無震脊或南山鏈的俯沖效應

1無震脊海嶺無地震脊柱（或地幔、火山鏈）是指結構板塊相對固定的地幔柱熱點移動到一系列火山島鏈。此定義是Wilson以及隨后的Morgan在解釋一系列如夏威夷-皇帝海嶺等板內火山作用的成因時所提出的,并一直沿用至今。雖然均可統稱為洋脊,但是無震脊與殘余弧脊(如勞海盆的勞脊和西菲律賓海板塊內的九州-帕勞脊等)以及大洋中脊存在構造背景和組分上的區別,即無震脊是在板塊內部由地幔柱動力學所形成、且組分上具洋島玄武巖(OIB)特點,而殘余弧脊和大洋中脊是位于板塊邊界、與板塊構造動力學密切相關的,且后者總體上分別具有Nb-Ta虧損的島弧玄武巖(IAB)和大離子親石元素虧損的洋中脊玄武巖(MORB)。Courtillot等曾提出無震脊(海嶺)是否為熱點成因的以下5個判別標準:(1)存在年齡單調增長的線性火山鏈;(2)線性火山鏈的初始端存在溢流玄武巖;(3)巨大的浮力通量;(4)高3He/4He比值;(5)下伏地幔中存在顯著低的剪切波速(Vs)。與洋脊和殘余弧脊最明顯的不同是,無震脊沿著海山鏈具有年齡增長的趨勢,而洋脊和殘余弧脊無此特點。無震脊多數與海底高原相連,兩者分別被解釋為地幔柱的尾部熔融作用和頭部熔融的產物,如德干高原-90°E海嶺以及翁通爪哇(OntongJava)高原-路易維爾(Louisville)脊等。當然,有一些熱點火山鏈在其初始端并沒有海底高原,如夏威夷-皇帝海嶺的初始端的海底高原可能已經被俯沖了或少量物質已經增生到了堪察加半島(沉積學證據);同時,雖然多數熱點可追蹤核幔邊界,但未能追蹤到核幔邊界的熱點可能并非來自核幔邊界而是中下地幔水平或者地幔柱沿著巖石圈底部流變學邊界面流動時通過巖石圈斷裂等薄弱處上升的分支(類似于Ito等的模型)。海底高原與無震脊隨板塊運移到俯沖帶附近之后的命運會怎么樣呢?靠近俯沖帶的海底高原主要存在于西太平洋地區,多數如翁通爪哇高原和奄美(Amami)海底高原等具有接近大陸地殼的厚度且在中下地殼可能出現長英質侵入體,這些由地幔柱垂向增生方式形成的陸殼地體最終將以側生增生的方式拼貼于大陸弧或成熟島弧之上,而少量的海底高原也會被俯沖。相對于抑制俯沖的海底高原來說,無震脊因為具有相對小的體積,盡管具有一定的浮力,但仍可以隨著下伏洋殼一同俯沖于洋殼板塊(洋內弧如湯加弧)或大陸板塊(陸緣弧如安第斯弧)之下。那么當海山(或無震脊)俯沖時,將會對超俯沖帶產生怎樣的動力學和巖漿作用效應呢?本文援引了全球關于地幔柱熱點形成的無震脊(海山)俯沖的代表性文獻,旨在綜合探討海山俯沖對海溝、火山弧及弧后地區的構造-巖漿作用影響以及潛在的資源效應,并進一步指出我國在本領域的研究區域和方向。2西太平洋地區的皇帝、螺螺磺酸pla、阿拉克達-加拉克達-加拉克達-加拉克達-加拉克達-加拉-加亞和拉克德斯zeas、阿拉克達-阿拉克達-阿拉克達-阿拉克達-阿拉克達-阿拉克達-阿拉克達-5-5,5,5,5,5,5,5,5,5,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10全球海底分布著眾多的無震脊(海嶺),三大洋均分布有規模不等的、起源自地幔柱熱點的無震脊(見圖1)。其中靠近俯沖帶并與俯沖帶已經發生相互作用的海嶺主要位于太平洋地區,包括西北太平洋的皇帝-夏威夷海嶺、西南太平洋的路易維爾海嶺及西太平洋地區伊豆-小笠原-馬里亞納(IBM)弧前的海山(鏈)及海山省,東太平洋地區的科科斯(Cocos)脊、卡耐基(Carnegie)脊、納茲卡(Nazca)脊及胡安費爾南德斯(JuanFernadez)脊(自北向南),此外,還有大西洋中西部的小安德列斯弧外的巴拉克達(Barracuda)脊和蒂勃朗(Tiburon)脊,以及印度洋北部的查戈斯(Chagos)-德干(Decaan)脊、85°E海嶺及90°E海嶺。下面簡要介紹一下這些無震脊的地質與地球物理背景和水深地貌情況。2.1太平洋地區2.1.1中下地潭和中下海緣夏威夷地幔柱是研究較多的地幔柱典型例子。夏威夷是一個拱形的熱點,已經被指出是地幔柱的地表表現形式:即來自深部地幔的熱浮力物質的局部上涌。由群島和海山組成的夏威夷-皇帝海嶺覆蓋了長約5800km,記錄了約80Ma的年齡呈線性增長的火山作用,且顯示了一個寬約1000km的抬升地形區域。地震層析成像顯示夏威夷地幔柱的P波可示蹤至2890km的核幔邊界附近,地幔剪切波速直達410~660km處的地幔過渡帶,表明來自下地幔的上涌的高溫地幔柱。夏威夷地幔柱頭部所形成的大火成巖省被推測為已經被俯沖于歐亞板塊的堪察加半島之下,正在俯沖的無震脊片段年齡為大于81Ma,如ODP883站位揭示的底特律(Detroit)海山年齡為76~81Ma以及Meiji海山年齡大于81Ma(見圖1a),此海山鏈具年齡線性增長、高浮力及高3He/4He等特點。年齡為50Ma的海山可能記錄了太平洋板塊的運動方向的改變,即從NNW轉變為NW方向。距今50Ma,太平洋板塊運移方向的改變也與周邊大板塊構造演化(印澳板塊向北楔入歐亞板塊以及菲律賓海板塊的北移)的時間上是耦合的,同時,也開啟了西太平洋地區巨型弧-溝-盆體系的發育。古地磁數據表明,在皇帝海山形成期間,夏威夷熱點發生了向南運動,表明起源自下地?；蚝酸＿吔绲牡蒯Ｖ谏仙局锌赡苁艿搅藗认虻恼承缘蒯Ａ骰蛘叩蒯ｏL(mantlewind)的影響,這也改變了被當做為參考系的熱點固定性的傳統觀點。而且晚白堊紀-早古近紀的熱點運動可能是形成皇帝海山軌跡及此海山鏈著名的彎曲形貌(距今約50Ma)的主控因素。2.1.2基性巖群的形成和早期火山合成路易維爾(Louisville)海山鏈是一條長4300km的火山鏈(見圖1b),是過去80Ma以來太平洋板塊在一個持續的地幔熔融異常或熱點上運動所形成的,此熱點的現在位置為霍利斯特(Hollister)脊附近、埃爾塔寧(Eltanin)斷裂帶與太平洋-南極脊(PAR)交互處。地震層析成像顯示路易維爾地幔柱可示蹤至1450km以下,此地幔柱頭部所形成的大火成巖省為122Ma的翁通爪哇海底高原。因為路易維爾火山鏈具有線性的形貌以及其長期的年齡增長的火山作用,因此它是夏威夷-皇帝海山鏈在南太平洋地區的極好對比的火山鏈。最近的Ar-Ar定年研究表明,本火山鏈與夏威夷-皇帝海嶺的彎曲處的年代是不同的,且與夏威夷熱點類似,源自下地?；蚝酸＿吔绲穆芬拙S爾地幔柱在上升期間可能也遭受了地幔風的影響。地震層析成像顯示,海山峰頂之下約1.5km處,火山建造的核部似乎為侵入體占主導,波速大于6.5km/s?；鹕浇ㄔ焐戏诟卟ㄋ俚南碌貧?大于7.2~7.6km/s)和上地幔(大于8.3km/s),表明超基性巖是以巖席而不是底侵形式侵位。結果表明殼內巖漿侵入體(年輕的、熱大洋巖石圈處的熱點火山作用的特征)與噴出火山物質之間的比值高達約4.5。莫霍(Moho)面反射反演顯示在海山之下的太平洋洋殼已經向下彎曲達約2.5km,莫霍面之下的巖漿底侵可能出現在熱點與幾十個百萬年的大洋巖石圈之間的相互作用的位置。2.1.3加拉帕戈斯coiba脊加拉帕戈斯熱點是東太平洋內、正與東太平洋海隆(EPR)發生相互作用的一個地幔柱熱點,形成了加拉帕戈斯群島及位于兩個構造板塊上的3個主要的無震脊系統:科科斯(Cocos)、卡內基(Carnegie)以及馬爾佩羅(Malpelo)脊(見圖1c)。此地幔柱頭部所形成的大火成巖省為90Ma的加勒比大火成巖。加拉帕戈斯熱點在科科斯板塊上的熱點軌跡形成了長約1000km的NE-SW走向的科科斯脊,其西北翼為高出海底1~2km的、30個主要火山組成的海山省(寬約20km),它們是中太平洋東部最大和最復雜的地貌構造,從現今的加拉帕戈斯熱點延伸到巴拿馬-哥斯達黎加濱岸外的哥倫比亞海溝。科科斯脊是一條具加厚洋殼的脊,比周圍海底高出約2.5km,最大的厚度約25km,大于正常大洋地殼厚度的3倍。在哥斯達黎加岸外,正在俯沖消減的科科斯洋脊(年齡13~14.5Ma)寬度達300km,向西南變淺、變寬。正在巴拿馬南側俯沖消減的柯義巴(Coiba)脊(年齡38.2Ma)為一南北走向的構造:長約150km、寬約100km?？铝x巴脊似乎為一巨大的、沉積物覆蓋的海底高原,陡峭的西、南翼部高為1500m,向東坡度變緩。加拉帕戈斯熱點在納茲卡板塊上的熱點軌跡上形成了長約600km、寬約300km的E-W走向的卡內基脊,從現今的加拉帕戈斯熱點延伸到厄瓜多爾濱岸外的哥倫比亞海溝(此處脊年齡約20Ma)。測深和地震剖面數據顯示此脊的寬度和體積向東均明顯增加。此脊上分布有眾多的海山,單一的巨大海山分散在洋脊翼部及其附近。在南翼上的5個主要海山(位于86°~82°W之間)似乎呈E-W排列,但是此脊上并沒有出現如科科斯脊北翼的巨大海山群。馬爾佩羅(Malpelo)脊是一伸長的、NE-SW走向無震脊,長約300km,寬約100km(見圖1c)。此脊被一個中央地塹分開成為一個狹窄的、陡峭的西北脊以及一個更廣闊的東南海底高原。雖然多數學者都同意馬爾佩羅脊(年齡16~17Ma)是由科科斯-納茲卡擴張中心與加拉帕戈斯熱點之間的復雜的相互作用所形成的,但是馬爾佩羅脊與周邊脊的關系還不甚清楚,如Marcaillou等指出馬爾佩羅脊曾經與科科斯脊相連,后來因此脊沿著右旋走滑的巴拿馬斷裂帶的差異運動而與科科斯脊分開并相對于科科斯脊向南漂移,而Werner等等據磁異常條帶資料認為馬爾佩羅脊曾經與卡內基脊相連,并在距今14.5~9.5Ma期間因加拉帕戈斯熱點作用導致的洋脊跳躍以及科科斯-納茲卡擴張中心的不斷擴張而分開。2.1.4海表方面的年齡地震層析成像顯示復活島(Easter)熱點的P波和S波可示蹤至2890km的核幔邊界附近,結合其具高3He/4He比值,表明其來自下地幔或核幔邊界,此地幔柱頭部形成的海底高原推測為中太平洋海山。納茲卡脊是一個巨大的NE-SW走向的線性無震脊(見圖1d),平均水深小于3000m,高于周圍水深4000~4500m的洋底。此脊大約寬200km、長1100km,在西南端與復活島海山鏈相交,在大約15°S處交切智利海溝。納茲卡脊被認為是由復活島熱點與擴張中心相互作用所形成的,類似于現在的冰島熱點與大西洋洋中脊相互作用的情形,因此被認為是具有與周圍洋底類似的年齡,地震反射及重力研究表明此脊之下的地殼要比周圍洋底至少厚1倍。納茲卡脊與土阿莫土(Tuamotu)海底高原具有相同的源區。正在俯沖的納茲卡脊片段的年齡為早第三系,是在太平洋-法拉隆/納茲卡擴張中心處形成的,納茲卡脊是在11Ma前俯沖于11.2°S處的南美板塊之下的。地震層析成像顯示胡安費爾南德斯(JuanFer-nandez)熱點的P波和S波可示蹤至2350km的中下地幔附近,具高3He/4He比值,表明其來自下地?；蚝酸＿吔纭-W走向的胡安費爾南德斯脊是納茲卡板塊(距今30~50Ma)在胡安費爾南德斯熱點之上運移所形成的,且斜向俯沖于智利海溝之下(見圖1d),這得到了衛星推斷的重力異常帶的支持。此脊由脊本身及其周圍11個海山組組成,長約900km。此脊具有明顯的正地形,其正在俯沖的奧希金斯(Oue10bHiggins)平頂海山的年齡為8.5Ma。此外在納茲卡脊與胡安費爾南德斯脊之間存在一規模較小的無震脊:伊奎科脊(Iquiqueridge)。在太平洋地區,還包括一些小的正在俯沖的無震脊,如西太平洋地區新赫布里底(Hebrides)弧附近正在俯沖的無震脊、東北太平洋地區內的阿留申弧外的無震脊等,以及一些正在俯沖的海山和正在拼貼于周圍島弧的海底高原,如伊豆-小笠原-馬里亞納(IBM)弧附近俯沖的組成西太平洋海山省一部分的小笠原(Ogasawana)海底高原、勞海盆北部的翁通爪哇海底高原和薩摩亞(Samoa)海底高原等。2.2巴拉克達脊que-q基層大西洋板塊內主要地幔柱熱點的火山鏈,包括里奧格蘭德(RioGrande)脊和瓦維斯(Walvis)脊。由于大西洋兩側主要為被動大陸邊緣,因此并沒有顯著的俯沖帶存在,在加勒比地區及南美洲南側存在俯沖帶。在加勒比地區,大西洋板塊正在加勒比板塊之下俯沖,在東北加勒比地區內的波多黎各及北小安德列斯海溝處正在輸入的正常洋殼被一系列的北美和南美板塊上的無震脊所分割,發育在此俯沖板塊(在大西洋洋中脊處80~110Ma以上的洋殼)之上的巴拉克達脊(Barracuda)和蒂勃朗(Tiburon)脊是大西洋地區僅有的接近俯沖帶主要的兩條海嶺,并正在隨著大西洋板塊向加勒比板塊之下俯沖(見圖1e)。巴拉克達脊,是中大西洋的較大脊,從小安德列斯海溝延伸到55°W處(見圖1e),被認為與15°20′N斷裂帶相連。地球物理學資料顯示上此脊向西延伸到小安德列斯俯沖帶之下以及維爾京(Virgin)群島北側的邁恩(Main)脊。此脊高于周圍海底1.5~2km,寬約30~50km,長度超過450km。巴拉克達脊南側的蒂勃朗脊長約150km,寬約30~40km,此脊部分已經在過去的10Ma中俯沖于加勒比板塊之下。巴拉克達脊、蒂勃朗脊以及南部被沉積物覆蓋的圣盧西(StLucia)脊被Stein等命名為“轉化斷層翼側脊”,為轉換斷層發育起來的深海洋脊,類似于菲律賓海板塊內的九州-帕勞海脊(KPR)。盡管這些脊與KPR的起源類似,但前者主要表現為富集的地球化學特征,而KPR為一具Nb-Ta強烈虧損的不成熟洋內弧脊。2.3阿拉杰瑪哈爾raj背景的地潭支柱部n印度洋地區內的無震脊主要存在于印度洋中北部,包括被中印度洋脊分開的70°E附近的拉克代夫(Laccadives)-馬爾代夫(Maldives)-查戈斯(Cha-gos)脊(LMCR)和毛里求斯(Maritus)-塞舌爾(Sey-chelles)拱形脊(MS脊)、85°E脊、90°E海嶺(見圖1f)。其中LMCR脊(距今約60~32Ma)和MS脊(距今約0~45Ma)被認為是現今的留尼汪(Reunion)熱點在向北移動的印度洋板塊之上所形成的,隨后因中印度洋脊的擴張而分開,其地幔柱頭部形成了65Ma的德干(Deccan)高原,此地幔柱的P波異常達1900km且具高3He/4He。LMC脊為N-S走向,從9°S延伸到14°N,長約2350km,寬約200km。90°E海嶺(距今38.3~82.5Ma)被認為是克爾蓋朗(Kerguelen)地幔柱在向北移動的印度洋板塊之上所形成的,其地幔柱頭部為117Ma的拉杰瑪哈爾(Rajmahal)高原,此地幔柱的P波異常達2800km且具高3He/4He。90°E海嶺與克爾蓋朗地幔柱熱點具類似的富集地球化學特征,暗示此地幔柱熱點保持了較長期的均一性,但最新的研究顯示此海嶺的地幔源區可以受到了東南印度洋脊底地幔源區的影響。研究顯示,與夏威夷和路易維爾熱點并非固定的一樣,在印度洋板塊北移期間,克爾蓋朗、留尼旺和克羅澤(Crozet)熱點分別向南運動了7°、5°和10°的距離。90°E海嶺從33°S延伸到17°N,長約5000km,平均寬度約200km。85°E脊(距今85~55Ma)為N-S走向,被認為是克羅澤熱點(其S波異常達到2800km,Montelli等)在向北移動的印度洋板塊之上所形成的,其地幔柱頭部可能也為117Ma的拉杰瑪哈爾高原,但是地球化學證據似乎并不支持這個觀點。85°E脊從5°S附近的阿法納西-尼基汀(AfanasyNikitin)海山延伸到19°N的孟加拉灣,長約2400km。3無震脊或海底高原沖刷產生的效應大洋內一些洋脊(如背離板塊邊緣的大洋中脊和匯聚板塊邊緣的島弧脊)經常有伴隨巖漿活動的地震發生,與之相對的是,在大洋內部有一些無地震發生的海嶺或脊,因此被命名為“無震”脊。當發育于巨大構造板塊之上的這些無震脊(或海山)隨著板塊運移至板塊構造動力系統主導的俯沖帶并與之發生相互作用時,顯示出了與正常洋殼俯沖迥異的動力學和巖漿效應,主要表現在超俯沖帶的形貌(因無震脊的正浮力而抑制弧內擴張等)、地震發生的頻度和烈度以及火山弧巖漿作用方面[19,37,42,57,58,59,60]。無震脊(或海山)俯沖產生的更多明顯的效應還包括:深部和淺部地震活動的明顯變化、火山弧分段性和/或弧火山作用的抑制、以及以上馱板塊的快速地殼抬升為特征的濱岸地貌的改變[19,50,57,61,62,63,64]。已有對無震脊或海山(海底高原)俯沖產生效應的研究包括模擬模型、數字模型和實例研究(見圖2和圖3)。以下先介紹無震脊俯沖的模型,接下來對典型實例從動力學和巖漿效應角度進行詳細介紹。3.1模擬實驗3.1.1巖石圈和海底高原對板片傾角的影響Martinod等使用模擬實驗模擬了浮力脊和高原的俯沖作用來研究了它們對于板片動力學的效應。實驗關鍵配置簡述如下:(1)浮力條件和實驗幾何學,上地幔軟流圈(巖石圈底部至660km地震不連續面)模擬物質為蜂蜜,被充填在一個剛性的樹脂玻璃容器,在容器中心,設置一在蜂蜜中具負浮力的硅樹脂板模擬俯沖前的大洋巖石圈;(2)大洋巖石圈的流變學,用黏-彈性的硅樹脂灰泥(可被認為是準牛頓流體)模擬巖石圈板塊,大洋巖石圈黏性/上地幔黏度的比值被設置為104,這可能是地幔巖石流變學的一個合理值;(3)大洋板塊的浮力,在80km厚的巖石圈條件下,如果上伏為正常洋殼(7km),那么負浮力(-35kg/m3);如果上伏為加厚洋殼(14km)即存在正地形的洋脊和海底高原,那么浮力為0;(4)等溫實驗,實驗證明高速俯沖作用(大于1cm/a)條件下板塊是準絕熱條件的,且忽略了板塊相轉變作用。利用以上實驗條件設置開展的一系列實驗結果顯示,簡單的局部(1D)均衡考慮并不適于來預計垂直海溝的浮力脊的俯沖作用期間的板片行為。平行海溝的洋脊對俯沖過程具有更強烈的效應。巨大的浮力板片片段更慢地下沉到軟流圈,它們的俯沖導致了板塊俯沖速率的減小。實驗也觀察到那些浮力異常之下的板片變陡,導致了板片的更小的曲度半徑,能量加速消失在褶皺板塊內,并進一步降低了俯沖速度。當模擬浮力高原的3D幾何學時,海底高原之下的板片傾角減小這是海底高原兩側密度大的“正?！贝笱蟀鍓K的更大俯沖速率所導致的。在海底高原完整被吸收進俯沖帶之后,產生淺平坦板片俯沖作用,如此的板片傾角擾動要維持很長時間(見圖2a)。板塊傾角減小或平坦板片俯沖導致了熱地幔楔的消失,且含水俯沖地殼與上伏熱軟流圈之間缺乏接觸從而阻止了部分熔融作用最終導致伴隨平坦板片俯沖的火山作用的缺乏。3.1.2無震脊特性及邊界Gerya等基于二維熱機械模擬實驗(吸收了板塊脫水、地幔楔熔融作用和地表地貌發育的效應)研究了無震脊俯沖的動力學效應。實驗關鍵配置簡述如下:(1)使用Gorczyk等的關鍵參數,包括板塊無彎曲、釋放自俯沖板片(2km的蝕變洋殼+5km的輝長巖)的水的傳遞以及部分熔融作用,俯沖板片及上馱陸殼板塊的所有巖石的物理性質詳見Gerya等,模擬的無震脊規模為:寬200km,厚18km;(2)邊界條件,即除了箱的下邊界(垂直方向上可滲透的)外,在實驗容器的所有邊界處是自由滑移,實驗相關控制公式參照Gorczyk等執行。實驗結果表明,中等尺度的洋脊(如南美西側的納茲卡脊)的俯沖作用不會導致剛性板塊變平以及巖漿活動的減少(見圖2b)。這反過來表明,當與洋脊俯沖伴隨的俯沖板片變平時,板塊本身應該是接近臨界值狀態(即從傾斜到平坦的瞬間過渡狀態),俯沖洋脊可作為板塊過渡狀態的指示。同時,伴隨平坦板塊導致的強烈的巖漿產生量的減少,可解釋低角度俯沖邊緣處近期活動的火山作用的間隔。此外,此實驗也記錄了與中等規模洋脊俯沖伴隨的幾個顯著的地表效應,如上馱邊緣抬升的局部增加、俯沖剝蝕作用的加強以及海溝的向陸移置。值得指出的,以上兩實驗結果主要是與安第斯型大陸邊緣(陸緣弧)的胡安費爾南德斯脊的俯沖地質事實較為符合,而對于在洋內弧之下俯沖的無震脊的動力學效應并沒有任何相關性研究。3.2思想原因及意義由一系列相對孤立海山組成的無震脊的俯沖可被理解為在一定地質時期內海山的俯沖。衛星推斷的重力異常數據表明海底大約有高于周圍海底大于1.5km的12000座巨大的海山。不管這些海山是處于火山建造期間還是后建造下沉階段,一旦它們變得不活動時,它們將被板塊運動所攜帶并將最終被俯沖。一旦這些海山進入俯沖帶,它將深遠地影響著海溝軸部與火山弧之間的前弧地區的形貌、構造和垂直運動歷史(見圖2c)。海山俯沖也可能影響著上馱板塊與俯沖板塊之間的耦合程度,且影響著地震,特別是巨大地震的規模和頻度。而有一系列海山組成的無震脊或海山鏈的俯沖可能誘導了一個“變形波”,當海山漸進地被板塊運動攜帶進俯沖帶時,將交替地使前弧地區變大和縮小?？傊?海山俯沖的最終命運可能取決于以下幾個因素:俯沖通道的厚度、俯沖板塊與上馱板塊的相對強度、俯沖海山的內部構造以及俯沖海山的浮力。除了海山俯沖產生的動力學效應外,雖然海山總體積還比洋殼少得多,但是海山俯沖對超俯沖帶巖漿效應也很明顯。海山是板內火山作用的產物,由深部地幔源區的部分熔融作用所產生的,它們提供了地球深部地幔區域的化學發育和不均一性的獨特認識角度。海山上出現的具富集地球化學(洋島玄武巖)特征(富集大離子親石元素元素和高場強元素)的火山巖(見圖3a)或火山碎屑沉積物將對弧及弧后地區火山巖以及地幔地球化學不均一性的形成產生明顯影響。3.2.1所形成的超沖帶與難以保留的前弧地區此無震脊可追蹤的最老部分處的海山[如底特律(Detroit)海山年齡為76~81Ma和明治(Meiji)海山年齡大于81Ma]現今位于堪察加(Kamchatka)-阿留申(Aleutian)弧交匯處的海溝外側。盡管對于81Ma以來的此無震鏈的巖漿作用保留著很好的記錄,但是對于之前的歷史(如地幔柱頭部形成的大火成巖省及地幔柱尾部形成的早于81Ma的海山)的資料極少。Courtillot等推斷夏威夷地幔柱頭部所形成的大火成巖省(LIP)可能已經被俯沖于歐亞板塊的堪察加半島之下,而其他一些研究者認為LIP和老于81Ma的海山可能沒被俯沖,而是被保留下來了。無論是被俯沖還是被保留下來,夏威夷-皇帝海嶺在靠近堪察加半島附近的俯沖帶時,究竟對此處的超俯沖帶產生了怎樣的地質效應呢?堪察加半島上的克羅諾基(Kronotsky)地體(由白堊紀-始新世的玄武巖、火山碎屑砂巖、火山角礫巖等組成)位于正在俯沖的皇帝無震海嶺之上?？肆_諾基半島地層學和構造數據顯示夏威夷-皇帝海嶺的俯沖作用導致了堪察加火山弧的前弧地區的下沉和縮短/抬升。最近的研究顯示,位于堪察加內的堪察加茨克(KamchatskyMys)半島的蛇綠巖套內的玄武巖(距今120~93Ma)在地球化學上類似于靠近俯沖帶的底特律和明治海山巖石,表明夏威夷-皇帝海嶺的早-中白堊紀段可能被增加于堪察加火山弧的前弧地區(見圖3b)。此外,克羅諾基半島的玄武巖地球化學組成為弧火山巖與海山巖石的中間類型,顯示一個強烈的海山特征信號,細致的巖石學研究表明,克羅諾基半島的始新世拉斑或堿性系列玄武巖具低大離子親石元素(LILE)和輕稀土(LREE)以及抬升的鈦(Ti)和鈮(Nb)含量、低Ba/Nb和Ba/Ce比值,以及多變的87Sr/86Sr和相對均一的143Nd/144Nd,顯示似富集型洋中脊玄武巖(EMORB)特征,暗示受到了夏威夷皇帝無震脊(其地球化學特征已經被許多學者廣泛報道)的俯沖的影響,然而,克羅諾基半島上的火山巖地球化學時空演變規律表明,從始新世到近期的火山巖,皇帝海山鏈俯沖對弧火山巖的影響(或物質貢獻)逐漸減少。3.2.2沸石成因分析在湯加海溝處,太平洋板塊正西向俯沖于印澳板塊之下,從南到北,會聚速度增加,進入海溝的沉積層厚度逐漸減少。太平洋板塊正攜帶著具年齡線性增長的路易維爾無震脊俯沖于湯加(Tonga)-克馬德克(Kermadec)弧之下(見圖1),此脊上正在俯沖的海山年齡老于70Ma。路易維爾無震脊對湯加-克馬德克弧的動力學效應主要表現如下:因為具正浮力的路易維爾無震脊的俯沖,在路易維爾無震脊與湯加-克馬德克弧結合處的海溝西側部分形成了曲度稍小、向西彎曲的弧形貌,且把湯加-克馬德克弧分成為兩段,即湯加弧和克馬德克弧,對應的弧后擴張區分別為勞海盆和哈維(Harvre)海槽,輕微變形的弧形貌也與數值實驗結果一致。可以從地球動力學角度推測,如果沒有路易維爾無震脊的俯沖,湯加-克馬德克弧后不會分成為勞海盆和哈維海槽兩端,也將不會呈現勞海盆瓦路發(ValuFa)脊處的向南增進裂解動力學過程。路易維爾無震脊為路易維爾地幔柱熱點形成,具有與火山弧巖石迥異的富集的地球化學特征(見圖3a),其上的海山巖石的同位素和微量元素組分表明其具有一等同于FOZO地幔端元的長期的、均一的地幔源區,如此脊的約44m厚的火山碎屑巖(DSDP204站位揭示)及其下伏的基底玄武質巖石具極度放射性成因的Pb同位素,206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb分別為(19.45vs.19.49)、(15.63vs.15.63)和(39.22vs.39.08)。研究表明,路易維爾無震脊并沒有影響其俯沖位置的最近弧系統(如勞海盆南段)的巖漿成因(見圖3c)。由于路易維爾無震脊斜向俯沖于湯加弧之下,且其俯沖過程受到了印澳板塊與太平洋板塊運動矢量及強烈相互作用的影響,因此路易維爾無震脊俯沖對湯加超俯沖帶(SSZ)的影響體現在湯加弧北段的塔法西(Tafahi)島和努奧圖布達布(Niuatoputapu)島的火山巖的地球化學上(見圖3c)。最新的研究顯示,簡單的端元模擬表明北湯加弧熔巖的42%~90%的Pb來自于正在俯沖的海山鏈的玄武質地殼。值得指出的,除路易維爾海山鏈對勞海盆北部海底熔巖做出貢獻外,靠近俯沖帶的海底高原也強烈地影響弧后地區的火山巖地球化學,如最近的研究顯示,薩摩亞(Somoa)海底高原通過軟流圈物質流對勞海盆北部海底熔巖地球化學做出的貢獻也被識別出來。3.2.3成因與構造背景在中美海溝走向上,顯示了輸入板塊的年齡、匯聚速率、傾斜度、地貌及傾角等多方面的顯著變化,其中俯沖組分的差異可能是第一序的影響因素,如除正常洋殼[東太平洋擴張中心(EPR)產生的洋殼及科科斯-納茲卡擴張中心(CNS)所形成的洋殼]俯沖外,也存在科科斯無震脊及其北側的海山群等正浮力地形的俯沖?？瓶扑辜辜昂Ｉ降母_作用已經產生了弧前外緣的實質的俯沖剝蝕作用。此外,加厚的科科斯無震脊要比正常洋殼更具浮力,且已經抬升了奧撒(Osa)、尼科亞(Nicoya)半島及克波斯(Quepos)地區?？瓶扑篃o震脊俯沖也表現在了比尼奧夫帶(Wadati-Benioff)的傾角和深度上的變化,如在尼加拉瓜邊緣附近傾角約65°到科科斯脊變淺了幾度,具有孕育大地震的充分條件,已被這里頻發地震所證實。哥斯達黎加火山弧巖石的最大年齡超過24Ma,直到晚中新世仍有深成巖體侵位,在此之后,與俯沖有關的鈣堿性巖漿作用消失。約距今6Ma到3Ma期間產生了弧后堿性巖漿作用,在中央巖漿弧南部,年齡為5.8Ma到2.0Ma的火山熔巖的微量元素特征顯示其為俯沖洋殼部分熔融(源區殘留石榴石)的產物,且具有一個與地幔柱(似加拉帕戈斯地幔柱熱點)有關的同位素特征,可能為科科斯脊及其北側海山群俯沖組分加入弧巖漿源區的結果。最近研究表明,從哥斯達黎加中部到尼加拉瓜西北,富集的地球化學特征逐漸變得不明顯,反映可能在哥斯達黎加和尼加拉瓜之下的地幔楔內可能存在平行弧的物質流(見圖3d)。此外,雖然多數學者認為加勒比大火成巖省是由加拉帕戈斯地幔柱熱點所形成的,但是Hoernal等指出加勒比大火成巖省可能不是單一的地幔柱(如加拉帕戈斯熱點)頭部所形成的,而是多個大洋板內構造(如海底高原和無震脊等熱點軌跡)通過俯沖作用綜合作用的結果,暗示科科斯脊俯沖作用不僅影響著中美火山弧,而且影響著更遠處的加勒比大火成巖省的形成?？▋然垢_于安第斯會聚邊緣北部。在20世紀,此處發生了6次與俯沖作用有關的、超過里氏7.8級的地震。俯沖作用從以正常洋殼的陡俯沖角度變化到無震脊俯沖參與的平坦俯沖,這與納茲卡板內的俯沖體的多樣性(包括卡內基無震脊)有關,從而導致地震和火山作用的區域樣式沿安第斯走向顯示高度的分段性?？▋然棺?Ma來就與此邊緣發生了碰撞作用,進入海溝的時間為1Ma?？▋然_作用導致了上馱板塊的擠壓變形。淺俯沖的卡內基無震脊和馬爾佩羅脊-具加拉帕戈斯地幔柱熱點地球化學可能導致了厄瓜多爾寬廣的火山弧內的異常的地球化學(埃達克質)特征。3.2.4納茲卡脊沖沖層序安第斯秘魯段(5°~18°S)約2000km,總體上此段呈現一個高度不對稱的地形,具有陡峭的西坡以及一個寬廣的東側。納茲卡無震洋脊的俯沖及向南躍遷后的俯沖導致了俯沖帶處似波狀的地形。如導致海溝深度和附近的前弧地區抬升了至少1500m;在5°~14°S之間的碰撞帶,存在長1500km的平坦(傾角小于30°)俯沖作用(flat-slabsubduction);導致了剝蝕俯沖作用;導致了地表抬升2~3km。此外,納茲卡脊的俯沖將孕育強烈的地震。研究已表明,在過去幾十年內,秘魯之下3個強烈的板內地震(1942年的8.1級地震,1996年的7.7級地震以及2001年的8.4級地震)位于納茲卡脊俯沖投影面上。由于大體積的平坦俯沖作用,導致近期的火山作用幾近消失,僅在位于9°~11°S的布蘭卡(Blanca)山脈處包含了新近紀巖漿活動的記錄,這是與Gerya等的數字模型結果是一致的,即此處平坦俯沖作用導致了俯沖板片之上地溫梯度不足以使巖石熔融,從而導致缺乏熱地幔楔以及巖漿活動的減少。與兩側正常洋殼板塊俯沖形成對比的是,胡安費爾南德斯脊俯沖作用導致了與俯沖等緯度的智利西海岸地區的畢鳥夫帶形態、火山弧活動以及大陸邊緣構造的明顯變化。胡安費爾南德斯脊的俯沖伴隨著類似于上述的納茲卡無震脊的平坦板片俯沖作用,因此兩者的俯沖動力學和巖漿效應相似。3.2.5無震脊沖帶的地質效應上已述及,正在俯沖于小安德烈斯弧之下的巴拉克達脊、蒂勃朗脊以及南部被沉積物覆蓋的圣盧西(StLucia)脊為轉換斷層發育起來的深海洋脊,與地幔柱熱點形成的無震脊在密度和地球化學組分上存在明顯差異。由于這些脊不具浮力且并沒有表現出富集的地球化學特征。因此,對這些脊俯沖的地質效應的研究主要集中在小安德列斯弧的動力學(如地震)上。如巴拉克達脊不具浮力且并不影響畢鳥夫帶的傾角,此脊的俯沖產生了正斷層(斷層面垂直于小安德列斯弧及其東側海溝)型地震。正與小安德列斯俯沖帶發生相互作用的這些洋脊的北端(如巴拉克達脊)正旋切著安德列斯弧的高地震活動區域。一些地震(包括1974年的巨大地震)是出現在上沖板塊內,可能與因這些無震脊的俯沖導致上覆于這些脊的加勒比板塊的變形有關。此外,這些無震脊的俯沖對小安德列斯的火山前緣的位置產生明顯影響。3.2.6無震脊成巖與機制在印度洋,歐亞板塊與印澳板塊之間邊界處的兩個主要的尖端位于大陸內部,這可以從它們的弧形特征及與印度尼西亞弧的連續性而被推斷出來,喜馬拉雅弧呈現出了一個位于特提斯洋(位于印度與中亞之間,因晚第三系的俯沖作用而被關閉)內的已經絕跡的島弧系統的形狀。無論喜馬拉雅弧是否保留著一個古老島弧的形狀,印度洋內的兩個顯著的無震脊延伸進了喜馬拉雅構造弧的兩個主要的尖端處。弧內擴張(也許是事件性的)導致了火山弧遷移離開大陸,同時攜帶無震脊的洋殼按現今傳統的模型而被俯沖。然而,大塊的非震脊進入到海溝,因為無震脊具正浮力而導致內弧擴張火山建造變慢,從而抑制了俯沖作用。據此,Vogt認為無震脊與島弧系統相交切時,應該存在一個尖端。最新的研究結果也顯示,喜馬拉雅弧的弧形形狀及在喜馬拉雅東、西形態上的兩個尖端似乎是與拉克代夫-馬爾代夫-查戈斯脊(LMCR)和90°E海嶺以及85°E海嶺相互作用的結果,類似于馬里亞納海溝處小笠原海臺和湯加海溝處路易維爾脊所產生的地質效應。拉克代夫-馬爾代夫-查戈斯脊(LMCR)脊和90°E海嶺以及85°E海嶺與古喜馬拉雅弧所發生的強烈的相互作用,導致了匯聚速率、流變學、應力相互作用、俯沖沉積物厚度等方面的明顯變化,從而明顯影響著喜馬拉雅地區的地震變化并導致喜馬拉雅巨大的、主要的地震的破裂程度。這些也控制喜馬拉雅未來地震的斷裂程度及震級。對印度洋北側無震脊俯沖效應研究主要集中在上述的動力學方面。最近的研究顯示,LMCR無震脊可被追蹤到位于印度與歐亞板塊之間的古特提斯洋閉合所形成的縫合帶處,在此縫合帶處的白堊紀火山巖具有現今留尼汪(Reunion)地幔柱熱點的地球化學組分。至于LMCR無震脊是否俯沖于古特提斯洋北側的島弧之下并對后者產生強烈的效應,這需要從地質歷史記錄尋找證據。同時,其他兩條主要洋脊(90°E海嶺和85°E海嶺)的情況是否如同LMCR無震脊,需要進一步展開研究。4無震脊和火山鏈的正地形沖刷無震脊(或海山鏈)俯沖除了對超俯沖帶產生重要的地質效應外,還具有潛在的資源效應。正常洋脊(如洋中脊)主要來自于經大陸地殼萃取后留下的虧損地幔部分熔融所形成的,其上出露的巖石主要為正常洋中脊玄武巖-NMORB(除了少量的富集型洋中脊玄武巖-EMORB),具有低豐度的大離子親石元素和強-中不相容元素,同時火山弧脊由正常洋殼俯沖釋放的流體與虧損的地幔楔相互作用進而產生部分熔融作用所形成的(如KPR和伊豆-小笠原弧脊),產生的火山巖具有Nb-Ta強烈虧損的典型弧火山巖(鈣堿性巖石)特征(圖4)。與以上兩種洋脊相比,絕大多數無震脊或海山鏈的成因是與地幔柱熱點有關的,具有富集的洋島玄武巖(OIB)的地球化學特征(見圖3a和圖4)。因此,這些無震脊或海山鏈上的巖石及火山碎屑沉積物的俯沖把大量強-中等不相容元素(K、Ba、La、Ce、U、Th、Pb、Rb、Sr、Cs、Au、Ag及Cu等)(這些元素的豐度比MORB對應元素高1個數量級)帶進了超俯沖帶。因此,在超俯沖帶(SSZ)處的礦床形成中,無震脊或海山鏈的俯沖可能產生與正常洋殼或正常洋脊等俯沖不一樣的樣式,比如,稍晚于正常洋殼板塊形成的無震脊,在與正常洋殼板塊一道運移至俯沖帶并俯沖消減時,其熔融釋放的強-中等不相容元素含量可能明顯要高于正常洋脊,其中的一些不相容元素(如Au、Ag及Cu)與巖漿-熱液型金屬礦床成礦關系密切。最近的研究表明,在南美安第斯弧內出現了豐富的巖漿-熱液礦床,被認為是過去200Ma期間伴隨無震脊的納茲卡板塊俯沖于南美板塊之下所導致的結果。如安第斯中段(秘魯北部和智利中部)的中新世成礦帶可能是與納茲卡板塊的具正浮力的高地形(納茲卡脊和印加(Inca)海底高原)的俯沖密切相關,同時,熱的洋中脊俯沖會形成板片窗(slabwindow)效應,這些正地形影響了俯沖系統的整個動力學機制(平坦板片俯沖樣式)并啟動了金屬成礦過程,形成大量的巖漿-熱液礦床。孫衛東等指出與南美地區情況類似,中國東部大型、超大型斑巖銅