俯沖板塊地幔蛇紋石化的控制機制獲揭示

中國科學院南海海洋研究所（以下簡稱南海海洋所）研究員張帆團隊與合作者在國家自然科學基金等項目的資助下，在俯沖板塊地幔蛇紋石化程度控制機制方面研究取得重要進展。相關成果近日發表于《地球與行星科學通訊》（Earth and Planetary Science Letters）。 

論文第一作者、南海海洋所副研究員張江陽表示，俯沖作用是水向地球深處輸送的主要機制，這個過程對板塊構造、俯沖地震活動、弧巖漿作用以及氣候變化等都具有重要影響。大洋巖石圈在海溝附近發生彎曲變形，并形成撓曲正斷層。水沿著正斷層進入板塊深部，引起地幔蛇紋石化，在觀測上表現為地幔頂部的地震波速減低。因此，俯沖板塊的地幔蛇紋石化與俯沖作用的水通量有密切的關系。然而目前對俯沖板塊地幔含水量（或地幔蛇紋石化程度）的具體控制因素和機制尚不清楚。

研究人員利用過去20年全球海溝地區的地震數據，深入探討了板塊年齡、撓曲曲率和沉積物厚度等因素對上地幔頂部地震波速降低程度的影響。研究發現，隨著板塊的年齡增長，其撓曲變形區域的應力屈服深度受到限制，而板塊曲率則直接決定這一深度的實際表現。這兩個因素共同決定了俯沖板塊淺部的水平伸展應變量，進而顯著影響了地幔上層的蛇紋石化程度。

簡而言之，俯沖板塊的變形與地幔蛇紋石化程度之間存在著明確的線性相關性。研究還揭示，沉積物厚度較大的地區，地幔的地震波速下降趨勢相對較小，顯示出沉積覆蓋對于地幔蛇紋石化的阻礙作用。這一發現不僅有助于我們更好地理解板塊構造過程中的水循環動態，也為估算俯沖板塊的含水量提供了新的理論依據。

論文通訊作者張帆表示，該研究從板殼力學的基本原理出發，闡明了板塊年齡和曲率對地幔蛇紋石化的控制機理，并揭示了沉積覆蓋作用對地幔蛇紋石化的阻礙效應，對估算俯沖板塊含水量、地幔蛇紋石化程度以及理解俯沖帶水循環過程具有重要意義，為深入研究地球內部環境和氣候變化提供了重要支撐。

記者獲悉，該研究由張帆團隊聯合南海海洋所特聘研究員林間團隊、中國科學院海洋研究所研究員高翔、中山大學副教授蔡晨和南方科技大學副教授周志遠共同完成。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118799

（a）研究中所用的地震波速度（Vp）結構剖面的位置；（b）水平伸展應變與Vp降低之間的相關性。研究團隊供圖

示意圖顯示板塊年齡（厚度）和彎曲曲率對板塊水化作用的影響機制。研究團隊供圖