地球上的俯冲带在太阳系中是独一无二的,俯冲带过程对地球内部的物质循环起着关键作用。在深海海沟处的“俯冲带加工厂”,水、二氧化碳随着大洋地壳与沉积物进入地幔,促使地幔物质发生熔融,产生新的岩浆(图1)。岩浆经过上涌、结晶、脱气并喷发,形成岛弧。岛弧是目前所知的唯一能产生大量安山岩的构造单元,而陆壳中富含近似安山岩组分,说明俯冲带可能是大陆地壳的现代起源地。

俯冲带地震释放的能量占全球地震的90%以上,并能引发海啸等地质灾害。最近研究显示,除了持续数秒至数分钟的“普通”地震外,还有多种时间跨度的地震,如低频地震、偶然性震颤和滑动、缓慢滑动、构造尺度蠕变等,都对板块边界的应变释放起着重要作用。地壳地震活动可伴随发生大洋岩石圈的水合作用和蛇纹岩化作用,并影响俯冲带的构造及全球碳循环。因此,对俯冲带地震的研究,有助于了解海底岩石圈构造和长期演化过程。

大洋钻探对了解俯冲带地质和演化历史有着不可替代的意义。钻探获得的地质样品直接记录了俯冲过程及岛弧火山作用的信息,可用于研究岛弧的地球化学演化历史。岩石学家可通过分析火山玻璃碎片确定绝对年龄和地球化学及同位素信号,从而揭示岛弧的时间演化。通过大洋钻探还可研究水和碳的全球循环,包括随着洋壳变老而形成的含水蚀变相和碳酸盐的贡献,以及海沟附近深断层带入地幔的水引起的深部蛇纹岩化。钻探是在蛇纹岩化区域获得深部样品和流体的唯一手段。

大洋钻探对研究俯冲带地震同样具有不可替代的意义。通过大洋钻探,可测量岩芯各种性质,监测海底下的环境变化,了解岩石性质对地震形成与传播过程的控制作用。通过取芯、测井和采样,可研究海底断层和滑塌表面的组成和构造。对沉积事件和火山灰的取样和定年有助于了解地震与滑坡的规模和周期。通过钻孔与井下测量,可实现深部原位监控,测量孔隙流体压力、流体成分、温度、岩石的摩擦性能、地震活动的瞬间变化,并进一步用于研究应力累积和释放的过程和机理,以及地震周期的控制因素。大洋钻探井下观测站还可与海底观测网链接,获得实时海底数据。通过长期的监测,可扩展我们对海洋地质事件的时间、规模和机理的认识,为研究地震、滑坡、海啸等重大科学问题发挥重要作用,有助于建立地震早期预警系统。

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图1   俯冲带主要的输入、产出、流体、岩浆通道以及岛弧地壳结构示意图[1]

Fig.1   Cartoon of a subduction zone showing major inputs (I), outputs (O), fluid and magma pathways, and arc crustal structure[1]

全球有30多个俯冲带,总长度超过5×104 km。从大洋钻探计划(Ocean Drilling Program,ODP)到国际大洋发现计划(International Ocean Drilling Program,IODP),从“决心号”到“地球号”,科学家们已经在全球的十多个俯冲带附近实施了近40次大洋钻探航次[2,3,4](图2,表1),主要集中在中美洲哥斯达黎加(Costa Rica)、西太平洋伊豆—小笠原—马里亚纳(Izu-Bonin-Mariana)、北美卡斯卡迪亚(Cascadia)以及日本南海(Nankai)等俯冲带。大洋钻探还研究了南美洲秘鲁(Peru)、太平洋汤加(Tonga)、印度洋苏门达腊(Sumatra)、澳大利亚塔斯曼(Tasman)以及南大洋希库朗伊(Hikurangi)等俯冲系统[5]。

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图2   全球俯冲带大洋钻探位置红色圆圈为IODP“决心号”站位,红色五角星为IODP“地球号”站位,黄色圆圈为ODP站位,红线代表俯冲带位置

Fig.2   Ocean drilling locations of the global subduction zonesIODP JOIDES Resolution, IODP Chikyu, and ODP sites are shown by red circles, red stars, and yellow circles, respectively. Red lines indicate the locations of the major subduction zones discussed

表1   全球俯冲带大洋钻探航次一览表[2,3,4]

Table 1   Subduction Zone Drilling Expeditions[2,3,4]

注:USIO:美国执行机构;CDEX:日本深部地球探测中心;JRSO:美国“决心号”科学运行机构

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中美洲西岸的哥斯达黎加俯冲带是由太平洋科克斯(Cocos)板块俯冲到中美洲板块而形成的。该地区富含碳酸盐的沉积物俯冲形成了现代岛弧,为二氧化碳的俯冲循环过程研究提供了绝佳的钻探场所。在哥斯达黎加俯冲带已经进行了4次ODP/IODP大洋钻探(图3,表2),取得了如下重要成果。

(1)ODP170航次。本航次在1996年实施,对哥斯达黎加北部的非增生俯冲系统的物质和流体通量研究做出重要贡献。通过研究热流、地球化学、地震成像和岩芯物理与构造性质,科学家们更深入地了解了流体从俯冲滑脱断层、缘楔、俯冲沉积物的传输到俯冲板片上表基底的活动路径和机制。其他重要发现包括:估算滑脱断层流体活动的起始深度,计算俯冲沉积到上部洋壳的流体通量、速率和液压分离面,以及约束基底流体活动的驱动机制。

(2)ODP205航次。该航次在2002年实施,是基于ODP170航次钻孔设计的,其目的是利用改进版的观测仪器进一步调查哥斯达黎加俯冲汇聚边缘的物质和流体通量,并结合井下测量和长期监测临界地层的流体压力和温度,研究哥斯达黎加俯冲带的温度结构和水文活动性。航次的2个科学目标都跟俯冲孕震带和俯冲动力学过程有关:一是岩芯和钻孔的裂隙渗透率分布以及俯冲板块上部的火成岩蚀变历史;二是监测ODP170航次发现的流体活动的特性。

(3)IODP334和344航次。这是哥斯达黎加孕震带研究计划分别于2011年和2012年开展的2个航段,其目的是要阐明侵蚀俯冲带系统的大地震成核和破裂过程[6]。这2个航段同时对比其他大洋钻探航次,例如日本南海海槽孕震带实验和日本海沟快速钻探项目(表1)。航次主要目的是:①研究俯冲上覆板片物质的岩性、物理和摩擦特性;②估算俯冲通道厚度和由俯冲侵蚀造成的物质沉淀速度;③调查俯冲侵蚀边缘的流体活动系统和热结构;④测定俯冲孕震带横跨上倾极限深度上的应力场变化。哥斯达黎加俯冲带孕震带研究计划为研究俯冲孕震带特征和侵蚀板块边缘做出了重大贡献。

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图3   哥斯达黎加俯冲带[6] (a)大洋钻探344航次区域地形和水深图;(b) 钟探区域广角地震测线解释

Fig.3   Costa Rica subduction zone[6] (a) Topographic and bathymetric map of the IODP Expedition 344 drilling area; (b) Wide-angle seismic section of a seismic profile from the drill sites

北美西岸的卡斯卡迪亚俯冲带是由胡安·德富卡(Juan de Fuca)板块俯冲到北美洲板块下而形成的,是美国西岸地震高发的板块边界。由于其地理位置特殊,近几十年来一直都是俯冲带研究的热点以及多个综合大科学计划的重点研究区域。在卡斯卡迪亚俯冲带,已经进行了4次ODP/IODP大洋钻探(图4,表2),取得了如下重要成果。

(1)ODP146航次。该航次在1992年实施,着重调查俯冲增生楔的弥散流体输出系统以及类海底反射界面的性质。垂直地震剖面数据勾画了一个明显的上快下慢的类海底反射速度界面,揭示了水合物的存在。类海底反射界面深度与预测的水合物稳定区域不吻合,表明这个区域并不是纯水/纯甲烷成分。同时没有证据表明沿着断层和透水层的流体通道活动,流体可能分散在增生沉积物的破碎区域内。

(2)ODP204航次。这是在2002年开展的首次致力于了解俯冲增生带的天然气水合物过程的钻探航次,并尝试使用不同技术手段估计沉积物天然气水合物的含量。首次使用的技术手段包括:①对天然气水合物稳定区内及附近的岩芯进行了温度数字红外扫描;②在原位压力下恢复和记录含水岩芯;③进行实时钻探数据分析和综合评价,并通过预测天然气水合物的分布来设计后续取芯过程。该航次推动了对评估天然气水合物、俯冲带流体活动和边坡稳定性之间互相关系的研究。

(3)IODP311航次。该航次在2005年实施,主要目的是进一步研究俯冲增生楔复杂体的天然气水合物及其形成过程。钻孔设计分布在天然气水合物演化过程的不同阶段的位置。综合观测结果表明,天然气水合物主要存在于粒度较粗的浊积砂和粉砂中。天然气水合物的溶度随着沉积物的变化而改变,其形成受若干关键因素的控制:①与孔隙水矿化度相关的局部甲烷溶解度;②流体/气体的流动速率;③合适的宿主物质(例如粗粒沉积物)的存在。

(4)IODP328航次。该航次在2010年实施,主要任务是在钻孔889位置安装一台新的井下永久水文观测仪[8]。新仪器有助于在套管外部的多个地层进行压力检测。这些数据记录可以用来调查卡斯卡迪亚俯冲带增生楔前部的平均压力状态;测量驱动固结沉积物流体活动所需的压力梯度;研究天然气水合物的形成模式以及天然气水合物和游离气体对寄主岩性力学性质的影响;测量俯冲物质对地震动的响应,以及在该俯冲环境中长期应变、周期性地震和无震滑动引起的变形量幅度。

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图4   卡斯卡迪亚俯冲带[7] (a)卡斯卡迪亚俯冲带钻探位置及水深图,黑色线条指示海王星(NEPTUNE)海底观测网的电缆布放位置;(b)俯冲带增生楔天然气水合物和类海底反射层的形成机理示意图

Fig.4   Cascadia subduction zone[7] (a) Map showing regional bathymetry around locations of drill sites, black line indicates the NEPTUNE cable route; (b) Schematic illustration of the formation of gas hydrates and associated bottom-simulating reflectors in subduction zone accretionary prisms

西太平洋的伊豆—小笠原—马里亚纳俯冲带是由古老的西太平洋板块俯冲到菲律宾海板块与马里亚纳微板块之下而形成的,是洋—洋俯冲的典型代表,是研究沟—弧—盆体系的绝佳场所。该俯冲带的构造演化历史对了解俯冲系统过程极其重要,因而长期以来受到科学家们的青睐。在伊豆—小笠原—马里亚纳俯冲带,共进行了8次ODP/IODP大洋钻探 (图5,表2),取得了如下重要成果。

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图5   伊豆—小笠原—马里亚纳俯冲带[8] (a)东菲律宾海及伊豆—小笠原—马里亚纳岛弧系统区域水深图,红色五角星为IODP350(钻孔U1436和U1437),351和352航次钻探位置;(b)穿过钻孔U1436和U1437的广角地震P波速度剖面,绿色部分指示下地壳速度,蓝色指示地幔速度;(c)马里亚纳俯冲带弧前蛇纹石化泥火山形成的示意图

Fig.5   Izu-Bonin-Mariana subduction zone[8] (a) Bathymetric features of the Eastern Philippine Sea, IBM arc system, and locations of the Expedition 350 (Site U1436 and U1437) and 351 and 352 sites; (b) Wide-angle seismic profile across U1436 and U1437 with P-wave velocities of the lower crust (greens) and mantle (blues); (c) Schematic cross section of serpentinite mud volcano formation in the Mariana forearc

(1)ODP125和126航次。这是在1989年开展的2个航次,钻探结果揭示,原本相邻的前缘与外弧高地在中渐新世分离,导致了伊豆—小笠原弧前盆地的形成。火山基底中发现水力压裂(hydraulic fracturing)广泛存在,并发现热液流体中包括大量硫化物和其他矿物。该盆地东部边缘处的上部基底由钙碱性岛弧拉斑玄武岩组成。

(2)ODP129航次。该航次在1990年实施,原计划钻探太平洋板块上最古老的海洋地壳岩石,但由于缺乏高精度地震资料,钻探被一层白垩纪燧石层和大量火山岩物质阻止。钻探结果显示太平洋板块在中侏罗纪的赤道北部形成,在晚侏罗纪时期向南穿越赤道,在中白垩纪时期倒转了运动方向,之后便一直向北移动。

(3)ODP185航次。该航次在1999年实施,主要目标是研究在马里亚纳海沟和伊豆—小笠原海沟进入到岛弧—海沟系统的沉积物和地壳通量差异。尽管这2个海沟的地质背景相近且在同一个俯冲板块,但2个海沟的火山岩地球化学成分存在着显著差异。位于马里亚纳海沟的801站位揭示了一个标准的侏罗纪基底,而位于伊豆—小笠原海沟的1149站位却揭示了早白垩纪的海底俯冲。

(4)IODP350,351和352航次。这是2014年在伊豆—小笠原—马里亚纳岛弧连续开展的3个航次,协同聚焦研究伊豆—小笠原—马里亚纳岛弧与俯冲带的演化历史[9]。其中IODP350航次在伊豆岛弧的钻探,揭示整个俯冲工厂“缺失的另一半”的历史。IODP351航次在九州—帕劳脊西部钻探,揭示伊豆—小笠原—马里亚纳岛弧的起源与早期演化历史。IODP352航次在伊豆—小笠原—马里亚纳弧前钻探,研究俯冲开始的过程。这3个航次重点研究了地球化学不对称的岛弧地壳的起源、弧后岩浆活动、原始地壳与地幔性质、岛弧在古近纪的成分演化、俯冲开始后的地幔熔融演化过程、俯冲开始与初始岛弧地壳形成的过程等科学问题。

(5)IODP366航次。该航次在2016—2017年实施,聚焦研究马里亚纳汇聚边缘与南查莫罗海山,主要目标是揭示马里亚纳俯冲带中等深度上的地球化学、构造以及生物过程,研究非增生型弧前的俯冲带物质传输与地球化学循环、流体在弧前环境中的时空变化、控制脱水反应与地震活动性的俯冲带物质属性、弧前区变质与构造过程的时空演化以及与泥火山过程相关的生物活动性。

表2   各俯冲带大洋钻探航次[2,3,4]

Table 2   Ocean drilling expeditions to individual subduction zones[2,3,4]

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目前正在日本南海海槽实施的“孕震带实验”(SEIsmogenic Zone Experiment,SEIZE)更是IODP钻探计划的亮点[10]。该计划从2007年起实施,以日本的5万吨“地球号”(Chikyu)立管钻探船为主要平台,目标为钻透在孕震深度的板块边界,揭示控制板块边界无震滑动与间歇性大地震的主要因素。

在日本附近的南海俯冲带,是预期将来发生大地震的重点区域[10]。 南海海槽发震带实验(NanTroSEIZE)是目前“地球号”大洋钻探的重点,其主要研究内容包括:①地震断层面的物理性质;②应力与流体在地震周期中的变化;③孕震带上下边界的确定;④能引发大海啸的孕震带特征;⑤逆冲地震在物质转换过程中所起的作用。该实验是一个复杂的大洋钻探项目,通过采集钻孔样品以及在海底深处安装传感器记录,研究与地震相关的岩石性质及摩擦特征,从而揭示俯冲带地震发生时水和岩石的相互作用。在南海俯冲带,已经进行或计划进行18次的ODP/IODP大洋钻探,其中13次钻探已经由日本的“地球号”钻探船完成,并在2017—2018年安排另外2个航次[10](图6,表2),取得了如下重要成果。

(1)IODP314,315和316航次。这3个航次是2007—2008年实施的南海海槽发震带实验综合钻探计划的第一阶段[11]。主要目的是进入发震带系统,确定平缓基底俯冲与凸起基底俯冲的主要差异,以及了解俯冲下去后板块边界的物理属性与地震破裂特征如何改变。

(2)IODP319,322,326,332和333航次。这5个航次是2009—2011年实施的南海海槽发震带实验综合钻探计划的第二阶段。主要目的包括:①确定在纪伊半岛外海的超大分支断层的应变累积、滑动量及特征;②在海底以下1~3.5 km的深度,并在不同的压力—温度条件下对超大分支断层取样并布放监测仪器;③在多分支断层内以及周围地区布置仪器,进行地球物理和水文实验。

(3)IODP343,338,348,365,380和358航次。这6个航次是2012—2018年实施或即将实施的南海海槽发震带实验综合钻探计划的第三阶段,进行超深钻并在板块界面上布放仪器。主要目标是:①在板块接触带取样和测井;②在钻孔内安置永久性的观测仪。

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图6   日本南海俯冲带[11] (a)“地球号”在日本南海海槽钻探位置;(b)日本DONET海底观测网示意图

Fig.6   Nankai subduction zone[11] (a)“Chikyu”drill sites on Japan Nankai Trough; (b) Japan DONET seafloor observation network system

2004年,Mw 9.2级大地震和海啸袭击了北苏门答腊和安达曼尼科巴群岛,印度洋沿海地区遭遇了巨大灾害。通常地震滑移发生在远处的陆地边缘,而这次地震震源主要集中在增生楔包括北苏门答腊离岸的特殊棱柱型高原之下,这个异常的发震行为和前弧构造不能被现有的模式解释。研究表明,俯冲物质的输入是驱动这一独特的滑移行为和前弧构造的关键因素。IODP362航次在苏门达腊俯冲带研究了厚沉积物俯冲对于驱动浅层滑移以及放大地震与海啸震级的作用[12](图7)。

IODP362航次。这是在2016年开展的研究苏门答腊俯冲孕震带的钻探航次,主要目标包括:①北苏门答腊沉积物的演化特征;②沉积物对地震与海啸成因的影响;③前弧发育与其他地区实例的比较。钻探初步结果表明,巨厚沉积物的俯冲输入可能是驱动浅层滑移行为以及放大地震与海啸影响的关键因素。

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图7   苏门达腊俯冲带[12] (a)IODP362研究区域水深图,红色圆圈代表钻井位置;(b)穿过钻井U1480的反射地震剖面及解释;(c)穿过钻井U1481的反射地震剖面及解释

Fig.7   Sumatra subduction zone[12] (a) Bathymetry and location of seismic lines in the region of IODP Expedition 362, drill sites are shown with red circles; Time migrated seismic line across drill sites U1480 (b) and U1481 (c)

除苏门达腊以外,ODP-IODP还在多个俯冲带实施单个大洋钻探航次。在秘鲁(ODP112航次,1986年)、汤加(ODP135航次,1990—1991年)等地区的大洋钻探也获得了俯冲带上板片被侵蚀的证据。2017年已开展的IODP371航次集中研究澳大利亚塔斯曼海初始俯冲过程,而将于2018年在南大洋希库朗伊俯冲带实施IODP375航次重点研究慢速滑移事件。

综合以上结果,近年来俯冲带的大洋钻探已经在物质循环、岛弧增生以及孕震带研究方面取得多项重要认识,包括:①俯冲到地球内部的地壳、沉积物及流体的总量与化学物质成分;②俯冲物质增生到上覆板块及进入火山岛弧的过程;③俯冲板块边界的地震断层性质。

大洋钻探是确定进入海沟的物质性质的唯一方法。大洋钻探的结果表明,俯冲大洋地壳和沉积物的化学成分与岩浆成分具有相关性,因此,俯冲化学物质可作为示踪剂,用来重建俯冲输入和岛弧输出之间的物质守衡[5]。如对ODP1039井的锂同位素的分析表明,哥斯达黎加俯冲板块(图3)中有一半的锂折返到岛弧,1/4的锂通过滑脱断层回流到海洋,而另外1/4锂进入地幔。但在其他一些俯冲带,俯冲的地壳和沉积物与岛弧成分并无显著关联性,表明有些沉积物并没有俯冲到地幔熔融的深度。

大洋钻探对发现俯冲弧前的地壳侵蚀和增生过程起了关键作用。在全球大洋俯冲带中,一半以上属于增生型(accretionary)边缘[9],海沟沉积物较厚,比如哥斯达黎加俯冲带;另一类为非增生型(non-accretionary)或剥蚀型(erosional)边缘[9],海沟沉积物较薄,比如伊豆—小笠原—马里亚纳俯冲带。俯冲弧前侵蚀导致弧前沉降、盆地形成、海沟后退以及岛弧迁移。在哥斯达黎加的大洋钻探获得了俯冲带上板片被侵蚀的证据,结合反射与折射地震的调查,建立了弧前地壳侵蚀以及对弧前沉降影响的详细模式[5]。

大洋钻探获取了弧前泥火山喷发出来的俯冲物质的化学性质,为研究俯冲带深处物质性质与地质过程提供了重要信息。科学家们在西太平洋伊豆—小笠原—马里亚纳钻探航次获得的泥火山样品中发现了一些不同寻常的特殊矿物和原位新鲜孔隙流体,经研究表明是俯冲沉积物和地壳与上覆弧前地幔相互作用的产物。

大洋钻探发现的火山灰序列为研究岛弧演化历史提供了重要信息。在马里亚纳—伊豆岛弧的大洋钻探岩芯中,发现了几乎完整的45 Ma的岛弧火山记录。研究表明,马里亚纳与伊豆岛弧系统在30~15 Ma有着相似的地球化学特性,而约在2 Ma的时间段2个系统开始分异。

虽然对断层过程的认识大多是从地震学与大地测量学的研究中获得的,但是需要大洋钻探来对孕震深度的断层进行实地采样与分析,并监测应力与物理性质随时间的变化。通过大洋钻探,科学家们在俯冲孕震带安装了具有实时信号传输功能的海底深部观测站,用于实时监测原位温度、孔隙压力和应变[5]。这些实时观测数据让科学家们从一个全新的角度来揭示俯冲带地震过程,并对地震预警有很大的帮助。“地球号”的立管钻探能力使得取得孕震深度的样品成为可能,这也是近年来日本对IODP的重要贡献。

从深海钻探计划(The Deep Sea Drilling Project,DSDP)到ODP和IODP,大洋钻探走过了半个世纪的发展历程,运作机制从美国独家运营发展到现在的以美、日、欧为领头的国际共同领导。中国科学家参加大洋钻探时间不长,但对大洋钻探的贡献在急剧上升。自1998年中国正式加入IODP计划以来,我国科学家以南海为研究重点,先后设计和主导了3次共4个航段的南海大洋钻探计划,即ODP184[13],IODP349[14],IODP367[15]和IODP368[16]航次。1999年在南海首次实施了大洋钻探ODP184航次,通过研究西太平洋海区的长期沉积记录,发现了气候演变的长周期变化规律[13]。2014年实施的IODP349航次通过南海海盆岩芯记录,首次获得南海海盆形成与停止扩张年龄的直接证据,同时揭示了多次大规模火山喷发和反复变化的深海沉积历史[14]。而于2017年实施的IODP367和368航次更有望在被动大陆边缘的岩石圈张裂—破裂机制问题上取得重要突破[15,16]。近年来,我国科学家参加美国“决心号”IODP航次的人数,跃居全球第二,仅次于美国,其中多位中国科学家参加了美国“决心号”和日本“地球号”的俯冲带大洋钻探航次。

目前,多个发达国家经济增速显著放缓,均缩减基础研究的投入,而中国正在持续加大对基础研究的投资,尤其是深海研究,这为中国科学家在新一轮的大洋钻探计划中起到共同领导作用提供了宝贵的历史机遇。在下一轮大洋钻探计划中,中国科学家有望在岩石圈地球动力学与俯冲带研究等方面做出引领性贡献。

地球上75%的边缘海聚集在西太平洋,包括白令海、鄂霍次克海、日本海、东海、南海、苏禄海、塔斯曼海等,形成了跨度超过120°的巨大边缘海与俯冲体系。回顾国际大洋钻探发展历史,岩石圈地球动力学一直是钻探的重点科学问题之一,西太平洋也一直是俯冲带大洋钻探的最重要区域之一。但到目前为止,在西太平洋的大洋钻探存在着总体“偏东轻西”的缺陷,即偏重于日本与伊豆—小笠原—马里亚纳岛链,而对更西边的马尼拉、菲律宾、琉球等俯冲带的大洋钻探尚未完全展开(图2)。

欧亚大陆东部的演化长期受到太平洋俯冲的影响,但我们对这些大尺度板块相互作用与深部地幔演化过程尚知之甚少。目前西太平洋与欧亚东部大尺度板块俯冲动力学过程亟需解决的重点问题包括:①中国东部构造及岩浆作用与太平洋俯冲在时空上的关系;②西太平洋边缘海的发育、板片脱水、火山活动与俯冲过程的关系;③俯冲后撤以及板片在地幔转换带滞留的动力学机制;④欧亚—太平洋板块洋—陆碰撞与北美的异同等。新一轮大洋钻探有望在探索这些重大科学问题中起着关键作用。

菲律宾海板块是西太平洋宏观演化的关键区域,其东、西边缘的演化都与俯冲带密切相关:东边的伊豆—小笠原—马里亚纳海沟系统在俯冲的同时往东后撤,形成了多期次弧后盆地,而在西边菲律宾海板块也正俯冲到菲律宾岛弧、中国台湾等之下。在菲律宾海板块东缘的日本与伊豆—小笠原—马里亚纳俯冲带,已经实施了近20多次ODP/IODP大洋钻探(图2),但在马尼拉海沟、菲律宾海沟、琉球海沟以及东海等西缘地区,大洋钻探研究甚少,这些地区也有望成为新一轮大洋钻探研究的关注点。

大洋钻探也将对南海海盆与周边板块的相互作用的研究起到重要作用。在南海西边,苏门达腊俯冲带的俯冲物质在地幔深度上可能已经到达南海深部边缘;在南海南边,爪哇俯冲带向北俯冲的物质,同样有可能在一定深度上已经进入南海;在南海东缘的马尼拉俯冲带,南海海盆正在俯冲到菲律宾岛弧之下;在南海北部,科学家们也提出古南海曾经向北俯冲的假说。因此为进一步了解南海的大尺度构造与岩浆演化及深部地幔结构,需要研究南海与周边俯冲带的关系,这需要包括大洋钻探等多学科探索手段。

近年来我国科学家已经在南海海盆开展了大量研究,在马里亚纳海沟、雅浦海沟等西太平洋地区的研究也已经启动,同时一支年轻的有大洋钻探经验的科研队伍正在形成,这都为我国大洋钻探的进一步发展奠定了重要的科学研究基础。综上所述,建议中国科学家在新一轮的大洋钻探规划中,设计针对西太平洋构造地质演化的钻探计划,尤其注重西太平洋与欧亚东部边缘深部构造与演化过程,争取在岩石圈动力学与俯冲带过程研究的若干重要问题上取得突破进展。

从以上对ODP与IODP俯冲带大洋钻探的历史回顾中可以看出,掌握大洋钻探领导权将直接引领深海方向的研究。多年来,美国掌握大洋钻探领导权,并且一直在引领国际对俯冲带过程的研究。由日本斥巨资打造的5万吨立管钻探平台“地球号”,改变了大洋钻探格局。正是由于“地球号”的加入,在2003—2013年的10年期间日本与美国等分享大洋钻探领导权[17]。在1990—2007年,美国“决心号”在南海海槽只钻了3个航次(ODP131,190和196)[18],而日本“地球号”从2007年起已在日本南海海槽实施开展了13次孕震带钻探实验,并另有2个航次正在计划实施(表2)。显而易见,如果没有“地球号”以及日本大洋钻探计划的支持,这些对日本地震研究至关重要的科学实验是不可能完成的。

俯冲带大洋钻探的经验还表明,先进的大洋钻探技术是取得突破性成果的关键。建议在新一轮的大洋钻探中,我国科学家积极参与海底井控观测装置(Circulation Obviation Retrofit Kit,CORK)井下观测、非立管泥浆泵钻探技术、海底下生物圈超净取样、井下地震监测等尖端技术的研发,提升我国大洋钻探技术能力与队伍,并与海底观测站、深海空间站、深海潜器、实时传输海底地震监测网等技术相结合。同时培养一批掌握大洋钻探先进手段、岩芯库管理、大洋钻探大数据管理与分析的技术团队,逐渐成长为国际大洋钻探计划的共同引领者。

总之,在新一轮大洋钻探计划中,我国大洋钻探的发展重点可以考虑与美国、日本、欧洲错位发展,积极部署在大洋钻探科学中可能取得突破发展的新方向,包括研究西太平洋与欧亚东部边缘深部构造与演化过程,打破我国深海大洋研究薄弱的瓶颈,力争在若干领域取得国际前沿成果。

The authors have declared that no competing interests exist.

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Mid-slope Site U1380

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