洋盆形成及沉积时间的厘定提供了可能和便利.

弧前盆地扩张形成的基性和超基性玄武质熔岩流和岩墙群、闪长岩及安山岩建造是层序SⅠa的主要组成部分，基性和超基性玄武质熔岩流和岩墙群、闪长岩及安山岩同时也是利吉混杂岩中超基性岩块的主要组成部分. 利吉混杂岩中辉长岩岩块Nd亏损（Stern， 2002）及LREE亏损HREE富集等特征（本研究，另文）与马里亚纳弧前火成岩的SSZ信号相同，表明其形成于与南海板块起始俯冲相关弧前区的扩张，辉长岩岩块中锆石U⁃Pb平均年龄（17.4 Ma）即为弧前裂谷的初始扩张年龄（耿威等， 2018）. 太原弧前盆地西侧沿图峦山断层和木坑溪分布的深海复理石浮游有孔虫Globorotaliaplesiotumida的首次出现年龄为8.5 Ma（Wade et al.，2011）；乐合弧前盆地层状复理石层序内含有大量浮游有孔虫Globoquadrinadehiscens，其首次出现年龄为22.44 Ma，末次出现的年龄为5.92 Ma（Chen et al.， 2015）. 这些深海复理石沉积中浮游有孔虫年龄与弧前扩张期一致，进一步表明弧前裂谷的存在. 几乎与弧前盆地扩张期同时，北吕宋岛弧深海相和浅海相喷发形成的超基性、基性岩脉杂岩、基性挤压枕状熔岩和块状流、火山角砾岩、硅质侵入岩和火山碎屑岩建造构成图峦山组. 图3中北吕宋岛弧的月眉火山、奇美火山、成广澳火山和都籣山火山介于16.0~6.5 Ma之间的火山建造序列即为弧前扩张期吕宋岛弧火山序列活动的产物（Lai， 2008）. 图峦山组（~15~6.2 Ma）形成时期，台湾弧前地区经历了小弧前洋中脊扩张喷发，同时也接受了深海复理石质沉积. 因此超层序SI形成于弧前扩张期地堑型裂谷发育阶段，为南海板块向菲律宾海板块俯冲导致弧前扩张形成的裂谷层序，形成时间为17.4~6.5 Ma之间.

弧前扩张期裂谷层序（超层序SI）的另外一个明显特征是其西侧的抬升. 超层序SI西侧抬升何时发生？什么事件导致其西侧抬升？地震剖面显示，超层序SⅠ反射轴的等厚等长垂向叠加及相互平行并与顶/底界面平行等结构特征表明，扩张期裂谷超层序SI西侧抬升发生在其形成之后（图5，图6）. 南海俯冲板片的底侵及在底侵区的叠置增厚是扩张期裂谷超层序SI西侧抬升的力源. 随着南海俯冲作用的进行，南海洋壳部分首先于~6.5~4.1 Ma之间在第一底侵区叠置增厚并经历了底侵过程的峰期变质（玉里带的前身），其后南海浅部沉积层于6.2~2.5 Ma之间在第二底侵区叠置增厚也经历了底侵过程中的峰期变质（雪山山脉的前身）（图2）（Sandmann et al.， 2015；Chen et al.， 2016）. 俯冲板片在6.5 Ma的叠加式底侵结束了弧前扩张进程，导致弧前盆地区进入初始弧-陆碰撞阶段，并使弧前盆地西侧抬升. 俯冲的南海板片在底侵区的开始底侵的时间——~6.5 Ma即为裂谷超层序SI初始发生抬升的时间，底侵持续时间为裂谷超层序SI持续抬升阶段. 所以，该年龄既是超层序SI结束沉积、超层序SⅡ开始沉积的时间，又是弧陆初始碰撞的时间，还是导致超层序SI西侧抬升的初始时间.

综上分析，台湾弧前扩张期矩形裂谷层序（超层序SI）形成时间为17.6~6.5 Ma，经历了约11.4 Ma的扩张并接受洋脊玄武岩喷发和深海复理石沉积两个建造阶段，分别形成两个层序SⅠa和SⅠb. 弧前扩张期裂谷的东部边界新扩张洋壳东侧，随着吕宋岛弧火山活动的发生，不断活动并逐渐建造生长的吕宋岛弧为其东部边界；西部边界为新扩张洋壳西侧；扩张裂谷的基底为受南海板块受俯冲作用和吕宋岛弧火山岛喷发影响的地幔. 弧前裂谷于6.5 Ma受南海俯冲板片在底侵区叠置体的阻滞及初始弧-陆碰撞的影响而停止扩张，这些底侵叠置体为后期增生并隆升的雪山山脉和玉里构造带的前身.

4.2　俯冲板片底侵及弧陆初始碰撞阶段弧前盆地性质及沉积特征

南海洋壳俯冲板片底侵（~6.5~4.1 Ma）和南海浅层沉积底侵（6.2~2.5 Ma）过程（Sandmann et al.， 2015；Chen et al.， 2016）及初始弧-陆碰撞导致盆地西侧抬升. 盆地西侧抬升使得可容纳空间由扩张期的地堑型转变为楔形，从而直接导致超层序SⅡ西侧呈向西收敛并略有抬升、向东逐渐撒开的楔形. 本文将该弧前盆地发育阶段称为初始碰撞弧前盆地阶段. 南海洋壳俯冲板片底侵期（6.5~4.1 Ma）和南海浅层沉积俯冲板片底侵期（6.2~2.5 Ma） （Xu et al.，2022）与文献中蕃薯寮组（5.8~3.0 Ma）（陈文山，2009）的沉积时间相同，因此超层序SⅡ即为蕃薯寮组沉积. 蕃薯寮组主要由浅色石英砂岩和页岩组成，含极少量火山碎屑，砂岩的碎屑组分相对单一，以石英为主（陈文山， 2009）. 超层序SⅡ所表现出的海平面变化趋势，即层序SⅡa的海退期进积式沉积和层序SⅡb海进期退积式沉积也与蕃薯寮组野外岩石学调查结果一致层（图5，图6）. 野外调查结果显示，蕃薯寮组下部标志性沉积层，如鳖溪火山碎屑岩（5.6~4.94 Ma）、石梯坪凝灰岩（5.6 Ma）、港口灰岩（5~3 Ma）和含砾泥岩层（~4 Ma）等，均具有明显的海退期浅水沉积特征，构成层序SⅡa海退期进积层序（陈文山， 2009）；蕃薯寮组上部深海复理石、海底扇及其滑塌作用形成的深海岩浊积岩及可进行区域对比的5层凝灰质浊积岩层（Lai et al.，2021）等构成层序SⅡb海进期退积层序.

分析认为在6.5~2.5 Ma之间，南海洋壳和南海浅部沉积层俯冲板片先后在不同底侵位置的底侵. 先期发生的南海洋壳俯冲板片底侵并叠置增厚（6.5~4.1 Ma）导致弧前区西侧隆升，弧前盆地可容纳空间减小，海平面降低，形成层序SⅡa（蕃薯寮组下部）海退期进积结构；稍后发生的南海浅部沉积层在先期底侵体的西侧发生“后退式”叠置式底侵（6.2~2.5 Ma） （Xu et al.，2022），这种“后退式”俯冲板片底侵并叠置的过程导致弧前盆地西侧抬升同时，也使弧前盆地发生弛豫，使其西部边界并向西扩展，弧前盆地可容纳空间增加，海平面上升，沉积范围随之扩大，形成层序SⅡb（蕃薯寮组上部）海侵期退积结构（图5）. 由于俯冲板片在该阶段尚处于叠置式底侵阶段，并未发生增生，台湾造山带在该期尚未剥露隆升，吕宋岛弧隆升至海面之上的部分极少，尚未成为主力供源区，蕃薯寮组物源主要分别来自增厚的南海板块边缘和受俯冲作用影响的菲律宾海板块边缘，物源相对单一，这也是蕃薯寮组沉积岩碎屑组份相对简单并以稳定石英颗粒为主的根本原因.

综上分析，台湾弧前盆地中部楔形超层序SⅡ沉积时间为6.5~3.0 Ma. 由于俯冲板片先后在不同底侵位置的底侵及初始弧-陆碰撞，形成了海平面下降期层序（层序SⅡa）和海平面上升期层序（层序SⅡb）. 因此，超层序SⅡ为初始弧-陆碰撞期层序. “初始弧-陆碰撞”具体指的是尚未隆出海面的叠置式底侵板片与尚未隆出海面的低矮岛弧之间初始远程未接触时的碰撞，而非剥露隆升的台湾造山带与隆出海面的吕宋岛弧的强烈碰撞. 该期弧前盆地的东、西边界分别为吕宋岛弧和因俯冲板片的叠置式底侵而增厚的南海板块边缘；随着蕃薯寮组沉积后半期海平面的上升，盆地东部边界持续向东扩展，超覆在吕宋岛弧先期深海和浅海相相火山喷发建造之上.

4.3　弧-陆碰撞、增生造山楔剥露隆升期弧前盆地性质与沉积特征

最年轻的超层序SⅢ具特征的平行席状外形，从盆地边缘到沉积中心地震反射轴呈平行-亚平行近等厚席状展布，与矩形超层序SⅠ和楔形超层序SⅡ在外部形态和内部反射结构方面均有明显不同. 台湾造山带自3.0 Ma至今隆出海面并遭受剥露，该阶段也是八里湾组（3.0~0 Ma），即超层序SⅢ的形成期. 八里湾组由薄层至厚层浊积岩和海底扇砂砾岩组成，砂砾质碎屑中含有丰富的低级变质岩、橄榄岩、安山岩岩屑和少量火山碎屑等组分，碎屑组分复杂多样. 层序SⅢa（八里湾组下部）为含砾泥岩和凝灰质浊积岩组合，具有连续平行反射属性，其底部广泛分布的含砾泥岩层是与蕃薯寮组进行区分的标志层（陈文山， 2009）；层序SⅢb（八里湾组上部）主要由厚层深海扇砾岩组成，包括底部供源水道扇根亚相厚层砾岩层（5~10 m）、中部扇中亚相厚层扇状砂岩体（3~10 m）和上部扇端亚相薄层泥岩及粉细砂岩浊积层，形成层序SⅢb不连续、杂乱至亚平行反射地震相（图5，6）. 席状超层序SⅢ沉积期，盆地西侧不断隆升的造山带与东侧日益壮大并隆出海面的吕宋岛弧构成了弧前盆地更加宽广的可容纳空间和持续性的物源供应，因此，八里湾组碎屑组分变得复杂多样. ~1 Ma开始至今，弧-陆发生强烈对冲碰撞，相对完整的弧前盆地转化为残余弧前盆地（Huang et al.， 2018）.

综上分析，台湾弧前盆地上部席状超层序SⅢ沉积时间为3.0 Ma~0，为增生楔剥露隆升、吕宋岛弧隆出海面及弧陆正常碰撞期形成的层序. 盆地东部边界为吕宋岛弧，西部边界为已经剥露并持续隆升的台湾增生造山楔. 在俯冲区，因增生楔剥露和吕宋岛弧隆出海面后应力松弛等因素控制了盆地相对均衡沉降形成巨大可容纳空间，导致超层序SⅢ的席状外形（图5）；在碰撞区，受弧-陆碰撞及造山楔逆冲作用影响，SⅢ遭受逆冲挤压发生变形缩短并遭受剥蚀，进入残余弧前盆地演化阶段（图4）

5 结论

台湾弧前盆地形成和演化受台湾增生造山楔和吕宋岛弧火山活动阶段的制约，可分为3个阶段：扩张期矩形裂谷盆地、初始碰撞期楔形弧前盆地和弧-陆碰撞期席状（残余）弧前盆地阶段. 弧前区盆地性质、可容纳空间、沉积特征、层序样式、盆地边界和基底特征随着沟弧盆的演化发生了显著变化.

扩张期矩形裂谷盆地（17.6~6.5 Ma）阶段为地堑型超层序SⅠ发育期. SⅠ总体呈东倾矩形，主要供源体系为洋脊玄武岩喷发和物源来自南海板块边缘深海复理石沉积两种类型. 盆地的东部边界为新扩张洋壳东侧，随着吕宋岛弧火山活动发生，逐渐建造的吕宋火山弧为其东部边界；西部边界为新扩张洋壳西侧；基底为弧前扩张区地幔.

初始碰撞期楔形弧前盆地（6.5~3.0 Ma）阶段为楔形超层序SⅡ发育期. SⅡ由深海复理石、海底扇、深海岩浊积岩及多层凝灰质浊积岩层组成的下部海退和上部海侵沉积组成. 盆地的东、西边界分别为吕宋岛弧和因俯冲板片底侵增厚的南海板块边缘；随着盆地沉积范围扩大，吕宋岛弧早期深海相和浅海相火山喷发建造的一部分也成为盆地基底.

弧-陆碰撞期席状（残余）弧前盆地（3.0 Ma~现今）阶段为席状超层序SⅢ发育期. 盆地的东部边界为吕宋岛弧，西部边界为剥露且持续隆升的台湾增生造山楔. 增生楔剥露和吕宋岛弧隆出海面后应力松弛等因素控制了盆地相对均衡沉降形成了SⅢ的席状外形；（1.0 Ma~现今）受弧-陆碰撞及造山逆冲作用影响，SⅢ受逆冲挤压隆升变形缩短并遭受侵蚀.

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基金资助

国家自然科学基金(91958109)

国家自然科学基金(91958214)

国家自然科学基金(42121005)

中央高校基本科研业务专项(202172003)

国家自然科学基金委员会-山东海洋科学中心联合项目(U1606401)

山东省泰山学者攀登计划(tspd20210315)