无震脊或南山链的俯冲效应

无震脊或南山链的俯冲效应

1无震脊海岭无地震脊柱（或地幔、火山链）是指结构板块相对固定的地幔柱热点移动到一系列火山岛链。此定义是Wilson以及随后的Morgan在解释一系列如夏威夷-皇帝海岭等板内火山作用的成因时所提出的,并一直沿用至今。虽然均可统称为洋脊,但是无震脊与残余弧脊(如劳海盆的劳脊和西菲律宾海板块内的九州-帕劳脊等)以及大洋中脊存在构造背景和组分上的区别,即无震脊是在板块内部由地幔柱动力学所形成、且组分上具洋岛玄武岩(OIB)特点,而残余弧脊和大洋中脊是位于板块边界、与板块构造动力学密切相关的,且后者总体上分别具有Nb-Ta亏损的岛弧玄武岩(IAB)和大离子亲石元素亏损的洋中脊玄武岩(MORB)。Courtillot等曾提出无震脊(海岭)是否为热点成因的以下5个判别标准:(1)存在年龄单调增长的线性火山链;(2)线性火山链的初始端存在溢流玄武岩;(3)巨大的浮力通量;(4)高3He/4He比值;(5)下伏地幔中存在显著低的剪切波速(Vs)。与洋脊和残余弧脊最明显的不同是,无震脊沿着海山链具有年龄增长的趋势,而洋脊和残余弧脊无此特点。无震脊多数与海底高原相连,两者分别被解释为地幔柱的尾部熔融作用和头部熔融的产物,如德干高原-90°E海岭以及翁通爪哇(OntongJava)高原-路易维尔(Louisville)脊等。当然,有一些热点火山链在其初始端并没有海底高原,如夏威夷-皇帝海岭的初始端的海底高原可能已经被俯冲了或少量物质已经增生到了堪察加半岛(沉积学证据);同时,虽然多数热点可追踪核幔边界,但未能追踪到核幔边界的热点可能并非来自核幔边界而是中下地幔水平或者地幔柱沿着岩石圈底部流变学边界面流动时通过岩石圈断裂等薄弱处上升的分支(类似于Ito等的模型)。海底高原与无震脊随板块运移到俯冲带附近之后的命运会怎么样呢?靠近俯冲带的海底高原主要存在于西太平洋地区,多数如翁通爪哇高原和奄美(Amami)海底高原等具有接近大陆地壳的厚度且在中下地壳可能出现长英质侵入体,这些由地幔柱垂向增生方式形成的陆壳地体最终将以侧生增生的方式拼贴于大陆弧或成熟岛弧之上,而少量的海底高原也会被俯冲。相对于抑制俯冲的海底高原来说,无震脊因为具有相对小的体积,尽管具有一定的浮力,但仍可以随着下伏洋壳一同俯冲于洋壳板块(洋内弧如汤加弧)或大陆板块(陆缘弧如安第斯弧)之下。那么当海山(或无震脊)俯冲时,将会对超俯冲带产生怎样的动力学和岩浆作用效应呢?本文援引了全球关于地幔柱热点形成的无震脊(海山)俯冲的代表性文献,旨在综合探讨海山俯冲对海沟、火山弧及弧后地区的构造-岩浆作用影响以及潜在的资源效应,并进一步指出我国在本领域的研究区域和方向。2西太平洋地区的皇帝、螺螺磺酸pla、阿拉克达-加拉克达-加拉克达-加拉克达-加拉克达-加拉-加亚和拉克德斯zeas、阿拉克达-阿拉克达-阿拉克达-阿拉克达-阿拉克达-阿拉克达-阿拉克达-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全球海底分布着众多的无震脊(海岭),三大洋均分布有规模不等的、起源自地幔柱热点的无震脊(见图1)。其中靠近俯冲带并与俯冲带已经发生相互作用的海岭主要位于太平洋地区,包括西北太平洋的皇帝-夏威夷海岭、西南太平洋的路易维尔海岭及西太平洋地区伊豆-小笠原-马里亚纳(IBM)弧前的海山(链)及海山省,东太平洋地区的科科斯(Cocos)脊、卡耐基(Carnegie)脊、纳兹卡(Nazca)脊及胡安费尔南德斯(JuanFernadez)脊(自北向南),此外,还有大西洋中西部的小安德列斯弧外的巴拉克达(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海岭及90°E海岭。下面简要介绍一下这些无震脊的地质与地球物理背景和水深地貌情况。2.1太平洋地区2.1.1中下地潭和中下海缘夏威夷地幔柱是研究较多的地幔柱典型例子。夏威夷是一个拱形的热点,已经被指出是地幔柱的地表表现形式:即来自深部地幔的热浮力物质的局部上涌。由群岛和海山组成的夏威夷-皇帝海岭覆盖了长约5800km,记录了约80Ma的年龄呈线性增长的火山作用,且显示了一个宽约1000km的抬升地形区域。地震层析成像显示夏威夷地幔柱的P波可示踪至2890km的核幔边界附近,地幔剪切波速直达410~660km处的地幔过渡带,表明来自下地幔的上涌的高温地幔柱。夏威夷地幔柱头部所形成的大火成岩省被推测为已经被俯冲于欧亚板块的堪察加半岛之下,正在俯冲的无震脊片段年龄为大于81Ma,如ODP883站位揭示的底特律(Detroit)海山年龄为76~81Ma以及Meiji海山年龄大于81Ma(见图1a),此海山链具年龄线性增长、高浮力及高3He/4He等特点。年龄为50Ma的海山可能记录了太平洋板块的运动方向的改变,即从NNW转变为NW方向。距今50Ma,太平洋板块运移方向的改变也与周边大板块构造演化(印澳板块向北楔入欧亚板块以及菲律宾海板块的北移)的时间上是耦合的,同时,也开启了西太平洋地区巨型弧-沟-盆体系的发育。古地磁数据表明,在皇帝海山形成期间,夏威夷热点发生了向南运动,表明起源自下地幔或核幔边界的地幔柱在上升途中可能受到了侧向的粘性地幔流或者地幔风(mantlewind)的影响,这也改变了被当做为参考系的热点固定性的传统观点。而且晚白垩纪-早古近纪的热点运动可能是形成皇帝海山轨迹及此海山链著名的弯曲形貌(距今约50Ma)的主控因素。2.1.2基性岩群的形成和早期火山合成路易维尔(Louisville)海山链是一条长4300km的火山链(见图1b),是过去80Ma以来太平洋板块在一个持续的地幔熔融异常或热点上运动所形成的,此热点的现在位置为霍利斯特(Hollister)脊附近、埃尔塔宁(Eltanin)断裂带与太平洋-南极脊(PAR)交互处。地震层析成像显示路易维尔地幔柱可示踪至1450km以下,此地幔柱头部所形成的大火成岩省为122Ma的翁通爪哇海底高原。因为路易维尔火山链具有线性的形貌以及其长期的年龄增长的火山作用,因此它是夏威夷-皇帝海山链在南太平洋地区的极好对比的火山链。最近的Ar-Ar定年研究表明,本火山链与夏威夷-皇帝海岭的弯曲处的年代是不同的,且与夏威夷热点类似,源自下地幔或核幔边界的路易维尔地幔柱在上升期间可能也遭受了地幔风的影响。地震层析成像显示,海山峰顶之下约1.5km处,火山建造的核部似乎为侵入体占主导,波速大于6.5km/s。火山建造上伏于高波速的下地壳(大于7.2~7.6km/s)和上地幔(大于8.3km/s),表明超基性岩是以岩席而不是底侵形式侵位。结果表明壳内岩浆侵入体(年轻的、热大洋岩石圈处的热点火山作用的特征)与喷出火山物质之间的比值高达约4.5。莫霍(Moho)面反射反演显示在海山之下的太平洋洋壳已经向下弯曲达约2.5km,莫霍面之下的岩浆底侵可能出现在热点与几十个百万年的大洋岩石圈之间的相互作用的位置。2.1.3加拉帕戈斯coiba脊加拉帕戈斯热点是东太平洋内、正与东太平洋海隆(EPR)发生相互作用的一个地幔柱热点,形成了加拉帕戈斯群岛及位于两个构造板块上的3个主要的无震脊系统:科科斯(Cocos)、卡内基(Carnegie)以及马尔佩罗(Malpelo)脊(见图1c)。此地幔柱头部所形成的大火成岩省为90Ma的加勒比大火成岩。加拉帕戈斯热点在科科斯板块上的热点轨迹形成了长约1000km的NE-SW走向的科科斯脊,其西北翼为高出海底1~2km的、30个主要火山组成的海山省(宽约20km),它们是中太平洋东部最大和最复杂的地貌构造,从现今的加拉帕戈斯热点延伸到巴拿马-哥斯达黎加滨岸外的哥伦比亚海沟。科科斯脊是一条具加厚洋壳的脊,比周围海底高出约2.5km,最大的厚度约25km,大于正常大洋地壳厚度的3倍。在哥斯达黎加岸外,正在俯冲消减的科科斯洋脊(年龄13~14.5Ma)宽度达300km,向西南变浅、变宽。正在巴拿马南侧俯冲消减的柯义巴(Coiba)脊(年龄38.2Ma)为一南北走向的构造:长约150km、宽约100km。柯义巴脊似乎为一巨大的、沉积物覆盖的海底高原,陡峭的西、南翼部高为1500m,向东坡度变缓。加拉帕戈斯热点在纳兹卡板块上的热点轨迹上形成了长约600km、宽约300km的E-W走向的卡内基脊,从现今的加拉帕戈斯热点延伸到厄瓜多尔滨岸外的哥伦比亚海沟(此处脊年龄约20Ma)。测深和地震剖面数据显示此脊的宽度和体积向东均明显增加。此脊上分布有众多的海山,单一的巨大海山分散在洋脊翼部及其附近。在南翼上的5个主要海山(位于86°~82°W之间)似乎呈E-W排列,但是此脊上并没有出现如科科斯脊北翼的巨大海山群。马尔佩罗(Malpelo)脊是一伸长的、NE-SW走向无震脊,长约300km,宽约100km(见图1c)。此脊被一个中央地堑分开成为一个狭窄的、陡峭的西北脊以及一个更广阔的东南海底高原。虽然多数学者都同意马尔佩罗脊(年龄16~17Ma)是由科科斯-纳兹卡扩张中心与加拉帕戈斯热点之间的复杂的相互作用所形成的,但是马尔佩罗脊与周边脊的关系还不甚清楚,如Marcaillou等指出马尔佩罗脊曾经与科科斯脊相连,后来因此脊沿着右旋走滑的巴拿马断裂带的差异运动而与科科斯脊分开并相对于科科斯脊向南漂移,而Werner等等据磁异常条带资料认为马尔佩罗脊曾经与卡内基脊相连,并在距今14.5~9.5Ma期间因加拉帕戈斯热点作用导致的洋脊跳跃以及科科斯-纳兹卡扩张中心的不断扩张而分开。2.1.4海表方面的年龄地震层析成像显示复活岛(Easter)热点的P波和S波可示踪至2890km的核幔边界附近,结合其具高3He/4He比值,表明其来自下地幔或核幔边界,此地幔柱头部形成的海底高原推测为中太平洋海山。纳兹卡脊是一个巨大的NE-SW走向的线性无震脊(见图1d),平均水深小于3000m,高于周围水深4000~4500m的洋底。此脊大约宽200km、长1100km,在西南端与复活岛海山链相交,在大约15°S处交切智利海沟。纳兹卡脊被认为是由复活岛热点与扩张中心相互作用所形成的,类似于现在的冰岛热点与大西洋洋中脊相互作用的情形,因此被认为是具有与周围洋底类似的年龄,地震反射及重力研究表明此脊之下的地壳要比周围洋底至少厚1倍。纳兹卡脊与土阿莫土(Tuamotu)海底高原具有相同的源区。正在俯冲的纳兹卡脊片段的年龄为早第三系,是在太平洋-法拉隆/纳兹卡扩张中心处形成的,纳兹卡脊是在11Ma前俯冲于11.2°S处的南美板块之下的。地震层析成像显示胡安费尔南德斯(JuanFer-nandez)热点的P波和S波可示踪至2350km的中下地幔附近,具高3He/4He比值,表明其来自下地幔或核幔边界。E-W走向的胡安费尔南德斯脊是纳兹卡板块(距今30~50Ma)在胡安费尔南德斯热点之上运移所形成的,且斜向俯冲于智利海沟之下(见图1d),这得到了卫星推断的重力异常带的支持。此脊由脊本身及其周围11个海山组组成,长约900km。此脊具有明显的正地形,其正在俯冲的奥希金斯(Oue10bHiggins)平顶海山的年龄为8.5Ma。此外在纳兹卡脊与胡安费尔南德斯脊之间存在一规模较小的无震脊:伊奎科脊(Iquiqueridge)。在太平洋地区,还包括一些小的正在俯冲的无震脊,如西太平洋地区新赫布里底(Hebrides)弧附近正在俯冲的无震脊、东北太平洋地区内的阿留申弧外的无震脊等,以及一些正在俯冲的海山和正在拼贴于周围岛弧的海底高原,如伊豆-小笠原-马里亚纳(IBM)弧附近俯冲的组成西太平洋海山省一部分的小笠原(Ogasawana)海底高原、劳海盆北部的翁通爪哇海底高原和萨摩亚(Samoa)海底高原等。2.2巴拉克达脊que-q基层大西洋板块内主要地幔柱热点的火山链,包括里奥格兰德(RioGrande)脊和瓦维斯(Walvis)脊。由于大西洋两侧主要为被动大陆边缘,因此并没有显著的俯冲带存在,在加勒比地区及南美洲南侧存在俯冲带。在加勒比地区,大西洋板块正在加勒比板块之下俯冲,在东北加勒比地区内的波多黎各及北小安德列斯海沟处正在输入的正常洋壳被一系列的北美和南美板块上的无震脊所分割,发育在此俯冲板块(在大西洋洋中脊处80~110Ma以上的洋壳)之上的巴拉克达脊(Barracuda)和蒂勃朗(Tiburon)脊是大西洋地区仅有的接近俯冲带主要的两条海岭,并正在随着大西洋板块向加勒比板块之下俯冲(见图1e)。巴拉克达脊,是中大西洋的较大脊,从小安德列斯海沟延伸到55°W处(见图1e),被认为与15°20′N断裂带相连。地球物理学资料显示上此脊向西延伸到小安德列斯俯冲带之下以及维尔京(Virgin)群岛北侧的迈恩(Main)脊。此脊高于周围海底1.5~2km,宽约30~50km,长度超过450km。巴拉克达脊南侧的蒂勃朗脊长约150km,宽约30~40km,此脊部分已经在过去的10Ma中俯冲于加勒比板块之下。巴拉克达脊、蒂勃朗脊以及南部被沉积物覆盖的圣卢西(StLucia)脊被Stein等命名为“转化断层翼侧脊”,为转换断层发育起来的深海洋脊,类似于菲律宾海板块内的九州-帕劳海脊(KPR)。尽管这些脊与KPR的起源类似,但前者主要表现为富集的地球化学特征,而KPR为一具Nb-Ta强烈亏损的不成熟洋内弧脊。2.3阿拉杰玛哈尔raj背景的地潭支柱部n印度洋地区内的无震脊主要存在于印度洋中北部,包括被中印度洋脊分开的70°E附近的拉克代夫(Laccadives)-马尔代夫(Maldives)-查戈斯(Cha-gos)脊(LMCR)和毛里求斯(Maritus)-塞舌尔(Sey-chelles)拱形脊(MS脊)、85°E脊、90°E海岭(见图1f)。其中LMCR脊(距今约60~32Ma)和MS脊(距今约0~45Ma)被认为是现今的留尼汪(Reunion)热点在向北移动的印度洋板块之上所形成的,随后因中印度洋脊的扩张而分开,其地幔柱头部形成了65Ma的德干(Deccan)高原,此地幔柱的P波异常达1900km且具高3He/4He。LMC脊为N-S走向,从9°S延伸到14°N,长约2350km,宽约200km。90°E海岭(距今38.3~82.5Ma)被认为是克尔盖朗(Kerguelen)地幔柱在向北移动的印度洋板块之上所形成的,其地幔柱头部为117Ma的拉杰玛哈尔(Rajmahal)高原,此地幔柱的P波异常达2800km且具高3He/4He。90°E海岭与克尔盖朗地幔柱热点具类似的富集地球化学特征,暗示此地幔柱热点保持了较长期的均一性,但最新的研究显示此海岭的地幔源区可以受到了东南印度洋脊底地幔源区的影响。研究显示,与夏威夷和路易维尔热点并非固定的一样,在印度洋板块北移期间,克尔盖朗、留尼旺和克罗泽(Crozet)热点分别向南运动了7°、5°和10°的距离。90°E海岭从33°S延伸到17°N,长约5000km,平均宽度约200km。85°E脊(距今85~55Ma)为N-S走向,被认为是克罗泽热点(其S波异常达到2800km,Montelli等)在向北移动的印度洋板块之上所形成的,其地幔柱头部可能也为117Ma的拉杰玛哈尔高原,但是地球化学证据似乎并不支持这个观点。85°E脊从5°S附近的阿法纳西-尼基汀(AfanasyNikitin)海山延伸到19°N的孟加拉湾,长约2400km。3无震脊或海底高原冲刷产生的效应大洋内一些洋脊(如背离板块边缘的大洋中脊和汇聚板块边缘的岛弧脊)经常有伴随岩浆活动的地震发生,与之相对的是,在大洋内部有一些无地震发生的海岭或脊,因此被命名为“无震”脊。当发育于巨大构造板块之上的这些无震脊(或海山)随着板块运移至板块构造动力系统主导的俯冲带并与之发生相互作用时,显示出了与正常洋壳俯冲迥异的动力学和岩浆效应,主要表现在超俯冲带的形貌(因无震脊的正浮力而抑制弧内扩张等)、地震发生的频度和烈度以及火山弧岩浆作用方面[19,37,42,57,58,59,60]。无震脊(或海山)俯冲产生的更多明显的效应还包括:深部和浅部地震活动的明显变化、火山弧分段性和/或弧火山作用的抑制、以及以上驮板块的快速地壳抬升为特征的滨岸地貌的改变[19,50,57,61,62,63,64]。已有对无震脊或海山(海底高原)俯冲产生效应的研究包括模拟模型、数字模型和实例研究(见图2和图3)。以下先介绍无震脊俯冲的模型,接下来对典型实例从动力学和岩浆效应角度进行详细介绍。3.1模拟实验3.1.1岩石圈和海底高原对板片倾角的影响Martinod等使用模拟实验模拟了浮力脊和高原的俯冲作用来研究了它们对于板片动力学的效应。实验关键配置简述如下:(1)浮力条件和实验几何学,上地幔软流圈(岩石圈底部至660km地震不连续面)模拟物质为蜂蜜,被充填在一个刚性的树脂玻璃容器,在容器中心,设置一在蜂蜜中具负浮力的硅树脂板模拟俯冲前的大洋岩石圈;(2)大洋岩石圈的流变学,用黏-弹性的硅树脂灰泥(可被认为是准牛顿流体)模拟岩石圈板块,大洋岩石圈黏性/上地幔黏度的比值被设置为104,这可能是地幔岩石流变学的一个合理值;(3)大洋板块的浮力,在80km厚的岩石圈条件下,如果上伏为正常洋壳(7km),那么负浮力(-35kg/m3);如果上伏为加厚洋壳(14km)即存在正地形的洋脊和海底高原,那么浮力为0;(4)等温实验,实验证明高速俯冲作用(大于1cm/a)条件下板块是准绝热条件的,且忽略了板块相转变作用。利用以上实验条件设置开展的一系列实验结果显示,简单的局部(1D)均衡考虑并不适于来预计垂直海沟的浮力脊的俯冲作用期间的板片行为。平行海沟的洋脊对俯冲过程具有更强烈的效应。巨大的浮力板片片段更慢地下沉到软流圈,它们的俯冲导致了板块俯冲速率的减小。实验也观察到那些浮力异常之下的板片变陡,导致了板片的更小的曲度半径,能量加速消失在褶皱板块内,并进一步降低了俯冲速度。当模拟浮力高原的3D几何学时,海底高原之下的板片倾角减小这是海底高原两侧密度大的“正常”大洋板块的更大俯冲速率所导致的。在海底高原完整被吸收进俯冲带之后,产生浅平坦板片俯冲作用,如此的板片倾角扰动要维持很长时间(见图2a)。板块倾角减小或平坦板片俯冲导致了热地幔楔的消失,且含水俯冲地壳与上伏热软流圈之间缺乏接触从而阻止了部分熔融作用最终导致伴随平坦板片俯冲的火山作用的缺乏。3.1.2无震脊特性及边界Gerya等基于二维热机械模拟实验(吸收了板块脱水、地幔楔熔融作用和地表地貌发育的效应)研究了无震脊俯冲的动力学效应。实验关键配置简述如下:(1)使用Gorczyk等的关键参数,包括板块无弯曲、释放自俯冲板片(2km的蚀变洋壳+5km的辉长岩)的水的传递以及部分熔融作用,俯冲板片及上驮陆壳板块的所有岩石的物理性质详见Gerya等,模拟的无震脊规模为:宽200km,厚18km;(2)边界条件,即除了箱的下边界(垂直方向上可渗透的)外,在实验容器的所有边界处是自由滑移,实验相关控制公式参照Gorczyk等执行。实验结果表明,中等尺度的洋脊(如南美西侧的纳兹卡脊)的俯冲作用不会导致刚性板块变平以及岩浆活动的减少(见图2b)。这反过来表明,当与洋脊俯冲伴随的俯冲板片变平时,板块本身应该是接近临界值状态(即从倾斜到平坦的瞬间过渡状态),俯冲洋脊可作为板块过渡状态的指示。同时,伴随平坦板块导致的强烈的岩浆产生量的减少,可解释低角度俯冲边缘处近期活动的火山作用的间隔。此外,此实验也记录了与中等规模洋脊俯冲伴随的几个显著的地表效应,如上驮边缘抬升的局部增加、俯冲剥蚀作用的加强以及海沟的向陆移置。值得指出的,以上两实验结果主要是与安第斯型大陆边缘(陆缘弧)的胡安费尔南德斯脊的俯冲地质事实较为符合,而对于在洋内弧之下俯冲的无震脊的动力学效应并没有任何相关性研究。3.2思想原因及意义由一系列相对孤立海山组成的无震脊的俯冲可被理解为在一定地质时期内海山的俯冲。卫星推断的重力异常数据表明海底大约有高于周围海底大于1.5km的12000座巨大的海山。不管这些海山是处于火山建造期间还是后建造下沉阶段,一旦它们变得不活动时,它们将被板块运动所携带并将最终被俯冲。一旦这些海山进入俯冲带,它将深远地影响着海沟轴部与火山弧之间的前弧地区的形貌、构造和垂直运动历史(见图2c)。海山俯冲也可能影响着上驮板块与俯冲板块之间的耦合程度,且影响着地震,特别是巨大地震的规模和频度。而有一系列海山组成的无震脊或海山链的俯冲可能诱导了一个“变形波”,当海山渐进地被板块运动携带进俯冲带时,将交替地使前弧地区变大和缩小。总之,海山俯冲的最终命运可能取决于以下几个因素:俯冲通道的厚度、俯冲板块与上驮板块的相对强度、俯冲海山的内部构造以及俯冲海山的浮力。除了海山俯冲产生的动力学效应外,虽然海山总体积还比洋壳少得多,但是海山俯冲对超俯冲带岩浆效应也很明显。海山是板内火山作用的产物,由深部地幔源区的部分熔融作用所产生的,它们提供了地球深部地幔区域的化学发育和不均一性的独特认识角度。海山上出现的具富集地球化学(洋岛玄武岩)特征(富集大离子亲石元素元素和高场强元素)的火山岩(见图3a)或火山碎屑沉积物将对弧及弧后地区火山岩以及地幔地球化学不均一性的形成产生明显影响。3.2.1所形成的超冲带与难以保留的前弧地区此无震脊可追踪的最老部分处的海山[如底特律(Detroit)海山年龄为76~81Ma和明治(Meiji)海山年龄大于81Ma]现今位于堪察加(Kamchatka)-阿留申(Aleutian)弧交汇处的海沟外侧。尽管对于81Ma以来的此无震链的岩浆作用保留着很好的记录,但是对于之前的历史(如地幔柱头部形成的大火成岩省及地幔柱尾部形成的早于81Ma的海山)的资料极少。Courtillot等推断夏威夷地幔柱头部所形成的大火成岩省(LIP)可能已经被俯冲于欧亚板块的堪察加半岛之下,而其他一些研究者认为LIP和老于81Ma的海山可能没被俯冲,而是被保留下来了。无论是被俯冲还是被保留下来,夏威夷-皇帝海岭在靠近堪察加半岛附近的俯冲带时,究竟对此处的超俯冲带产生了怎样的地质效应呢?堪察加半岛上的克罗诺基(Kronotsky)地体(由白垩纪-始新世的玄武岩、火山碎屑砂岩、火山角砾岩等组成)位于正在俯冲的皇帝无震海岭之上。克罗诺基半岛地层学和构造数据显示夏威夷-皇帝海岭的俯冲作用导致了堪察加火山弧的前弧地区的下沉和缩短/抬升。最近的研究显示,位于堪察加内的堪察加茨克(KamchatskyMys)半岛的蛇绿岩套内的玄武岩(距今120~93Ma)在地球化学上类似于靠近俯冲带的底特律和明治海山岩石,表明夏威夷-皇帝海岭的早-中白垩纪段可能被增加于堪察加火山弧的前弧地区(见图3b)。此外,克罗诺基半岛的玄武岩地球化学组成为弧火山岩与海山岩石的中间类型,显示一个强烈的海山特征信号,细致的岩石学研究表明,克罗诺基半岛的始新世拉斑或碱性系列玄武岩具低大离子亲石元素(LILE)和轻稀土(LREE)以及抬升的钛(Ti)和铌(Nb)含量、低Ba/Nb和Ba/Ce比值,以及多变的87Sr/86Sr和相对均一的143Nd/144Nd,显示似富集型洋中脊玄武岩(EMORB)特征,暗示受到了夏威夷皇帝无震脊(其地球化学特征已经被许多学者广泛报道)的俯冲的影响,然而,克罗诺基半岛上的火山岩地球化学时空演变规律表明,从始新世到近期的火山岩,皇帝海山链俯冲对弧火山岩的影响(或物质贡献)逐渐减少。3.2.2沸石成因分析在汤加海沟处,太平洋板块正西向俯冲于印澳板块之下,从南到北,会聚速度增加,进入海沟的沉积层厚度逐渐减少。太平洋板块正携带着具年龄线性增长的路易维尔无震脊俯冲于汤加(Tonga)-克马德克(Kermadec)弧之下(见图1),此脊上正在俯冲的海山年龄老于70Ma。路易维尔无震脊对汤加-克马德克弧的动力学效应主要表现如下:因为具正浮力的路易维尔无震脊的俯冲,在路易维尔无震脊与汤加-克马德克弧结合处的海沟西侧部分形成了曲度稍小、向西弯曲的弧形貌,且把汤加-克马德克弧分成为两段,即汤加弧和克马德克弧,对应的弧后扩张区分别为劳海盆和哈维(Harvre)海槽,轻微变形的弧形貌也与数值实验结果一致。可以从地球动力学角度推测,如果没有路易维尔无震脊的俯冲,汤加-克马德克弧后不会分成为劳海盆和哈维海槽两端,也将不会呈现劳海盆瓦路发(ValuFa)脊处的向南增进裂解动力学过程。路易维尔无震脊为路易维尔地幔柱热点形成,具有与火山弧岩石迥异的富集的地球化学特征(见图3a),其上的海山岩石的同位素和微量元素组分表明其具有一等同于FOZO地幔端元的长期的、均一的地幔源区,如此脊的约44m厚的火山碎屑岩(DSDP204站位揭示)及其下伏的基底玄武质岩石具极度放射性成因的Pb同位素,206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb分别为(19.45vs.19.49)、(15.63vs.15.63)和(39.22vs.39.08)。研究表明,路易维尔无震脊并没有影响其俯冲位置的最近弧系统(如劳海盆南段)的岩浆成因(见图3c)。由于路易维尔无震脊斜向俯冲于汤加弧之下,且其俯冲过程受到了印澳板块与太平洋板块运动矢量及强烈相互作用的影响,因此路易维尔无震脊俯冲对汤加超俯冲带(SSZ)的影响体现在汤加弧北段的塔法西(Tafahi)岛和努奥图布达布(Niuatoputapu)岛的火山岩的地球化学上(见图3c)。最新的研究显示,简单的端元模拟表明北汤加弧熔岩的42%~90%的Pb来自于正在俯冲的海山链的玄武质地壳。值得指出的,除路易维尔海山链对劳海盆北部海底熔岩做出贡献外,靠近俯冲带的海底高原也强烈地影响弧后地区的火山岩地球化学,如最近的研究显示,萨摩亚(Somoa)海底高原通过软流圈物质流对劳海盆北部海底熔岩地球化学做出的贡献也被识别出来。3.2.3成因与构造背景在中美海沟走向上,显示了输入板块的年龄、汇聚速率、倾斜度、地貌及倾角等多方面的显著变化,其中俯冲组分的差异可能是第一序的影响因素,如除正常洋壳[东太平洋扩张中心(EPR)产生的洋壳及科科斯-纳兹卡扩张中心(CNS)所形成的洋壳]俯冲外,也存在科科斯无震脊及其北侧的海山群等正浮力地形的俯冲。科科斯脊及海山的俯冲作用已经产生了弧前外缘的实质的俯冲剥蚀作用。此外,加厚的科科斯无震脊要比正常洋壳更具浮力,且已经抬升了奥撒(Osa)、尼科亚(Nicoya)半岛及克波斯(Quepos)地区。科科斯无震脊俯冲也表现在了比尼奥夫带(Wadati-Benioff)的倾角和深度上的变化,如在尼加拉瓜边缘附近倾角约65°到科科斯脊变浅了几度,具有孕育大地震的充分条件,已被这里频发地震所证实。哥斯达黎加火山弧岩石的最大年龄超过24Ma,直到晚中新世仍有深成岩体侵位,在此之后,与俯冲有关的钙碱性岩浆作用消失。约距今6Ma到3Ma期间产生了弧后碱性岩浆作用,在中央岩浆弧南部,年龄为5.8Ma到2.0Ma的火山熔岩的微量元素特征显示其为俯冲洋壳部分熔融(源区残留石榴石)的产物,且具有一个与地幔柱(似加拉帕戈斯地幔柱热点)有关的同位素特征,可能为科科斯脊及其北侧海山群俯冲组分加入弧岩浆源区的结果。最近研究表明,从哥斯达黎加中部到尼加拉瓜西北,富集的地球化学特征逐渐变得不明显,反映可能在哥斯达黎加和尼加拉瓜之下的地幔楔内可能存在平行弧的物质流(见图3d)。此外,虽然多数学者认为加勒比大火成岩省是由加拉帕戈斯地幔柱热点所形成的,但是Hoernal等指出加勒比大火成岩省可能不是单一的地幔柱(如加拉帕戈斯热点)头部所形成的,而是多个大洋板内构造(如海底高原和无震脊等热点轨迹)通过俯冲作用综合作用的结果,暗示科科斯脊俯冲作用不仅影响着中美火山弧,而且影响着更远处的加勒比大火成岩省的形成。卡内基脊俯冲于安第斯会聚边缘北部。在20世纪,此处发生了6次与俯冲作用有关的、超过里氏7.8级的地震。俯冲作用从以正常洋壳的陡俯冲角度变化到无震脊俯冲参与的平坦俯冲,这与纳兹卡板内的俯冲体的多样性(包括卡内基无震脊)有关,从而导致地震和火山作用的区域样式沿安第斯走向显示高度的分段性。卡内基脊自2Ma来就与此边缘发生了碰撞作用,进入海沟的时间为1Ma。卡内基俯冲作用导致了上驮板块的挤压变形。浅俯冲的卡内基无震脊和马尔佩罗脊-具加拉帕戈斯地幔柱热点地球化学可能导致了厄瓜多尔宽广的火山弧内的异常的地球化学(埃达克质)特征。3.2.4纳兹卡脊冲冲层序安第斯秘鲁段(5°~18°S)约2000km,总体上此段呈现一个高度不对称的地形,具有陡峭的西坡以及一个宽广的东侧。纳兹卡无震洋脊的俯冲及向南跃迁后的俯冲导致了俯冲带处似波状的地形。如导致海沟深度和附近的前弧地区抬升了至少1500m;在5°~14°S之间的碰撞带,存在长1500km的平坦(倾角小于30°)俯冲作用(flat-slabsubduction);导致了剥蚀俯冲作用;导致了地表抬升2~3km。此外,纳兹卡脊的俯冲将孕育强烈的地震。研究已表明,在过去几十年内,秘鲁之下3个强烈的板内地震(1942年的8.1级地震,1996年的7.7级地震以及2001年的8.4级地震)位于纳兹卡脊俯冲投影面上。由于大体积的平坦俯冲作用,导致近期的火山作用几近消失,仅在位于9°~11°S的布兰卡(Blanca)山脉处包含了新近纪岩浆活动的记录,这是与Gerya等的数字模型结果是一致的,即此处平坦俯冲作用导致了俯冲板片之上地温梯度不足以使岩石熔融,从而导致缺乏热地幔楔以及岩浆活动的减少。与两侧正常洋壳板块俯冲形成对比的是,胡安费尔南德斯脊俯冲作用导致了与俯冲等纬度的智利西海岸地区的毕鸟夫带形态、火山弧活动以及大陆边缘构造的明显变化。胡安费尔南德斯脊的俯冲伴随着类似于上述的纳兹卡无震脊的平坦板片俯冲作用,因此两者的俯冲动力学和岩浆效应相似。3.2.5无震脊冲带的地质效应上已述及,正在俯冲于小安德烈斯弧之下的巴拉克达脊、蒂勃朗脊以及南部被沉积物覆盖的圣卢西(StLucia)脊为转换断层发育起来的深海洋脊,与地幔柱热点形成的无震脊在密度和地球化学组分上存在明显差异。由于这些脊不具浮力且并没有表现出富集的地球化学特征。因此,对这些脊俯冲的地质效应的研究主要集中在小安德列斯弧的动力学(如地震)上。如巴拉克达脊不具浮力且并不影响毕鸟夫带的倾角,此脊的俯冲产生了正断层(断层面垂直于小安德列斯弧及其东侧海沟)型地震。正与小安德列斯俯冲带发生相互作用的这些洋脊的北端(如巴拉克达脊)正旋切着安德列斯弧的高地震活动区域。一些地震(包括1974年的巨大地震)是出现在上冲板块内,可能与因这些无震脊的俯冲导致上覆于这些脊的加勒比板块的变形有关。此外,这些无震脊的俯冲对小安德列斯的火山前缘的位置产生明显影响。3.2.6无震脊成岩与机制在印度洋,欧亚板块与印澳板块之间边界处的两个主要的尖端位于大陆内部,这可以从它们的弧形特征及与印度尼西亚弧的连续性而被推断出来,喜马拉雅弧呈现出了一个位于特提斯洋(位于印度与中亚之间,因晚第三系的俯冲作用而被关闭)内的已经绝迹的岛弧系统的形状。无论喜马拉雅弧是否保留着一个古老岛弧的形状,印度洋内的两个显著的无震脊延伸进了喜马拉雅构造弧的两个主要的尖端处。弧内扩张(也许是事件性的)导致了火山弧迁移离开大陆,同时携带无震脊的洋壳按现今传统的模型而被俯冲。然而,大块的非震脊进入到海沟,因为无震脊具正浮力而导致内弧扩张火山建造变慢,从而抑制了俯冲作用。据此,Vogt认为无震脊与岛弧系统相交切时,应该存在一个尖端。最新的研究结果也显示,喜马拉雅弧的弧形形状及在喜马拉雅东、西形态上的两个尖端似乎是与拉克代夫-马尔代夫-查戈斯脊(LMCR)和90°E海岭以及85°E海岭相互作用的结果,类似于马里亚纳海沟处小笠原海台和汤加海沟处路易维尔脊所产生的地质效应。拉克代夫-马尔代夫-查戈斯脊(LMCR)脊和90°E海岭以及85°E海岭与古喜马拉雅弧所发生的强烈的相互作用,导致了汇聚速率、流变学、应力相互作用、俯冲沉积物厚度等方面的明显变化,从而明显影响着喜马拉雅地区的地震变化并导致喜马拉雅巨大的、主要的地震的破裂程度。这些也控制喜马拉雅未来地震的断裂程度及震级。对印度洋北侧无震脊俯冲效应研究主要集中在上述的动力学方面。最近的研究显示,LMCR无震脊可被追踪到位于印度与欧亚板块之间的古特提斯洋闭合所形成的缝合带处,在此缝合带处的白垩纪火山岩具有现今留尼汪(Reunion)地幔柱热点的地球化学组分。至于LMCR无震脊是否俯冲于古特提斯洋北侧的岛弧之下并对后者产生强烈的效应,这需要从地质历史记录寻找证据。同时,其他两条主要洋脊(90°E海岭和85°E海岭)的情况是否如同LMCR无震脊,需要进一步展开研究。4无震脊和火山链的正地形冲刷无震脊(或海山链)俯冲除了对超俯冲带产生重要的地质效应外,还具有潜在的资源效应。正常洋脊(如洋中脊)主要来自于经大陆地壳萃取后留下的亏损地幔部分熔融所形成的,其上出露的岩石主要为正常洋中脊玄武岩-NMORB(除了少量的富集型洋中脊玄武岩-EMORB),具有低丰度的大离子亲石元素和强-中不相容元素,同时火山弧脊由正常洋壳俯冲释放的流体与亏损的地幔楔相互作用进而产生部分熔融作用所形成的(如KPR和伊豆-小笠原弧脊),产生的火山岩具有Nb-Ta强烈亏损的典型弧火山岩(钙碱性岩石)特征(图4)。与以上两种洋脊相比,绝大多数无震脊或海山链的成因是与地幔柱热点有关的,具有富集的洋岛玄武岩(OIB)的地球化学特征(见图3a和图4)。因此,这些无震脊或海山链上的岩石及火山碎屑沉积物的俯冲把大量强-中等不相容元素(K、Ba、La、Ce、U、Th、Pb、Rb、Sr、Cs、Au、Ag及Cu等)(这些元素的丰度比MORB对应元素高1个数量级)带进了超俯冲带。因此,在超俯冲带(SSZ)处的矿床形成中,无震脊或海山链的俯冲可能产生与正常洋壳或正常洋脊等俯冲不一样的样式,比如,稍晚于正常洋壳板块形成的无震脊,在与正常洋壳板块一道运移至俯冲带并俯冲消减时,其熔融释放的强-中等不相容元素含量可能明显要高于正常洋脊,其中的一些不相容元素(如Au、Ag及Cu)与岩浆-热液型金属矿床成矿关系密切。最近的研究表明,在南美安第斯弧内出现了丰富的岩浆-热液矿床,被认为是过去200Ma期间伴随无震脊的纳兹卡板块俯冲于南美板块之下所导致的结果。如安第斯中段(秘鲁北部和智利中部)的中新世成矿带可能是与纳兹卡板块的具正浮力的高地形(纳兹卡脊和印加(Inca)海底高原)的俯冲密切相关,同时,热的洋中脊俯冲会形成板片窗(slabwindow)效应,这些正地形影响了俯冲系统的整个动力学机制(平坦板片俯冲样式)并启动了金属成矿过程,形成大量的岩浆-热液矿床。孙卫东等指出与南美地区情况类似,中国东部大型、超大型斑岩铜