Oblique convergence and back-arc extension in northern Taiwan-Ryukyu area: Insights from sandbox modeling

臺灣島位於歐亞板塊和菲律賓海板塊交界處，自中新世開始造山，目前仍是活躍的碰撞造山帶。由於斜向碰撞的關係，現今南台灣處於碰撞初期，而北台灣-琉球地區已處於碰撞作用後期，構造環境也已從擠壓轉變到現今的張裂環境。 砂箱模型是物理模擬實驗的一種，根據不同地區的地質構造背景設計實驗，使用亁石英砂作為材料，通過觀察砂體在不同條件下的變形行為，探究區域地質構造演化過程，該方法在各造山帶皆有廣泛應用。在台灣，前人在用砂箱模型模擬構造演化時，多關注於聚合作用產生的構造變形，尚未針對北台灣所經歷的張裂環境做過討論。因此，本文在前人三維砂箱模型的基礎上添加一台可前後轉動的砂紙帶機器模擬張裂作用，探討擠壓-張裂作用同時存在的情況下砂體的變形模式，再與現實作對比，嘗試解釋北台灣-琉球地區所觀察到的構造現象。 通過三維砂箱實驗的影像分析及PIV（Particle Image Velocimetry）分析結果可以看到：隨著後阻體的前進，在西部和北部形成兩條楔形體。西部楔形體的運動模式可以分三區，北部具有順時針旋轉的特徵，中部砂體運動方向與聚合方向相同，南部具有逆時針旋轉的特徵。在砂紙帶機器啟動即張裂作用開始後，北部楔形體被拆分，一條凹陷區逐漸形成並向西延展。被拆分的楔形體上部留在原地，隨著砂紙帶的運動不斷發生垮塌，造成一系列小尺度的正斷層；被拆分的楔形體下部隨著砂紙帶向南移動，並最終逐漸靠上後阻體，在運動過程中透過PIV分析可以觀察到順時針旋轉的特徵。同時，在西、北部楔形體與後阻體交界地帶，透過PIV分析可以觀測到砂體有與後阻體前進方向相反的運動模式。 因此，通過對比實驗結果與現實中的海底探測資料、GPS速度場和古地磁記錄等，可以推出以下現象可能與沖繩海槽的張裂有關： （1）宜蘭平原東-西至東北-西南向的運動，及南北有別的運動模式； （2）琉球島弧的順時針旋轉； （3）沖繩海槽內的凹陷區以及一系列小尺度的正斷層。Taiwan is located on the convergent boundary between the Eurasian Plate and the Philippine Sea Plate. The specific process of the Taiwan orogeny is a hot issue for many years. Sandbox modeling is a way to simulate the mountain building processes. The previous studies of sandbox modeling in Taiwan are more concentrated on the effect of arc-continent collision and basement high but few noted the effect of opening of Okinawa Trough. Our 3D experiments aim at better understanding of the structure and tectonic evolution of northern Taiwan-Ryukyu area by adding a sandpaper machine which could move freely in experiment and composed by motor, bearing and sandpaper, to simulate the opening of the Okinawa Trough. Results from sandbox modeling indicate that the following phenomena may be due to the opening of Okinawa Trough: (1)counter motion relative to the Philippine Sea Plate and subsidence in the Ilan Plain , (2)clockwise rotation of the Ryukyu Arc, (3)a linear subsidence zone and a series of small-scale normal fault in the Okinawa area