20世纪70年代，Molnar和Tapponnier(1975，1977)^{[1， 2]}提出亚洲大陆的许多新生代构造特征可以用印度-欧亚大陆碰撞的效应解释.他们认为欧亚东边缘是自由边界，因碰撞-挤冲效应使大陆地壳块体沿大的走滑断层向东移动，导致边缘海盆地的形成.1995年，Northrup等^[3]对此提出质疑，指出欧亚东边缘的伸展变形在白垩纪末就开始了，比印度-欧亚大陆碰撞早10~20 Ma, 因此大陆碰撞不是上述伸展的唯一原因，并认为当太平洋板块相对于欧亚板块的运动速度减慢时，可能因水平挤压应力的减小，造成欧亚东部边缘的伸展.最近，Royden等^[4]把西藏中部岩石圈的向东挤出与太平洋、菲律宾、印度洋俯冲边界的海沟后退相联系，其主要标志是印尼(早新生代)、中国南海和东海(始新世-渐新世)、日本海(早中新世)的伸展变形；而在过去的15~20 Ma, 西藏的块体挤出没有继续，同时上述地区的俯冲板片后退和板块上部的伸展也已减慢或结束了.石耀霖等^{[5， 6]}推测，新生代日本海的扩张和中国东北地区的火山活动，与太平洋板块俯冲时的海沟后撤引起的深部动力过程有关.这些研究涉及复杂的地质历史，需要考虑这些板块自身的演化及它们之间边界位置的变化，有许多未知或不确定性因素.例如，现在的菲律宾海板块位于太平洋与欧亚之间，而它是相对年轻的板块，周边都是俯冲带，过去的形状和位置很难推测或复原^[3].大约自15 Ma以后，除了琉球海沟及其相邻的冲绳海槽，欧亚东缘其它大部分俯冲带的后退及弧后扩张已停止^[4].在这种情况下，太平洋和菲律宾海板块的西向运动对欧亚大陆产生什么样的影响，仍是未解决或有争议的问题^[7].

近年来的GPS 观测揭示了大尺度的地壳水平运动状态，在全球参考框架(ITRF1997)中，太平洋板块西部、菲律宾海板块正分别以70 mm/a 和50mm/a向北西西方向移动，而欧亚大陆东部以30mm/a向东南移动(图 1)^[8]，它们沿长达几千km的海沟-岛弧形成运动方向相反的洋、陆汇聚边界.地震震源深度和地震层析成像表明，这个边界是大洋板片(slab)向西(欧亚大陆)的俯冲形成的带状结构^[9]，俯冲板片的倾角和深度随俯冲带的位置改变.这样的现今地壳运动图像与基于古地磁、海洋地质的全球板块运动模型基本一致^[10]，是过去3 Ma以来稳定的运动状态的继续，而这一时期的板块边界位置、总体构造格局没有大的改变.本文从这个时间尺度，利用运动图像、变形特征、应力状态、深部结构等，描述和分析欧亚大陆东边缘的板块汇聚及其对大陆内部构造的影响，重点是日本岛弧、琉球岛弧、台湾和菲律宾群岛(图 1).本文分析说明，这些地区存在不同形态的双向板块汇聚.虽然太平洋、菲律宾海板块仍在以很大速率向欧亚移动，但除了台湾岛外，几乎整个弧后边缘海及大陆东部都没有出现现代挤压构造变形，总体上仍保持晚新生代以来的向东伸展态势，这个特征与其它板块汇聚边界有很大差别，如沿喜马拉雅山脉的印度-欧亚边界和沿安第斯山脉的太平洋-南美洲边界.是哪些因素造成这样的板块汇聚格局?欧亚大陆为什么向东移动?动力机制是什么?本文试图在前人研究基础上，结合最近的GPS、地震层析成像等新数据，对上述问题做一些探讨.

图 1

Fig. 1

图 1 亚洲东部相对于全球参考系(ITRF-97)的GPS 速度分布[8](用箭头和数字表示，单位:mm/a).部分陆地测站名称:irkt=伊尔库茨克，VLAD =符拉迪沃斯托克，bifs=北京，SHAO=上海，xian=西安，SOIR= 澎湖岛，IISC=班加罗尔.剖面AA'，BB'，CC'(见图 2) 分别穿过日本岛弧、琉球岛弧和菲律宾群岛的中部 Fig. 1 GPS velocity distribution of east Eurasian relative to global reference system ( ITRF-97) ( unit: mm/a).part of land station name: irkt = Irkutsk, VLAD = Vladivostok, bigs = Beijing, SHAO = Shanghai, xian = Xi'an, SOIR=Penghu Island, IISC = Bangalore.AA'，BB'，CC' separately cross Japan arc, Ryukyu arc and central Philippines

沿千岛群岛和日本本州岛的东侧，太平洋板块正以不同倾角向欧亚板块俯冲.在本州东部的日本海沟，震源分布显示的消减板片(和达-本尼奥夫带)平均厚度大约80~100km^[9]，倾角29°，下插的最大深度接近600km.地震层析成像揭示的高速异常体大致与这样的几何形态一致，但空间范围更大，向下延伸到660km 的上、下地幔界面，并似乎停滞在那里^[7](图 2).但从震源三维分布推测，俯冲的太平洋板片可能不是平直的，而是一个向下的部分圆锥面，其前端位于中国吉林省珲春地区的下方，即发生深源地震的地带(图 3).

图 2

Fig. 2

图 2 欧亚东缘太平洋、菲律宾海板块向大陆的俯冲 (A)沿北纬43°、39°、30°的东西向P波速度扰动剖面，位置见CB)；蓝色代表髙速区，小圆圈是震源(据[9])；(C)亚洲东部边缘俯冲板片示意剖面.剖面位置见图 1，虚线表示地震层析成像的推测，箭头表示板块移动方向. Fig. 2 Subduction of Pacific and Philippine Sea plates beneath Eurasia (A) East-west verticai cross sections of P-wave velocity perturbations along latitudes 43°，39° and 30° Locations see (B)； Blue is highvelocity, small circles are hypocenters (after [9]) ； (C) Schematic profile of subduction slab at east edge of Asia.Protle location see Fig.1.dotted line is seismic tomography speculation, arrow is the direction of plate movement

图 3

Fig. 3

图 3 日本岛弧东北部俯冲板片三维结构示意图 (根据[11]修改) Fig. 3 Schematic three-dimensional structure of subduction slab at northeast part of Japan arc (modified after[9])

太平洋板块的北西向运动和俯冲，对从北海道到本州的日本东北部产生SEE-NWW 向挤压.向西约150km, 即是日本海的东边缘，从平行于海岸的褶皱、逆断层以及地震断层面解看，那里也同样是SEE-NWW 向挤压变形^[10].但这样的变形并不完全是太平洋板块西向运动的结果.因为GPS 测量表明，相对于欧亚大陆，北海道到本州东北正以3~5mm/a向西运动，而其日本海一侧(属于欧亚板块)正以几个mm/a至1cm/a向东移动，显示双方向移动的板块汇聚.有些研究者认为，从贝加尔到日本海东缘，是独立于欧亚的阿穆尔板块，其北界是近东西走向的斯塔诺夫山脉，那里有左旋走滑断层；而南边界可能是秦岭-大别山^[12].GPS 数据表明，阿穆尔板块正以很小的速率整体地向东移动(图 1)，在日本海东缘与本州岛碰撞，产生向东的挤压.此外，新生代以来贝加尔的裂谷张开，从蒙古到中国东北和日本海的火山，以及日本海在30~12 Ma期间的弧后扩张，都是可能与地幔热异常有关的深部过程^[13].在更西部的哈萨克斯坦和西伯利亚稳定陆块的阻挡下，上述热扩张产生向东的伸展及相应的拉张应力，这样的应力在岩石圈内可保持很长地质时间(108~109 年)^[14]，可能是贝加尔以东的亚洲大陆(阿穆尔板块)向东移动的部分动力来源.

北纬35°以北，日本岛弧是北东或近南北走向；往南，即本州西南、四国岛与九州岛等，转变为近东西或北东东走向，东南侧是平行的南海海槽，长度约700km, 在那里朝北西向运动的菲律宾海板块向欧亚俯冲.构造变形、地震机制解表明，西南日本处于挤压状态，其以北是日本海西南部及朝鲜半岛，那里有沿N50°E 方向排列的火山群和高热流异常，显示NW 向的拉张.同时，GPS 数据显示朝鲜半岛正向东南移动，如相对于ITRF-97(全球)参考系，测站汉城的向东、向南速度分别是27.8mm/a和14.2mm/a.这些事实说明，日本岛弧的西南段与其东北段相似，都是位于双向运动的洋、陆板块汇聚边界.在日本海的东部和东南部边缘，北西向板块俯冲产生的水平挤压力与欧亚大陆向东移动相平衡.

浅源大地震(M＞6)主要分布在岛弧陆地，在弧后的日本海以及西边的大陆地区，地震活动性明显减小，反映太平洋板块俯冲产生的水平向挤压和弹性应变集中在板块边界附近，形成较窄的板间地震带，而没有向欧亚大陆内部扩散.例如，根据东北日本100多年的地震记录，沿日本海沟每隔30~50年发生一次7.0~8.3级的逆冲型大地震，而在其西边的日本海内部，大地震次数明显减少，震源机制解大多是走滑断层.这可能是因为俯冲带来的运动能量大部分分配到消减板片内部及其与上覆板块的接触面内，所产生的向西水平向应力较小.

从日本九州岛的东南到台湾岛的东边，是1200km长的向东南突出的弧形琉球海沟，它与西侧的走向平行的琉球岛弧和冲绳海槽组成一个构造系统，是欧亚大陆与菲律宾海之间的边界带.海沟北段(126°E以东)是NE 走向，其东北端与日本西南的南海海槽相连；南段(123°E 与126°E 之间)变为EW 向，与台湾岛正交(图 4).海沟的西坡是大陆性质的琉球岛弧外带(非火山带)，构造上属于欧亚大陆的东边缘；东坡是菲律宾海板块地壳.琉球海沟及其西侧的最大地震是5~6级，震源深度分布显示，向北西运动的菲律宾海板块俯冲到琉球岛弧下面，俯冲板片倾角55~70°，最大深度不超过300km, 而地震层析成像研究推测，俯冲板片的前端可能已达600~700km深度^{[9， 15]}(图 2).

图 4

Fig. 4

图 4 台湾岛附近的海沟.COB是洋陆边界线，锯齿线是海沟，空心箭头是板块运动方向. Fig. 4 Trench near the island of Taiwan.COB is continent-ocean boundary, zigzag lines are trenches, open arrows are directions of plate motion.

在126°E 以东和24°N 以北，震源机制解反映的应力状态在海沟是正断层型，表明NW-SE 向拉张；岛弧区是逆断层和走滑断层型，显示NW-SE 向挤压；再向西，冲绳海槽的浅源地震都是拉张变形.地质证据表明，上新世末(2 Ma前)，冲绳海槽开始向东南扩张，同时琉球岛弧隆升，琉球海沟向大洋方向后退，这样的运动一直持续到现今.根据热点参考系中板块绝对运动量的分析，海沟的平均后退速率大约是20mm/a^[16].从1995~1998年琉球岛弧上3个测站的GPS记录分析看，整个岛弧以速率4.5cm/a相对于欧亚大陆向东南移动，中部和北部向东的分量较大，而西南部向南的分量占优势，运动方向与弧的走向相垂直，与冲绳的扩张方向一致^[17].

冲绳海槽西边，是中国东海大陆架盆地，它曾经是与琉球俯冲带有关的弧后盆地，15 Ma时停止扩张^[18]，其现今构造运动表现为大面积缓慢的均匀沉降，地震反射剖面显示，下第三系内有高角度正断层，上第三系和第四系地层没有强烈变形迹象^[19].盆地内地震活动性低，几乎没有5级以上地震；钻孔井壁崩落特征分析表明，水平向差应力(或剪应力)值很小^[20].该地区的NE 向沉降带与隆起带相间的格局是早期构造运动留下的，现代时期冲绳海槽张裂沉降时，因地壳均衡补偿机制，使其西侧的钓鱼岛隆褶带抬升，这种效应仅是局部的垂直运动，对整个东海陆架盆地没有明显影响^[19].再向西北，黄海、渤海及华北地区的现今构造都没有受菲律宾海板块俯冲影响而产生的挤压变形现象；这些地区地震机制解(走滑断层)反映的最大主压应力方向是NEE-SWW，可能与印度-欧亚板块汇聚的扩散应力有关^[2]；最小主压应力是NNW-SSE，与GPS 显示的中国大陆东部的移动及琉球俯冲带中、北段的后退方向一致.

根据震源分布和地震层析成像，在台湾岛南边存在马尼拉海沟以及沿海沟东倾的南海板片，它向北延伸，穿过台湾岛西边缘(图 5)，表明欧亚板块向菲律宾海板块下方的俯冲，这是第1 种板块汇聚形态.GPS观测显示，台湾岛(纵谷以西)正相对于欧亚大陆以20 mm/a的速率向东移动^[21]，位于台湾岛西侧的澎湖列岛也在向东移动^[6](图 1).在台湾岛的东侧，被海水淹没的吕宋弧向北延伸，台湾岛的海岸山脉是该弧的出露部分，台湾岛上的纵谷与琉球海沟是欧亚与菲律宾海板块之间的部分边界^[18].从1990~1995 年的GPS 观测看，位于台湾东南的兰屿岛测站相对于澎湖岛以80~83mm/a沿N306°移动^[21]，表明北西方向菲律宾海板块的运动，产生另外2种汇聚形态:向西的分量使吕宋弧与台湾岛碰撞，形成年轻的造山带以及台湾岛上的EW 向挤压变形，包括岛的西部沉积沿山麓地区的大量逆冲断层和褶皱(图 5)，以及遍布整个台湾岛的地震活动；向北的分量使菲律宾海板块本身在台湾东边沿琉球海沟向北边的琉球岛弧俯冲，导致冲绳海槽的NS向伸展^[22-24](图 6，7).

图 5

Fig. 5

图 5 左图:穿过台湾中、南部的震源分布剖面，显示欧亚大陆沿马尼拉海沟向东俯冲.右图:台湾岛及其附近地区的构造与动力环境.OCT是洋陆转换边界线，B是推测的洋陆边界线延伸，A是冲绳海槽扩张前欧亚-菲律宾海板块边界，粗黑锯齿线是海沟，细锯齿线逆断层.(1) 一(3)是图 6中剖面位置. Fig. 5 Left:Cross sections of seismic hypocenters through central and south Taiwan, showing eastward subduction of the Eurasian plate.Right:Tectonic and dynamic environment in and around Taiwan.OCT = Ocean-continent transfer boundary B= Putative ocean-continent boundary line extension, A= Eurasian-Philippine plate boundary before expansion of the Okinawa Trough.Thick-black zigzag lines are trenches.

图 6

Fig. 6

图 6 台湾岛附近俯冲板片剖面示意图，剖面位置见图 5.EU=欧亚，PHS=菲律宾海 Fig. 6 Subduction slab schematic profile near Taiwan, profile location see Fig.5.EU= Eurasian, PHS= Philippine Sea

图 7

Fig. 7

图 7 台湾岛附近俯冲板片三维几何示意图[19] (EUR=欧亚，PSP=菲律宾海，TW=台湾( Fig. 7 Schematic three-dimensional geometry of subduction slab near Taiwan EU=Eurasian, PSP= Philippine Ocean, TW=Taiwan

台湾地区的构造变形和地震活动分布主要集中在马尼拉海沟以东，与板间地震带相似.台湾海峡的东半部与台湾岛西部山麓共同构成前陆盆地，接受源于台湾造山带的沉积，地壳弯曲沉降；海峡的西半部仍然是大陆架，接受源于华南大陆的沉积物.向西经过台湾海峡，到福建沿海地带，构造变形和地震活动的强度迅速减小.GPS 数据表明，华南陆块类似刚性体向东南移动，NE 向与NW 向断层的滑动速率很小，大部分地区地震活动性较低，最大地震为5~6级.这些现象似乎表明，菲律宾海板块运动产生的水平挤压应力大部分被台湾岛吸收，对隔海相望的华南地区影响轻微.

台湾岛南边，欧亚与菲律宾海板块之间的边界是NNW 向的菲律宾群岛.这个由7000多个岛屿组成的群岛总长约1500km, 最大宽度约500km, 两侧有多个不连续的海沟(图 8)，地震震源分布显示不同形态的板片俯冲.在群岛北部，吕宋岛西侧是近NS走向、长达900km 的马尼拉海沟，中国南海的大洋岩石圈板片沿海沟向东俯冲，倾角约50°，最大深度250km.地震层析成像表明，以高速异常为特征的俯冲板片已下插到300km 深度^[19].群岛的东侧，沿1000 多km 长的菲律宾海沟，菲律宾海板块向西俯冲，倾角30°，最大深度不超过200km.巨大的菲律宾左旋走滑断层从菲律宾群岛中间穿过，表明菲律宾海板块相对于海沟是斜向俯冲运动，其向北的分量使板块继续北移，直到沿琉球海沟的西南段转为向北俯冲；它的向西的水平分量则使群岛的陆壳受到EW 向挤压，表现为地震的逆断层机制^[25].从构造上看，菲律宾群岛是菲律宾海板块与欧亚板块之间的过渡带，几乎全部吸收了菲律宾海板块斜向俯冲运动所造成的变形.

图 8

Fig. 8

图 8 菲律宾群岛及其附近的构造[5] Fig. 8 Construction of the Philippine Islands and the surrounding

现在的南海是被动型边缘海，其东半部是洋壳，西半部是大陆的延伸(图 4)，整个海区保留了新生代海底扩张的效应，具有薄地壳、高热流、正断层的特征.1994-1998 年在东南亚开展的GPS 测量表明，包括南海及邻近的中南半岛、加里曼丹岛等的巽他陆区(Sundaland)是构造稳定的块体，晚第三系和第四系沉积盖层的变形很小，所有切割新生代的主要断裂都是正断层，大地震也很少.整个地区正以12±3 mm/a 的速率(相对于欧亚大陆)向东移动^[26]，有人推测可能与大陆碰撞后印度板块继续向北俯冲挤入所派生的华南陆块的向东南挤出有关^[4]，但也有人认为是因受到向大洋方向的拉张应力作用而产生的结果.

虽然在各岛弧附近俯冲板片的形态不同，总体上欧亚板块东缘是双方向的汇聚，即太平洋、菲律宾海板块以较大速度沿海沟-岛弧向西俯冲，以及欧亚板块沿边缘海东边界以较小速度向东移动，构成双方向对冲式的汇聚.欧亚板块东缘两边的板块运动都是主动的，这不同于欧亚南边缘沿喜马拉雅弧的印度-欧亚大陆汇聚，那里印度次大陆的运动是主动的，而欧亚大陆的响应是被动的大范围变形，主要分配在一些大型走滑断层带上.喜马拉雅弧以北地壳基本上向北移动，在西藏高原东边缘向东或东南偏转^[4].

关于太平洋、菲律宾海板块向西俯冲(消减)的动力机制，已有很多详细研究，多数认为相对较老、较冷的板片下拉(重力)是主要的原因^[27].而欧亚大陆为什么向东移动?其驱动力来源是什么?对这个问题仍然有不同推测.自3Ma到现今，除了琉球-冲绳弧外，欧亚东部大部分边缘海扩张和海沟后退过程已经停止，残留的伸展构造应力不能解释这么大范围的大陆东移.华南陆块的向东南移动可能与印度-欧亚大陆碰撞引起的构造挤出效应有一定联系，但它不可能对更远的华北、东北以及蒙古东部和俄罗斯远东地区(阿穆尔)产生类似的影响.有研究者根据数值模拟推测，华北、华南、巽他地区(Sundaland)(包括南海)是被向洋的张应力拉着向东移动的，这个张应力可能起源于与地形相关的重力势能和岩石圈底部地幔流的向东拖力^[28].在全球GPS 速度图像上，整个欧亚板块相对于全球参考系(ITRF-97，地球中心)总体是在向东移动^[6]，使如此巨大板块一致地缓慢移动的驱动力很可能是来源于软流圈或更深部的地幔.

与印度-欧亚大陆碰撞的另一明显差异是变形的空间分布特征.太平洋、菲律宾海板块的向西俯冲产生的变形和地震集中分布在海沟-岛弧，形成狭长的板间地震带和火山带.除海沟附近因俯冲板片弯曲有正断层型地震外，岛弧区基本上是逆断层型变形，包括俯冲板片内的中、深源地震.而这种挤压变形只出现在岛弧本身或其西边缘(如日本海)，弧后盆地及边缘海基本保持伸展以及向东移动的状态，除中国吉林珲春地区的局部深源地震外，似乎俯冲带的挤压没有向西扩散到边缘海及更西边的大陆地区.本文推测可能有以下几个原因:

1) 欧亚东缘的俯冲板片和岛弧吸收了大部分的大洋板块向西运动的冲击能量，所产生的向西、向弧后扩散的水平挤压应力较小，不能阻挡欧亚大陆的向东移动.

2) 虽然大部分边缘海的扩张已经停止，但仍然有残留的NW-SE 向拉张应力，可能部分地平衡了来自东侧大洋俯冲带来的水平挤压应力.

3) 除华北外，欧亚大陆东部大部地区地壳结构较完整，岩石圈地幔具有较高的粘滞系数和强度，地壳断层两侧相对滑动很小，在重力势作用和底部软流层流动的拖动下，整个岩石圈层大范围向东缓慢地移动，直到边缘海与太平洋、菲律宾海板块汇聚，而大陆大部分地区上地壳层的变形与地震活动相对较弱.华北平原和渤海及周围陆地是新生代裂谷区，地壳浅部保留低角度正断层，而震源机制解显示在地壳深部是走滑断层，最大主压应力NEE 向，最小主压应力NNW 向.这个区域的较强地震活动可能在破碎的地壳结构和较大的差应力条件下发生^[29]，与印度-欧亚大陆碰撞产生的陆内变形扩散有关^[1]，而与欧亚东缘太平洋、菲律宾海板块的向西俯冲没有直接关系，至少华北与琉球弧之间的边缘海(黄海、东海)的构造稳定性是一个证据.