南海作为欧亚板块边缘，受到欧亚板块、太平洋板块、菲律宾海板块和印度—澳大利亚板块的相互作用，构造作用、成因及演化仍存在着非常大的争议.马尼拉海沟位于南海东侧，菲律宾吕宋岛和民都洛岛的西侧，近南北向展布，是菲律宾海板块与欧亚板块的分界.马尼拉海沟北部逐渐隐没于台湾碰撞带(吕宋岛弧与欧亚板块边缘碰撞形成)并连接琉球俯冲带，南部与巴拉望碰撞带相接(巴拉望微块体与吕宋岛西南部碰撞形成)(图 1).

图 1

Fig. 1

图 1 研究区及邻区区域构造图 图中矩形框为研究区范围，C.T.：哥达巴托海沟，E.L.T.：东吕宋海槽，N.T.：尼格罗斯海沟，P.T.：帕劳海沟，S.T.：苏禄海沟，Y.T.：雅 浦海沟.左上图中的五条虚线分别代表成像结果中给出的五条剖面的位置，箭头+数字代表俯冲带的汇聚速率，单位mm·a-1，数据来源于Rangin等(1999a)，水深数据来源于Smith和Sand well(1997). Fig. 1 Tectonic setting of the study area and adjacent regions The rectangle denotes the study area.C.T.: Cotabato Trench，E.L.T.: East Luzon Trench，N. T.: Negros Trench，P.T.: Palau Trench，S. T.: Sulu Trench，Y. T.: Yap Trench. The five dashed lines in the left top map denote the location of the five tomographic profiles， and the arrows and numbers denote the convergence rate(mm·a-1)along the subduction zone，which are from Rangin et al.(1999a). The bathymetric data are from Smith and Sand well(1997).

马尼拉海沟形成于中新世欧亚板块与菲律宾海板块之间的俯冲作用，吕宋岛弧的形成也与此有关(Yumul et al., 2003).现今吕宋岛弧最老的钙碱熔岩的K-Ar年龄约为10 Ma，生物地层学年龄约为13—14 Ma，这表明南海海盆扩张停止后马上开始了沿马尼拉海沟的俯冲(Taylor and Hayes， 1983).地质学、火山学及地震学研究表明，吕宋岛弧的火山活动及岩浆成份与一般的岛弧火山相差较大，与南海板片俯冲过程中受到台湾碰撞带、巴拉望碰撞带以及南海海山链等的碰撞阻挡作用有关，多种因素的影响可能导致南海板片在俯冲过程中发生了撕裂(Yang et al., 1996; Bautista et al., 2001).

沿马尼拉俯冲带分布的大量地震事件以及观测台站为层析成像研究提供了足够的数据积累，能够形成良好的数据约束.Besana等(1997)通过反演1957—1992年期间的地震烈度数据获得了菲律宾群岛下的三维衰减构造，低衰减的俯冲板块在菲律宾海沟下至少延伸到290 km，在马尼拉海沟下至少延伸到230 km.Rangin等(1999b)、Lallem and 等(2001)分别给出了两条穿过马尼拉海沟和菲律宾海沟的剖面，它们都表现出南海板片近垂直俯冲的形态，并且板片的顶部与地面不连续，距离约100 km.瞿辰等(2007)、Li等(2009)也都获得了该地区不同尺度的层析成像结果，分别对地幔和地壳结构进行了讨论.

由于该地区构造复杂，虽然已有少量的地震层析成像研究，但由于数据较少，导致成像结果分辨率较低，研究程度不够深入，尤其是缺少关于马尼拉俯冲带较全面的层析成像研究.本文拟利用国际地震中心的P波观测走时数据反演马尼拉俯冲带下的速度结构，借此分析南海板片沿马尼拉海沟的分布形态，以期对该地区的深部结构有一个全面且清晰的认识，深化对该地区构造演化的理解. 2 数据和方法 2.1 数据

研究使用的数据为P波走时数据，来源于国际地震中心(International Seismological Centre，简称ISC)，并经过EHB方法(Engdahl et al., 1998)进行了校正，时间为1960—2008年.研究区范围为118°E—127°E、12°N—21°N，共包括ISC公布的地震台站51个(图 2a).

图 2

Fig. 2

图 2 研究区内的地震台站及区域震震源分布图 (a)为研究区内的地震台站分布图；(b)为研究区内的区域震震源分布图. ELT：东吕宋海槽，MT：马尼拉海沟，PF：菲律宾断层，PT：菲律宾海沟. Fig. 2 Distribution of seismic stations and earthquakes in the study area (a)Distribution of seismic stations in the study area；(b)Distribution of earthquakes in the study area. ELT: East Luzon Trough，MT: Manila Trench，PF: Philippine Fault，PT: Philippine Trench.

P波走时数据包括两部分，第一部分是发生于研究区内、并由研究区内的台站接收到的地震走时数据，属于区域震数据；第二部分是发生于研究区外、由研究区内的台站接收到的地震走时数据，属于远震数据.考虑到海区没有布设地震台站，所以在挑选区域震数据时遵循以下原则：(1)每个地震事件被记录到的地震台站超过5个；(2)P波到时精度大于等于0.1 s；(3)每个地震事件的观测走时残差小于5.0 s.根据以上原则，共挑选出区域地震事件1372个(图 2b)，P波到时数据12582个.

在挑选远震事件时遵循以下原则：(1)距离研究区中心的震中距在25°～110°之间，以避免研究区外核幔边界和上地幔对射线走时的影响；(2)每个地震事件的地震台站记录数目大于等于5个；(3)P波到时精度大于等于0.1 s；(4)每个地震事件的观测走时残差小于5.0 s.根据上述原则，共挑选出2129个远震事件(图 3)，14799个P波到时数据.

图 3

Fig. 3

图 3 远震震源分布图 Fig. 3 Distribution of teleseismic events used in the study

研究区内初始模型的选取参考CRUST2.0(Bassin et al., 2000)、IASP91(Kennett and Engdahl， 1991)和WPSP01P模型(Wright and Kuo， 2007; Wright，2009).根据CRUST2.0模型以及前人的 研究成果(Dimalanta and Yumul， 2004)，选定的地壳初始速度模型为：上地壳18 km，速度为5.8 km·s^-1，下地壳厚度为17 km，速度为6.8 km·s^-1.WPSP01P模型是Wright根据台湾地震台网BATS和CWB记录到的菲律宾及其邻区的地震P波走时得到的菲律宾地区0~800 km深度的P波速度结构.该模型显示，由莫霍面至210 km深度的P波速度近似呈线性递增，与IASP91模型差异较大.故本研究的初始模型采用WPSP01P模型中莫霍面至210 km 的速度结构，210 km以下采用IASP91模型的速度结构.三条间断面分别设置在18、35、410 km深度，如图 4所示.

图 4

Fig. 4

图 4 初始速度模型示意图 其中红色实线为本文中采用的初始速度模型，蓝色实线为IASP91速度模型，绿色实线为WPSP01P速度模型. Fig. 4 Initial model of P-wave velocities The red line denotes the initial model taken in the paper，blue and green ones denote the IASP91 and WPSP01P models，respectively.

地震层析成像方法为Zhao等(Zhao et al., 1992; Zhao et al., 1994)的TOMOG3D近震远震联合反演程序.该方法采用三维网格节点化方法进行模型参数化，模型空间内任一点的速度可由其周围八个网格节点的速度进行线性插值求取.初始模型中允许引入间断面，既可以有效地减少到时残差，又可以充分利用间断面上的转换波信息，提高计算精度.正演计算采用伪弯曲算法和斯涅耳定律，在连续变化的速度空间内，采用伪弯曲算法，在间断面处根据斯涅耳定律应用两分法求取射线路径与间断面的准确交点，同时保证了计算速度和精度.反演采用LSQR(Paige and Saunders， 1982)算法求解最终结果.

走时数据的空间分辨率受限于波长.P波走时 数据在地幔中的主频大约为1 Hz，波长约为10 km，因此在上地幔中能够识别的构造尺寸为30~80 km，在下地幔则为100~200 km.根据挑选出的研究区内的台站以及区域震和远震震源分布，本研究分别在5、20、50、100、150、200、250、300、400、500、600、700 km深度设置网格节点.

为评估成像结果的可靠性，首先进行了0.5°×0.5°网格剖分的检测板测试(图 5).检测结果表明，在5 km深度由于海区缺少地震台站而缺乏足够的射线穿过，仅在陆地及周边区域有较好的分辨率，在20~400 km的范围内，研究区内除东北部以外的大部分区域射线交叉覆盖较好，分辨率较高，但仍有部分网格点恢复较差.而在500 km深度以下，吕宋岛下部由于缺少远震射线分布，分辨率较低，仅东部海区分辨率较高.

图 5

Fig. 5

图 5 网格剖分为0.5°×0.5°的检测板测试 Fig. 5 Checkerboard test results with a grid spacing of 0.5°×0.5°

Lévěque等(1993)通过不同模型的试验表明即使网格较小的检测板测试结果较好，也无法保证网格较大的检测板测试取得同样好的结果.因此，为进一步验证成像结果的可靠性，进行了0.7°×0.7°网格剖分的检测板测试(图 6).测试结果表明，5 km深度的恢复效果要优于0.5°×0.5°网格剖分的检测板结果，而其余深度两种网格剖分的结果相似，尤其是深度大于500 km，吕宋岛下部的分辨率较差，这与射线分布情况是一致的(图 7).

图 6

Fig. 6

图 6 网格剖分为0.7°×0.7°的检测板测试 Fig. 6 Checkerboard test results with a grid spacing of 0.7°×0.7°

图 7

Fig. 7

图 7 研究区内的射线分布图 Fig. 7 Ray distribution in the study area

经过反演迭代，P波走时残差由1.46 s减少到0.74 s(图 8).图 9和图 10分别展示了水平网格剖 分为0.5°×0.5°、穿过马尼拉海沟的五条剖面(14°N、 15°N、16°N、17°N和18°N)及在不同深度切片上的成像结果.根据地震分布判断，反演结果中的高速异常分别代表俯冲的南海板片和菲律宾海板块.

图 8

Fig. 8

图 8 反演前后的走时残差分布图 Fig. 8 Travel-time residuals distribution before and after inversion

图 9

Fig. 9

图 9 过不同剖面的成像结果 图中各缩写名称分别代表：M.T.：马尼拉海沟，E.L.T.：东吕宋海槽，P.T.：菲律宾海沟，SCSs：南海板片，PSP：菲律宾海板块. Fig. 9 Tomographic profiles on different profiles M.T.: Manila Trench，E.L.T.: East Luzon Trough，P.T.: Philippine Trench，SCSs: South China Sea slab，PSP: Philippine Sea Plate.

图 10

Fig. 10

图 10 不同深度切片的成像结果 其中，SCSs代表南海板片，PSP代表菲律宾海板块. Fig. 10 Tomographic images at different depths SCSs: South China Sea slab，PSP: Philippine Sea Plate.

在剖面AA′(18°N)中，南海板片在122°E附近 以近垂直角度俯冲到近700 km深度，其顶面与地面距离约为70 km.该纬度附近、122°E处有一座活火山—加瓜火山，位于垂向分布的高速异常体上方，火山下方有低速体分布，可能与加瓜火山的形成有非常密切的关系.海沟与垂向分布的高速异常体之间分布有较大范围的低速异常，这可能是由于古洋脊俯冲后发生部分熔融所致.

在剖面BB′(17°N)中，南海板片以较小角度俯冲到300 km深度，与震源的分布一致.高速异常并不连续，在100 km深度发生断裂，高速异常的上部与下部各有低速异常分布，这可能与南海古洋脊的俯冲有关.由于洋脊的构造薄弱性，带有洋脊的板块俯冲后，板块下方较热的软流圈沿薄弱的洋脊向上蔓延，使得洋脊处板块的温度升高从而导致高速异常的不连续.

在剖面CC′(16°N)中，南海板片在200 km深度以上的俯冲角度较小，而在200 km深度以下突变为大角度俯冲，俯冲深度约为400 km.200 km深度以上的小角度俯冲可能是受到洋脊俯冲的影响，由于洋脊的浮力作用使得俯冲板块抬升.在122°E—123.5°E、20~100 km深度之间的高速异常代表沿东吕宋海槽俯冲的菲律宾海板块，较小的俯冲深度表明现今的东吕宋海槽活动性较弱，可能是残留的古东吕宋海槽(Hamburger et al., 1983).

在剖面DD′(15°N)中，南海板片的俯冲角度较大，俯冲深度达到500 km左右.一个比较明显的特 征是高速异常并不连续，在200 km深度出现间断，可能是受到古洋脊俯冲及吕宋岛逆时针旋转的共同影响，其具体原因仍有待进一步研究.在122°E—125°E之间、150 km深度以上存在一个近水平分布的高速异常体，可能是沿菲律宾海沟俯冲的菲律宾海板块.由于海沟北部本哈姆海台的浮力作用，使得菲律宾海板块的近水平俯冲(Martinod et al., 2013)，也可能是由于剖面与海沟的斜交影响了俯冲形态的准确成像.

在剖面EE′(14°N)中，南海板片以大角度俯冲到400 km深度，向东表现为近水平展布于300 km深度附近，并延伸到123°E.南海板片的近垂直俯冲部分与近水平俯冲部分可能是分离的，但由于分辨率较低而在成像结果中表现为连接在一起.东侧高速的菲律宾海板块俯冲形态与剖面DD′(15°N)相似，表现为近水平俯冲，同样可能是由于剖面与海沟的斜交而造成的.在20 km~150 km深度范围内，120°E—124°E之间有一个低速体，位于俯冲的南海板片的上方，应是属于俯冲引起的地幔楔对流，可能与吕宋岛麦克劳德火山走廊(图 1)的形成有关.相关地球化学的研究表明(Ku et al., 2009)，麦克劳德火山走廊正在向西南向偏移，可能是由于板块俯冲角度的增大.剖面EE′显示了南海板片近垂直俯冲的形态，以及由俯冲引起的近于垂直的地幔楔.

在50 km深度切片上，西侧的高速异常代表沿马尼拉海沟俯冲的南海板片，呈近南北向分布，与马尼拉海沟大致平行，在16°N附近有断裂趋势.东侧的高速异常代表了沿菲律宾海沟和东吕宋海槽俯冲的菲律宾海板块，表现出与海沟平行的展布形态.在17°N以北缺少菲律宾海板块的高速异常，与地震活动性分布一致，说明东吕宋海槽仅在南部具有活动性.

在100 km深度切片上，西侧的南海板片在16°N 以南呈南北向分布，仍与马尼拉海沟大致平行；而在16°N以北，南海板片向东偏移，呈北北东—南南西走向分布.菲律宾海板块仅分布于15°N以南，进一步说明了东吕宋海槽仅在南部具有活动性.

在200 km深度切片上，西侧沿马尼拉海沟的南海板片表现出与100 km深度相似的形态，但在16°N以南分布面积有所增加.东侧缺少菲律宾海板块的高速异常，说明菲律宾海板块沿菲律宾海沟的俯冲深度较小，俯冲时间较短. 3.2 410 km间断面的抬升

一个比较引人注意的特征是，俯冲的南海板片在14°N附近、200~350 km深度表现出水平展布的趋势，与其他地区俯冲板块在地幔转换带堆积(Fukao et al., 2001; Widiyantoro and van der Hilst，1997)不同，这可能与俯冲的南海板片年龄较小有关.Wright(2009)通过研究菲律宾地区地幔P波速度结构发现，与全球平均的410 km间断面不同，该区域410 km界面抬升到325 km，可能意味着在325 km深度以下存在一个近水平的板块，它可能是残留的东向俯冲的南海板片，由于太年轻而没有下沉到地幔转换带.本文的成像结果仅在14°N剖面上显示出上地幔水平延伸的板块，而且深度是在325 km深度以上，与Wright的结果相差较大.

菲律宾海板块的运动方向在8 Ma左右由近北向转变为北西向，并且由于菲律宾活动带与欧亚板块在巴拉望岛处的碰撞，减缓了南海板片的俯冲速度.南海板片的年龄较小，俯冲后表现出较大的浮力，但相对周围地幔的温度仍较低，同时俯冲时间也较短，因此尚未有足够的时间下沉到更大深度，从而导致410 km间断面的抬升.另一方面，吕宋岛下是 否存在较大范围的410 km间断面的抬升，以及410 km 间断面的抬升与马尼拉俯冲带各构造单元及南海板片俯冲演化的构造关系，仍需进一步研究. 3.3 南海板片的撕裂

在剖面EE′中，南海板片以近垂直角度俯冲至400 km深度左右，进而转向近水平展布，整体俯冲趋势与震源分布相差较大.地球物理(Wright and Kuo， 2007; Wright，2009)及地球化学(Ku et al., 2009)的相关证据表明，南海板片在由近垂直俯冲转向水平俯冲时可能已发生断裂，成像结果也表现出高速异常沿震源向下延伸分布的趋势.由于分辨率的原因导致已经撕裂的南海板片仍表现出与残留的、近水平分布的南海板片连接在一起.另外，在震源分布平面图上(图 2b)，14°N附近存在一个北东方向延伸的地震空白带，正位于海沟的弯折处，这进一步说明板块发生了撕裂.由于菲律宾活动带与巴拉望微块体的碰撞，导致此处俯冲汇聚速率的降低，因此南海板片的俯冲角度增大至近垂直角度而导致板片的撕裂.

穿过17°N的剖面与18°N的剖面所表现出的板块俯冲形态相差较大，由小角度俯冲变为近垂直俯冲，以及深度切片中，100 km和200 km深度的南海板片北部与南部相比发生了东向的偏移，可能意味着南海板片在俯冲过程中发生了撕裂，撕裂位置位于17°N与18°N之间的古洋脊.但由于分辨率的问题，深度切片上并未表现出高速异常的明显断裂.前人研究(Yang et al., 1996)发现吕宋岛弧第四纪以来的火山较中新世以前的火山相比发生了东向偏移，且两者的岩浆化学成份相差较大；另外地震活动性及震源机制解(Bautista et al., 2001)也存在较大差异，都可由南海板片沿古洋脊轴线发生撕裂来解释.根据平行于海沟的重力异常计算得到的板块耦合比(Hsu et al., 2012)，表明南海古洋脊处为构造应力薄弱带，易于发生撕裂，并且由于板块撕裂而在洋脊附近产生较高的热流值(Shi et al., 2003). 3.4 南海板片的俯冲历史

根据上述成像结果和由GPS得到的板块俯冲速率(Rangin et al., 1999a)(图 1)，我们可以计算得到南海板片沿马尼拉海沟俯冲的长度和时间.板片俯冲长度可以根据俯冲板片与海沟在水平和深度方向上的距离利用勾股定理计算得到，于是，18°N的板片俯冲长度约为822 km，17°N约为656 km，16°N约为598 km，15°N约为669 km，14°N约为680 km.由于只有三个位置的俯冲速率值，因此在 计算各纬度的俯冲速率时，假定各点之间的俯冲速 率呈线性变化.通过计算，分别得到18°N附近的俯冲速率约为93.83 km/Ma，17°N附近约为79.89 km/Ma，16°N附近约为65.95 km/Ma，15°N附近约为52 km/Ma和14°N附近约为44 km/Ma.假定南海板片俯冲过程中各点的俯冲速率基本不变，根据俯冲板片的长度和俯冲速率，得到18°N的板片俯冲时间约为8.76 Ma，17°N约为8.21 Ma，16°N约为 9.06 Ma，15°N约为12.86 Ma，14°N约为15.44 Ma.

虽然根据上述假设计算得到的板块俯冲长度和时间有一定的误差，不够完全准确，但我们仍能得出以下有意义的结论：

(1)在14°N附近，南海板片的俯冲时间约为15.5 Ma，这与南海扩张停止的时间(15—17 Ma)相吻合，同前人关于南海停止扩张后即发生俯冲的结论相一致.

(2)由南向北，南海板片的俯冲时间逐渐缩短，说明沿现今的马尼拉海沟的俯冲是由南面开始，逐渐向北扩展，这主要是受菲律宾海板块的西北向运动所控制.

(3)根据各纬度剖面计算出的南海板片的俯冲长度可以推测，俯冲之前的南海板片的面积大约是现今南海板片面积的两倍；(4)16°N、17°N和18°N的板块俯冲时间相差不大，可能在8—9 Ma同时发生俯冲，应该是受菲律宾海板块运动转向(由近北向转为西北向)所致. 4 结论

根据P波走时数据反演了马尼拉俯冲带的地壳及上地幔速度结构，显示了不同位置的南海板片的俯冲形态.受多种因素的影响，南海板片在各纬度的俯冲形态差异较大.在14°N的南海板片以近垂 直角度俯冲到400 km深度，然后近水平延伸到 123°E附近，与震源分布差异较大，可能表明410 km 间断面发生了抬升.在15°N和16°N之间，南海板片俯冲角度较大且深度达到400 km左右.在17°N，南海板片的俯冲角度与深度都小于南部，而在18°N，南海板片以近垂直角度俯冲至地幔转换带.不同纬度的俯冲形态各不相同，意味着南海板片在俯冲过程中可能分别在14°N和17°N附近发生了撕裂.根据成像结果推测了不同位置南海板片的俯冲长度和时间，发现14°N的俯冲时间与南海扩张停止的时间相吻合，以及南海的俯冲由南向北扩展，同时南海板片俯冲之前的面积为现今面积的两倍.