俯冲板块地幔蛇纹石化的控制机制获揭示

中国科学院南海海洋研究所（以下简称南海海洋所）研究员张帆团队与合作者在国家自然科学基金等项目的资助下，在俯冲板块地幔蛇纹石化程度控制机制方面研究取得重要进展。相关成果近日发表于《地球与行星科学通讯》（Earth and Planetary Science Letters）。 

论文第一作者、南海海洋所副研究员张江阳表示，俯冲作用是水向地球深处输送的主要机制，这个过程对板块构造、俯冲地震活动、弧岩浆作用以及气候变化等都具有重要影响。大洋岩石圈在海沟附近发生弯曲变形，并形成挠曲正断层。水沿着正断层进入板块深部，引起地幔蛇纹石化，在观测上表现为地幔顶部的地震波速减低。因此，俯冲板块的地幔蛇纹石化与俯冲作用的水通量有密切的关系。然而目前对俯冲板块地幔含水量（或地幔蛇纹石化程度）的具体控制因素和机制尚不清楚。

研究人员利用过去20年全球海沟地区的地震数据，深入探讨了板块年龄、挠曲曲率和沉积物厚度等因素对上地幔顶部地震波速降低程度的影响。研究发现，随着板块的年龄增长，其挠曲变形区域的应力屈服深度受到限制，而板块曲率则直接决定这一深度的实际表现。这两个因素共同决定了俯冲板块浅部的水平伸展应变量，进而显著影响了地幔上层的蛇纹石化程度。

简而言之，俯冲板块的变形与地幔蛇纹石化程度之间存在着明确的线性相关性。研究还揭示，沉积物厚度较大的地区，地幔的地震波速下降趋势相对较小，显示出沉积覆盖对于地幔蛇纹石化的阻碍作用。这一发现不仅有助于我们更好地理解板块构造过程中的水循环动态，也为估算俯冲板块的含水量提供了新的理论依据。

论文通讯作者张帆表示，该研究从板壳力学的基本原理出发，阐明了板块年龄和曲率对地幔蛇纹石化的控制机理，并揭示了沉积覆盖作用对地幔蛇纹石化的阻碍效应，对估算俯冲板块含水量、地幔蛇纹石化程度以及理解俯冲带水循环过程具有重要意义，为深入研究地球内部环境和气候变化提供了重要支撑。

记者获悉，该研究由张帆团队联合南海海洋所特聘研究员林间团队、中国科学院海洋研究所研究员高翔、中山大学副教授蔡晨和南方科技大学副教授周志远共同完成。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118799

（a）研究中所用的地震波速度（Vp）结构剖面的位置；（b）水平伸展应变与Vp降低之间的相关性。研究团队供图

示意图显示板块年龄（厚度）和弯曲曲率对板块水化作用的影响机制。研究团队供图