伊豆-博寧-馬里亞納島弧地殼厚度分布及其對巖漿活動的指示

白永良，楊慧良，張迪婭，容伊霖，董冬冬，吳時國

1. 中國石油大學（華東）海洋與空間信息學院，青島 266580

2. 中國地質調查局青島海洋地質研究所，青島 266071

3. 中國科學院海洋研究所，中國科學院海洋地質與環境重點實驗室，青島 266071

4. 中國科學院深海科學與工程研究所，三亞 572000

俯沖帶是固體地球進行物質循環和能量傳輸的重要場所，島弧巖漿活動被認為是陸殼增生的主要途徑之一[1-4]。隨著板片向地幔持續俯沖，俯沖板片含水礦物逐步變得不穩定，達到相變溫壓條件后將水釋放到地幔楔中[5-7]；地幔楔橄欖巖被水化后，其熔融溫度降低，最終在水化和高溫共同控制下，形成地幔楔熔融區[8-9]；熔融巖漿上涌到達島弧地殼后，以底侵、侵入、噴出等形式導致島弧地殼增生（圖1）[10-11]。因此，島弧地殼增生與俯沖動力學過程密切相關。

圖1 俯沖帶巖漿活動過程示意圖Fig.1 A cartoon for the subduction-zone magmatism process

島弧巖漿活動主要受到俯沖帶溫度、輸入板片結構與弧后擴張等因素的控制[11-13]。通過地球物理和地球化學不同角度的研究，對俯沖帶溫度結構影響島弧巖漿成分和島弧火山位置的機制，已經形成了較為一致的認識[8,10-11]。同時，一些學者通過數值模擬實驗和對板塊運動速率、方向的研究，指出受小笠原洋底高原俯沖形成擠壓應力的控制，博寧島弧地殼出現了明顯增厚現象[14-15]，但是，較小規模洋脊的俯沖是否會引起島弧增厚，仍然是未知的。數值模擬研究指出，弧后擴張活動可以影響地幔楔虧損程度，進而影響島弧巖漿成分[13,16]，但是弧后擴張能否顯著影響島弧地殼增生，也是未知的。

島弧地殼厚度分布與洋底高原/洋脊俯沖、弧后擴張之間的相關關系，對于理解洋底高原/洋脊俯沖、弧后擴張對島弧巖漿活動的影響具有直接的指示作用。通過地震成像的方式，能夠較為準確地刻畫地殼結構，進而給出地殼厚度分布。但是受時間、經費等的限制，無法實施覆蓋整個IBM島弧的地震測線/測網，進而無法給出島弧地殼沿走向的分布特征。隨著衛星探測手段的逐步提高、衛星測高數據的不斷積累，目前衛星測高反演所得重力異常的空間分辨率達到 1′×1′、數據精度逼近 1 mGal[17]。在少量地震測線約束下，利用重力反演手段可以獲取較為準確的莫霍面埋深，進而給出地殼厚度分布[18-20]。

伊豆-博寧-馬里亞納（Izu-Bonin-Mariana，IBM）俯沖帶是由太平洋板塊與西菲律賓海板塊之間一條轉換斷層演化而來的[21]。30～15 Ma的弧后擴張形成了現今的四國-帕里西維拉海盆[22-23]；此后，北段伊豆-博寧海溝后側無后續弧后擴張，但是南段的馬里亞納島弧于5 Ma再次裂解、形成新的弧后盆地，即馬里亞納海槽（圖2）。與南北兩側相比，同小笠原洋底高原鄰接的博寧島弧，具有明顯的地形隆升（圖 2）[14-15]，而較小規模達頓洋脊（Dutton Ridge）的俯沖，沒有引發明顯的島弧地形、島弧寬度的變化。此外，相比于僅有一期弧后擴張的伊豆-博寧島弧而言，擁有兩期弧后擴張的東西馬里亞納島弧地形偏低（圖2）。因此，IBM俯沖帶是研究洋底高原/洋脊俯沖和弧后擴張對島弧增生影響的天然實驗室。

因此，本文將以衛星測高反演重力異常為數據基礎，在少量地震測線約束下，通過重力反演得到IBM島弧地殼厚度分布。以IBM島弧地殼體積沿走向的分布特征為基礎，討論洋底高原/洋脊俯沖、弧后擴張對島弧地殼增生的影響。

1 區域地質背景

最新的IODP鉆探和定年數據表明，IBM俯沖活動起始于52 Ma[24-25]。俯沖初期，由于軟流圈上涌和減壓熔融，形成了最早的弧前玄武巖。古IBM島弧就是在此基礎上，通過巖漿增生形成的[24,26]。早期，IBM俯沖帶北段的上覆板片為大東盆嶺，由奄美海盆、奄美高原、北大東海盆、大東海脊、南大東海盆和沖大東海脊等組成[27]；南段的上覆板片為結構較為均一的西菲律賓海盆。大東盆嶺由不同年齡、不同性質的塊體拼合而成[28]，因此，其組成和結構都比西菲律賓海盆要復雜。

在弧后擴張期間，受到西菲律賓海盆旋轉的控制，帕里西維拉海盆擴張方向由E-W轉為NE-SW。該轉向過程在四國-帕里西維拉海盆內留下了明顯的地形印記（圖2）[22-23]。在輸入太平洋板片上，存在多個白堊紀時期形成的海山鏈[31]。雖然這些海山比所處位置的大洋巖石圈要年輕，但是因為已經經過了長期冷卻，他們具有與周邊巖石圈相似的溫度結構。小笠原洋底高原隨太平洋板片于15 Ma時期來到IBM海溝處[32]，其顯著的負浮力有效阻止了海溝后撤，形成的擠壓應力在博寧島弧上引發了增厚效應[14-15]。加之卡羅琳洋脊對IBM俯沖活動更為顯著的阻擋，在馬里亞納海溝持續后撤的背景下，最終形成了弧形馬里亞納海溝和新月形的馬里亞納海槽[32]。此外，達頓洋脊也已經到達海溝處，但是因其體量小，沒有引發明顯的俯沖停滯。

2 研究方法與數據來源

本文所指地殼為沉積層以下、莫霍面以上的巖漿巖層。因此，計算地殼厚度分布需要掌握水深、沉積層厚度與莫霍面埋深的空間分布。IBM俯沖帶的水深、沉積層厚度可以提取自開源且廣泛使用的ETOPO1海底地形[29]和GlobSed沉積層厚度數據[33]。ETOPO1是美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）根據多波束、重力反演等結果發布的具有1弧分分辨率的全球高精度地形數據；GlobSed是美國國家地球物理數據中心（NGDC）根據船測地震測線、大洋鉆探、重力反演等結果發布的具有5弧分分辨率的全球沉積層厚度數據，在遠離大陸區域具有較高精度。

圖2 伊豆-博寧-馬里亞納俯沖帶地形[29]與空間重力異常[17]等值線標注的數字為洋殼年齡[30]。Fig.2 Bathymetry, topography[29] and free-air gravity anomalies[17] of the Izu-Bonin Mariana subduction zoneThe labelled contours represent oceanic crustal ages[30].

區域性的莫霍面埋深可以通過重力反演得到。重力異常是由海水層、沉積層、地殼、地幔等地球圈層引發重力異常的疊加結果。通過構建地球各個圈層密度模型，設定合理背景密度，正演計算各圈層重力效應，可以從觀測空間異常場中剝離出由莫霍面起伏引起的剩余異常，進而可以反演出莫霍面埋深。因此，利用重力反演莫霍面起伏的核心問題，變為地球不同圈層密度模型的構建。本文反演IBM島弧地殼厚度的流程如圖3所示。

圖3 基于衛星重力與地震約束的島弧莫霍面反演流程圖Fig.3 Island arc Moho inversion workflow under satellite gravity and seismic constrains

盡管海水密度隨著水深變化而變化，但其變化幅度小，引發的重力效應也小[34]。因此，本文設定其密度為常值（1.03 g/cm3）。利用沉積層孔隙度（）與埋深（）之間的關系，構建沉積層密度隨深度變化而變化的模型[35]。

受到熱膨脹影響，大洋和被動陸緣的巖石圈地幔密度存在明顯擾動[20,37-38]。對于俯沖帶而言，受到地幔對流、摩擦生熱等的影響，整個地幔楔的溫度和密度都受到了更為明顯的擾動[12,39]。考慮到溫度是控制地球深部地震波速度和密度的主控因素，地幔楔內的地震波速度與密度之間的關系可以用下式表達[40]。

在正演計算不同圈層重力效應時，設定海水層、沉積層、島弧上下地殼的背景密度為島弧中地殼的密度，設定地幔密度是在3.30 g/cm3背景上擾動的。據此，從觀測重力異常場中剝離出來的剩余場，反應的是莫霍面這個殼幔密度界面起伏引起的重力異常。進而利用頻率域內的重力反演方法可以得到莫霍面起伏[43]。

在計算地殼重力效應和反演莫霍面埋深時，需要提前掌握莫霍面的大致埋深。為此，本文以CRUST 1.0數據作為研究區莫霍面埋深的粗略估計，利用上述流程反演出莫霍面埋深。然后，利用重力反演所得莫霍面埋深替代CRUST 1.0模型數據，進行第二次反演，以此作為最終的莫霍面反演結果。將反演所得莫霍面埋深與深地震剖面解釋結果進行對比，逐步調整密度建模、重力反演參數后，使得重力反演結果最佳逼近地震解釋結果，即可得到IBM俯沖帶莫霍面埋深。

為了評價重力反演結果的精度，本文搜集了兩條OBS地震剖面，位置如圖2所示。剖面AA’是由日本海洋科學技術中心（JAMSTEC）聯合東京大學和哈佛大學共同實施的，是一條包括152個海底地震儀、長度近700 km的測線[36]。剖面BB’是由JAMSTEC獨立實施的，是一條包括110個海底地震儀、長度近600 km的地震測線[44]。測線AA’和BB’都是用Kaiyo科考船實施的OBS地震測線，以12 000 in3容量的氣槍為主動震源，炮間距為200 m。兩條測線的數據采集質量和成像質量均較高[36,44]。

3 地殼厚度分布特征

根據上述參數和方法，在考慮俯沖帶地幔楔及俯沖板片密度擾動的基礎上，在兩條深地震測線約束下，利用測高自由空間重力異常反演得到了IBM俯沖帶的莫霍面埋深分布（圖4）。重力反演結果能夠較為準確地刻畫莫霍面分布的整體趨勢，重力反演莫霍面與地震結果之間存在的差異主要是局部性的（圖5），二者之間的中誤差為2.16 km，表明本文所設計的重力反演流程和選定的密度建模參數適用于IBM俯沖帶莫霍面埋深的大尺度研究。基于開源水深、沉積層厚度數據計算出的基底頂界面與地震解釋結果基本一致（圖5），表明兩套開源數據在IBM俯沖帶處的可靠性。綜上所述，本文計算結果能夠較為準確地反應IBM島弧地殼厚度分布的整體情況，滿足本文大尺度分析的需求。

圖4展示了本文反演所得IBM俯沖系統的地殼厚度分布。基于24條地震剖面的研究結果，IBM俯沖系統殘留九州-帕勞海脊的厚度≥8 km[45]，且IBM島弧具有與九州-帕勞海脊相似的地殼結構[36,45]。因此，本文設定IBM島弧的邊界為8 km島弧地殼厚度等值線（圖4）。島弧東側邊界為IBM海溝。

對于只有一期弧后擴張的伊豆-博寧島弧而言，其島弧寬度大，博寧島弧西側邊界與南北兩側邊界平滑連接，但是其東側邊界存在一個明顯的內凹形態，導致博寧島弧處存在一個明顯變窄的區段。對于存在兩期弧后擴張的馬里亞納島弧而言，西馬里亞納島弧寬度變化幅度較小；但是東馬里亞納島弧在馬里亞納海槽南端存在一個明顯變窄的區段。南馬里亞納島弧要窄于北馬里亞納島弧。

圖4 伊豆-博寧-馬里亞納俯沖帶地殼厚度與莫霍面埋深分布圖細線為地殼厚度等值線，紅線為島弧邊界。Fig.4 Crustal thickness and Moho depth variations of the Izu-Bonin-Mariana subduction zoneThin lines are crustal thickness contours and red lines are arc boundaries.

圖5 重力反演莫霍面與地震解釋莫霍面沿剖面對比圖Fig.5 Comparison between gravity-based Moho and seismic-based Moho along two profiles

從島弧厚度的角度，博寧島弧厚度大于伊豆島弧厚度，而伊豆島弧厚度大于馬里亞納島弧厚度。西馬里亞納島弧厚度和寬度變化較小。但是，東馬里亞納島弧從北向南先增大再減小，到馬里亞納海槽南端處變得最薄。

圖6 沿走向的伊豆-博寧-馬里亞納島弧地殼體積分布馬里亞納段島弧地殼體積為東西馬里亞納島弧地殼體積之和。Fig.6 Izu-Bonin-Mariana crustal volume variations along strikeThe crustal volume of central Mariana is the sum of east and west Mariana arc crust.

4 地球動力學分析

大洋島弧地殼是在原有洋殼基礎上，通過長期巖漿活動形成的。需要指出的是，在俯沖帶演化的不同時期，島弧巖漿活動的活躍程度是不同的。而重力反演得到的是島弧地殼現今厚度，無法區分不同時期所形成巖漿的體量。因島弧巖漿增生的形式有底侵、侵入和噴出等，即便使用地震方法也無法準確刻畫不同階段新增巖漿的體量。因此，利用本文的方法，只能討論自俯沖起始以來到現今的整個時間范圍內，巖漿活動對島弧體積的影響。

為了定量化分析IBM島弧地殼厚度分布對俯沖動力學過程的指示，本文計算了沿島弧走向1 km范圍內IBM島弧地殼體積的分布情況，得到了如圖6所示的島弧地殼體積沿走向的分布曲線。島弧地殼體積的兩個峰值分別位于小笠原洋底高原和達頓洋脊俯沖位置處，最低值位于馬里亞納海槽南端；伊豆段的島弧地殼體積平均值與北馬里亞納段的平均值接近，中馬里亞納整體上呈現由北向南遞減的趨勢，而南馬里亞納段的平均體積最小。

相比于北側伊豆島弧和南側北馬里亞納島弧而言，博寧島弧地殼體積具有明顯的升高；而達頓洋脊俯沖位置島弧體積的增大量，沒有博寧島弧的增幅明顯。因此，島弧地殼體積的變化量與俯沖洋底高原/洋脊的體量密切相關。海山因其密度低于正常大洋巖石圈和軟流圈，存在一定的負浮力。當輸入板片上存在厚度和范圍較大的海山或者洋底高原時，顯著的負浮力會阻止輸入板片的向下俯沖[14]。當海山或者洋底高原兩側的俯沖板片繼續向下俯沖時，海山與島弧之間存在明顯的擠壓應力，導致島弧寬度減小、厚度增大[15]。

伊豆-博寧-北馬里亞納段只有一期弧后擴張，而中馬里亞納段存在兩期弧后擴張。存在一期弧后擴張的伊豆、博寧、北馬里亞納島弧體積明顯大于存在兩期弧后擴張的中馬里亞納島弧體積。說明弧后擴張能夠顯著影響島弧體積增生量。數值模擬研究證實，在弧后擴張初期，弧后盆地下的地幔處于虧損狀態，而該虧損地幔隨著地幔流進入島弧下方地幔楔，可以有效降低島弧下熔融地幔的體量[13]。鑒于馬里亞納海槽正處于擴張初期，海槽年齡不超過5 Ma，因此，該弧后活動導致了中馬里亞納段島弧地殼體積的減小。

5 結論

為了探討洋底高原/洋脊俯沖、弧后擴張對島弧巖漿活動的影響，本文基于衛星測高反演重力異常，在少量地震測線約束下，通過構建地球不同圈層的密度模型，反演得到了伊豆-博寧-馬里亞納俯沖系統的地殼厚度。在地震測線和重力反演結果共同約束下，厘定了島弧邊界，繪制出了伊豆-博寧-馬里亞納島弧地殼體積沿走向的分布曲線。

島弧地殼體積沿走向的分布特征表明：洋底高原或者海山因其負浮力的存在，當其到達海溝后，對島弧的擠壓作用導致島弧變厚、變窄，且島弧地殼體積的增大量與俯沖洋底高原/洋脊體量密切相關，弧后擴張初期可以顯著減小島弧巖漿增生體積。

致謝：感謝澳大利亞悉尼大學Maria Seton博士在本文構思過程中提供的寶貴建議。