路易斯维尔海脊海山链的Vp/Vs研究：揭示海山结构与俯冲相关变形的深部特征

本刊推荐研究人员通过宽角地震数据层析成像反演，深入解析路易斯维尔海脊海山链(LRSC)的岩浆构造及与汤加-克马德克海沟(TKT)俯冲碰撞相关的变形机制。研究首次获得了沿LRSC的P波和S波速度模型，揭示海山均具有侵入性镁铁质-超镁铁质核心，并发现俯冲变形主要集中于地壳内部。Vp/Vs比值(1.75-1.85)证实了海山的岩浆起源，同时发现断层带存在海水渗透导致的水化现象。该研究为理解俯冲带物质循环、海山俯冲行为及地壳水化作用提供了关键约束。

　　

在地球动力学的宏大图景中，俯冲系统作为板块边界相互作用最为剧烈的区域，一直是地球科学家关注的焦点。其中，汤加-克马德克海沟（Tonga-Kermadec Trench, TKT）系统以其极高的汇聚速率（约240毫米/年）和强烈的地震活动性而闻名。一个尤为独特的现象是，这条海沟在约南纬26°处被长达4500公里的路易斯维尔海脊海山链（Louisville Ridge Seamount Chain, LRSC）横切。LRSC与夏威夷、复活节海山链并称为太平洋三大经典热点轨迹，其与俯冲带的碰撞过程为研究俯冲带动力学、海山俯冲行为及相关的物质循环提供了天然的实验场。

当巨大的海山随板块运动俯冲至海沟时，其与上覆板块的相互作用会引发一系列复杂的地质效应，包括构造侵蚀、地震活动性变化、地壳变形以及流体的注入等。然而，人们对海山自身的深部结构、其如何响应俯冲相关的变形、以及俯冲过程中水等挥发分的通量仍缺乏清晰的认知。理解这些过程对于评估俯冲带的地震灾害和地球深部物质循环至关重要。

为了解决这些问题，由C. Peirce、E. Contreras-Reyes和I. Grevemeyer组成的研究团队，在《Geophysical Journal International》上发表了一项综合性的地震学研究。他们利用在LRSC沿线及横跨方向采集的宽角地震折射数据，通过先进的走时层析成像反演技术，首次同时获得了高分辨率的P波速度（V_p）、S波速度（V_s）以及V_p/V_s比值模型，从而深入揭示了LRSC的岩浆建造过程及其在俯冲碰撞前后所经历的变形改造。

本研究的关键技术方法主要包括：利用研究航次SO215布设的海洋地震仪（OBS）阵列采集高质量的P波和S波宽角地震数据；采用FIRST（First-Arrival Seismic Tomography）层析成像软件对走时数据进行反演，获得平滑的速度结构模型；通过棋盘格测试（Checkerboard Testing）评估模型的分辨率；结合前人基于射线追踪的正演模型进行结果对比与验证；最后利用V_p/V_s比值和Carlson & Miller (2003)的方法估算地壳中的水含量。

5.1 速度与结构

研究获得的V_p和V_s模型清晰地揭示了不同构造单元的速度结构特征。V_p模型显示，LRSC上的每一个海山（如Osbourn、Canopus和27.6°S海山）其内部都存在一个高速核心（V_p可达5.5-6.5 km s^-1），该核心从地壳中部一直向上延伸至海底 summit 以下1-2公里处，指示其为侵入性的镁铁质-超镁铁质岩体。每个海山下方的地壳都显著增厚，存在一个约4-5公里厚的地壳“根”。V_s模型则主要反映了与俯冲相关的变形，低速区对应于地壳内部的大尺度断层活动带。

5.2 V_p/V_s比值

V_p/V_s比值是揭示岩石岩性、孔隙度和水化程度的关键参数。研究表明，所有LRSC海山的V_p/V_s比值介于1.75-1.85之间，证实了其岩浆起源。特别值得注意的是，在正经历俯冲相关变形的Osbourn海山的向海沟侧，发现了V_p/V_s比值升高（可达~2.2）的区域，这表明沿着断层发生了海水渗透，形成了水饱和的裂纹。

5.3 水含量

基于速度模型，研究人员进一步估算了地壳中的水含量。结果表明，上地壳的水重量百分比（H₂O wt%）估计在12-15%之间，而向中下地壳则减少至<10%。重要的是，没有证据表明正在俯冲的太平洋地壳内部存在>12%的水含量。这与TKT北侧（后碰撞区域）观测到的地幔速度降低（暗示高达30%的蛇纹石化）形成鲜明对比，表明LRSC海山虽然发生变形，但其对俯冲变形的抵抗能力似乎比相邻的普通太平洋地壳更强。

5.4 沿走向与穿走向结构对比——以27.6°S海山为例

通过对比沿LRSC走向的剖面C和横切走向的剖面P03在27.6°S海山处的速度结构，研究发现从海底以下2-3公里至上地幔深度，P波速度在横切海山链方向比沿走向快约5%。这揭示了地壳和地幔中存在的各向异性，其 likely 是Osbourn海槽扩张期形成的构造遗产，反映了地幔橄榄岩晶体定向排列和地壳构造的方向性。

6. 讨论与结论

综合V_p、V_s、V_p/V_s比值和水含量模型，本研究得出以下核心结论：

1. 1.

   LRSC上的每个海山都具有一个侵入性的镁铁质-超镁铁质核心，其向上延伸至当前海山顶部以下1-2公里处。

2. 2.

   这种侵入性构造导致其下方形成4-5公里厚的地壳根。

3. 3.

   Canopus海山实际上由两个相邻的喷发中心组成，其中更靠北的一个正在TKT相关的板块弯曲外隆起（outer rise）上发生内部变形。

4. 4.

   沿LRSC和横跨LRSC的S波速度模型的横向变化主要反映了俯冲相关的变形，低速区对应于大尺度断层活动区域。

5. 5.

   碰撞前后前弧地壳的V_p结构显示其整体性质受影响较小，并在约5万年内恢复；而S波结构则显示与断层相关的组构至少保留了约74万年。

6. 6.

   V_p/V_s比值证实了各海山的岩浆起源，并有证据表明在断层和裂缝处发生了海水侵入导致的地壳水化，尤其是在Osbourn海山的向海沟侧。

7. 7.

   上地壳水含量按重量计在12-15%之间，中下地壳则低于~10%，没有证据表明沿俯冲的太平洋板块有高于~12%重量比的水含量被带入地下。

该研究首次综合P波和S波地震学证据，详细刻画了巨型海山链从形成到俯冲的深部过程，强调了海山作为相对刚性地质体在俯冲系统中的独特行为，为理解俯冲带物质运移、水循环和地震生成机制提供了至关重要的深部约束。其研究方法与结论对全球类似俯冲系统的研究具有重要的借鉴意义。