Nature：马里亚纳俯冲带携水量估计——来自海底地震观测数据的约束 - 海洋地震研究成果

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【前沿报道】Nature：马里亚纳俯冲带携水量估计——来自海底地震观测数据的约束

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俯冲带是地球上的巨大物质传输带。伴随着大洋板块俯冲，地表的水、流体和挥发份被携带进入地球内部。在历经一系列过程后，深部的水又随着火山喷发回到地表的海洋和大气中，从而构成地球深部的水循环系统。

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水对地球表层和深部动力过程都起着至关重要的作用。它能够促进岩浆形成，润滑深部断裂，极大地改变地幔岩石的强度和行为。

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地表的海水通过裂缝或孔隙渗入到大洋岩石圈，与壳幔中的矿物发生反应形成含水矿物（例如蛇纹石），被储存于这些矿物的晶体结构中，并进一步被大洋俯冲板片带入地球深部。

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最近研究显示，除洋脊附近的热液循环和蚀变之外，海沟处与板块向下俯冲相关的弯曲断层能够为水进入大洋岩石圈地幔开辟新的通道，显著增强大洋板块本身的水化作用（hydration）（Guo et al., 2018；见前沿报道《西北太平洋地区俯冲板片含水量的控制因素》）。

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然而对被俯冲板片带入至地球深部的水含量进行定量估计仍是一件十分困难的事。前人研究多基于主动源地震观测，其优势在于密集台阵数据对俯冲板块地壳和浅部地幔的水化程度可提供相对精确的约束，却无法约束水化作用发生的最大深度，因而无法准确估计俯冲板块的实际水含量。另一个难点在于造成地震波速度变化的多因素性。前人研究大多将地震波速度的降低全部归因为地幔主要矿物橄榄石的蛇纹石化，而大洋岩石圈中地壳和上地幔中存在的含水裂隙同样会造成地震波速度降低。

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此外，大洋岩石圈地幔橄榄石定向排列可以引起地震波速度各向异性，这使由地震波速度观测约束含水量的问题变得更为复杂。

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针对这一问题，美国华盛顿大学圣路易斯分校的学者基于布设在马里亚纳海沟的海底地震台阵观测，从远震记录中提取了Rayleigh面波频散曲线，反演获得了该区域垂直极化的S波速度（Vsv）结构图像，并进一步约束了俯冲板片水化作用的最大深度（Cai et al., 2018；图1）。

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该研究通过考虑裂隙随深度逐渐闭合、对地震波速的影响逐渐消失的效应，并由不同方位地震事件记录分析各向异性特征，从而区分出不同因素对地震波速变化的影响，并最终确定研究区俯冲板片水化作用造成的S波低速异常最深可达板片内部约30 km深度，即穿过6 km厚的洋壳进入地幔约24 km深处（图2）。观测的俯冲板片地幔中低至4.1 km/s的S波速度（图1）大致对应约19%的蛇纹石化，表明含水量可达2 wt%左右。

图1 垂直极化S波速度Vsv剖面及解释图（Cai et al., 2018）。a-c.沿三条不同剖面的方位平均Vsv结构图像。白色粗虚线为弧前Moho面，白色粗实线为6 km厚的俯冲洋壳Moho面，圆圈为重定位的板片内部地震。d.沿b剖面两条黑色虚线之间的结果解释。灰色虚线代表俯冲板片上表面，垂直白色虚线表示海沟轴。垂直蓝线、黑线表示右侧Vsv纵剖面的位置。UM. 未改变的地幔（Unaltered Mantle）；PS. 部分蛇纹石化（Partial Serpentinization）；PW.孔隙水（Pore Water）

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图2 马里亚纳俯冲带太平洋板片水化作用示意图（Shillington, 2018）。在海沟附近，水化作用深达俯冲板片内部约30 km深度。　

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基于上述估计，该研究进一步指出，马里亚纳俯冲板片所携带的水含量（94±17 Tg Myr-1 m－1）远多于（约4.3倍）前人的估计（van Keken et al., 2011）。相比年轻的俯冲板片，更冷更老的俯冲板片（例如马里亚纳处的太平洋板片）中含水矿物可以在更大深度上稳定存在，因而能更有效地将水带入地球深部（Rupke et al., 2004）。

依据这一最新研究结果类推至全球其它古老的俯冲带地区，全球俯冲进入到地球深部的水量将远超目前所估算的地幔中水的释放量。这意味着我们或许需要重新估算全球水循环，特别是在火山弧和弧后区域的水释放量。

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相关参考文献

1. Cai C, Wiens D A, Shen W, et al. Water input into the Mariana subduction zone estimated from ocean-bottom seismic data[J]. Nature, 2018, 563(7731): 389.

2.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.

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3. Rupke L H, Morgan J P, Hort M, et al. Serpentine and the subduction zone water cycle[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2004, 223(1-2): 17-34.

, A. p5 E- H$ {

4.Shillington D J. Water takes a deep dive into the Mariana Trench. Nature, 2018, 563(7731) : 335-336.

5. van Keken P E, Hacker B R, Syracuse E M, et al. Subduction factory: 4. Depth‐dependent flux of H2O from subducting slabs worldwide[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2011, 116(B1).

（撰稿：赖玙婧，陈凌/岩石圈室）

美编：徐海潮