马里亚纳海沟"挑战者深渊"俯冲板块上地幔蛇纹石化层特性获揭示
马里亚纳海沟"挑战者深渊"俯冲板块上地幔蛇纹石化层特性获揭示
近日，中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室（OMG）丘学林研究团队，联合中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院深海科学与工程研究所和德国GEOMAR-亥姆霍兹基尔海洋研究中心，利用万米级人工源地震剖面，成功获得了马里亚纳“挑战者深渊”俯冲板块上地幔顶部高度蛇纹石化层的横波速度和纵横波速比。该成果发表已发表在国际地学期刊《地球物理研究通讯》(Geophysical Research Letters)上。
马里亚纳“挑战者深渊”作为全球最深的海沟，位于伊豆 - 小笠原 - 马里亚纳俯冲带的最南段。该区域的俯冲板块具有古老年龄、陡峭俯冲角度以及强烈基底变形等特点，被视作端元型俯冲带。此前，研究团队曾搭乘“探索一号”TS03 航次，在马里亚纳俯冲带南段横穿“挑战者深渊”布设了一条 230 km 长的广角深地震测线 TS2017 - 2，并获得了该测线的纵波速度结构。研究发现太平洋俯冲板块上地幔顶部存在 4.0 - 6.5 km 厚的速度异常层，但由于纵波速度存在多解性，对该异常层的岩石物质属性一直未能明确。
在此基础上，研究团队对该批次数据进行了深入分析。利用径向分量数据开展横波速度结构模拟和纵 / 横波速比分析，发现该上地幔层的纵 / 横波速比值超过 1.80，最高可达 1.95。经过与实验室岩石参数的对比分析，确定该速度异常层为高度蛇纹石化地幔层，其形成与蛇纹石化地幔橄榄岩的机械强度快速变化密切相关。此外，波速比剖面还显示，输入板块地壳和上地幔的纵 / 横波速比值向海沟方向呈增加趋势，但速度值却在减小，这表明了板块挠曲断裂和水化程度的增强。
研究结果表明“挑战者深渊”区域的输入板块经历了强烈的挠曲断裂、水化和地幔蛇纹石化过程。这对于认识典型端元“马里亚纳”型俯冲系统的俯冲过程和水-物质循环机制具有重要意义。该研究得到了国家自然科学基金（41906061 ，41949581）、国家重点研发计划深海专项（2018YFC0309800）、中科院南海海洋研究所自主部署项目（SCSIO2023HC08）的资助。
图1 马里亚纳俯冲带南段的地形特征及部分多道反射地震剖面
图2 沿TS2017-2测线输入板块的纵、横波速度结构、波速比剖面（图a-c）以及OBS02台站的径向分量地震剖面（图d）
图3 原位地震观测与实验室岩石测量值的对比