马里亚纳海沟“挑战者”深渊沉积物地球化学特征及成因机制

【目的】为探究马里亚纳海沟“挑战者”深渊沉积物的主要类型、地球化学特征和成因机制。【方法】以马里亚纳海沟“挑战者”深渊从北坡(上覆板块)、轴部到南坡(俯冲板块)16个站位的沉积物和蚀变基岩开展矿物学及地球化学分析。【结果与结论】“挑战者”深渊沉积物分为褐红色深海黏土质沉积物、硅质生物软泥、自生沉积物(富锰微结核)和钙质生物软泥四种主要类型。其中,褐红色深海黏土质沉积物为深渊沉积物的主要类型,对深渊沉积物的成分贡献最大,其主量、微量元素地球化学特征与洋壳蚀变基岩具有相似性。提出了褐红色深海黏土质沉积物成因主要源于俯冲板块和上覆板块玄武质基岩蚀变的观点。此外,深渊底部活跃的有机质早期成岩作用,对沉积物地球化学性质产生了重要影响,是导致“挑战者”深渊沉积物相比邻近深海沉积物具有较低稀土元素含量和富集微锰结核的主要原因。

基于残差神经网络的马里亚纳海沟地形反演

为提高利用重力异常数据反演马里亚纳海沟地形的精度,基于残差深度神经网络(residual deep neural network,RDNN)方法和重力异常等数据反演了马里亚纳海沟的1′×1′海底地形,通过实测检核点水深对RDNN模型的精度进行评估,并和重力地质法(gravity-geology method,GGM)模型结果进行对比。结果表明RDNN较GGM对马里亚纳海沟地形反演更为精细,实测水深检核表明RDNN模型均方根误差为128.98 m,优于GGM模型的150.14 m,且RDNN与船测检核水深也有更好一致性,RDNN深度学习模型为利用重力异常数据反演高精度海底地形提供了参考和依据。

马里亚纳海沟共培养细菌多样性动态变化及潜在微生物互作关系

马里亚纳海沟是世界已知最深的海沟,其寡营养、高压、低温、低氧等极端的深海环境孕育出独特的细菌群落结构及多样性特征。选取寡营养培养基对马里亚纳海沟海水及表层沉积物分别进行液体共培养,并在不同培养阶段取样进行高通量测序,分析细菌群落结构组成及其多样性的动态变化,探讨微生物之间可能的互作关系。研究结果表明:液体共培养样品中一共检测到19个门、34个纲、76个目、131个科、227个属的细菌,其中变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)为优势菌群,其次为厚壁菌门(Firmicutes);与其他样品相比,1000米海水样品中细菌群落的多样性最高,并且蓝细菌门(Cyanobacteria)具有更高的相对丰度。共培养样品中细菌丰富度、多样性、群落结构均随培养时间而改变,其中共培养中期样品的细菌多样性较高;表层沉积物样本中,盐单胞菌属(Halomonas)可能由于较强的竞争能力在共培养后期占据优势地位。基因功能预测与代谢通路富集结果显示,随着共培养时间的增加,微生物生长相关的代谢通路丰度明显下降,而与互作相关的代谢通路丰度明显增加。共培养样品检测到的细菌多样性远高于单独分离培养的多样性,仅有少量菌属为单独分离培养与共培养样品均检测到的共有属。综上所述,马里亚纳海沟细菌群落中存在竞争、互利共生的相互作用,共培养法有利于揭示细菌间的互作关系。研究为深渊及深海等极端环境下微生物生态系统组成及维持奠定了理论基础,也为进一步研究极端微生物的生存策略提供了科学指导。

马里亚纳海槽中部、南部火山岩地球化学特征及源区地幔性质

马里亚纳海槽作为正在活动的典型弧后盆地,是研究俯冲作用对岩浆作用和壳幔动力学影响的理想场所。通过对采自该海槽中南部的样品进行系统的岩石地球化学特征对比与研究,并结合前人已发表的岩石地球化学数据,探讨了马里亚纳海槽中南部的地幔富集(亏损)程度、地幔熔融程度、地幔熔融深度以及俯冲物质的加入程度。结果表明:(1)马里亚纳海槽中南部主要发育一套中低钾钙碱性系列玄武岩、玄武质安山岩;(2)海底岩石富集了大离子亲石元素、轻稀土元素,亏损高场强元素、重稀土元素;(3)将马里亚纳海槽沿扩张中心分为三段,对每段地幔熔融的程度和深度进行计算并且消除地幔不均一性的影响,发现在15°N和18°N附近二者呈现负相关关系,其余地区则呈现正相关关系,证明海槽存在两种地幔熔融模式;(4)微量元素比值显示海槽受多种俯冲组分影响,并且马里亚纳海槽南部的南段可能存在另一个富水熔体端元,可能是导致海槽扩张速率较快的原因。对俯冲物质的加入程度进行计算,发现靠近15°N与18°N俯冲组分的影响变弱,这进一步表明,马里亚纳海槽火山岩的变化可能是由于类似N-MORB的地幔源区与类似岛弧的地幔源区混合造成的;俯冲物质是控制地幔熔融程度的主要因素,并且扩张速率与地幔富集/亏损程度等也发挥了重要作用。

雅浦-马里亚纳海沟连接区深层流季节内变异的特征和机制

雅浦-马里亚纳海沟连接区东深水通道是太平洋深层经向翻转环流携带南极绕极水进入西太平洋的首要入口。基于高分辨率的再分析数值模型结果,研究发现该通道深层流速和温度具有显著的40~90d周期的季节内变异,且季节内变异强度随深度的增加而增加,进一步研究揭示地形罗斯贝波(topographic Rossby waves,TRW)是引起上述季节内变异的主要原因,TRW波解可以解释深层流和温度季节内振幅的垂向变化。通过建立全水体的动力关联研究发现TRW在不同时刻具有不同的能量来源,首先次表层强涡旋经过时可以通过位涡守恒激发深层的TRW;第二,大洋中层存在的强涡旋也可激发深层的TRW;第三,深层平均流可以主要通过正压不稳定过程向季节内TRW提供能量。

马里亚纳海沟南段TS01测线的广角地震探测和地壳结构

马里亚纳海沟是西太俯冲系统的重要组成部分,因复杂的地质环境和活跃的俯冲,长期以来是地球科学领域关注和研究的热点区域.广角地震测线TS01位于马里亚纳俯冲系统的最南段,横穿卡罗琳海底高原、马里亚纳海沟和弧前地块.本文基于测线上9个OBS台站所记录的高质量反射、折射震相,通过震相走时拟合和正演模拟的方法,获得了TS01测线的精细速度结构.此外,本文还通过卫星重力数据和多波束水深数据,计算获得了布格重力异常,反映了区域的地壳厚度变化;并沿测线进行了重力模拟,与速度模型相互验证、共同约束了TS01测线的壳幔结构.最终结果显示,弧前地块呈现楔状,海沟内壁速度值较低,呈现了构造侵蚀的特征;俯冲板片的地壳速度在4.0~7.2 km·s^(-1)之间,厚12~13 km,该厚度介于正常洋壳和海底高原类型地壳之间;OBS台站丰富的反射震相约束了上下板片交界面、俯冲板片中地壳和莫霍面等关键地质界面.重力模拟揭示了上地幔顶部的蛇纹石化现象.本文研究结果为揭示海底高原附近的俯冲动力学机制提供了有力支撑.

马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山角砾蛇纹岩流体流动性元素富集特征及影响因素

马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山被认为是认识俯冲作用的直接窗口,其发育的角砾状蛇纹岩富含的流体流动性元素(FMEs)记录了引起蛇纹石化作用的流体和俯冲带的流体-岩石相互作用及元素循环等信息。本文整理了马里亚纳弧前物源深度逐渐增加的5座蛇纹岩泥火山(Yinazao、Fantangis?a、Asùt Tesoru、South Chamorro和Conical)发育角砾蛇纹岩的FMEs数据,通过不同泥火山、同一泥火山不同深度样品及同一块状样微区子样品间的FMEs特征对比,分析了蛇纹岩泥火山引起的蛇纹石化作用的流体性质、来源和形成机制。5座蛇纹岩泥火山角砾蛇纹岩的FMEs均较亏损地幔(DM)显示富集特征:B、Cs、As强烈富集(常>100×DM),Li、Rb、Sb中等富集(>10×DM),Ba、Sr、Pb弱富集(<10×DM)。浅源泥火山角砾蛇纹岩中B、Sr、Ba、Pb含量最高,且由浅源至深源泥火山其含量呈逐渐减少的趋势。而Li、Rb、Cs、As、Sb含量显示相反特征,浅源泥火山的角砾蛇纹岩中含量最低,且从浅源到深源泥火山其含量逐渐增加。不同泥火山角砾蛇纹岩FMEs具有系统性变化特征,反映了俯冲板片衍生流体是其发生蛇纹石化作用的主要流体。离海沟较近的泥火山下部俯冲板片成岩作用以蛋白石脱水为主,形成的板片衍生流体极富B,略富Li、Ba、Sr、Pb;离海沟较远的泥火山下部俯冲板片成岩或进变质作用主要为碳酸盐矿物分解和少量蚀变洋壳脱水及黏土矿物转化,板片衍生流体富Ba、Sr、Li、Rb、Cs;居于上述2类泥火山之间的泥火山,下部俯冲板片主要成岩作用为黏土矿物脱水及转化,板片衍生流体以富集B、Li、Rb、Cs、Ba为特征。海底以下深度<50 m的样品FMEs含量最高,指示海水风化对FMEs含量有一定影响,尤其是B、Sr。同一块角砾蛇纹岩不同微区结构的FMEs含量不同,纯蛇纹石区域其含量最高,指示蛇纹石化产物对FMEs有一定影响;绢石结构中Li、Rb、Cs含量高于橄榄石蚀变的蛇纹石,说明原始矿物类型也对部分FMEs富集有一定影响。

“中布容事件”时南极底层流在马里亚纳海沟南部的沉积记录

对马里亚纳海沟南部的柱状样品进行了涂片粒度、岩心扫描(XRF)、古地磁及磁化率各向异性分析。古地磁分析结果表明,该柱底部507 cm处发生了倒转事件(B/M界限),表明该柱至少记录了78万年以来的沉积环境演变,通过对古地磁相对强度及倾角长期变化分析建立了该柱布容时期以来年代框架。涂片粒度分析及XRF扫描结果均显示,该柱样沉积物类型自底部到顶部发生了根本性转变,底部以代表陆源输入的远洋黏土为主,上部以代表生源作用的硅质软泥为主,分析认为造成这种变化的主要原因在于中布容事件(MBE)时南极底层水(AABW)对该区域的影响。结合沉积物类型、磁化率各向异性及古地磁年代学分析,认为中布容事件对该柱样所在区域的影响始于约553 ka,南极底层流开始影响该区域,沉积物类型由陆源向生源转变;到约417 ka时,沉积物类型主要成分已完成由陆源向生源转变,之后,南极底层流进一步增强;到约336 ka时,沉积物类型几乎全由硅质软泥主导,且之后不再发生较大变化,表明MBE对该区域影响的结束。

马里亚纳海沟柱状沉积物稀土地球化学特征及其指示意义

对我国载人潜器＂蛟龙号＂首次在马里亚纳海沟南部获取的沉积物柱状样（JL7KGC01A）进行了涂片观察、粒度、黏土矿物和稀土元素组成分析。结果表明：沉积物为典型深海黏土沉积。根据沉积物的粒度、黏土组分和稀土元素含量变化以及不同程度的δCe和δEu异常将该沉积物柱状剖面分为明显的上下两个沉积层段,即：1.8～2.41m段与0.03～1.8m两个层段。下部层段（1.8～2.41m）相比上部层段（0.03～1.8m）,沉积物平均粒径较粗,蒙脱石/伊利石比值较高,稀土元素含量低且具有弱的Ce负异常和Eu正异常,表明该段沉积物受到较多的火山物质的影响。结合年代学分析认为研究区沉积物在2.2 Ma发生明显转变,2.2 Ma之前沉积物物源以附近火山物质为主,2.2 Ma之后物源仍以火山物质为主,但陆源物质供应逐渐增加。物源的转变暗示着本区在2.2 Ma之前火山活动较为频繁。

马里亚纳俯冲系统的构造特征

西太平洋马里亚纳俯冲带具有典型的"沟-弧-盆"体系,是由太平洋板块向西俯冲到菲律宾海板块之下形成的洋-洋俯冲带。前人研究成果为理解该区上覆板块地壳结构、弧前蛇纹岩化过程、岛弧及弧后岩浆作用、俯冲板块形态及其相关俯冲动力学过程提供了良好的约束。本文对马里亚纳地区现有研究成果,特别是构造研究内容,进行了总结,发现马里亚纳俯冲带的三维精细构造特征并没有得到很好的厘定,导致马里亚纳弧后扩张的动力学机制存在较大争议。这主要是因为缺乏观测数据以及反演方法的局限性。为此,未来围绕马里亚纳俯冲带的构造特征研究,应首先开展长期系统的海底观测。

马里亚纳海沟俯冲带深地震现状对马尼拉海沟俯冲带的研究启示

综述了马里亚纳海沟俯冲带二维（2D）和三维（3D）深地震探测的研究进展, 要点如下： 1）伊豆-小笠原岛弧下方玄武质火山岩的物质成分基本一致, 中地壳的速度特征与陆壳相似, 岛弧底部镁铁质到超镁铁质的壳幔过渡层（crustmantle transition layer, CMTL）通过拆沉（delamination）等作用返回地幔, 实现由岛弧到陆壳的演化; 2）不同年龄的洋内岛弧具有不同的速度结构特征, 说明它们的地壳密度不同, 可用不同的模型来解释; 3）岛弧体系中速度结构及演化历史在时间和空间上的特征变化, 揭示了俯冲开始时洋壳和地幔的属性以及俯冲开始的原因.马尼拉海沟与马里亚纳海沟相比, 虽然地质背景不同, 但研究方法可以借鉴.今后的马尼拉海沟俯冲带探测的重点包括海底地震仪2D/3D 联合探测、海底电磁探测, 以及天然地震的长期观测等.马尼拉海沟项目的实施将加深对俯冲带运行机制的认识.

马里亚纳海槽热液区岩石矿物学和岩石化学特征研究

马里亚纳海槽中央轴裂谷中的小扩张脊部位 ,广布火山喷发的玄武岩体 ,海底热液硫化物就是从这些岩体的裂隙中喷溢堆积起来的。利用我国“大洋一号”船拖网所获岩样进行了矿物学和岩石化学特征研究 ,认定为高铝低钾的大洋底玄武岩或拉斑玄武岩系列和钙 -碱玄武岩。

马里亚纳海槽热液活动区玄武岩的岩石地球化学特征

对拖网采自马里亚纳海槽热液活动区 (18°N附近 )的 8个玄武质岩石样品进行岩石地球化学初步研究。岩石富集 L IL E和 L REE,稀土分布型式呈右倾图式 ,L a N=10 .6 8～ 2 2 .6 4 ,(L a/Yb) N=1.6 1～ 2 .4 7,并略显 Eu正异常。在相对于原始地幔的标准化微量元素分布图中 ,7个样品具较明显的 Nb亏损和 Zr、Hf富集 ,而 1个样品不具 Nb的亏损 ;HFSE/HFSE、L IL E/HFSE、L IL E/L IL E等微量元素比值大都在 N- MORB和 EMI2个地幔端员组分间变化。这表明岩浆起源于受俯冲组分改造或影响的上地幔 ,且地幔源区存在明显的化学不均一性。与冲绳海槽玄武岩相比 ,马里亚纳海槽玄武岩的 Nb亏损明显减弱 ,暗示俯冲组分对地幔源区的影响程度也随之减弱 ,这反映出处于弧后张裂阶段的冲绳海槽与处于从弧后张裂向海底扩张过渡阶段的马里亚纳海槽 。

马里亚纳海沟挑战者深渊南部7000m水深处发现硅藻化石软泥

在马里亚纳海沟"蛟龙号"载人深潜器海试区约7000m水深的海底,发现了硅藻化石软泥沉积物,为中国首次在此大深度船载采集到硅藻化石软泥。室内硅藻化石分析显示,重力柱状样顶部约10cm厚的软泥为大筛盘藻Ethmodiscus rex硅藻软泥。化石主要由大筛盘藻组成,呈碎片状,数量巨大,并伴生有Azpeitia等热带远洋浮游种类。硅藻化石软泥发育表明,本区曾发生过E.rex勃发事件,具有重要的古海洋学和古生物学研究意义。

深渊着陆器技术研究及马里亚纳海沟科考应用

海斗深渊是指海洋中深度超过6 000 m的区域,占据了海洋底部45%的深度范围,是海洋生态系统的重要组成部分,海斗深渊科学代表着当前海洋研究最新的前沿领域。面向海斗深渊科学近海底长时探测与采样应用需求,介绍了我国自主研制的7 000 m级"天涯"号、"海角"号深渊着陆器系统,针对深渊着陆器的装备特点,重点研究了生物原位观测、微生物富集与固定、生物诱捕及沉积物取样等技术。描述了深渊着陆器在马里亚纳海沟开展的试验和科考应用,验证了着陆器及采样技术的可行性、有效性及其对深渊科考的适用性,并取得了多项科考成果。

马里亚纳海槽玄武岩K-Ar地质年代学及地球化学研究

对马里亚纳海槽弧后扩张脊上所采集的玄武岩样品进行了系统的 K- Ar定年和微量元素及稀土元素地球化学特征研究。指出马里亚纳海槽的张开及其与之相伴的玄武岩浆活动至今仍在进行 ,海槽的半扩张速率可能为 2 .0～ 2 .5 cm/ a。同时 ,海槽玄武岩年龄在空间上具有从南到北逐渐变新的演化规律。地球化学特征指示 ,地幔岩的部分熔融程度是控制海槽区玄武岩地球化学性质差异的主要机制。岩石学和微量元素地球化学特征及其随纬度的规律性变化 ,指示海槽区玄武岩的岩浆是由具有 N- MORB源区性质的热区地幔物质由南到北在不同深度经不同程度的部分熔融而形成的。同时 ,由南到北其岩浆源区受到了来自俯冲板块富含水及 L IL 流体的不断加深的交代作用影响。据此 。

马里亚纳前弧南部橄榄岩的蛇纹石化

对马里亚纳前弧南部的蛇纹石化橄榄岩特征进行了岩石学和矿物化学研究,揭示了马里亚纳前弧南部橄榄岩的蛇纹石化过程,并探讨了蛇纹石矿物仅仅只出现利蛇纹石的原因.对比于马里亚纳蛇纹岩海山,马里亚纳前弧南部的蛇纹石化橄榄岩具有其特有的特征:其蛇纹石化橄榄岩的组成矿物主要为橄榄石、角闪石和尖晶石,以及蛇纹石、绿泥石和滑石,缺乏磁铁矿和水镁石,同时出现了滑石;此外,蛇纹石矿物类型单一,为利蛇纹石.通过对矿物化学以及矿物相关关系的研究,得出的结论认为:马里亚纳前弧南部橄榄岩中缺乏磁铁矿的原因是由于其蛇纹石化作用还未进行完全,橄榄石中Fe端元组分没有形成磁铁矿,而是进入蛇纹石和水镁石形成了富Fe的蛇纹石和水镁石;岩石中没有观察到水镁石是由于水镁石在富SiO2条件下不稳定,后期富SiO2流体与其进一步相互作用形成了蛇纹石;滑石的出现是后期富SiO2流体与蛇纹石相互作用的结果.而蛇纹石矿物只出现利蛇纹石的原因,是由于研究区的温压条件不足以满足叶蛇纹石的形成条件要求(叶蛇纹石的形成温度>500℃),虽然利蛇纹石和纤蛇纹石在形成温度上有很大的重叠,但二者在产出模式和形成条件上的差异,如马里亚纳前弧南部橄榄岩中更有利于利蛇纹石形成的干燥、低渗透性和孔隙度的环境、以及蛇纹石化处于初级阶段的实际情况等,就决定了利蛇纹石出现而纤蛇纹石缺失.

马里亚纳海槽玄武岩中熔融包裹体的初步研究

对马里亚纳海槽玄武岩斜长石和橄榄石斑晶中的熔融包裹体进行了镜下观察和均一化测温实验。镜下观察表明,斑晶中结晶质熔融包裹体和玻璃质熔融包裹体均较发育,具有不同的相态特征和演化程度,反映了岩浆被捕获处不同的地质条件。捕获在橄榄石和斜长石斑晶中的包裹体均一化测温结果分别为1035～1100℃和1050～1145℃,比利用玄武岩全岩化学成分计算的矿物结晶温度结果低100℃左右,反映了斑晶矿物结晶的多期性。根据本次实验结果,结合马里亚纳海槽的构造背景和地质资料,对研究区玄武岩浆的运移过程进行了探讨。

马里亚纳海沟“挑战者深渊”最深点水深探测

摘要：2011～2012年，海洋六号船采用EMl22多波束测深系统在马里亚纳海沟最深海域“挑战者深渊”进行的多波束水深测量，通过对测深资料进行分析处理，获得了高精度海底地形图，揭示了马里亚纳海沟挑战者深渊附近海底地形呈近东西向延伸，有西部、中部和东部三个洼地，它们由10800m等深线圈闭，长轴方向与海沟方向一致。洼地底部水深大于10900m，地形较为平坦。三个洼地最深区域分别由10916m、10904m和10915m等深线圈闭。三个洼地最大水深为10917m（误差小于20m），位于西部洼地内，中心位置为142°12．14’E，11°19．92’N°该处也是马里亚纳海沟最深点。

马里亚纳海槽玄武岩岩石学

马里亚纳海槽岩石学的研究表明本区岩石属基性的玄武岩,又细分为洋底玄武岩(OFB)和钙碱玄武岩(CAB)。微量元素相对球粒陨石标准化数值特征:除了Sc、Ti,V外,其它过渡元素都有亏损,Cr、Ni出现了明显负异常,Ti相对较富集,稀土元素(REE)表现富集型的型式;同位素测试结果,εNd(0)=6.9。可以认为这些玄武岩是上幔岩的局部熔融形成的岩浆沿着扩张中心喷溢到海底,而形成的新生洋壳。