马里亚纳俯冲带弧后扩张机制：基于深部构造的约束

Backarc spreading plays an important role in the subduction factory which is fundamental to Earth recycling. Detailed studies of the backarc spreading dynamics can help us better understand plate tectonics. The Mariana subduction zone in the Western Pacific has a typical trench-arc-backarc system and is formed by the subduction of the Pacific plate beneath the Philippine Sea plate. Previous studies shed important light on the features of the subducting slab, seismotectonics, forearc mantle serpentinization, arc magmatism and subduction dynamics of this region. However, the detailed deep structure of the Mariana subduction zone has not been well constrained, especially in the backarc areas beneath the Mariana trough, because of few ocean bottom seismometers deployed over there and the limitations of tomographic inversion methods used in previous studies, which results in an ongoing debate on the backarc spreading dynamics of the Mariana subduction zone. In this project, we aim to study detailed deep structure of the Mariana subduction zone with a large number of body wave and surface wave data, mainly using the new seismic tomographic joint inversion method. We will compare the obtained detailed deep structural model with regional geological, geophysical and geochemical data, in order to clarify how the Mariana trough formed and the associated backarc spreading dynamics in the Mariana subduction zone.

俯冲工厂是全球物质再循环的重要场所，弧后扩张则是俯冲工厂中的重要一环。弧后扩张的内在动力学机制研究，在全球板块构造研究中具有十分重要的地位。位于西太平洋地区的马里亚纳俯冲带，具有典型的“沟－弧－盆”体系，是由太平洋板块向西俯冲到菲律宾海板块之下形成的洋-洋俯冲带。前人研究成果,为理解研究区俯冲板块形态、大地震成因、地幔楔水化、岛弧火山起源及其相关俯冲动力学过程提供了良好的约束。然而, 针对马里亚纳弧后地区的研究却十分薄弱，导致了马里亚纳弧后扩张的动力学机制存在较大争议。这些争论和问题的存在，主要是由于没有厘清弧后地区的深部精细三维构造特征，其根本原因在于缺乏观测数据以及反演方法的局限性。为此，本课题将以大量海底观测数据为基础，利用最新的体波面波联合反演层析成像方法，开展马里亚纳俯冲带深部精细三维构造的研究工作，并以此为基础，系统探讨马里亚纳弧后盆地的成因以及弧后扩张作用的内在动力学机制。

俯冲工厂是全球物质再循环的重要场所，弧后扩张则是俯冲工厂中的重要一环。弧后扩张的内在动力学机制研究，在全球板块构造研究中具有十分重要的地位。位于西太平洋地区的马里亚纳俯冲带，具有典型的“沟－弧－盆”体系，是由太平洋板块向西俯冲到菲律宾海板块之下形成的洋-洋俯冲带。前人研究成果,为理解研究区俯冲板块形态、大地震成因、地幔楔水化、岛弧火山起源及其相关俯冲动力学过程提供了良好的约束。然而, 针对马里亚纳弧后地区的研究却十分薄弱，导致了马里亚纳弧后扩张的动力学机制存在较大争议。这些争论和问题的存在，主要是由于没有厘清弧后地区的深部精细三维构造特征，其根本原因在于缺乏观测数据以及反演方法的局限性。为此，本课题拟以大量海底观测数据为基础，利用最新的体波面波联合反演层析成像方法，开展马里亚纳俯冲带深部精细三维构造的研究工作，并以此为基础，系统探讨马里亚纳弧后盆地的成因以及弧后扩张作用的内在动力学机制。三年来在该项目资助下，项目组成员以俯冲带深部构造特征及演化为切入点，围绕包括马里亚纳俯冲带在内的西太平洋俯冲带地区开展研究。研究结果表明，展开长期系统的海陆联合地震观测，是厘清西太平洋俯冲带深部构造特征的重要基石；在俯冲隧道中，可能都存在随深度变化的各向异性特征，指示了俯冲过程中上覆板块与下伏板块之间的相互作用过程，这一过程影响着俯冲带大地震的触发机制；地幔楔内部水含量可能存在明显的横向不匀一性；在整个西太平洋弧后地区，其深部地幔转换带中存在的水平滞留板块，是俯冲的太平洋板块，其存在年限不超过20Ma，与所谓的Izanagi板块俯冲无关。在该项目资助下，已发表学术论文5篇（1篇EI收录，4篇SCI收录）。