2019年 39卷 第5期
地球地表环境3个极端分别为南极、北极和青藏高原，被誉为地表“三极”。本文提出深地动力系统的“三极”，分别为Tuzo、Jason和东南亚环形俯冲系统，这“三极”主体发育于海底之下的深部地幔，因此称为海底“三极”。地表“三极”和海底“三极”统称地圈“六极”，是全球变化（变暖或变冷）、深时地球、深地动力、地球系统、宜居地球等地球科学前沿研究领域难以回避的研究对象，是地球多圈层相互作用的6个纽带和突破口，也是寻求地球系统动力学机制的关键所在。Tuzo和Jason是现今分别位于大西洋、太平洋之下的大型横波低速异常区（LLSVP），它们控制了大火成岩省、微板块的形成和演化，也控制了集中式火山去气作用，进而引起大气循环变化；它们还不断衍生微板块，并将其向北驱散，这些微板块围绕东亚环形俯冲系统不断聚集，导致大量物质深俯冲，促进深部物质循环，同时，在岛弧地带释放大量温室气体，改变地表系统大气环流；板块聚散伴随海陆格局变迁，同时，也改变着全球海峡通道、高原隆升和垮塌，调节着地表流体系统的运行：包括海洋环流和大气环流。冰盖形成与演化也受其控制。海底“三极”也是地史时期超大陆聚散的根本控制因素，而地表系统的百万年内的多尺度周期性变化主要受公转偏心率、地轴斜率和岁差控制，气候变化受热带驱动和冰盖驱动双重控制。总之，尽管早期地球以后逐渐具有地球宜居性，但地圈-生物圈相互作用极其复杂，地圈“六极”研究可作为宜居地球研究的突破口和生长点。
海洋地质与第四纪地质. 2019, 39(5): 1-22
热液和冷泉活动是现代深海环境中两个重要的极端系统，它们均是岩石圈与外部圈层之间进行物质、能量转移和交换的重要途径，它们之间既有显著差异，但也存在很多相似点。一系列调查研究表明，在某些特殊构造单元，热液和冷泉活动可能并不是彼此孤立的，而是在构造地质、生物生态和元素循环上存在某种相互作用或耦合关系。冲绳海槽作为西太平洋一个典型的弧后盆地，发育了繁盛的热液和冷泉活动，是研究这两个海底极端系统相互影响机制的天然实验室。在大量文献调研和野外精细探测结果的基础上，分析了冲绳海槽内相互毗邻的冷泉和热液之间的物质扩散过程及生物地球化学作用，初步建立了两个极端系统内两种不同流体相互作用的概念模型，认识到未来如对两个深海极端环境共生区构造发育特征、地层流体演化、生物群落以及矿物元素组成进行系统分析，将有助于建立更加完善的冷泉-热液两个系统在物质和能量上的耦合关系模型，同时也有助于揭示它们在生物生态之间的沟通融合规律，最终可建立盆地尺度上热液-冷泉区相互作用模式，从而加深对西太平洋甚至全球范围内冷泉-热液两个极端环境系统甚至“流体-固体”耦合的规律性认识。
海洋地质与第四纪地质. 2019, 39(5): 23-35
地球内部可能存储了地球上大部分的碳，地球的整个地质演化历史都伴随着碳循环。岩浆过程是重要的CO2释放途径，引起地表碳的增加。板块俯冲起动之后，俯冲带成为地表碳重返地球内部的基本途径。板块俯冲和岩浆过程构成了地表过程和地球内部之间的碳循环，在地质历史时期影响着地表的碳总量，对于宜居地球环境和一些重要矿产资源的形成具有重大意义。然而，相对地表过程的碳循环而言，国际上对深部碳循环的研究程度和取得的认识远远不足。对于地球深部碳的富集机制、赋存部位，以及碳在地球内部各圈层之间的交换规律，还存在很大争议。本文对与深部碳循环密切相关的深部碳储库、岩浆中的碳组成及其对岩浆成因的影响，以及板块俯冲过程中碳行为进行了总结。结果表明，无论是洋中脊玄武岩或洋岛玄武岩，其源区CO2组成都存在高度不均一性；与地幔柱有关的深源板内火山岩相对洋中脊具有异常高的CO2组成，显示深部地幔比上地幔或软流圈更富集碳。地球的地幔转换带（410～660 km）、大陆岩石圈，甚至下地幔可能是重要的碳储库。碳酸岩熔体与岩石圈橄榄岩存在化学不平衡，长期的碳酸岩熔体交代作用可能导致大陆岩石圈是个重要碳储库；地幔转换带的高压还原环境可能使得来自上涌地幔或俯冲板片中的碳以金刚石形式存储。地幔转换带或更深的碳在上涌减压过程中通过氧化还原熔融可以转化为CO2，对地幔初始熔融和板内火山岩的成因（尤其是碱性火山岩）可能具有至关重要的作用。综合认为，导致地球内部富集碳的地质作用最可能是长期板块俯冲，但是目前国内外对与板块俯冲过程相关的碳行为和碳通量估算还存在很大的不足，未来有必要针对岩浆过程的CO2活动行为、俯冲板块中碳的转化行为以及脱碳规律重点开展研究。
海洋地质与第四纪地质. 2019, 39(5): 36-45
铁（Fe）作为海洋初级生产所必需的微量和限制性营养元素影响着海洋生物群落结构、生态功能以及碳循环，理解溶解Fe的物质来源及其对气候变化的响应具有重要的科学意义。早期研究多强调风尘输入是维持大洋Fe循环的主要机制。近年来，随着海水Fe分析数据的积累,尤其是痕量元素及其同位素海洋生物地球化学循环研究计划（GEOTRACES）的开展，陆架沉积物和热液活动所释放Fe的贡献开始越来越受到重视。尽管如此，不同物源对开阔大洋溶解Fe的影响依然存在相当的不确定性。以海水溶解Fe的化学组分为出发点，强调有机配体对大洋Fe循环的决定性作用，综述了不同来源Fe的通量估计和第四纪大洋Fe来源的研究争议。铁同位素为理解大洋Fe的物源演变提供了新的工具。讨论了不同物源的Fe同位素特征，并提出结合沉积物的活动性Fe同位素和组分研究可能为理解过去陆架-热液活动-风尘输出与输运Fe的机制提供全新视角。
海洋地质与第四纪地质. 2019, 39(5): 46-57
俯冲带系统是研究地球水圈-岩石圈相互作用的天然实验室。俯冲板片所携带的水进入俯冲带系统，显著影响俯冲板片上地幔蛇纹石化程度、岛弧岩浆活动以及俯冲带地震机制等构造动力学过程。沿着环太平洋俯冲带，由主动源地震探测得到的板片含水量结果可以很好地解释区域相关地震观测，同时由被动源地震探测到的上地幔低速异常区域都与俯冲板片断层发育区相一致。多道反射地震探测与数值模拟都揭示了俯冲板块正断层广泛存在，可穿透莫霍面，深度可达海底下至少20 km。俯冲板块正断层为流体进入地壳与上地幔提供了重要通道，导致上地幔蛇纹石化程度达到1.4%，甚至更高。在洋壳俯冲过程中，随着温压增加，在不同深度脱水形成不同性质流体与地幔反应。通过俯冲带流体包裹体和交代成因矿物等的研究发现水岩相互作用广泛存在。本文旨在回顾俯冲板片含水量探测及水岩相互作用研究，简述近年来取得的重要进展以及对将来相关研究的启示。
海洋地质与第四纪地质. 2019, 39(5): 58-70
深海氧同位素记录揭示新生代以来全球气候呈整体变冷趋势，南北两极先后发育冰盖，地球由温室气候变为冰室气候，但是其变冷机制仍不明确。大气CO2浓度降低和大洋环流模式改变均被认为与新生代气候变冷密切相关，但目前对两者的作用还未达成统一的认识，由此存在各种假说，如BLAG假说、高原隆升-风化假说、构造隆升-碳埋藏假说、火山铁肥效应和岛弧隆升-风化假说及海道开合假说等，用以解释新生代全球变冷。围绕新生代气候变冷机制方面的争论，评述了过去近几十年来相关研究的进展和存在的问题，讨论了不同机制对新生代气候变化的影响，并提出未来需要加强的研究重点：建立准确的新生代大气CO2浓度演变序列、建立更加准确的地球内部排气和青藏高原隆升及海道开合时刻表、建立完善的风化指标体系、加强火山作用及其大洋生物地球化学效应的研究。
海洋地质与第四纪地质. 2019, 39(5): 71-86
西太平洋具有全球最活跃的板块构造与海陆相互作用过程，西太平洋的卡罗琳（Caroline）海盆形成于特提斯海与太平洋之间，处于印尼海道的咽喉区域，海盆范围正好对应了西太平洋暖池的大部分海域。其内部地形复杂，具有特征的隆起和残留洋中脊，而周围具有年轻活跃的俯冲带和洋中脊，并且与菲律宾海、太平洋、Ontong-Java大火成岩省、众多深海沟等相互作用，是研究俯冲带和洋中脊初始形成机理与动力学以及固体地球与海水相互作用的理想场所。过去对Caroline海盆的研究主要是美国和日本科学家在20世纪70—80年代完成的，在很多构造单元的成因和属性的解释上存在很大争议，很少涉及多圈层相互作用方面的研究。国家自然科学基金委重大研究计划“西太平洋地球系统多圈层相互作用”的实施推动了西太平洋基础海洋科学研究的步伐，通过综合地球物理和地球化学分析，对Caroline海盆的构造边界过程和海盆岩石圈蛇纹岩化程度等开展详细研究，探索深部过程与海底过程之间，特别是在水和热流通量方面的联系。Caroline海盆是提出典型海洋微板块演化模式和未来进一步深入研究（包括科学大洋钻探）的关键区域，其复杂多样的边界发育初始俯冲边界、初始扩张边界以及火山链和张裂中心，其板内地质构造也曾存在复杂的海底扩张和构造转换，并且显示强烈的板块边界和板内构造耦合过程。
海洋地质与第四纪地质. 2019, 39(5): 87-97
板块俯冲起始机制是板块构造理论发展的关键和新方向，九州-帕劳海脊是研究俯冲带起始机制的典型地区。在回顾板块俯冲起始机制研究历史的基础上，对九州-帕劳海脊及邻区研究现状和存在问题以及对板块俯冲起始机制的指示进行了概述。计划通过在九州-帕劳海脊南段及邻区开展海底地震仪为主的深地震探测，获得研究区高分辨率的岩石圈固体-流体结构，以了解古太平洋板块向西菲律宾海盆俯冲不同阶段的板块深部行为，并在动力学模拟实验及与实际对比的基础上，建立九州-帕劳海脊及邻区从俯冲起始-岛弧裂离-弧后伸展的完整演化历史，揭示板块俯冲起始机制、动力学过程及其控制因素。
海洋地质与第四纪地质. 2019, 39(5): 98-103
夏威夷-皇帝海山链位于北太平洋中部，是一条自西北至东南延伸的海底火山链，并在47 Ma存在一个方向弯折。厘定这一特征的成因机制和运动学过程，是西太平洋海区软流圈与岩石圈相互作用以及跨圈层物质能量交换的关键科学问题，对于解译东亚大陆动力学演化过程亦具有重要意义。目前对于夏威夷-皇帝海山链47 Ma弯折的机制有两种争论：太平洋板块运动方向改变和热点移动。古地磁学是研究大陆漂移和板块演化的最有效手段之一，其最大优势是可以定量化研究地质历史时期中岩石圈板块的运动学过程。本文首先通过回顾与总结前人对夏威夷-皇帝海山链成因及转向机制的研究，重点探讨古地磁学在该问题上所提供的约束证据，并对存在的关键科学问题进行了梳理和展望。
海洋地质与第四纪地质. 2019, 39(5): 104-114
新几内亚-所罗门弧（PN-SL）位于印度-澳大利亚板块与太平洋板块汇聚边界、新特提斯构造域东端。晚白垩世以来，逐渐演化形成复杂的沟-弧-盆-台、俯冲时序完整的俯冲构造体系。受多期次、多类型板块俯冲起始作用的制约，PN-SL俯冲体系深部结构呈现出明显的空间差异性：板块俯冲深度由＞500 km减小至不足100 km，板块俯冲角度则由＞70°减小至30°。俯冲体系东侧毗邻的翁通爪哇海台作为世界上最大的海台，其显著的“凸起”构造以及低密度结构，重新塑造了PN-SL俯冲体系的构造格局，但不同于低密度结构俯冲诱发海沟位置后移、俯冲极性反转二元经典模式，弧后所罗门海盆发生反向俯冲的同时，中新世以来呈现出NW向、NE向和SW向的多向俯冲过程。这意味着翁通爪哇海台与PN-SL俯冲体系汇聚形变过程并非仅依据板块密度变化来简单解释，需要考虑其复杂的构造环境和诸多的构造要素。特别是作为岩石圈强度的重要影响因子—俯冲体系流体活动，导致岩石圈强度减弱、熔点降低的同时，伴随板块俯冲向地球深部运移，促使板片脱水并与地幔楔发生水化交代作用，进而改变壳幔物质组成及流变学性质，诱发地幔楔部分熔融和岛弧岩浆活动，是理解板块俯冲构造动力的关键切入点。
海洋地质与第四纪地质. 2019, 39(5): 115-130
苏拉威西海具有独特的演化过程—位于北婆罗洲及苏禄岛弧下的苏拉威西海板块停止俯冲后，其俯冲板块的另一侧开始向苏拉威西岛俯冲，形成了诸如俯冲转换边缘、对向俯冲系统等独特的地质现象。针对这种同一板块一侧俯冲停止后在板块另一侧发育新俯冲的过程，科学界提出了众多的板块初始俯冲机制模式，如前陆盆地碰撞后发育新俯冲、大陆/岛弧边缘重力失稳后解耦后俯冲、岩石圈浅部小范围的地幔对流活动导致俯冲等14种初始模式。由于难以获得处于俯冲初始阶段俯冲带的深部岩石圈的地震观测资料，造成这些板块活动模式仍止步于推测。苏拉威西海区的天然地震观测资料不仅是研究苏拉威西海俯冲系统岩石圈深部构造及演化的基础，而且也是认识俯冲过程初始机制的关键一环。本文重点介绍了国家自然科学基金委员会重大研究计划“西太平洋地球系统多圈层相互作用”所属重点项目“苏拉威西海与古南海对向俯冲系统的三维地震观测与板块活动机制”在苏拉威西海区针对北苏拉威西海俯冲板片结构所开展的三维地震观测研究。该项研究实验以揭示俯冲系统深部结构与板块活动机制为目标,通过多边国际合作，于2019年8月15—25日在苏拉威西海区成功投放了27台国产宽频带海底地震仪（BBOBS），拟采集10个月的天然地震数据。同时计划利用印尼合作方的陆区地震台站数据，与OBS数据一同开展研究区岩石圈三维结构的地震学研究与数值模拟，认识俯冲下插板片的变形形态与特征、上覆地壳增厚程度及与俯冲系统持续作用过程之间的关系，讨论该地区独特俯冲系统的初始机制。
海洋地质与第四纪地质. 2019, 39(5): 131-137
雅浦沟-弧体系具有十分独特的地质特征，雅浦岛弧以变质岩为主，岛弧岩浆作用较为缺乏，同时雅浦沟-弧距离异常短，增生楔缺失。在总结雅浦沟-弧系统及其邻区的地球化学、地球物理以及构造特征等证据的基础上，探讨了雅浦沟-弧系统的构造演化过程。雅浦岛上的变质基底具有相对较高的K2O含量、高Ti含量以及较低的87Sr/86Sr比值，表明雅浦岛上的变质基底为帕里西维拉海盆洋壳的一部分。雅浦海沟东侧存在一块水深较深的三角形区域将雅浦岛弧与加罗林海岭间隔开来，地球物理特征显示该区域并没有受到加罗林热点的影响，说明加罗林海岭并没有与雅浦岛弧直接碰撞。结合帕里西维拉海盆在20～15 Ma的NE-SW向扩张以及与之相关的海盆东西两侧洋壳发生的左旋相对移动，推测雅浦海沟很可能是雅浦岛弧东侧的扩张中心暴露转变成的俯冲带，而雅浦海沟东侧的三角形区域则为俯冲板片重新暴露的结果。
海洋地质与第四纪地质. 2019, 39(5): 138-146
古南海的展布范围以及俯冲消亡过程等一直是地质学家们争论的焦点问题。这不仅与南海扩张诱因密切相关，而且对南海地球动力学研究有重大的指导意义。在研究前人文献的基础上，对南海南部造山运动以及古南海俯冲过程之间的关系进行详细的论述。结果表明，南海南部构造活动主要分为两期：第一期运动从早白垩纪到晚白垩纪，古太平洋的洋壳俯冲到婆罗洲岛下方，俯冲带位于现今卢帕尔线一带，引起了曾母-南沙地块不断向西南婆罗洲靠近，并于晚白垩纪引发了碰撞造山运动。由于婆罗洲自身是由众多地块拼合而成，所以在始新世期间发生了多期碰撞之后的地块变形重组事件。最终在晚始新世（37 Ma）完成最后一期变形（沙捞越运动）。第二阶段是晚始新世（35 Ma）到中中新世（15.5 Ma），位于西巴拉姆线以东至菲律宾卡加延一带的古南海从西巴拉姆线以东，向婆罗洲岛下方俯冲，随后扩散到沙巴以及巴拉望岛以南的地区，直至菲律宾的民都洛岛一带停止俯冲。由此产生的拖曳力是南海扩张的主要诱因。与古太平洋板块俯冲产生的效果相似，古南海的俯冲使得婆罗洲岛与南沙地块不断靠近。在中中新世（15.5 Ma）,引起南沙地块与婆罗洲岛在沙巴地区的碰撞（沙巴造山）以及巴拉望北部陆壳与菲律宾岛弧的碰撞而停止。由此带来的不整合面在南海南部普遍可见，甚至到达了巴拉望岛一带。而现今南沙海槽与巴拉望海槽并非是俯冲带的前渊，前者是对沙巴新近纪增生楔重力驱动变形的响应，后者是巴拉望岛北侧伸展背景下产生的半地堑盆地，在后期增生楔的作用下发生强烈沉降所形成。真正的俯冲带则分别位于南沙海槽东南部以及巴拉望海槽东南部。据现有证据推测，最少在10 Ma之前古南海就在菲律宾民都洛一带停止俯冲，从而完成了整个古南海的封闭。
海洋地质与第四纪地质. 2019, 39(5): 147-162
俯冲变形作用是板块汇聚过程中存在的构造地质现象，是当前构造地质研究的热点。目前对板块俯冲变形的研究尚不完善，俯冲角度变化对变形过程造成的影响还需进一步研究。位于欧亚板块东南部的中国东海大陆架盆地的构造演化特征及动力学机制与菲律宾板块向欧亚板块的俯冲作用有关。利用构造地质领域中新兴的离散元模拟方法，通过构建离散元模型模拟研究板块俯冲变形演化过程，并将实验结果与菲律宾板块向中国东海俯冲部位地层相比较，结果表明：① 板块俯冲变形特征与俯冲角度有关，俯冲角度不同，其最终形成的变形样式也不同；② 断层数目随着俯冲角度的减缓而增加，断层所扩展的水平距离随俯冲角度的减缓而增大，且不同俯冲角度下相同位置所形成的断距不同；③ 俯冲楔高度随着俯冲角度的减缓而增大，地壳变形幅度越大，且最终形成俯冲楔形态类型不同；④ 反冲断层形成时间随着俯冲角度的减缓而越来越晚；⑤ 实验模拟结果与实例具有相似的构造特征。研究结果解析了不同俯冲角度下板块俯冲变形的演化过程，有助于对板块汇聚过程中俯冲变形作用的进一步认识。
海洋地质与第四纪地质. 2019, 39(5): 163-173
许多现存造山带中均发现了洋岛玄武岩（OIB）和地幔柱型蛇绿岩记录，因此洋底高原增生是大陆生长的重要方式，但目前对控制洋底高原增生过程的机制仍不清楚。采用热-机械-岩石学模型数值模拟研究洋底高原的陆缘增生过程，结果显示洋底高原向大陆边缘增生具有3个控制因素：（1）减薄的大陆边缘；（2）海洋岩石圈中的“薄弱”层；（3）年轻的洋底高原。模拟结果与中国东北地区那丹哈达地体的野外构造解析结果和地球化学特征结合，揭示了洋底高原和东北亚大陆边缘的强烈挤压引起俯冲带的应变集中，产生与阿尔卑斯型褶皱相关的高角度逆冲断层和背冲断层，并伴随低级变质作用的构造折返过程。
海洋地质与第四纪地质. 2019, 39(5): 174-185
洋壳俯冲过程中温度、压力升高和密度差异，可导致俯冲板片熔融柱的快速上涌，并作用在上覆板块岩石圈地幔底部，从而导致岩石圈的破坏减薄以及地表形态的剧烈变化，该过程类似于地幔柱对岩石圈的破坏作用。目前，对于俯冲板片熔融柱的形成及其对岩石圈破坏程度的研究相对较少，特别是地表动力地形变化与深部岩石圈破坏作用之间的响应关系依然不清楚。为此，本文将利用I2VIS有限差分方法，基于质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程，通过给定材料参数和一定边界条件，计算揭示俯冲洋壳在不同时间和不同深度下发生部分熔融并形成俯冲板片熔融柱的过程，从而模拟再现该熔融柱对上覆板块岩石圈的破坏过程，并进一步分析其导致的浅部地表地形变化响应。数值模拟结果显示，在大洋板片俯冲过程中，由俯冲的陆源沉积物以及洋壳形成的混合熔融柱垂向侵蚀岩石圈底部，造成岩石圈减薄。在熔融柱的横向侵蚀过程中，岩石圈地幔熔融范围增加，可达300 km。在地形变化方面，板块俯冲造成大陆前缘受挤压变形，引起构造变形，构造变形范围可达300 km。同时，与俯冲相关形成的熔融柱对岩石圈地幔底部的侵蚀作用逐渐增强，动力地形变化幅度增大，并持续抬升，最终可垂向抬升至4 km。动力地形的变化范围局限在300 km以内，这与岩石圈地幔的破坏范围保持一致。
海洋地质与第四纪地质. 2019, 39(5): 186-196
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