董淼等-Tectonophysics：没有岛弧火山的俯冲带——来自西太两个年轻俯冲带的对比
地球上大多数俯冲带都存在与其海沟平行的火山岛弧，但仍有一些俯冲带或俯冲带的部分区域缺少相应的火山弧，年轻的北苏拉威西俯冲带（NSS）就是其中之一。目前的研究表明俯冲带岛弧缺失的主要原因有：俯冲板片的含水效能低，存在特殊的俯冲构造（如平板俯冲、洋脊俯冲等），俯冲板片未超过弧下深度，俯冲板片角度的突然变化，上覆板片处于挤压构造环境等等。然而上述原因都不能解释NSS岛弧的缺失。是什么原因导致了NSS的岛弧缺失？为什么俯冲深度、起始时间和机制都相近的菲律宾俯冲带中段（MPS）存在岛弧火山呢（图1a）？为此，我室海陆油气综合地球物理团队董淼副研究员、郝天珧研究员等分别从输入板块水化程度、俯冲板块脱水和地幔楔热结构三个方面开展了对比研究。
图1 （a）北苏拉威西俯冲带（NSS）和菲律宾中部俯冲带（MPS）的位置，其中Una-Una火山已经被证实非俯冲带岛弧火山；（b）海底地形和平滑地形；
（c）中等深度地震（70-100 km）的频率，其中黑框表示地震计数的位置（两个俯冲带的等效区域）；
（d）减去平滑地形后的MPS海沟外隆区地形；（e）减去平滑地形后的NSS海沟外隆区地形
他们通过计算板块挠曲应力来定量估算俯冲板块的水化程度（图2）。在NSS，水可能进入板块内部的最大深度仅为12 km；而在MPS则为24 km。通过减去平滑地形后的海底地形（图1b）可以显示海沟外隆区断层的分布，MPS外隆区（图1d）的地形起伏和断层间距明显大于NSS（图1e）。同时，MPS中源地震数量明显高于NSS（图1c）。上述结果都表明NSS的输入板块水化程度要远小于MPS。
图2 NSS和MPS的挠曲应力分布的对比。（a、b）NSS和MPS浅层俯冲板块；（c、d）NSS和MPS的模拟地形（红色虚线）与实际地形（蓝色线）；
（e、f）NSS和MPS的挠曲应力分布。黑色虚线表示屈服最大深度
接下来，他们利用ASPECT软件模拟了两个俯冲带的热结构演化。从热力学俯冲模型中提取了沿板块顶部、与顶部平行的路径（顶部以下1 km）、莫霍面、与莫霍面平行的路径（NSS模型至莫霍面以下2 km，MPS模型至莫霍面以下14 km）的压力-温度（P-T）曲线。通过这些路径上的P-T 曲线与远洋沉积（图3a）、平均洋中脊玄武岩（图3b）和亏损的洋脊地幔（图3c）的矿物含水相图结合来计算沉积物、洋壳和地幔的脱水深度。结果表明两个俯冲带的沉积物、洋壳和地幔的脱水深度都是依次增加，且MPS的各层脱水深度大于NSS。
图3 深海沉积物（a）、平均洋脊玄武岩（MORB）（b）和亏损MORB地幔橄榄岩（DMM）
（c）矿物含水相图与计算的P-T曲线结合；（d）沉积物脱水过程；（e）洋壳脱水过程；（f）含水地幔脱水过程
随后，将地幔脱水深度投影至地幔楔热结构上（图4），可以发现由于NSS中的水在90 km以上的深度被释放，其对应的地幔楔熔融程度大部分都小于5% （图4a）。而在MPS模型中俯冲板片脱水上方对应的地幔楔熔融程度要大于10%（图4b），因此可以产生相应的岛弧火山。由于板块当前俯冲状态的脱水深度是俯冲过程中所能达到的最大深度，这意味着从NSS 板块释放的水都进入到了冷的地幔楔中，缺乏水进入热地幔楔角来促进足够的地幔熔融，是NSS缺失弧岩浆的主要原因（图4c）。为了研究板块年龄和浅部的弯折角度各自对火山弧形成的影响，又增加了不同的对比模型进行研究，发现只有当俯冲板块年龄小且角度低的情况下（如NSS）会从俯冲起始后存在岛弧岩浆缺失的历史。这也表明，用岛弧的形成时间来代表俯冲起始的时间可能会存在较大的误差。
图4 （a）NSS和（b）MPS模型中地幔楔的热结构。圆圈和垂直虚线分别表示最大脱水的位置及其在地表的投影。2 km和14 km的分界线代表水化地幔的厚度，由板块挠曲模型计算得出；红色三角形表示火山；示意图显示了（c）NSS板块缺乏岛弧火山和（d）MPS板块存在岛弧火山的原因
研究成果发表于国际专业学术期刊Tectonophysics（董淼*, 郝天珧*, 许龙庆, 张江阳, 张健, 吕川川, 何庆禹. Subduction without volcanic arc magma: Insights from two young subduction zones in the western Pacific [J]. Tectonophysics, 2024. DOI: 10.1016/j.tecto.2024.230231.）。研究受国家自然科学基金西太平洋地球系统多圈层相互作用重大研究计划重点项目（91858212）、国家自然科学基金（42276072, 42176052），中国科学院国际合作局国际合作伙伴计划项目（132A11KYSB20180020）和中国科学院先导项目（XDB42020104）联合资助。
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