GeoPRISMS執(zhí)行計劃簡介＊

編者按：大陸邊緣是地球碳?xì)浠衔锖徒饘俚V產(chǎn)資源形成的重要場所，同時也是地震、火山、滑坡等災(zāi)害的多發(fā)地，此外，大陸邊緣附近還擁有當(dāng)前最高的人口密度。因此，大陸邊緣具有很高的社會和經(jīng)濟(jì)重要性。美國國家科學(xué)基金會（NSF）于1998年啟動大陸邊緣研究（MARGINS）計劃，該計劃于2010年結(jié)束，并取得可喜成績。之后，NSF在2012年啟動“裂谷與俯沖邊緣的地球動力學(xué)過程”（Geodynamic Processes at Rifting and Subducting Margins，GeoPRISMS）計劃及其項目征集工作。2013年12月，GeoPRISMS執(zhí)行計劃（Geo－PRISMS Implementation Plan）發(fā)布。在此，我們對GeoPRISMS執(zhí)行計劃中的研究區(qū)域及其將探討的具體科學(xué)問題做一簡要介紹，以便相關(guān)人員能更好地了解該計劃的實施。

GeoPRISMS計劃包含2個涉及面非常廣的綜合性計劃，根據(jù)研究對象的構(gòu)造背景，這2個計劃可區(qū)分為：俯沖循環(huán)和變形（Subduction Cycles and Deformation，SCD）計劃以及裂谷形成和演化（Rift Initiation and Evolution，RIE）計劃。每個計劃分別針對不同的關(guān)鍵科學(xué)問題，其實施的具體目標(biāo)區(qū)域與將解決的具體問題如下。

1 SCD計劃

1．1 阿拉斯加／阿留申大陸邊緣（Alaska／Aleutian Margin）

阿留申—阿拉斯加俯沖帶（Aleutian－Alaska subduction zone，AASZ）及其相關(guān)島弧是北美最活躍的構(gòu)造區(qū)，該區(qū)是研究巖漿弧、構(gòu)造以及島弧火山在大陸地殼演化中的作用的理想地點，同時也是研究地震過程和地震周期的理想?yún)^(qū)域。SCD計劃在該區(qū)的研究主題包括：

（1）地震周期和震級的變化。

（2）斷層行為特征的系列研究。

（3）多個地震周期的發(fā)展歷史。

（4）長期形變與地震周期之間的關(guān)系。

（5）揮發(fā)物、流體、熔化物的儲存、運輸和釋放。

（6）俯沖運動的地球化學(xué)產(chǎn)物和大陸地殼的初始形成。

（7）地殼對火山作用的控制。

（8）物質(zhì)流動（沉積物、冰）及其對俯沖帶邊緣結(jié)構(gòu)和演化的控制作用，以及對俯沖動力學(xué)的影響。

（9）俯沖運動在阿拉斯加半島和阿留申島弧下方的產(chǎn)生。

SCD計劃在AASZ有多個研究區(qū)，研究重點各不相同：

（1）阿留申島?。ˋleutian Island Arc）：通過對中新世及更為古老的火山巖和深成巖的研究，并結(jié)合對島弧巖石圈的地球物理成像，研究島弧地殼的結(jié)構(gòu)、組成及演化歷史。

（2）阿拉斯加半島（Alaska Peninsula）：確定控制大型逆沖地震時空分布格局的過程，以及大型逆沖地震的破裂范圍。

（3）庫克灣（Cook Inlet）：該區(qū)為研究大型和小型慢滑事件及相關(guān)的震顫，震后瞬間變形等提供了很好的機(jī)遇，重點研究內(nèi)容是大型逆沖斷層的滑移行為，特別是瞬間滑移（transient slip）。

1．2 卡斯卡迪亞大陸邊緣（Cascadia Margin）

卡斯卡迪亞大陸邊緣為解決SCD計劃的所有主題均提供了機(jī)遇，但是，更適合于研究幕式震顫與滑移（ETS）的特征和起源，以及其與大型逆沖地震之間的關(guān)系。將開展的研究包括：

（1）大型地震、地震閉鎖及ETS研究。

（2）俯沖板片溫度與含水量之間的矛盾。

（3）揮發(fā)物在大型逆沖斷層耦合／解耦中的作用。

（4）地殼和上地幔深部的物理特征成像。

（5）熔巖和火山碎屑的組成及火山分布沿走向所發(fā)生的變化。

（6）卡斯卡迪亞俯沖帶沿走向所呈現(xiàn)出的各個分段的特征。

（7）卡斯卡迪亞下方的俯沖運動的產(chǎn)生和Siletzia地體的起源。

（8）沉積物的形成、運輸對增生和侵蝕的長期與短期作用。

（9）地震和濁流物記錄。

（10）古大地測量（Paleogeodesy）在卡斯卡迪亞地區(qū)的應(yīng)用。

（11）周邊地質(zhì)省在卡斯卡迪亞俯沖帶形成和演化中的作用。

1．3 新西蘭

新西蘭是GeoPRISMS計劃俯沖帶研究的重要區(qū)域，SCD計劃的各關(guān)鍵問題均可在新西蘭的一些具體區(qū)域得到解答。研究的主要科學(xué)問題包括：

（1）俯沖運動產(chǎn)生和島弧早期演化在地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)及地球物理學(xué)方面的響應(yīng)有哪些，這些響應(yīng)又如何影響俯沖帶的演化？

（2）巖漿和揮發(fā)物的來源及其出現(xiàn)于島弧和弧前環(huán)境的路徑是什么，這些過程又如何與上部板塊的延伸發(fā)生相互作用？

（3）哪些因素控制著俯沖帶逆沖斷層的滑動行為及其空間變化？

（4）氣候、沉積和弧前形變之間的反饋是什么？

具體而言，SCD計劃在新西蘭有多個研究區(qū)，研究重點如下：

（1）Puysegur海溝：識別并研究與俯沖運動產(chǎn)生過程中的地球動力學(xué)有關(guān)的重要物理參數(shù)。

（2）Hikurangi邊緣：沿俯沖帶大型逆沖斷層的滑動出現(xiàn)范圍限制的原因及結(jié)果。

（3） 陶 波 火 山 帶 （TauPo Volcanic Zone）：來自地幔的鎂鐵質(zhì)物質(zhì)流轉(zhuǎn)化為大量流紋質(zhì)巖漿的過程，火山作用與上部板塊延伸發(fā)生相互作用的本質(zhì)。

（4）Kermadec島?。貉芯颗c俯沖運動產(chǎn)生和之后的島弧環(huán)境演化有關(guān)的構(gòu)造、地層和火山作用。

1．4 專題研究

（1）確定斷層滑動的控制因素及其變形歷史。

（2）了解地幔楔動力學(xué)。

（3）弧前和弧后環(huán)境中的揮發(fā)通量。

（4）俯沖帶深部的變質(zhì)與火成條件及其過程。

（5）俯沖運動的產(chǎn)生。

2 RIE計劃

2．1 東非大裂谷系統(tǒng)（East African Rift System）

東非大裂谷存在著各種各樣的裂谷過程，并表現(xiàn)出了多種裂谷特征，這為RIE計劃的開展提供了良好的條件。東非大裂谷有幾個分支，其中東支裂谷是主裂谷，此外還有西支裂谷和東北部的Afar裂谷與Ethiopian裂谷。在各裂谷將開展的主要研究總體如下：

（1）上地幔柱存在與否對斷層伸展的影響。

（2）大陸巖石圈力學(xué)不均勻性對裂谷形成、及其形態(tài)和演化的影響。

（3）應(yīng)變在整個巖石圈的累積和分布過程，以及應(yīng)變局部化和遷移的控制因素。

（4）巖漿和揮發(fā)物累積與分布的控制因素，以及這些因素與伸展斷層系統(tǒng)的關(guān)系。

（5）在大陸或盆地尺度上的裂谷地形對區(qū)域氣候的影響及其有關(guān)反饋過程。

2．2 北美大陸東部邊緣（Eastern North American Margin）

大陸破裂的巖漿證據(jù)、預(yù)先存在的巖石圈板塊、裂谷作用的持續(xù)時間等優(yōu)勢使北美大陸東部邊緣在認(rèn)識裂谷過程中具有重要作用。RIE計劃在該區(qū)的研究涉及幾個重要區(qū)域，包 括 Charleston、Richmond－Philadelphia、Nova Scotia。將開展的主要研究如下：

（1）構(gòu)造和巖漿繼承（magmatic inheritance）對裂谷作用和裂谷演化的影響。

（2）巖漿活動在裂谷、大陸裂解和后裂谷期巖石圈演化中的作用。

（3）大陸裂解、與裂谷作用相關(guān)的巖漿活動和中大西洋巖漿省（Central Atlantic Magmatic Province）之間的關(guān)系。

（4）流入和流出沉積楔的物質(zhì)流動和元素流動。

（5）近?；碌目刂埔蛩丶捌浞植?。

（6）后裂谷期邊緣演化、驅(qū)動力和響應(yīng)：沉降、地貌演化、侵蝕、沉積。

（7）北美大陸東部邊緣內(nèi)的地震災(zāi)害與裂谷構(gòu)造之間的關(guān)系。

（8）認(rèn)識被動邊緣的沉積記錄：出露與埋藏的邊緣沉積序列的比較。

2．3 專題研究

（1）裂谷傾斜性。

（2）裂谷過程與應(yīng)變速率之間的關(guān)系。（3）裂谷作用過程中的揮發(fā)物。

（4）裂谷期、裂谷后期的沉積物生成和運輸及其路徑。

（5）裂谷邊緣的離散事件。