新不列颠海沟俯冲板片的几何特征及其动力学意义

《Tectonophysics》：Geometric characteristics of the subducting plate at the New Britain trench and its geodynamic implications

　　

**摘要要点**

- 新不列颠海沟在约153°E处于约150公里深度处撕裂，将俯冲带分为几何形态各异的东段和西段。
- 西段以50°–60°的倾角俯冲至600公里深度，并伴随深部板片回缩；东段以陡峭倾角（75°–85°）俯冲至400–500公里深度，且沿走向存在变化。
- 俯冲风格在西段受停滞的古太平洋板片和新几内亚-俾斯麦后洋脊扩张控制，在东段受翁容-爪哇高原地幔根的阻挡作用控制。

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**引言**

俯冲带是地球系统中最复杂的构造体系之一，也是板块构造理论研究的核心对象（如Zhou and Clayton, 1990; Stern, 2002; Zhang et al., 2019; Li et al., 2023）。西太平洋俯冲带是世界上最为典型和集中的俯冲系统，其地震活动活跃且强度大，火山活动频繁，后洋盆地发育完善。该俯冲带显著影响着板缘及板内的动力学过程、应力场特征和构造运动，因此，西太平洋俯冲带成为地球科学家研究俯冲过程的自然实验室（Schellart et al., 2006; Sun et al., 2020）。

本研究关注的**新不列颠海沟俯冲带**位于西南太平洋的新几内亚-所罗门弧系统内，处于印度-澳大利亚板块与太平洋板块的汇聚边界。该俯冲带起源于西太平洋板块与印度-澳大利亚板块的汇聚，是研究这两个主要构造板块运动、演化及其相互作用的关键对象（Gong et al., 2023）。

前人对新不列颠海沟俯冲带在垂直和水平域内的俯冲格局与构造应力场特征进行了大量研究。Ripper（1982）根据地震活动约束的所罗门海板块俯冲面深度等值线，得出结论：新不列颠海沟俯冲带在水平域内呈现倒V形悬臂拱结构，西北侧和东南侧均存在俯冲作用。Cooper and Taylor（1985）在研究新不列颠海沟与圣克里斯托瓦尔海沟之间的俯冲极性反转时，基于震源深度数据初步描绘了该海沟东缘在垂直域内的俯冲几何形态。在研究新几内亚北部弧-陆碰撞变形过程中，Cooper and Taylor（1987）利用震中位置和震源机制解，刻画了位于新不列颠海沟西侧板片在垂直域内的部分俯冲几何形态。1989年，Cooper and Taylor基于震中和震源机制解，描绘了该俯冲带东缘和西缘的基本几何形态，并建立了三维示意图模型。他们提出：海沟东侧的翁容-爪哇高原和西侧的俾斯麦盆地可能约束板片的俯冲几何形态，但未深入探讨其背后的动力学机制。

Abers and Roecker（1991）基于巴布亚新几内亚地区的P波和S波走时反演数据，更精确地描绘了该海沟西段在垂直域内的俯冲几何形态。Mann and Taira（2004）对翁容-爪哇高原与所罗门弧之间的汇聚过程进行了板块重建，揭示了在高原碰撞影响下海沟东段的俯冲格局。Holm and Richards（2013）在此基础上，建立了新的所罗门海板块俯冲三维模型，并对海沟西侧的俾斯麦盆地进行了板块重建，提出该海沟西段的逆时针旋转受俾斯麦盆地扩张和向北推挤驱动，进而塑造了西段板片的俯冲几何形态。Holm et al.（2016）对巴布亚新几内亚和所罗门群岛区域进行了新的板块重建，初步整合了俾斯麦盆地和翁容-爪哇高原的共同影响。

Benyshek and Taylor（2021）基于地震源数据，描绘了该海沟西段的双俯冲系统。Benyshek and Taylor（2021）通过结合震源机制解数据与P波层析成像模型，解释了从新不列颠海沟东侧至圣克里斯托瓦尔海沟俯冲板片的形态。Feng et al.（2022）采用P波走时反演技术，利用远震P波走时层析成像获得了新几内亚-所罗门弧系统下方的三维速度结构。其结果显示：所罗门海板块以高倾角（>70°）在新不列颠海沟下方俯冲，高速度板片异常体延伸至约800公里深度。板片穿透深度自西向东逐渐增大，从约300公里增至约600公里，最大深度达约800公里。这些观测结果凸显了新不列颠海沟俯冲系统内显著的沿走向变化和深俯冲特征。相比之下，在特罗布里恩德海槽下方，与俯冲板块相关的高速度异常体仅延伸至约200公里深度，表明俯冲作用相对受限，可能已停滞。

Feng et al.（2022）进一步讨论了俾斯麦盆地下方的所罗门海板块与古太平洋板块之间的空间关系。然而，其研究主要集中于新不列颠海沟的西段，重点探讨了所罗门海板块双向俯冲对梅拉尼西亚西海沟和波克林顿海槽沿线太平洋板块和澳大利亚板块早期俯冲构造的影响。沿整个新不列颠海沟系统，所罗门海板块几何形态和变形特征的东-西差异仍需进一步研究。

Gong et al.（2023）通过地震活动与震源机制解分析，探讨了所罗门海板块俯冲空间分布异质性的成因。然而，其工作主要聚焦于翁容-爪哇高原对所罗门群岛下方板片的影响。Wang et al.（2022a, 2022b）对新不列颠海沟东段翁容-爪哇高原下方的所罗门海板块俯冲过程进行了数值模拟，成功再现了所罗门海板块的高角度俯冲几何形态和板片回缩行为。然而，其模型主要关注所罗门弧与翁容-爪哇高原软碰撞过程中俯冲极性反转所触发的所罗门海板块俯冲起始阶段，而非现今深部板片几何形态和应力场格局的后续演化。

尽管此前对该区域的研究已相当充分，但尚无对全新不列颠海沟俯冲带东、西两侧进行全面、系统描述的工作。此外，也尚未实现对海沟两侧俯冲板片结构几何形态与地震应力场特征的精细刻画。本研究将综合考虑海沟西侧俾斯麦盆地扩张和海沟东侧翁容-爪哇高原-弧碰撞耦合作用的影响，系统探讨所罗门海板片在水平域和垂直域内的俯冲格局与应力场特征。

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**地质背景**

新不列颠海沟位于所罗门海北部，处于新不列颠岛和布卡-布干维尔岛以南（图1），西起洪湾，东南延伸至西姆博海岭（156.5°E），深度超过8公里（Cooper and Taylor, 1985; Cooper and Taylor, 1989）。该海沟系统由两段狭长的倒V形海槽组成，总长约840公里，其中西段走向为……

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**数据与方法**

本研究利用美国地质调查局（USGS，https://earthquake.usgs.gov）发布的地震震中、震级及相关信息，以及全球质心矩张量目录（GCMT，https://globalcmt.org）的震源机制解数据。如图2所示，自1900年1月1日至2023年11月1日，在2°S～9°S、149°E～157°E区域内，共记录了10,830次Mw≥4.5的地震事件。此外，自1976年1月1日至……

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**结果**

本研究通过波形反演获得的13个震源机制解以红色震源球表示，并投影到相应的7个剖面上。这些新解为震源机制数据稀疏或缺失的区域提供了额外约束。俯冲板片的几何特征是多阶段驱动力和阻力的共同作用结果（Covellone et al., 2015），而……

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**讨论**

地震震中分布为板片几何形态提供了零级约束，但仅凭地震活动无法完全分辨板片的精细形态，因为地震的发生受控于热结构、流变学、脱水反应和应力集中等因素。因此，我们的解释基于震中分布、震源机制解和地震层析成像的综合证据。地震活动分布为……

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**结论**

通过分析地震活动和震源机制解，并结合P波速度异常剖面，我们构建了涵盖全新不列颠海沟俯冲带东段和西段在水平域与垂直域的俯冲模型框架。本研究刻画了俯冲带域内地震活动的空间分布，表明深震事件的分布存在显著的沿走向非均匀性。

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**CRediT作者贡献声明**

Xinyi Zhang（张新怡）：撰写初稿、可视化、概念构思。Wei Gong（龚伟）：审阅与编辑、获取资助、形式分析。Yang Sun（孙扬）：可视化、验证、形式分析。Qi Lin（林琦）：方法、调查、数据整理。Chenghao Li（李程浩）：可视化、数据整理。Yufeng Tang（唐雨风）：可视化、数据整理。Junhui Xing（邢俊辉）：可视化、数据整理。Xiaodian Jiang（蒋晓典）：资源、方法、获取资助。

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**未引用参考文献**

Cross and Pilger, 1982；Franco et al., 2008；Gong et al., 2019a；Lallemand et al., 2005；Sun et al., 2021；Taylor and Cooper, 1985。

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**利益冲突声明**

作者声明无潜在的利益冲突。

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**致谢**

我们感谢Wessel & Smith（https://www.soest.hawaii.edu/gmt/）免费提供GMT软件，本文大多数图件均使用GMT软件制作。本研究受崂山实验室科技创新项目（LSKJ202501100）和国家自然科学基金委（批准号：42541602、91858215、41906048、41949581）资助。

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**作者名单**

张新怡 | 龚伟 | 孙扬 | 林琦 | 李程浩 | 唐雨风 | 邢俊辉 | 蒋晓典