, 吴时国31. 中国科学院计算地球动力学重点实验室, 北京 100049;
2. 中国科学院大学地球科学学院, 北京 100049;
3. 中国科学院深海科学与工程研究所, 海南 三亚 572000
2016年05月30日 收稿; 2016年10月31日 收修改稿
基金项目: 国家自然科学基金（41574047，41430319，41174085，91228205）、中国科学院战略先导项目（XDA1103010102、XDB06030400）和中国科学院创新团队项目（KZZD-EW-TZ-19）资助
通信作者: 张健，E-mail:zhangjian@ucas.ac.cn
摘要: 马里亚纳海沟是西太平洋板块边缘沟-弧-盆体系构造演化的关键地区，其南端的Challenger Deep不仅是地球表面最深点，也是马里亚纳海沟、马里亚纳岛弧、马里亚纳海槽、西马里亚纳洋脊和帕里西维拉海盆的构造汇聚点。开展岩石流变结构与动力学过程研究对于认识Challenger Deep的形成演化具有重要的科学意义。利用综合地球物理资料，通过对重、磁数据的计算分析，研究马里亚纳沟-弧-槽-盆系统的等效黏滞系数和岩石圈强度等流变学特征。利用地震资料，勾绘海沟之下贝尼奥夫带随深度变化的特征以及陡变形态。计算结果表明：对应马里亚纳海沟-岛弧-海槽系统，自由空气重力异常向东凸出，形成弧型异常区；区内异常表现为串珠状线性特征，异常值中间高，两侧低。不同深度岩石圈累积强度比值表明，海沟南北两侧地壳上硬下软，海沟中部地壳上软下硬。在给定应变速率条件下计算的等效黏滞系数东高西低，说明西侧构造体地壳比东侧构造体地壳更容易变形。Challenger Deep岩石圈强度较大，等效黏滞系数较高，具有上硬下软的流变学特征，为板块俯冲在该区的弯曲、撕裂与快速翻转提供了重要条件。地震与重力剖面分析表明，Challenger Deep处的岩石圈累积应力强度和有效粘滞系数条件，可以使马里亚纳海沟俯冲带在重力作用下弯曲、开裂，或部分向南翻转、变陡。
关键词: 马里亚纳海沟-岛弧-海槽系统Challenger Deep流变学重力异常俯冲弯曲与撕裂
Analysis of lithospheric rheological structure and dynamics of the Challenger Deep in Mariana trench
GAO Lingju1,2, ZHANG Jian1,2
, WU Shiguo3 1. Key Laboratory of Computational Geodynamics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
2. College of Earth Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Institute of Deep-sea Science and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Sanya 572000, Hainan, China
Abstract: Mariana trench is the key area of tectonic evolution in the western Pacific ocean plate edge trench-arc-basin system. The Challenger Deep in the southernmost Mariana trench is the deepest point on the Earth's surface, and the structural convergence point of Mariana trench, Mariana arc, Mariana trough, west Mariana ridge, and Parece Vela basin. It is important for understanding Challenger Deep formation evolution to study Challenger Deep lithospheric rheological structure and dynamics. In this work, based on the analysis of gravity and magnetic data, we obtained the rheological characteristics of the equivalent viscous coefficient and the lithosphere strength of the Mariana trench-arc-trough-basin system. We drew the characteristics changing with depth and the abrupt form of Wadati-Benioff zone under the trench through the calculation of the seismic data. The calculation results are showed as follows. 1) Corresponding to Mariana trench-arc-trough system, the free air gravity anomaly formed an eastward protruding arc anomaly zone, which showed beaded linear characteristics. The abnormal value was high in the middle and low at both sides. 2) The lithosphere integrated intensity ratios at different depths reflected that on the north and south sides of the trench the upper crust was hard and the lower was soft, and on the middle trench the upper crust was soft and the lower was hard. We calculated the equivalent viscosity coefficients using a given strain rate, and found that the value in the east was high and the value in the west was low, which illustrated that the deformation of the west side of the crust is more easily than that of the east side of the crust. With large lithosphere strength, high equivalent viscous coefficient, and hard upper crust and soft lower crust rheological characteristics, Challenger Deep provided important conditions for bending, tearing, and rapid reversal of the plate subduction area. The analysis of seismicity and gravity profile showed that the lithosphere cumulative stress intensity and effective viscosity coefficient at the Challenger Deep would make the Mariana trench subduction zone bending and cracking or partially turning toward the south and steeping under the action of gravity.
Key words: the Mariana trench-arc-trough systemthe Challenger Deeprheologythe free air gravity anomalysubduction bending and tearing
Challenger Deep (海斗深渊) 位于马里亚纳海沟岛弧体系南端的俯冲折转部位，它既位于全球最深海沟——马里亚纳海沟体系中最深的位置，又位于现今仍进行俯冲汇聚的海底活动构造区，因此是研究俯冲带-大洋岛弧-弧后盆地等相关动力学问题的关键地区。
1 地质与地球物理背景马里亚纳海沟-岛弧-海槽系统 (图 1(a)) 是一个增生的汇聚型板块边界，包括海底扩张的弧后盆地和向外突出活动的蛇绿岩海山。海沟之下，大洋地壳俯冲到菲律宾板块下面，形成缺乏大地震的俯冲带汇聚板块边界。此汇聚边界大约在50 Ma前开始俯冲[1-3]，期间经历过一次短暂的扩张，形成一系列边缘海盆地和洋脊。由东向西依次发育有马里亚纳海沟、马里亚纳岛弧、马里亚纳海槽、西马里亚纳洋脊、帕里西维拉海盆，这些构造体在南端汇聚到Challenger Deep。
Fig. 1
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| Eurasian Plate：欧亚板块；Pacific Plate：太平洋板块；Philippine Sea Plate：菲律宾海板块；Okinawa Trench (OT)：冲绳海沟；Nankai Trough (NT)：南海海槽；Izu Arc (IA)：伊豆岛弧；Japan Trench (JT)：日本海沟；Bonin Arc (BA)：小笠原岛弧；Shikoku Basin (SB)：四国海盆；Izu-Bonin Trench (IBT)：伊豆-小笠原海沟；Ogasawara Plateau (OP)：小笠原海台；Philippine Trench (PT)：菲律宾海沟；West Philippine Basin (WPB)：西菲律宾海盆；Palau Kyushu Ridge：九州-帕劳洋脊 (PKR)；Parece Vela Basin (PVB)：帕里西维拉海盆；Yap：雅浦；Yap Trench (YT)：雅浦海沟；Belau：帛琉；Belau Trench (BT)：帛琉海沟，West Mariana Ridge (WMR)：西马里亚纳洋脊；Mariana Trough (MT)：马里亚纳海槽；Mariana Arc (MA)：马里亚纳岛弧；Mariana Trench (MT)：马里亚纳海沟；Guam：关岛；Challenger Deep：海斗深渊。 图 1 马里亚纳海沟-岛弧-海槽系统的构造位置图[6-8] Fig. 1 Structual position of the Mariana trench-arc-trough system | |
马里亚纳海沟北起硫磺列岛，西南至Challenger Deep延伸至雅浦岛附近，全长2 550 km，平均宽70 km，大部分水深在8 000 m以上[4-5]。马里亚纳海沟由于受到俯冲后撤动力学机制的影响，不断向东迁移，形成明显向东突出的拱形。俯冲后撤过程中，在海沟的南端 (11°22′N，142°25′E[4]) 形成海沟最深点，称为Challenger Deep。该点是全球海域最深点，其深度值历年观测略有不同，1995年和1996年观测的深度是10 898 m，1957年维迪亚兹船测得是11 034 m，1960年深海潜艇Trieste记录到的是10 911 m，1992年用海洋电波记录到的深度是10 933 m，2006年观测的深度是 (10 920±5) m，2011年和2012年观测的深度是10 917 m[5]。
马里亚纳岛弧与马里亚纳海沟形状相同，垂直弓形宽度在20~50 km之间，其上分布有塞班岛、天宁岛、罗塔岛、关岛等15个岛屿，形成火山弧岛链，其西侧为马里亚纳海槽。马里亚纳海槽是一个活动的弧后盆地，形状似一新月形[9]，海槽地质年龄比较年轻，自大约8 Ma之前开始形成。马里亚纳海槽位于23.5°N的南边，将马里亚纳火山弧从西马里亚纳洋脊中分离出来[10]。西马里亚纳洋脊与马里亚纳岛弧一样呈弓形特征，把东西两侧的转换断层分开[11-12]。在北部和中部，扩张中心的几何形态类似于缓慢扩张的洋中脊，扩张的速率是30~40 mm/a[13-16]。西马里亚纳洋脊不同于典型的洋中脊扩张，其靠近马里亚纳海槽轴线一侧的深度，比多数类似地质年龄的洋脊深度更深，海底地形起伏较大，深海丘陵地形多变[17-18]。南段 (14°N以南) 的地形形态不同于中段和北段，更接近于快速扩张的洋脊[18]，扩张速率向南增长，由19°N的 (40±5) mm/a增加至13.5°N的 (65±10) mm/a[13]。
马里亚纳海沟-岛弧-海槽系统位于菲律宾海板块和太平洋板块的边界上，其南端的Challenger Deep是全球汇聚边界的最深点。本文利用最新重力资料和磁力资料 (地形和重力资料来自美国加州大学圣迭戈分校斯克里普斯海洋研究所 (http://topex.ucsd.edu/，数据的网度为1′×1′)；磁力资料来源于EMAG2卫星磁力数据 (http://geomag.org/models/emag2.html，数据的网度为2′×2′))，通过计算该区不同构造体的重力异常、不同深度的等效黏滞系数、岩石圈强度结构与不同深度岩石累积应力强度比值，以及对重力剖面的分析，研究马里亚纳海沟-岛弧-海槽系统地球物理特征与地壳结构，探讨Challenger Deep的动力学演化与形成原因。
2 马里亚纳海沟地球动力学特征目前，在马里亚纳海沟19°N附近，太平洋板块沿西北方向以35~45 mm/a的相对速率俯冲至菲律宾海板块之下[13]，俯冲板块之上没有大量沉积物的覆盖或者增生体，上覆板块的基底在海槽轴线直接与俯冲板块接触，Fryer等[7, 19-20]用板块的翻转和海沟的后撤来解释马里亚纳海沟运动的方向与上覆板块的关系。
自由空气重力异常图 (图 1(b)) 中，马里亚纳海沟-岛弧-海槽系统总体对应向东凸出的弧型异常区，区内异常形态多表现为串珠状。在帕里西维拉海盆，异常表现为NNE向的线性特征。在西马里亚纳洋脊，异常也同样表现为线性，异常值平均约为80 mGal。马里亚纳海槽重力异常突出特点是串珠状的正值重力异常。马里亚纳岛弧上，重力异常也为串珠状，但在接近海沟一侧，异常值为负值。马里亚纳海沟的重力异常与地形起伏变化一致，二者呈正相关，重力异常值平均约为-200 mGal，对应Challenger Deep构造区，自由空气重力异常最低，为-320 mGal。
利用研究区海底地形、重力反演的莫霍面深度和密度结构、航磁反演的居里面深度，我们计算了不同深度岩石圈强度结构、等效黏滞系数。
莫霍面的深度主要通过Parker算法反演计算得到，居里面的深度主要通过功率谱法反演得到[21]。
由居里面与莫霍面深度的比值，得到不同深度岩石圈内强度的比值结果如图 2(a)所示。由岩石圈的强度、应变速率 (η=τ/ε，τ为岩石圈的强度，ε为应变速率，选为10-16[22]) 得到的等效黏滞系数计算结果如图 2(b)所示。
Fig. 2
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| 图 (b) 白色箭头为板块运动方向[23]。 图 2 马里亚纳海沟-岛弧-海槽系统动力学特征图 Fig. 2 Dynamic characteristics of the Mariana trench-arc-trough system | |
图 2(a)给出的结果，相当于上部地壳岩石累积应力强度与整体地壳的岩石累积应力强度之比，反映地壳的软弱与坚硬程度。比值小，则表明地壳上部软弱，比值大，则表明地壳下部软弱。由图 2(a)可以看出，强度比值表现为中间低，两侧高。即，总体上，研究区中部的地壳上软、下硬，两侧的地壳上硬、下软。在帕里西维拉海盆对应大面积的高比值区，说明该海盆内部的地壳上硬下软，可能在深部存在高温地幔物质的上隆。马里亚纳海槽比西马里亚纳洋脊和马里亚纳岛弧的比值高，说明马里亚纳海槽上部地壳比下部地壳坚硬，而西马里亚纳洋脊和马里亚纳岛弧的上地壳软弱，且从比值的量级和形态上看，如果移去马里亚纳海槽，则西马里亚纳洋脊和马里亚纳岛弧的累积应力为一体地壳结构，证明了Karig[10]关于“马里亚纳海槽在位于23.5°N的南边，将马里亚纳火山弧从西马里亚纳洋脊中分离出来”的观点。图 2(a)中，对应马里亚纳海沟的是一条明显的累积应力比值梯度带，自东向西逐渐减小，说明沿俯冲方向，地壳岩石累积应力强度随深度逐渐变弱。
图 2(b)给出的等效黏滞系数表明，整体上，东侧黏滞系数高，而西侧黏滞系数低。说明，在相同应力条件下，东侧构造体的地壳不容易变形，而西侧构造体的地壳容易变形。综合图 2(a)与图 2(b)，可以发现，在地球动力学特征上，帕里西维拉海盆、马里亚纳海槽具有相似性，表现为累积应力强度比值高，有效黏滞系数低。西马里亚纳洋脊、马里亚纳岛弧具有相似性，表现为累积应力强度比值低，有效黏滞系数高。说明帕里西维拉海盆、马里亚纳海槽比西马里亚纳洋脊、马里亚纳岛弧具有更有利的构造活动性条件。此外，在图 2(b)计算结果中加入板块运动的速度[23](图中白色箭头为板块的运移方向和速率大小)，板块的运移速率可以直观地反映板块之间的相互作用。太平洋板块移动速率由南向北逐渐递增，菲律宾板块运移速率西高东低、南高北低[23]。这种大格局，导致研究区整体运动方向为NWW向，但运动速率在不同构造体之间存在明显差异[23]。沿马里亚纳海沟，南、北两端速率较大，分别为69.9和71.21 mm/a，而中部速率较小，为31.16~39.3 mm/a。沿马里亚纳海槽和西马里亚纳洋脊，由南向北速率递减，由69.56 mm/a减为23.76 mm/a。在帕里西维拉海盆区，速率同样由南向北逐渐递减，由49.1 mm/a减为26.74 mm/a。
3 Challenger Deep的深部构造特征马里亚纳海沟的典型特征除了深之外，海底地形起伏不平。Challenger Deep是全球海底表面起伏最大的区域，在60 km内地形高差达到10 km。
图 3为马里亚纳海沟区域的深部构造特征异常图。其中，图 3(a)是马里亚纳岛弧系统下的太平洋板块俯冲的几何形态图。图中显示了马里亚纳海沟的形态。图 3(b)为海沟区域的地形图，图中的细线表示南北向的耦合区域，耦合区域在西南 (主要从海沟轴线一直延伸到西马里亚纳洋脊的东部) 变窄，白色粗线的位置是板块裂缝的位置[24]。图 3(c)为岩石圈强度分布图。图 3(d)为不同深度的岩石累积应力强度比值图。图 3(b)中可以看到，Challenger Deep位于海沟南端的最深部位，其对应负的自由空气重力异常低值 (图 1(b))，在图 3(c)中，Challenger Deep对应的岩石圈强度较大，黏滞系数较高 (图 2(b))，在图 3(d)中，Challenger Deep对应的不同深度的岩石累积应力强度比值也较大。综上表明，Challenger Deep是一个表层坚硬、下部柔软的地质构造点。
Fig. 3
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| 图 (b) 中白色细线表示南北向的耦合区域，白色粗线的位置是板块裂缝的位置[24]。 图 3 Challenger Deep的深部构造特征图 Fig. 3 Deep tectonic characteristics of the Challenger Deep | |
Fryer等[7, 19-20]用板块的翻转和海沟的后撤来说明相对于上覆板块的运动方向。在上覆板块，可以观测到向下运动板块的变形。关岛西部区域向南延伸的幅度大于向东部延伸的幅度，表明关岛南部海沟的轴线是弯曲的。我们的计算结果和对Challenger Deep构造点表层坚硬、下部柔软的认识，可以解释上覆板块的延伸。这种延伸造成了上覆前弧增生楔的拉伸和变薄[7, 18-19]。板块分离和俯冲快速翻转，以及海沟的轴线的南向弯曲，需要Challenger Deep构造点上硬下软的动力学条件。由图 3计算结果可以预测，关岛东南部外弧被平行于海沟的断层切开，在洋脊处发育断裂边界，断裂成阶梯状向海沟的中心处延伸，在Challenger Deep构造部位被挤压并向下运动[26]。
马里亚纳俯冲带的壳幔结构表明[23]，上覆板片存在密度异常区域。其中，马里亚纳海槽上地幔顶部密度为3.16 g/cm3，两侧上地幔的密度为3.20 g/cm3。马里亚纳海槽上地幔顶部密度明显偏低，可能与热物质上涌导致的地幔岩石融化与岩浆运移有关[23]。我们的计算结果表明 (图 2)，马里亚纳海槽累积应力强度比值高，有效黏滞系数低，上硬下软，为地幔热物质活动的推论提供了证据。此外，邢健[23]还推断西马里亚纳洋脊与马里亚纳岛弧下地壳顶部的密度低，与弧后扩张下的地壳演化相关[27]。我们的计算结果表明 (图 2)，西马里亚纳洋脊、马里亚纳岛弧具有相似性，表现为累积应力强度比值低，有效黏滞系数高，证明了邢健[23]的观点。
对马里亚纳海沟-岛弧-海槽系统的板块动力学特征的认识，需要通过地震和重力资料的分析。地震资料表明，该区的板块向下延伸超过1 000 km[28]，说明太平洋板块上部向北西方向运动的同时，板块在俯冲带处向下弯曲。在马里亚纳最南部的Challenger Deep，俯冲板块的弯曲与累积应力强度以及黏滞系数关系密切 (图 3)。我们选取马里亚纳海沟-岛弧-海槽系统南端靠近Challenger Deep的两个剖面 (图 4(a))，通过对重力、地震资料的分析，研究其深部地球动力学特征。
Fig. 4
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图 4 Challenger Deep的剖面解释结果[23-24] Fig. 4 Profile interpretation results for the Challenger Deep | |
图 4中，AA’和BB’剖面分别位于Challenger Deep的两侧，显示Challenger Deep下面的贝尼奥夫带 (Wadati-Benioff)。AA’剖面俯冲方向NNW，贝尼奥夫带地表延伸距离233 km，深度236 km，倾角59°(图 4(b))[23]。BB’剖面俯冲方向NNW，贝尼奥夫带地表延伸距离178 km，深度226 km，倾角72°(图 4(c))[23]。可以看出，Challenger Deep是俯冲带变陡的区域，分析前面的计算结果 (图 3) 可以发现，在板块俯冲过程中，来自西北方向的地幔阻力比马里亚纳中部的阻力要弱。是什么原因导致马里亚纳俯冲带在最南部Challenger Deep变陡呢？重力是驱使板块下沉运动的原因 (图 4(b)，4(c))，特殊的累积应力条件与黏滞系数 (图 3) 是其变陡的流变学条件。
对图 4中AA’和BB’剖面自由空气重力异常进行分析 (图 4(b)、4(c))，可以得出自由空气重力异常是由于狭窄的构造边缘效应引起的。海底下面密度的亏损，一定被深部的动力学过程补偿。从重力分析中推断的软流圈楔形体，有助于解释浅部挤压俯冲区域和深部自由浮动俯冲区域之间的过渡。假定在Challenger Deep构造区重力是均衡的，那么，短波长的边缘效应不能表明缺乏均衡补偿，而长波长深部板块的正异常与俯冲地壳内部质量分布无关。如果软流层有足够的黏度保持静水压力，均衡条件下，软流圈楔形体内部，一定存在相同的质量累积[24]。
4 讨论与结论窄的、流形板在地幔可以轻易移动，因为围绕边界两侧的地幔流体减少了运动阻力[29-31]，Challenger Deep构造点之下的情况与之相似。在Challenger Deep构造点之下，狭窄的构造边缘处，俯冲板块开裂，其中一部分向南翻转和变陡 (图 5)。与Challenger Deep相连的板块俯冲年龄约为7 Ma，与马里亚纳海槽弧后盆地的扩张时间一致，弧后盆地的断裂作用发生在10 Ma之后，在大约3~4 Ma后海底开始扩张[5]，在转换区域形成俯冲板块的裂缝。在Challenger Deep构造点附近，马里亚纳沟弧系统的走向从南北向变为近东西向，裂缝促使俯冲板块在Challenger Deep之下变陡，并在海底形成地表最深点 (图 5)。
Fig. 5
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图 5 Challenger Deep的动力学解释[7, 24](有修改) Fig. 5 Dynamic explanation of the Challenger Deep (modified) | |
马里亚纳最南部Challenger Deep特殊位置之下俯冲板块的变陡，是一个活动和快速的过程[31]。板块翻转、海沟后撤、向南延伸，需要一定流变学和重力学条件。本文的流变学和重力计算结果支持这一解释，所得主要结论如下：
1) 马里亚纳海沟-岛弧-海槽系统的自由空气重力异常表现为中间高、两侧低，总体对应向东凸出的弧型异常区，异常形态多表现为串珠状或者NWW向线性特征。以帕里西维拉海盆和马里亚纳海沟为界，自西向东可分为3个区：平缓异常区、剧烈变化异常区和相对平缓异常区。计算得到的不同深度岩石圈累积应力强度比表现为两侧高、中间低，说明中部地壳上软、下硬，南北两侧地壳上硬、下软。帕里西维拉海盆为大面积团块状的高累积应力比值区，说明其内地壳上硬、下软，可能存在高温地幔物质上隆。西马里亚纳洋脊、马里亚纳岛弧下地壳比上地壳坚硬。马里亚纳海沟累积应力强度随深度逐渐减弱，等效黏滞系数东高、西低，说明西侧比东侧更容易变形。帕里西维拉海盆与马里亚纳海槽表现为累积应力强度比值高，有效黏滞系数低。帕里西维拉海盆、马里亚纳海槽比西马里亚纳洋脊、马里亚纳岛弧具有更有利的构造活动性条件。
2) 马里亚纳海沟深部构造特征表明，板块耦合区域在Challenger Dee变窄，并在该点附近形成俯冲板块裂缝。Challenger Deep处自由空气重力异常为负值，岩石圈强度较大，有效黏滞系数较高，不同深度的岩石累积应力强度比值也较大，表层坚硬、下部较软。这种特殊的构造特征为板块分离和俯冲快速翻转，以及上覆板块的延伸和海沟的轴线的南向弯曲提供了有利的动力学条件。
3) 地震及重力剖面分析表明，太平洋板块上部向北西方向运动的同时，板块在俯冲带处向下弯曲。在Challenger Deep处，来自西北方向的地幔阻力减弱，重力驱使板块下沉，在特殊的累积应力强度与有效黏滞系数条件下，俯冲板块变陡、撕裂、南向翻转。
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