五、板缘张裂的构造动力与俯冲板片破裂属性
Dynamics of Plate-edge Rifting and Slab Deformation
大陆裂解和海盆形成是地球上构造运动的两个最基本过程。大陆裂谷代表了大陆破裂的初始阶段，最终可导致大陆边缘和海洋岩石圈的形成，通常由主动地幔上涌或远场伸展应力驱动。与板块内裂谷盆地不同，边缘海盆地的驱动力和演化机制与地幔深处的俯冲板块紧密相关，超出了经典地质和浅层地球物理方法的范围，对于板缘张裂地区的深部构造认识、俯冲板片本身的属性与破裂过程，需要系统性地开展更深部的壳幔构造研究。我室“海底构造地球物理学”团队2022年取得了系列成果，诠释了板缘张裂起始演化的动力学机制、俯冲板块内部各向异性的甄别、板块撕裂的边缘海内识别及深部地幔响应等科学问题。
板缘张裂起始演化的动力学机制
为了探索板缘张裂起始演化的动力学机制，Yu Y. et al. (2022) 以澳大利亚-西南太平洋板块汇聚带内的伍德拉克裂谷为研究对象，开展径向各向异性层析成像深部构造研究。该裂谷是世界上最年轻和扩张速率最快的大陆裂谷之一，是揭示板缘初始张裂构造动力学过程的理想场所。基于伍德拉克裂谷所有可用海陆宽频带地震数据，引入径向各向异性层析成像方法，获得了上地幔三维纵波速度和径向各向异性结构信息。结果表明：裂谷两侧上地幔中存在高速异常，推断为正在向深部地幔沉降的俯冲残片；俯冲残片的脱水熔融和沉降诱发周边地幔小尺度上涌，可能促进上覆超高压变质岩的出露和裂谷的发育；裂谷正下方观测到显著的低速异常，但局限分布于上地幔顶部，且具有一致的正径向各向异性，排除了主动地幔上涌模型，而与减压熔融的裂谷被动演化模式吻合，其裂谷演化推动力可能来自所罗门微板块向北俯冲的拖拽。这些深部构造观测结果，揭示了俯冲拖拽在汇聚构造背景下的裂谷初始演化过程中的主控作用。
伍德拉克裂谷地质构造背景（左图）与动力学演化模式图（右图）
俯冲板块内部各向异性的甄别
地质构造运动可导致矿物优势取向的改变，从而形成地震各向异性。因此，俯冲板块内部的各向异性承载着关于俯冲板块变形历史的重要信息。但由于俯冲板块有限的厚度，用传统的地震震相很难确定其各向异性。日本南海海槽靠近海沟附近的海底观测网DONET，由于布设位置的特殊性，可以有效记录北向俯冲的菲律宾海板片内传播的地震导波，这些地震导波由北菲律宾海板块向日本西南部的欧亚板块俯冲所产生的深源地
而激发，最大可能避免了俯冲带其他构造的污染。Liu Y. et al. (2022) 利用DONET观测到沿俯冲板块传播的横波地震记录，采用波形旋转互相关方法和最小特征值最小化方法求得其横波分裂快轴方向和分裂时间，以此推算了北菲律宾海板块内部的各向异性，并认识到北菲律宾海板块板内各向异性的快轴方向和海沟走向近平行，可能反映了海底扩张时期形成的化石组构，并因平行海沟的蛇纹石化含水断层而得到增强。
图4.2 北向俯冲菲律宾海板片数据分布（左图）与形变模式图（右图）
板块撕裂的边缘海内识别及深部地幔响应
俯冲板片由于本身具有强各向异性，在俯冲过程中可能因横向俯冲角度差异、板片薄弱带等因素而发生破裂，引发一系列深浅部构造与岩浆活动。地幔转换带是上、下地幔的过渡区，位于410千米(d410)和660千米(d660)之间。由于d410和d660具有相反的克拉伯龙斜率，低温和高温异常会分别造成地幔转换带增厚或减薄。西北太平洋板块向欧亚板块俯冲，在日本海及其周边地区形成了复杂的板块构造动力学体系，其中既有板块之间的相互作用，也可能存在板块撕裂等板内构造破坏行为，并引发相应的地幔物质流动。日本海及其周边地区的西北太平洋俯冲板片撕裂过程及其深部地幔响应，一直存有较大争议。Sun et al. (2022) 引入非平面波假设下的接收函数方法，在日本海及其周边地区系统性地开展地幔转换带构造研究，并观测到从日本本州至朝鲜半岛存在一狭长的地幔转换带减薄区，分析为板片撕裂引发的线状火山链；菲律宾海北部发现大范围的地幔转换带增厚和d660边界下凹的现象，表明太平洋俯冲板片滞留于地幔转换带底部，可能与岩石相变带来的阻力增强有关。
日本海地区地质构造背景（左图）及西北太平洋俯冲板片构造破坏示意图（右图）
以上这些深部构造研究最新成果，揭示出板片拖拽在板缘张裂过程中起到核心或主控的动力作用，而其俯冲板片本身存在很强的先存各向异性，在其俯冲过程中会产生撕裂，诱发深部地幔的上涌，支撑上覆火山的形成，这一过程，为地球深-浅部物质循环提供了有别于传统板片脱水熔融模型的新途径。
主要参考文献：
Liu, Y., Xue, M., Guo, Z., & Zhu, A. (2022). Seismic anisotropy within the subducting northern Philippine Sea plate, SW Japan, using DONET seafloor observation network. Geophysical Research Letters, 49: e2021GL096516.
Sun, M., Yu, Y. , Gao, S. S. , & Liu, K. H. (2022). Stagnation and tearing of the subducting northwest pacific slab. Geology, 50(6): 676–680.
Yu, Y., Tilmann, F., Zhao, D., Gao, S. S., & Liu, K. H. (2022). Continental break-up under a convergent setting: Insights from P wave radial anisotropy tomography of the Woodlark rift in Papua New Guinea. Geophysical Research Letters, 49: e2022GL098086.
Continental breakup and oceanic basin formation are two basic processes of plate tectonics on the earth. The continental rift represents the initial stage of continental rupture, which can eventually lead to the formation of continental margin and marine lithosphere, usually driven by active mantle upwelling or far-field stretching. Unlike the intraplate rifting basin, the driving force and evolution mechanism of the marginal seas are closely related to slab subduction in the deep mantle, which is beyond the scope of the canonical geological and shallow geophysical methods.
The Marine Geophysics Group of the Laboratory has recently made a series of achievements in better understanding the dynamics of plate-edge rifting and slab deformation: (1) Radial anisotropy tomography under the Woodlark rift indicates that plate-edge rifting follows a passive model and is mainly driven by slab pull from nearby active subduction (Yu Y. et al., 2022); (2) Shear wave splitting analysis on local event data, recorded by the ocean bottom seismometers from the Dense Ocean Floor Network System (DONET) near the Nankai trough, has deciphered the preservation of fossilized anisotropy of the subducted northern Philippine Sea plate (Liu Y. et al., 2022); (3) Significant MTZ thinning extending from central Honshu, Japan, to the Korean Peninsula, provides solid evidence for the existence and distribution of a large-scale slab tear, which makes the hot mantle material oceanward of the slab flow through and further contributes to surface volcanism (Sun et al., 2022).