地球科学进展

地球科学进展 ›› 2024, Vol. 39 ›› Issue (7): 702 -716. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2024.051

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海底高原与俯冲带相互作用的地质效应的研究进展
闫施帅 1 , 2( ), 鄢全树 1 , 2 , 3( ), 石学法 1 , 2 , 3, 袁龙 1   
  1. 1.自然资源部第一海洋研究所 海洋地质与成矿作用重点实验室，山东 青岛 266061
    2.河海大学 海洋学院，江苏 南京 210098
    3.山东省深海矿产资源开发重点实验室（筹），山东 青岛 266061
  • 收稿日期:2024-01-30 修回日期:2024-06-07 出版日期:2024-07-10
  • 通讯作者: 鄢全树 E-mail:shishuaiyan@yeah.net;yanquanshu@163.com
  • 基金资助:
    崂山实验室科技创新项目(LSKJ202204103);山东省泰山学者建设工程项目(tstp20230643)

Research Advances on the Geological Effects of the Interaction of Oceanic Plateau with Subduction Zone

Shishuai YAN 1 , 2( ), Quanshu YAN 1 , 2 , 3( ), Xuefa SHI 1 , 2 , 3, Long YUAN 1   

  1. 1.Key Laboratory of Marine Geology and Metallogeny, First Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China
    2.College of Oceanography, Hohai University, Nanjing 210098, China
    3.Key Laboratory of Deep Sea Mineral Resources Development, Shandong (Preparatory), Qingdao 266061, China
  • Received:2024-01-30 Revised:2024-06-07 Online:2024-07-10 Published:2024-07-29
  • Contact: Quanshu YAN E-mail:shishuaiyan@yeah.net;yanquanshu@163.com
  • About author:YAN Shishuai, Ph. D student, research area includes geochemistry of submarine rocks. E-mail: shishuaiyan@yeah.net
  • Supported by:
    the Laoshan Laboratory Science and Technology Innovation Program(LSKJ202204103);The Taishan Scholarship from Shandong Province(tstp20230643)
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全球俯冲汇聚系统中，俯冲输入组分包括正常大洋板块以及具浮力的海底高原等正地形，二者对俯冲带会产生迥异的地质效应，因此，深入开展海底高原与俯冲带相互作用研究对理解俯冲带地球动力学过程和陆壳侧向增生等地质过程具有重要意义。系统总结了一些目前正处于关键俯冲带处的典型海底高原的地质与地球物理特征，结合俯冲带特征及数值模拟成果，深入探讨海底高原与俯冲带相互作用的地质效应。在俯冲带运动学和几何学方面，位于俯冲前缘的具浮力的海底高原等正地形通常会抵制俯冲，并可能造成俯冲带后撤和俯冲极性反转并形成新的俯冲带，甚至可能会终止俯冲并增生于成熟岛弧/陆壳边缘。然而，近年来的研究显示，部分海底高原的俯冲行为并没有终止，而是俯冲角度变缓呈现平板俯冲的样式，从而造成俯冲带地区上覆板块的构造缩短与增厚以及岩浆活动逐渐向板内迁移。在岩石地球化学方面，具富集地球化学特征的海底高原的俯冲消减不仅影响着壳幔圈层相互作用过程、岛弧—弧后熔岩的地球化学组分以及俯冲带地区热液矿床的形成，而且这些地质体的深俯冲也将对地幔不均一性的形成作出重要贡献。最后，指出未来会在海底高原深部精细结构及演化，岛弧及弧后盆地对“海底高原—海沟”新俯冲构造格局的地质响应，以及控制海底高原发生俯冲/增生的因素及其之间的定量关系等方面有较大的发展潜力。

关键词: 海底高原, 俯冲带, 地质效应, 岩浆作用

In global subduction systems, the subduction inputs include normal oceanic slabs and buoyant oceanic plateaus. Both exert different geological effects on subduction zones. Thus, studying the interactions among the oceanic plateau and subduction zone will be significant for understanding subduction zone geodynamics and the lateral accretion processes of the continental crust. This study summarizes the geological and geophysical characteristics of typical oceanic plateaus that are currently close to subduction zones. These, combined with the geological and geophysical features of adjacent subduction zones and recent numerical simulation data, are used to discuss the geological effects of the interaction between oceanic plateaus and subduction zones. In terms of kinematics and geometry, buoyant oceanic plateaus generally resist subduction, leading to subduction retreatment and the reversal of subduction polarity, thereby forming new subduction zones. The subduction process in some subduction zones is terminated by the arrival of oceanic plateaus, and the plateaus finally accrete to the mature arc/crustal margins and become part of the continental crust. However, recent studies have shown that part of the oceanic plateaus do not lead to the termination of the subduction process, but rather contribute to the occurrence of flat subduction, thereby resulting in tectonic shortening and the thickening of the overlying plate in the subduction zone area and the gradual migration of magmatic activity toward the intraplate setting. Geochemically, these oceanic plateaus with enriched compositions not only affect subduction zone lava geochemistry and the formation of hydrothermal deposits, but may also contribute to the formation of mantle heterogeneity. Finally, this study proposes some key scientific issues on the interaction of oceanic plateaus with subduction zones, including the detailed crust/mantle structure of subduction zones, the geological and geochemical response of the island arc and backarc basin to the new subduction tectonic framework of “oceanic plateau-trench,” and quantitative correlations between the factors controlling whether plateaus are accreted or subducted remain unclear.

Key words: Oceanic plateau, Subduction zone, Geological effects, Magmatism.

中图分类号: 

图1 全球洋底主要海底高原及海山链（形成年龄为白垩纪至今）分布图（据参考文献［ 1 - 3 ］修改）
数字代表海底高原： ① 莫德（73 Ma）； ② 厄加勒斯； ③ 马达加斯加（88 Ma）； ④ 康拉德； ⑤ 凯尔盖朗（118 Ma）； ⑥ 布罗肯（118 Ma）； ⑦ 本哈姆（36 Ma）； ⑧ 奄美（115 Ma）； ⑨ 小笠原； ⑩ 沙茨基（145 Ma）； ? 赫兹（100 Ma）； ? 马尼希基（123 Ma）； ? 冰岛； ? 塞拉利昂（73 Ma）； ? 里奥—格兰德； ? 东北乔治亚。未标注年龄数据缺乏相关的研究数据和资料
Fig. 1 Global distribution of major oceanic plateaus and seamount chains （since the Cretaceous）（modified after references ［1-3］）
The numbers represent oceanic plateau： ① Maud （73 Ma）； ② Agulhas； ③ Madagascar （88 Ma）； ④ Conrad； ⑤ Kerguelen （118 Ma）； ⑥ Broken （118 Ma）； ⑦ Benham （36 Ma）； ⑧ Amami （115 Ma）； ⑨ Ogasawara； ⑩ Shatsky （145 Ma）； ? Hess （100 Ma）； ? Manihiki （123 Ma）； ? Iceland； ? Sierra Leone （73 Ma）； ? Rio Grande； ? NE Georgia. Some parts of the oceanic plateaus lack age data because there are currently no relevant research data and materials
图2 海底高原结构示意图（据参考文献［ 34 ］修改）
Fig. 2 The internal structure of oceanic plateau （modified after reference ［ 34 ］）
表1 正处于俯冲带前缘的典型海底高原的地质与地球物理特征
Table 1 Geological and geophysical characteristics of typical oceanic plateaus that is currently closing to a subduction zone
海底高原特征 翁通—爪哇海底高原［ 38 - 42 ］ 希库朗伊海底高原［ 38 ， 43 - 44 ］ 加勒比—哥伦比亚海底高原［ 3 ， 45 ］ 卡罗琳海底高原［ 6 ， 46 - 47 ］
形态 穹隆状 穹隆状 穹隆状 条带状
面积/（×105 km2） 19 8 11 8
水深/km 1~4 2.5~4.0 已增生到大陆边缘 约为2
地幔布格重力异常（MBA/mGal） -100~150 -20~200 — —
剩余地幔布格重力异常（RMBA/mGal） -410~-160 -320~-100 — —
相对地壳厚度/km 15~38 16~23 8~20 12~15
喷发环境 水下 水下 地面或浅海喷发 水下
火山喷发时间/Ma 122~90 118~96 约为89 15~24
火山年龄变化 无连续变化 无连续变化 无连续变化 由西向东变年轻
火山活动 短期内喷发大量岩浆，出现2期活动 短期内喷发大量岩浆 短期内喷发大量岩浆，几乎没有静止的时期 初期喷发大量岩浆，后期减弱
地磁异常 主要形成于白垩纪正极性超时 主要形成于白垩纪正极性超时 白垩纪超静磁带时期 扩张脊存在多次向北的跃迁
玄武岩类型 拉斑玄武岩和富集型洋中脊玄武岩 拉斑玄武岩 拉斑玄武岩和高MgO玄武岩 拉斑和碱性玄武岩
图3 靠近俯冲带海底高原基底熔岩的微量元素蛛网图
翁通—爪哇海底高原数据来自参考文献［ 3 ， 64 ］；希库朗伊海底高原数据来自参考文献［ 43 ］；加勒比—哥伦比亚海底高原数据来自参考文献［ 3 ， 45 ］和http：//www.earthchem.org/petdb；卡罗琳海底高原数据来自参考文献［ 46 ］；原始地幔、富集洋中脊玄武岩（E-MORB）、正常洋中脊玄武岩（N-MORB）和洋岛玄武岩（Ocean Island Basalt， OIB）数据来自参考文献［ 65 ］
Fig. 3 Primitive mantle-normalized trace element patterns from the oceanic plateaus of near subduction zone
Data for the Ontong Java plateau are from references ［3，64］； Data for the Hikurangi plateau are from reference ［ 43 ］； Data for the Caribbean-Colombian plateau are from references ［3，45］ and http：//www.earthchem.org/petdb； Data for the Caroline plateau are from reference ［ 46 ］. Data for primitive mantle， E-MORB， N-MORB and OIB are from reference ［ 65 ］
图4 靠近俯冲带海底高原的初始 εNd（ t ）与初始 87Sr/86Sr（ i ）图解（a）与 207Pb/204Pb与 206Pb/204Pb图解（b）
翁通—爪哇海底高原数据来自http：//georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/Entry.html；希库朗伊海底高原数据来自参考文献［ 43 ］；加勒比—哥伦比亚海底高原数据来自参考文献［ 3 ， 45 ， 66 ］；卡罗琳海底高原数据来自参考文献［ 46 ］。印度洋型MORB和北半球参考线（NHRL）数据来自参考文献［ 67 ］；东太平洋海隆（EPR）MORB数据来自参考文献［ 49 ］；地幔端元（DMM、EMI、EMII、HIMU）数据来自参考文献［ 68 ］
Fig. 4 εNd（ t ） vs. 87Sr/86Sr（ i ） （a） and 207Pb/204Pb vs.206Pb/204Pb （b） diagrams of the oceanic plateau near subduction zones
Data for the Ontong Java plateau are from http：//georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/Entry.html， data for the Hikurangi plateau are from reference ［ 43 ］， data for the Caribbean-Colombian plateau are from references ［3，45，66］， and data for the Caroline plateau are from reference ［ 46 ］. Data for the Indian Ocean MORB and the NHRL （North Hemisphere Reference Line） are from reference ［ 67 ］， data for the East Pacific Rise （EPR） MORB are from reference ［ 49 ］， data for mantle end-members （DMM， EMI， EMII， HIMU） are from reference ［ 68 ］
图5 大尺度海底高原增生及俯冲极性反转期间的构造演化（年轻海底高原与薄的大陆边缘模型）（据参考文献［ 35 ， 74 ］修改）
（a）~（d）用速度矢量显示成分场和相应的黏度场；图中右下方白色方框内的彩色曲线代表P-T-t路径的图表的标记；颜色代表岩石类型：1：空气；2：水；3和4：沉积物；5：大陆上地壳；6：大陆下地壳；7：上洋壳；8：下洋壳；9：海底高原；10：岩石圈地幔；11：软流圈地幔；12：初始俯冲带；13和14：部分熔融的沉积物；15和16：部分熔融的大陆地壳；17和18：部分熔融的大洋地壳；19：部分熔融的海底高原；20：部分熔融的橄榄岩。详细内容可参阅参考文献［ 74 ］
Fig. 5 Tectonic evolution for subduction polarity reversal during large-scale oceanic plateau accretion （a model with a young oceanic plateau and thinned continental margin） （modified after references ［35，74］）
（a）~（d） Show composition fields and the corresponding viscosity field with velocity vectors. The colored curve within the white square at the bottom right of the diagram represents the P-T-t path. Colors indicate the rock types as follows： 1： air； 2： water； 3 and 4： sediments； 5： upper continental crust； 6： lower continental crust； 7： upper oceanic crust； 8： lower oceanic crust； 9： oceanic plateau； 10： lithospheric mantle； 11： asthenosphere mantle； 12： initial subduction zone； 13 and 14： partially molten sediment； 15 and 16： partially molten continental crust； 17 and 18： partially molten oceanic crust； 19： partially molten oceanic plateau； 20： partially molten peridotite. See reference ［ 74 ］ for details
图6 三维数值模拟主视图（约45 Ma）（据参考文献［ 75 ］修改）
在浮力较强的海底高原阻碍俯冲作用下，其下方的板块形成了一个缺口。上地幔是透明的，板块等值面上垂盖着颜色条表示的应变率不变量。在俯冲板块底部和下地幔顶部之间的375 km深度处，速度矢量箭头在横跨上地幔的水平面上用黑色标出，黑色数字表示不同模式下海底高原的密度（详细内容可参阅参考文献［ 75 ］）
Fig. 6 Front view of numerical models at 45 Ma （modified after reference ［ 75 ］）
Under the strong buoyancy of the oceanic plateau， the subduction process is hindered， resulting in a gap forming in the plate beneath it. The upper mantle is transparent， and slab isosurfaces are draped on a plot of the strain rate invariant represented by the colour bar. Velocity vector arrows are plotted in black in a horizontal plane across the upper mantle at a depth of 375 km which is half-way between the base of the subducting plate and the top of the lower mantle. Black numbers represent the densities of the oceanic plateaus in different models （see reference ［ 75 ］）
图7 海底高原与岛弧（a）和大陆边缘（b）~（c）碰撞模式（据参考文献［ 3 ， 86 - 87 ］修改）
Fig. 7 Idealized cross-sections of the collision of an oceanic plateau with an island arc （a） and an active continental margin （b）~（c） （modified after references ［3，86-87］）
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