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【前沿报道】Nature Communications:西北太平洋地区俯冲板片含水量的控制因素
2018-10-08 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  地球内部到底有多少水是近年来的一个热点问题。作为地幔对流的一部分,板片俯冲可以将地表的水带到地球内部。俯冲板片的脱水可以形成岛弧岩浆,促进变质作用,降低熔融温度等;而俯冲前板片的含水量(或水合作用,hydration)则直接决定了输送到地球深部的总水量。 

  洋脊附近的热液循环(hydrothermal circulation)和蚀变(alteration)一直被认为是大洋板块水合程度的一阶控制因素。近年来,地震学及电磁学研究揭示出在海沟附近与板块弯曲相关的正断层可显著促进板块的水合作用(Ranero et al., 2003)(图1),特别是海沟处的弯曲断层作用(bend faulting)极有可能切断整个地壳进入到上地幔。区分、提取弯曲断层作用对板块水合程度的贡献及大小,对于认识俯冲地区流体的释放机制、位置和作用,俯冲板块的含水量以及深部地幔水循环等都有重要意义。 

1 电阻率观测结果与地震波成像给出的弯曲断层结果解释图。大洋板块在抵达海沟外隆起(outer rise)时,拉伸作用产生弯曲断层,可直抵地幔深度,产生渗透率较高的有利于深部流体循环的断裂破坏区(Key et al., 2012

  针对以上弯曲断层导致的水合作用问题,日本海洋科学与技术中心(JAMSTEC)有针对性地选择了位于同一三联点的日本海沟和千岛海沟作为对比研究区域,以气枪阵列源为信号,利用海底地震仪和水检器等到时记录,反演获得了两个区域的P波、S波速度结构。在近海沟处,两个区域均呈现P波速度降低和Vp/Vs比值增加的特征;但日本海沟处的变化更加剧烈,表明日本海沟处俯冲板片的水合程度明显高于千岛海沟处,与日本海俯冲地区强烈的中-深源地震活动性吻合(图2)。 

 

2 两处对比研究区域(日本海沟和千岛海沟区域)及利用可控源地震走时反演得到的速度模型(Gou et al., 2018)。(a-c)千岛海沟处A2剖面的速度成像结果,在靠近海沟处地幔Vp速度降低,地壳Vp/Vs值增加;(d-f)日本海沟处A1剖面的速度结构,地幔Vp速度的降低及Vp/Vs比值增加更加显著,且在距海沟150 km处就开始出现,表明更多的水渗透进入到洋壳中去; (g)对比研究区域图;(h)中深源地震活动性对比 

  由地震波速度结构揭示的俯冲前板块的含水程度和地震活动性揭示的俯冲后板块含水程度在两个区域的对比,表明俯冲地区弯曲断层作用产生的空间差异是导致两个区域显著差别的主导因素。文章认为现今海沟与古代扩张洋脊之间的角度α控制了弯曲断层的空间变化规律,是影响西北太平洋俯冲地区板片含水量的关键因素。根据角度α的大小可将海沟处产生的弯曲断层分为两种类型,即重新激活的深海丘陵断层(reactivated abyssal-hill faults)和新产生的断层。千岛海沟处的弯曲断层主要为重新激活的深海丘陵断层(α≈10°);日本海沟处则是新老断层的组合(α=60°-70°),这种组合更易促进水向板片内部的渗透,致使日本海沟处板片含水量相对较高,但这需要更加集中的拉伸应力。 

  该研究意味着,如果弯曲断层确实能够为水进入地幔开辟一个新通道,那么由俯冲板块带入到地球内部的水含量将会比现在的估值大得多,这必将对深部地幔结构、物质组分以及俯冲动力学过程产生重要的影响。但文章也承认,角度α与板片含水量之间的关系会受到海沟处地质背景的影响,例如在阿拉斯加和美国中部海沟区域,重新激活的断层为数更多,使得板块更加富水(Shillington et al., 2015; Van Avendonk et al., 2011),这和西北太平洋地区的观测现象完全不同。事实上,板片的含水量还受其他因素的影响,例如板片的曲率、年龄等。因此想更定量化地估计俯冲板片能够输送到地球内部的水含量,还需要更深入、细致、综合的研究,希望本文能带来新的思考及讨论。 

    

  【相关参考文献】 

  1. Gou F J, Kodaira S, Kaiho Y, et al. Controlling factor of incoming plate hydration at the north-western Pacific margin[J]. Nature Communications, 2018, 9(1): 3844.原文链接 
  2. Key K, Constable S, Matsuno T, et al. Electromagnetic detection of plate hydration due to bending faults at the Middle America Trench[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2012, 351: 45-53.原文链接 
  3. Ranero C R, Morgan J P, McIntosh K, et al. Bending-related faulting and mantle serpentinization at the Middle America trench[J]. Nature, 2003, 425(6956): 367–373.原文链接 
  4. Shillington D J, Bécel A,Nedimovic M N, et al. Link between plate fabric, hydration and subduction zone seismicity in Alaska[J]. Nature Geoscience, 2015, 8: 961-964.原文链接 
  5. Van Avendonk H J A, Holbrook W S, Lizarralde D, et al. Structure and serpentinization of the subducting Cocos plate offshore Nicaragua and Costa Rica[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2011, 12(6). 原文链接 

  (撰稿:韩光洁,李娟/地球与行星室)

 
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