убрал. не успел просто.

Проблемы конкретизации решаются добавлением скобок (с соответствующим изменением индексов подвыражений) или (?:…)? в правильных местах.

Проблема валидации полей решается дополнительным if’ом внутри. Потому что мы все знаем, что происходит, когда пытаются валидировать всё и вся только регекспом.

Проблема двоеточия в смещении — решается или не решается после анализа тех данных, которые будут через это прогоняться. Если данных без двоеточия много, оставляем как есть. Если мало — добавляем в образец (:)? и warning. Если доказано, что их быть не должно — втыкаем в образец двоеточие.

Проблема мусора решается заключением образца в ^…$.

Проблема двоеточия в секундах решается заменой $match[6] на $match[7] или шестых скобок (…) на скобки без захвата (?:…).

Пункты 7–8 содержат решение прямым текстом. Rationale к пункту 7 — разные движки регулярных выражений имеют разные понятия, что приоритетнее, альтернатива или конкатенация.

В коде сформулирую чуть позже.

function is_leap_year($year)
{
    return (($year % 400) == 0) || ((($year % 100) != 0) && (($year % 4) == 0));
}

$month_days = array(0, 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31);
function month_days($year, $month)
{
    global $month_days;
    return $month_days[$month] + (($month == 2 && is_leap_year($year)) ? 1 : 0);
}

// returns false if $s is not a valid W3C date/time,
// or an array of date/time elements:
//   0  year    int 0 to 9999
//   1  month   NULL or int 1 to 12
//   2  day     NULL or int 1 to 31
//   3  hour    NULL or int 0 to 23
//   4  minute  NULL or int 0 to 59
//   5  second  NULL or float [0, 60)
//   6  zone    NULL or int offset from UTC in minutes
function parse_datetime($s)
{
    //            1             2             3
    $pattern = "/^([0-9]{4})(?:-([0-9]{2})(?:-([0-9]{2})" .
    //       4          5             6
        "(?:T([0-9]{2}):([0-9]{2})(?::([0-9]{2}(?:\.[0-9]+)?))?" .
    //   7     89               10
        "(Z|(?:(([-+])[0-9]{2}):([0-9]{2}))))?)?)?$/";
    if (!preg_match($pattern, $s, $matches)) return false;

    array_shift($matches);
    list($year, $month, $day, 
        $hour, $minute, $second, 
        $zone, $zone_sign, $zone_hours, $zone_minutes) = $matches;

    $result = array(NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL);

    $year = intval($year);
    $result[0] = $year;

    if (!isset($month)) return $result;
    $month = intval($month);
    if ($month < 1 || $month > 12) return false;
    $result[1] = $month;

    if (!isset($day)) return $result;
    $day = intval($day);
    if ($day < 1 || $day > month_days($year, $month)) return false;
    $result[2] = $day;

    if (!isset($hour)) return $result;
    $hour = intval($hour);
    if ($hour < 0 || $hour > 23) return false;
    $minute = intval($minute);
    if ($minute < 0 || $minute > 59) return false;
    $zone_hours = intval($zone_hours);
    $zone_minutes = intval($zone_minutes);
    // Insert zone validation here -- IMO matching with a static list is too strict,
    // and even checking that -12 <= $zone_hours <= +14 is not entirely correct
    if ($zone_minutes < 0 || $zone_minutes > 59) return false;

    $result[3] = $hour;
    $result[4] = $minute;
    $result[6] = $zone_hours * 60 + intval($zone_sign . $zone_minutes);

    if (!isset($second)) return $result;
    $second = (float)($second);
    if ($second < 0 || $second >= 60) return false;
    $result[5] = $second;

    return $result;
}