马里亚纳海沟俯冲侵蚀机制研究取得新进展

马里亚纳海沟俯冲侵蚀机制研究取得新进展

近日，中国科学院海洋研究所吴自银研究员作为通讯作者，上海交通大学海洋学院刘洋博士研究生作为第一作者，在国际地学著名期刊《Geomorphology》上发表了题为《沉积物匮乏的马里亚纳边缘的地貌特征和俯冲侵蚀机制》的研究新成果。该研究的合作作者包括索邦大学Laetitia Le Pourhiet教授，巴黎高等师范学院Nicolas Coltice教授，浙江大学李春峰教授，自然资源部第二海洋研究所尚继宏正高级工程师，赵荻能副研究员，周洁琼副研究员，王明伟助理研究员。

全球几乎一半以上的汇聚板块边缘都在发生着俯冲侵蚀过程，该过程主要体现为上覆板块弧前地壳物质的缺失，是将物质有效回收到俯冲深部的关键机制，对维持全球构造活动具有重要意义。俯冲侵蚀过程的研究热点之一是其侵蚀机制。目前，控制俯冲侵蚀的地质和构造因素主要体现在较薄的海沟内部沉积物（＜1 km）、较快的板块汇聚速率（＞60 mm/yr）、陡峭的内侧海沟斜坡以及高起伏的俯冲大洋板块基底等。然而，近年来与俯冲侵蚀相关的研究主要集中在大陆边缘（如智利边缘，日本边缘，中美边缘等等），对于洋-洋板块汇聚边缘（如马里亚纳海沟）的研究则较少。此外，前人在马里亚纳边缘的地质与地球物理调查较为分散且地形数据精度不高，总体地球物理研究程度相对较低，前人研究也无法解释其出现的低侵蚀速率现象，故目前对该处的俯冲侵蚀机制尚不清楚。

图1. 穿越马里亚纳边缘的多道地震剖面及其所对应的高分辨率海底地形图：（a）海山俯冲（b）地垒和地堑俯冲。 右图为地形图的局部放大以显示更多地形细节（位置如左侧黑框所示）。

该研究基于最新融合得到的高分辨率海底地形数据和多道地震剖面数据等（图1），开展了海底构造地貌学研究工作。从俯冲板块的粗地形特征、上覆板块的地形破坏表征和海底地形剖面特征等方面首次详细确定了几个关键的俯冲侵蚀指标。研究结果表明，马里亚纳海沟主要受俯冲侵蚀过程的影响，包括较陡的弧前坡度（4°）、较大的锥形角（6.8°）、平坦的弧前地形、可变的沟-弧间距以及粗糙海底地形的俯冲对上覆板块的加速破坏等。其次，该研究基于新的计算框架计算了自40-45 Ma以来，沿马里亚纳海沟俯冲侵蚀所消耗的弧前地壳体积至少为320 km3/km，并进一步得到了远低于其他侵蚀边缘的长期俯冲侵蚀速率（~7-8 km3/km/Myr）。如图1所示，该研究分别对比了典型海山俯冲区与垒堑俯冲区的弧前地形，发现在垒堑俯冲区弧前海沟内侧斜坡识别出的局部隆起地形起伏（1 km，0.4 km，0.8 km）始终大于海山俯冲区（0.3 km，0.5 km，0.4 km），且在海山俯冲区弧前盆地内发现的区域不整合也出现在了垒堑俯冲区的弧前盆地内。

图2. 马里亚纳边缘的俯冲侵蚀模型。随着板块界面处滑动面形成，以粗糙地形（海山、地垒和地堑）为主的俯冲侵蚀过程得到了平滑。

最后，考虑到马里亚纳海沟丰富的水和弧前广泛存在的蛇纹岩化泥火山，该研究提出了如图2所示的水力压裂参与下的俯冲侵蚀模型，认为流体俯冲诱发的水力压裂是抑制粗地形俯冲侵蚀的重要机制。基底侵蚀掉落的岩石碎片被堆积在垒堑结构中，伴随水力压裂沿板块界面逐渐形成滑动面，导致整体俯冲侵蚀能力被削弱。马里亚纳边缘的俯冲侵蚀过程是海山俯冲、垒堑俯冲和水力压裂三种模式复合作用的结果。

该研究成果受到国家重点研发计划（2022YFC2806600）、上海交通大学深蓝计划（SL2020ZD204）、国家留学基金委海外访学（202006230182），以及国家自然科学基金（42176055 和 91858213）的共同资助。

文章信息：Liu Y.* (刘洋), Wu Z.* (吴自银), Le Pourhiet L., Coltice N., Li C., Shang J., Zhao D., Zhou J., Wang M., Geomorphology and mechanisms of subduction erosion in the sediment-starved Mariana convergent margin[J]. Geomorphology, 2024: 109161. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2024.109161.