西太平洋马里亚纳海沟俯冲板片含水量探测及水岩相互作用研究

Mariana Trench in western Pacific is a natural laboratory to investigate the interaction between the Earth’s hydrosphere and lithosphere of subduction system. Water carried by down-going slabs significantly governs many of the tectono-dynamic processes occurring at subduction zones, such as the mantle serpentinization of the subducting slab, formation of magmas and active volcanic arcs, and the seismogenic behavior of the subduction zone. However, the water content and the mechanism of how the water penetrate, store, and migrate in the subduction zone are still unclear. Based on the high-resolution multi-beam bathymetry, active source seismic profile acquired in the Mariana Trench, and rock sample data from IODP, this project will focus on: (1) Quantitative estimation of the water content in the sediments, upper- and lower-crust of the subducting slab through detailed seismic velocity structure of the profile across the trench, (2) Determine the fluid channel along the fault and the degree of mantle serpentinization through numerical simulation of the fault dynamics of the subduction slab, and (3) Identify the nature, composition, and origin of metasomatic agents and quantify the water distribution in the mantle wedge through geochemical analysis of the rock sample drilled in the forearc. Through multi-disciplinary research, this project aims to reveal the water migration process and water-rock interaction mechanism of the subduction system and the key control effect of fluid on the subduction dynamic process in the western Pacific subduction system, promoting the hydrosphere-lithosphere interaction theory of the subduction process.

西太平洋马里亚纳海沟是研究俯冲带水圈-岩石圈相互作用的天然实验室。俯冲板片所携带的水进入俯冲带系统，显著影响俯冲板片上地幔蛇纹石化过程、岛弧岩浆活动以及俯冲带地震机制等构造动力学过程。然而，俯冲板片携带的水的含量及其进入、储存、运移规律至今仍不清楚。本项目拟以已具备数据积累的马里亚纳海沟高精度多波束地形、主动源地震剖面以及大洋钻探岩石样品数据为基础，（1）通过精细地震波速度结构反演定量化俯冲板片沉积层、上下地壳与上地幔顶部含水量，（2）通过俯冲板片正断层地球动力学数值模拟确定断层流体通道和估算地幔蛇纹石化程度，（3）通过弧前区大洋钻探岩石样品地球化学分析识别交代组分的性质、组成和来源及认识地幔楔水分布。通过多学科交叉研究共同揭示俯冲系统的水运移过程和水岩相互作用机制，探讨西太平洋俯冲系统中流体对俯冲动力学过程所起的关键控制作用，推动提升俯冲过程的水圈-岩石圈相互作用理论。

项目以马里亚纳海沟（马沟）南部俯冲系统为研究重点，围绕俯冲动力学过程和岩石圈-水圈相互作用机制开展研究工作，技术手段以地震探测为主，数值模拟为辅。研究内容包括主动源海底地震仪（OBS）横纵波速度结构建模、被动源OBS深部结构成像和区域地震定位、海洋多道地震（MCS）数据高精度地震成像、俯冲挠曲正断层模拟等。主要研究成果包括：（1）数据方面：构建了马沟南部地震数据库，包括4条主动源OBS测线、3期被动源OBS实验、4条MCS测线数据。同时产出了众多可以为马沟进一步研究提供支撑的成果类数据。（2）科研方面：获得了马沟南部多条横跨横沟的主动源OBS测线的壳幔纵波精细结构，证实马沟俯冲板片的上地幔存在一个蛇纹石化前缘界面；获得了马沟南部区域的地幔横波速度结构，揭示马沟南部板块携带的水量与马沟中部的量级基本一致；构建了马沟俯冲带系统的2D和3D板片数值模型，揭示俯冲板块挠曲正断层为水进入壳幔的内部并引起上地幔蛇纹石化提供了通道；外缘隆起区域的地震活动分布与上地幔速度降低区域以及数值模拟的俯冲板片的拉张屈服区域吻合的很好；完善了马沟南部地震事件的完备性，基于地震活动性分析揭示了马沟俯冲板片沿着海沟走向的形态变化以及外缘隆起超深正断层为地幔水化作用提供流体通道。（3）方法发展方面：构建了整套被动源OBS数据校正流程；构建了基于长拖缆MCS数据的向下延拓，全波形反演速度建模和逆时偏移地震成像流程；构建了利用主动源OBS实验记录的短期背景噪声进行被动源数据处理模式的噪声成像流程等。共发表学术论文32篇，其中SCI论文28篇；提交会议摘要21篇；培养博士后1名、博士生3名、硕士生3名。本项目定量化了进入马沟俯冲系统的含水量、正断层流体通道、地幔蛇纹石化程度以及俯冲水运移过程和水岩相互作用机制，探讨了俯冲系统中流体对俯冲动力学过程所起的关键控制作用，为重大计划的总体科学目标“揭示板块俯冲的动力学过程和流体在跨圈层动力过程的作用机理”提供支撑。