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卡罗琳海板块实验:初始俯冲、初始扩张与流固耦合

李春峰 李刚 厉子龙 刘文潇 章露露 陆哲哲 陈雪刚 姚泽伟

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卡罗琳海板块实验:初始俯冲、初始扩张与流固耦合

    作者简介: 李春峰(1970—),男,教授,主要从事应用地球物理与地球动力学研究,E-mail:cfli@zju.edu.cn.
  • 基金项目: 国家自然科学基金重大研究计划重点项目“西太平洋地球系统多圈层相互作用”(91858213);国家自然科学基金面上项目“太平洋岩石圈热演化研究”(41776057)
  • 中图分类号: P738.1

Study of the Caroline plate: Initial subduction, initial spreading and fluid-solid interaction

  • CLC number: P738.1

  • 摘要: 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。
  • 图 1  Caroline海盆在西太平洋中的区域位置、区域水深地形图

    Figure 1.  The bathymetry map of the western Pacific marginal seas and the location of the Caroline Sea

    图 2  Caroline海盆与邻域水深和构造单元图(a) 及Caroline海盆与邻域三维立体地形图(b)

    Figure 2.  Bathymetric and tectonic map (a) and three-dimensional topographic map (b) of the Caroline Basin and its adjacent areas

    图 3  研究技术路线图

    Figure 3.  Technical flowchart

    表 1  Caroline海盆研究现状

    Table 1.  Current research status in the Caroline Basin

    研究者研究范围研究数据初步结论
    Weissel and Anderson, 1978[2]Caroline 海盆地震数据等存在独立 Caroline 海板块
    Gaina and Müller, 2007[3];Bracey, 1975[4];MacLeod et al., 2017[5]Caroline 海盆磁异常海盆扩张历史复杂,可能存在扩张中断、
    洋脊跃迁、重新活动
    Li and Wang, 2016[6]Caroline 海脊和
    Eauripik 海岭
    重磁、热流数据等两者地球物理场和深部结构差异大,不可能同源
    Erlandson et al., 1976[7];Weissel and
    Anderson, 1978[2];Hegarty et al., 1983[8]
    Mussau 俯冲海沟重力、水深数据等Mussau 海沟是初始俯冲的产物,
    俯冲程度由北向南加大
    Weissel and Anderson, 1978[2];Fujiwara et al., 1995[9];Fujiwara et al., 2000[10];Lee, 2004[11]Ayu 海盆水深数据等洋中脊年龄、海底扩张动力学机制未明
    Weissel and Anderson, 1978[2];Bracey, 1983[12]
    Li and Wang, 2016[8]
    Caroline 海脊及
    Sorol 海槽
    岩石地球化学、重磁、
    热流、水深数据等
    Sorol 海槽为斜向张裂转换系统;
    Caroline 海脊大陆边缘张裂演化模式
    Ryan, 1988[13];Tregoning and Gorbatov, 2004[14]新几内亚俯冲带地震层析成像活跃俯冲带,~9 Ma 以来 ~650 km 板片俯冲
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-15
  • 改回日期:  2019-04-01
  • 网络出版日期:  2019-08-30
  • 刊出日期:  2019-10-01

卡罗琳海板块实验:初始俯冲、初始扩张与流固耦合

    作者简介: 李春峰(1970—),男,教授,主要从事应用地球物理与地球动力学研究,E-mail:cfli@zju.edu.cn
  • 浙江大学海洋地质与资源研究所,舟山 316021
基金项目: 国家自然科学基金重大研究计划重点项目“西太平洋地球系统多圈层相互作用”(91858213);国家自然科学基金面上项目“太平洋岩石圈热演化研究”(41776057)

摘要: 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。

English Abstract

  • 典型板块边界主要包括俯冲型与扩张型两大类,即俯冲带与洋中脊,两者的形成机理和动力学过程一直是地球科学领域的关键科学问题。西太平洋的卡罗琳(Caroline)海盆随着太平洋的演化形成于特提斯海(印度洋)与太平洋之间的过渡地区,其东部边缘存在刚刚形成的Mussau俯冲带,西部边缘发育年轻活动的Ayu扩张海盆,北部边缘存在复杂的Caroline海脊-Sorol海槽体系,南部边缘包括活跃的新几内亚俯冲带(图12)。四周毗邻全球最深的马里亚纳海沟及最大的Ontong-Java大火成岩省。海盆内部发育贯穿其中的残留隆起(Eauripik海岭)和残留洋中脊(海槽)(图2)。同时,Caroline海盆也处于印尼海道的关键区域,海盆范围正好对应了西太平洋暖池的部分海域。

    图  1  Caroline海盆在西太平洋中的区域位置、区域水深地形图

    Figure 1.  The bathymetry map of the western Pacific marginal seas and the location of the Caroline Sea

    图  2  Caroline海盆与邻域水深和构造单元图(a) 及Caroline海盆与邻域三维立体地形图(b)

    Figure 2.  Bathymetric and tectonic map (a) and three-dimensional topographic map (b) of the Caroline Basin and its adjacent areas

    由于其独特的地理位置与演化历史,Caroline海盆是研究俯冲带和洋中脊初始形成机制、大洋岩石圈内部结构及演化过程、以及海水与固体地球间相互作用的最理想区域之一。国内外对Caroline海盆的研究程度较低,主要集中在20世纪70—80年代,对相关构造单元的成因及特性解释等方面具有较大的争议(表1)。

    表 1  Caroline海盆研究现状

    Table 1.  Current research status in the Caroline Basin

    研究者研究范围研究数据初步结论
    Weissel and Anderson, 1978[2]Caroline 海盆地震数据等存在独立 Caroline 海板块
    Gaina and Müller, 2007[3];Bracey, 1975[4];MacLeod et al., 2017[5]Caroline 海盆磁异常海盆扩张历史复杂,可能存在扩张中断、
    洋脊跃迁、重新活动
    Li and Wang, 2016[6]Caroline 海脊和
    Eauripik 海岭
    重磁、热流数据等两者地球物理场和深部结构差异大,不可能同源
    Erlandson et al., 1976[7];Weissel and
    Anderson, 1978[2];Hegarty et al., 1983[8]
    Mussau 俯冲海沟重力、水深数据等Mussau 海沟是初始俯冲的产物,
    俯冲程度由北向南加大
    Weissel and Anderson, 1978[2];Fujiwara et al., 1995[9];Fujiwara et al., 2000[10];Lee, 2004[11]Ayu 海盆水深数据等洋中脊年龄、海底扩张动力学机制未明
    Weissel and Anderson, 1978[2];Bracey, 1983[12]
    Li and Wang, 2016[8]
    Caroline 海脊及
    Sorol 海槽
    岩石地球化学、重磁、
    热流、水深数据等
    Sorol 海槽为斜向张裂转换系统;
    Caroline 海脊大陆边缘张裂演化模式
    Ryan, 1988[13];Tregoning and Gorbatov, 2004[14]新几内亚俯冲带地震层析成像活跃俯冲带,~9 Ma 以来 ~650 km 板片俯冲

    关于Caroline海盆的形成演化,最早通过对地球物理资料的调查分析认为存在独立的Caroline海板块[2]。关于其成因及演化模式,一种认为是在渐新世(40~25 Ma)由于太平洋板块的俯冲而形成的弧后伸展[3],并且在形成过程中不断伴随着海盆的顺时针旋转[15]。另一种则认为是由于印度-澳大利亚板块的向北俯冲而形成的近乎东西向的弧后伸展,在其形成阶段不存在大规模顺时针旋转[5]。这两种不同的形成模式对于解释Caroline海板块的边缘属性问题有重要影响。从Caroline海板块中残留洋中脊的分布和近东西向展布的磁异常条带看,其扩张历史比较复杂,可能存在多期次扩张中断、俯冲伸展、洋脊跃迁等事件[3, 5-12],使得对于海盆形成演化历史的研究更加困难。

    在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”重点项目的支持下,我国科学家将在Caroline海盆进行综合地质地球物理、地球化学调查分析,建立并丰富大洋岩石圈系统演化、深部地球动力学过程与海洋过程耦合等方面的理论模型,提升我国的深海科学研究水平及国际影响力。

    • Caroline海盆水深明显小于其北部菲律宾海盆和其东北部太平洋海盆的水深,它的一个重要特征是中间存在一个近南北向的Eauripik海岭,高出两侧Caroline海盆2 km(图12)。Eauripik海岭地壳较厚,是一般洋壳厚度的两倍,其顶部比较平滑,且沉积物厚度较均一[16]。早期有学者认为Eauripik海岭是残留的洋中脊[7, 17],但Eauripik海岭的形成也可能同其北部的Caroline海脊一样与热点岩浆活动有关,受沿薄弱转换断层的岩浆活动的影响[2, 8, 18],而Eauripik海岭两侧海盆中的海槽才是残留洋中脊的产物。但是,Caroline海脊与Eauripik海岭的地球物理场和深部结构特征差异很大,两者不可能同源[8]

    • Caroline海盆与东侧的Ontong-Java海底高原之间存在Mussau海沟和Lyra海槽(图12)。Mussau海沟曾被认为是将来形成俯冲的地方[4],或者代表一个残留的渐新世俯冲[7]。俯冲增生楔的欠发育、Benioff地震带的缺失以及从挠曲模型反演获得的水平挤压力都表明,Mussau俯冲带是一个刚刚开始形成的活跃的俯冲带,是Caroline海盆向东正在形成初始俯冲的产物,而且俯冲程度由北向南加大[2]。此处重力反演估计的俯冲量只有10 km左右,俯冲起始的时间距今可能只有1 Ma,因此Mussau海沟与Lyra海槽是研究俯冲带初始形成的极佳场所[10]

    • Caroline海盆西侧正在扩张的Ayu海盆呈三角形(图2),南部较宽向北部逐渐变窄,平均水深3 800 m左右,与年轻的马里亚纳海槽的水深接近,可能形成于Caroline海盆在约25 Ma停止扩张之后[2, 9],而从其较浅的水深看,也有可能更年轻一些。

      Ayu海盆具有活跃的洋中脊系统,扩张速率较慢,但由于海盆较小、磁异常条带不能清晰识别,不能准确判定其形成年龄。许多相关问题有待解答,例如为什么这里会形成海底扩张?扩张动力是什么?是否与东侧边缘的Mussau俯冲具有耦合关系?Ayu海盆的扩张是否沿着先存的九州-帛琉海岭形成?

      Caroline海板块晚期的逆时针旋转可能造成了Mussau俯冲带的形成和Ayu海槽的伸展[9, 11],虽然二者在变形时间和尺度上存在不小的差别,但Mussau海沟的俯冲程度与Ayu海槽的形态似乎与逆时针旋转模式相符。若真如此,那么Mussau俯冲带的形成和Ayu海槽的伸展之间就存在一定的构造耦合作用,那这一构造耦合的驱动力又是什么?

    • Caroline海盆北部与太平洋板块的交界处发育复杂的Caroline海脊-Sorol海槽裂谷-西Caroline海脊体系(图2)。关于它们的成因有很多不同的观点:早期拖网发现的具有活跃洋中脊特征的新鲜的枕状玄武岩和辉绿岩表明Sorol海槽是一个消亡的弧内盆地[19],与Caroline海盆扩张同期形成于北向俯冲的海沟系统,这样西Caroline海脊应该是岛弧成因,但Caroline海盆北向俯冲形成西Caroline海脊岛弧的证据并不十分明显[18]。Sorol海槽的张裂时间可能为17~7 Ma[18],也有观点认为Sorol海槽是一个活跃的斜向张裂转换系统,具有走滑和伸展特征[2],岩石地球化学也支持这个观点[20]

      不少学者认为Caroline海脊及其东侧的Caroline海山链形成于地幔柱系统[18, 21],而Sorol海槽形成于太平洋板块的初始裂解,但Caroline海脊岩浆也很可能跟断裂剪切相关[20]。Caroline海脊相对平静的磁异常、深莫霍面和居里面等综合地球物理亦表明Caroline海脊系统的一部分应该具有大陆性质[22],这一观点可与大陆边缘张裂演化模式[12]相吻合,但是有待于进一步验证。

    • Caroline南部边界之一的新几内亚俯冲带也是一个活跃的俯冲带(图2),从地震层析成像结果推测大约从9 Ma以来可能已经俯冲消减了650 km长的板片[14],其东侧的Manus海沟俯冲特征也很明显,但是目前可能只有其东段在活动[13]

    • 俯冲带的成因可以有自发和诱发两种[23-24],不同的成因可以造成不同的地质表现,但是因为目前已知的初始俯冲带很少,对俯冲带成因的研究往往更多在于理论探索和数值模拟。

      目前,西太平洋地区新老板块交替、构造单元复杂,潜在形成俯冲带的地方相对较多,例如菲律宾海西部的加瓜海脊(图1),可能存在过短暂的俯冲带形成过程[25-26],有理由认为西菲律宾海盆内的吕宋-冲绳断裂带也会是一个未来潜在发生俯冲的位置(图1)。Caroline海板块东部边界正在活跃的Mussau俯冲带为认识此问题提供了绝佳的场所。Caroline海盆的板内构造与板块边界构造之间的联系如何?Caroline海盆与周围板块之间如何相互作用?东部边界的初始俯冲是否是西部边界初始扩张的动力来源?是否存在Caroline海板块的逆时针旋转?如果是,是主动还是被动旋转?东缘的初始俯冲与Ontong-Java大火成岩省之间有何联系?Mussau初始俯冲是主动还是自发,太平洋板块以及Ontong-Java大火成岩省如何影响了Mussau的初始俯冲?

      为了验证相关的假说,国际大洋发现计划IODP 350、351和352三个航次针对伊豆小笠原-九州帛琉岛弧系统开展了系列钻探[27-29],认为这里新生代早期开始的俯冲是自发形成的,但反对观点认为钻探资料并不能验证俯冲是自发形成还是被动产生的[30]。因此,对俯冲带初始形成机理的研究仍然需要多学科综合研究。

      因为对Caroline海板块复杂的边界动力学、构造边界属性和成因仍存在较多争议,并且近年来缺乏详细的剖析,所以对精细深部结构和动力学成因的认识很少。可以选择关键剖面(图2),开展综合地球物理资料采集和处理分析,同时利用区域水深、重磁和地热资料开展区域深部结构、温度场和岩石圈强度方面的研究,探讨Caroline海板块边界属性和深部结构与组成。从区域地球动力学数值模拟的角度分析初始俯冲与初始扩张的成因。

    • 将Caroline海盆作为一个整体系统来剖析海水与固体岩石圈之间的耦合可以比较定量地实现整体分析。西太平洋发育活跃的海底火山、俯冲作用(断裂摩擦生热)、海底扩张以及岩石圈热扰动(地幔蛇纹岩化产热、小尺度地幔对流)等地球动力学过程进一步提高了固体地球对海水的物质和能量交换。这里年轻的俯冲带和扩张中心构成了复杂的海底地形和活跃的海底与岩石圈深部的物质和能量交换,同时年轻的海底也是高热流和高热液活动的场所[6]。因为处于印尼海道的咽喉区域以及西太平洋暖池的发育区,碳酸盐岩沉积比较发育[16],因此Caroline海盆也是研究热带深水沉积、碳循环、复杂海底地形与海水-沉积过程互相耦合等科学问题的有利区域。

      居里点和磁异常资料分析表明,大洋地幔顶部的磁性层可能是地幔原位蛇纹岩化的结果,蛇纹岩化程度可能比过去估计的要大很多[6, 22, 31-33]。相关过程造成海底的热异常和物质交换作用异常,对海水的多尺度海洋过程可能会产生不可忽视的影响。Caroline海盆上地幔顶部蛇纹岩化的程度如何?水在初始俯冲和初始扩张中的作用如何?Caroline海脊和Eauripik海岭是否存在大规模岩浆入侵?海底热流、海底热液(Ayu海槽)和居里面深度所联合确定的海底热通量有多大?这方面全面定量研究对地球系统演化和流固耦合系统有重要意义,相关系统工作尚未开展。

      分析Mussau初始俯冲可能伴随的热液活动,Ayu海盆洋中脊热液活动强度,结合反演的莫霍面和居里面深度,系统探讨Caroline海盆地幔岩石圈蛇纹岩化的程度(磁性层的厚度,假设原位新鲜地幔的磁性很弱),定量估计蛇纹岩化层的体积和可能的含水量。综合热流测量信息和磁异常反演的居里面深度,确定Caroline海底对海水的热贡献。

      目前,在西太平洋Caroline板块及周边区域MT深部电性结构研究方面尚属空白。通过海洋大地电磁资料获取该区域地壳及上地幔的电性结构,分析可能的岩浆入侵及岩浆房分段分布特征,获取周缘俯冲带电性结构,分析其水热液循环模式及地质意义。

      确定Caroline海盆边界及盆地内俯冲带(或岛弧)和板内岩浆岩的时空分布、岩浆起源、构造背景和岩石-流体作用过程及与周缘Ontong-Java大火成岩省等的耦合关系。Eauripik海岭异常地形可能反映了区域应力场变化、岩浆活动异常、深部地幔动力过程等,需要进一步剖析。同时Eauripik海岭异常地形对海底沉积物分布的影响也值得探讨,从目前的结果看Eauripik海岭上的钙质软泥沉积厚度比较均一,但是横向相变明显,反映了水力学和水文化学条件的明显变化[16]

    • 过去在Caroline海开展了较多的水深测量[4, 9]、区域热流分析[33-34]、重力密度正反演[18]、磁异常资料的年龄对比分析[4, 8]、岩石圈强度分析[2, 18, 34-38]、以及部分地震探测与活动性分析[4, 7, 9, 13]等,但目前仍缺少深部精细的地震图像和速度结构。

      地球化学研究主要集中在Caroline海脊、Sorol海槽以及Caroline海山链。近年来,地幔与洋壳的物质循环逐渐受到关注,例如,岛链同位素分析认为存在深部地幔与洋壳俯冲物质的混合[39]。针对Caroline海盆区域的水热循环和地幔蛇纹岩化的研究较少。

    • 开展多道反射地震探测、主动源海底地震(OBS)调查,获得高分辨率的深部地壳与岩石圈结构,特别是俯冲带的深部结构信息(图3)。国内近几年在这方面的观测技术和研究水平在不断提升和完善。

      图  3  研究技术路线图

      Figure 3.  Technical flowchart

    • 基于重磁异常反演的东南亚区域莫霍面和居里面深度结果表明,大洋地幔顶部的磁性层可能是地幔原位蛇纹岩化的结果[33],蛇纹岩化程度较高,并发现了关于Caroline海脊等的一些新属性,但是没有针对Caroline板块开展系统详细的研究。目前区域热流测量点较少。

    • 由于海水对电磁场具有高导屏蔽作用,场源频带以低频为主(约为10−6~10 Hz),探测深度相对陆地MT较浅,一般为洋壳到上地幔几千米到几百千米范围[40-42]。海洋大地电磁测深法(MT)也是非常有效的属性探测技术,广泛应用于海底深部电性结构及动力学研究,电性结构对认识大洋岩石圈的水循环有重要参考价值,是目前的研究热点之一[43-44]

    • 使用长周期海洋MT数据反演已得到东太平洋海岭地幔的非对称电导率结构和地幔熔融程度[45-46],但并未发现高导层,表明东太平洋海岭的地幔熔融程度存在一定差异[45]。MT结果表明,在下地壳拆离带(约15~20 km深度)处存在的高导层可能是位于脆性和韧性地壳剪切带中的石墨层,而含水层或部分熔融层存在的可能性较小[47]。全球下地壳拆离带是否普遍存在石墨层还有待进一步研究,对探究洋壳扩张动力学机制亦有一定的意义。西非被动大陆边缘Walvis海脊的三维MT观测发现在洋中脊两侧存在两处较大的高阻异常带,可能是由热点岩浆侵入引起[48],其中一处高阻异常延伸至海脊下方,表明岩浆入侵导致洋中脊局部隆起和洋壳扩张。

    • 使用海洋MT法可以推测俯冲带水运移通道[49]。俯冲板片或地幔楔中水的存在会使得其电导率增加,反之,脱水过程会使得其电导率降低。科学家基于全球上地幔水循环系统分析了大西洋北西部、日本岛和东亚地区上地幔的电导率结构[50]。MT反演得到的日本海俯冲带二维电性结构显示在高阻俯冲板片下方150~200 km深度处存在高导层[51],被认为是俯冲过程中俯冲板片将水带入上地幔的直接证据。对Costa Rica俯冲带的海-陆联测MT反演得到的区域二维电导率结构初步确定了该俯冲带的区域水循环模式,即俯冲板片将含水沉积层带入上地幔,部分水分通过热点向上散失或进入上地幔深部,并伴随部分熔融及蛇纹石化或脱蛇纹石化等[52]。长周期MT反演得到的马里亚纳俯冲带二维电性结构也揭示了高阻俯冲板片下方的高导上地幔层,可能是橄榄石水化或上地幔部分熔融所致[53]

    • 早期地球化学研究主要针对Caroline海山链的岩石组成及形成年代,表明岛链的演化受共同的热点控制,其形成年代自东向西逐渐增大,岩石组成以碱性玄武岩为主,与以拉斑玄武岩为主的夏威夷群岛岛链特征存在显著差异[21, 54]。对Caroline海盆东侧的Ontong-Java大火成岩省地质地球化学研究可以较好地揭示其周围海盆及块体内部深部地幔物质组成和构造演化。

    • 通过对地幔橄榄石或橄榄岩与不同的水-岩比例的海水或者根据海水成分配置的溶液和橄榄石/橄榄岩粉末一起放置金反应腔内进行加热和加压,采用ICP-MS、气相色谱仪和质谱仪分析测定其成分、气体含量及比例和C同位素值从而查明蛇纹石化后海水成分的变化以及这些变化对生命过程、海底热液以及热液成矿作用(如Fe3+ 的析出过程有利成矿)影响程度;采用电子探针、扫描电镜、透射电镜、激光拉曼和红外光谱等分析以确定蛇纹石化类型、矿物组成、形态、结构以及蚀变比例等。目前,应用最广泛的是采用Seyfried设计的Au-Ti反应釜(高压反应釜)进行蛇纹石化过程的模拟实验,探讨这些蚀变产物对物质循环、热液环境和岩浆作用的影响 [55-60]。另外,传统的冷封式高压釜实验过程与Au-Ti高压反应釜类似,但无法实现实验过程中的原位取样分析,只能在实验结束后分析最终的溶液和矿物成分 [61]

      针对Caroline海盆某些特定构造背景地区出露基性-超基性岩(橄榄岩、玄武岩、蛇纹岩等),或者其他地区典型的海洋地幔橄榄岩与流体反应产生蛇纹岩,采用高压反应釜进行地幔蛇纹石化过程的实验模拟,探讨蛇纹石化过程中海水成分变化、物质循环、热液环境和岩浆作用的影响,尤其水岩反应对深部地幔物质的来源、壳-幔相互作用和流体(H2O、CO2等)-固体(橄榄岩、玄武岩)之间发生反应的机理进行较好的制约。同时利用岩石物理实验技术分析蛇纹石化程度对岩石物理属性(磁化率、波速度、导电率等)的影响。

    • 采用元素地球化学和同位素示踪(Sr-Nd-Hf-Pt-O-Mg和Re-Os,He同位素等)、矿物中流体成分和熔融包裹体形成温度分析及元素地球化学模拟等方法和技术,分析俯冲带和板内岩浆岩的岩浆起源、构造背景和岩石-流体作用过程。同位素组分是判断幔源岩浆源区性质的最佳指示剂,不同的地幔端元(如软流圈地幔、岩石圈地幔等)具有明显不同的同位素组成,因此可以利用它们的同位素特征差异对其进行有效的判别[62]

      近年来越来越多的同位素体系(如Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、Lu-Hf和Re-Os等)的应用丰富了地球内部不同地幔端元的同位素资料[56]。通过多个同位素体系和元素地球化学理论模拟示踪深部地幔和大火成岩省的源区性质和岩浆演化过程,并结合主、微量元素特征,深入探讨海底橄榄岩和玄武岩及蛇纹岩等形成与深部地幔及大火成岩省的耦合关系 [63-67]

      玄武岩和橄榄岩的岩石和矿物(如橄榄石)化学成分与其形成时的大地构造背景、深部温压条件、母岩浆的成分、部分熔融及结晶分异程度等因素密切相关[68-71],如MgO含量较高(>8%)的玄武岩表明其母岩浆仅发生过橄榄石的结晶分异作用,而Na2O、K2O等不相容元素含量以及La/Sm、Sm/Yb等稀土元素比值的变化则能指示其母岩浆的部分熔融程度及形成时的深度和压力[72]。因此,利用玄武岩和橄榄岩及水-岩反应的地质地球化学特征研究可以为揭示其源区特征、岩浆演化等提供重要信息。

      通过深海调查和取样,在Caroline海盆不同构造背景地区有选择性地采集海底基性-超基性岩(橄榄岩、玄武岩、蛇纹岩等)样品,采用高精度的岩石定年、元素地球化学和同位素示踪、矿物中流体成分和熔融包裹体形成温度等分析研究,结合元素地球化学理论模拟,阐明Caroline海盆周缘及内部与俯冲带(或岛弧)和板内构造环境有关的岩石组合类型和形成时空变化、岩浆源区特征、大地构造背景和岩石-流体作用,并探讨与周缘Ontong-Java大火成岩省及岩浆-构造演化的耦合关系。

    • 以上述研究成果为边界和初始条件,开展俯冲带起始、板内隆升、构造耦合等方面的数值模拟分析,探讨板内Eauripik海岭、周围板块和构造单元如Ontong-Java大火成岩省对俯冲起始的影响。主要采用有限元技术(如Gale等软件)和MATLAB程序来实现模拟。

    • 西太平洋边缘海盆是大洋钻探比较活跃的区域(图1),因为这里构造复杂多样,早期深海钻探计划(DSDP)在Caroline海盆实现了两个站位的钻探(站位62和63)[73],分别位于Eauripik海岭和东部Caroline海盆(图1),钻探深度分别为581和 566 m。2016执行的IODP 363航次在Eauripik海岭上完成了3个站位的钻探[74],但是主要目标是西太平洋暖池古海洋学,很少获得基底玄武岩的样品,因此难以开展海盆演化动力学研究。鉴于Caroline海板块及其边界的复杂性,需要更多的钻探工作来解决全球性的科学问题:初始俯冲和初始扩张机理、剧烈板内变形动力学、海底界面的物质和能量交换等。

      在系统研究的基础上,需要提出重要的可以通过科学钻探验证的具有全球意义的科学问题和科学假设,有针对性地开展站位调查工作,提出未来在Caroline海盆实施钻探站位的设想,提出大洋钻探建议书一份(图3),争取国内外学术组织的支持和立项。

    • 将西太平洋的微板块Caroline海盆作为一个整体系统开展多学科研究,系统剖析复杂大洋板块边界之间、板内构造与周围板块之间的构造耦合关系,可以有效利用Caroline海盆构造边界的特殊性,针对全球性的重大地球动力学问题,如俯冲带和洋中脊的初始形成、西太平洋海陆相互作用与流固耦合过程等,开展新的探索。

      利用多种地球物理资料(地震、地热、地磁、地电、重力、地形)和地质地球化学实验方法,综合分析多圈层相互作用中的水与物质循环、蛇纹岩化过程与原位地幔蛇纹岩化的程度、海底界面过程等,多种资料之间可以互相支持与验证。

      将未来大洋钻探建议书作为成果和目标之一,以期开展长期的Caroline海盆科学实验工作,创立新一轮西太平洋海洋科学研究的特色。

      这些研究内容紧密围绕国家自然科学基金委“西太平洋地球系统多圈层相互作用”重大研究计划的科学目标和科学问题展开,进行多学科、跨尺度、跨圈层综合研究,服务于西太平洋气候、环境、资源及国家安全等重大需求。

      致谢:感谢西班牙加泰罗尼亚理工大学Sergio Zlotnik教授,长期作为高端外专在浙江大学开展地球动力学数值模拟课程讲座与学术交流合作。另外,中国科学院三亚深海科学与工程研究所方京博士在高压反应釜实验部分提供宝贵材料和有益的讨论,在此一并感谢。

参考文献 (74)

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