摘要 俯冲带是地球上构造活动最复杂、最强烈的区域，也是地球物质循环系统的重要组成部分，对俯冲带的深入研究有助于加深我们对地球系统科学的认识。通过系统地梳理分析国内外相关文献，大洋岩石圈通过在汇聚板块边界的俯冲将大量水带入到地幔中，并对俯冲带地震的发生、地幔的熔融、岩浆的产生、陆壳的形成乃至矿产资源富集都起到了重要的控制作用。弧前隆起区的岩石圈地幔在顺断层渗透的深海水作用下发生强烈水化作用并形成水化地幔,是水富集在岩石圈的主要方式之一。随着俯冲板片深度的增加，在一定的温压条件下，水化地幔(即蛇纹岩)发生脱水相变，引发俯冲带中源地震。脱出的水则由于运移的差异，既可以产生板内的水压致裂，也会影响俯冲界面的耦合，进而导致慢滑移地震区的形成。由此可见，俯冲带地区深海−岩石圈流体交换及其在深部的效应是一个包含化学反应−温度−流体流动−应力变形/破坏的多物理场耦合的复杂动力学系统。然而，目前的相关研究工作主要侧重于对其中某个因素、现象或者某个特定条件下具体过程的探索性观测分析研究。因此，我们需要从地球系统科学的角度出发，将流体运移、化学反应与传统的固体地球研究相结合，着眼于多学科交叉的多场耦合动力学综合研究，对俯冲带地区深海 −岩石圈流体交换及其效应的进行多时空尺度定量化表征和分析。
关键词 俯冲带;流体交换;相变反应;流体运移;多场耦合动力学
0 引言
作为威尔逊旋回的衰退阶段，大洋板块沿汇聚板块边界俯冲到大陆板块之下是形成俯冲带的重要地质过程之一。俯冲带是洋壳和地幔岩石圈重新回到地幔并与地幔重新平衡的地方，它不仅是地球上最大的物质循环系统，也主导着地球内部的构造模式，构成了规模巨大且极其复杂的地球内部系统[1]。俯冲带不仅经历了长时间的演化过程，形成了现今复杂的大地构造格局，同时也是自然灾害(地震、海啸、海底滑坡等)孕育主要场所，目前地球上最大和最活跃的这些自然灾害链都受到俯冲作用的控制和影响[1-5]。对俯冲带的演化及其现今的构造活动的研究不仅可以加深我们对地球系统科学的认识，还可以提高对汇聚板块边界大型自然灾害(如地震)的预警能力，降低沿海人口稠密的经济区的风险，因此一直是地学研究领域的热点问题。
基于目前研究结果，俯冲系统可概括为一个温度-流体流动-应力变形/破坏-化学反应的多物理场耦合的动力学系统(Thermo-，hydro-，mechanical-，chemicalreactionand their couplings，THMC)。除了俯冲过程中强烈的应力变形/破坏作用，越来越多的研究者认为俯冲板片中的水在岩浆的产生、地震的孕育、矿产资源乃至陆壳的形成中都起到了关键的控制作用[6-10]。大洋岩石圈通过俯冲作用将挥发物，特别是大量的水携带到地幔中[6, 11-13]。板块俯冲过程中与水有关的地质过程可分为三类：(1)水在大洋岩石圈中的储存;(2)含水板块的俯冲;(3)板块脱水导致大陆地幔水化[6]。随大洋板块进入俯冲带的水一般存在于：(1)大洋沉积覆盖层[14];(2)蚀变玄武岩与轻微水化的镁铁质地壳[15];(3)强烈水化的蛇纹岩地幔[12, 16-18]中。通常认为，沉积物中的水在 3~5 km 深度的埋藏压实作用下已基本排出[19-22]。因此，对俯冲带深部产生影响的水一般以分子水或者结构水的形式储存在岩石或矿物中[7, 23]，它们随着俯冲过程中矿物的相变被释放出来，沿多孔介质或断层裂隙向上运移，最终导致包括俯冲板片物理性质差异、俯冲带地震活动、俯冲带热演化以及大陆地幔物质分异等一系列多物理场(THMC)耦合变化。在这个过程中，由于蛇纹岩较高的含水量(>13 wt%)[24, 25]，蛇纹岩相变脱水被认为是俯冲带水的主要来源[17, 18]。
近年来，越来越多的国内外学者开始认识到，对进入地幔的俯冲板片的水化程度及随后的矿物相变脱水进行示踪，是整个俯冲带研究的核心内容之一，这对于分析地球历史中的俯冲过程以及俯冲地震事件的震源机制具有重要意义。为此，本文旨在从俯冲板块的主要水化机制、俯冲过程中蛇纹岩的相变脱水以及流体在板块内运移产生的效应三个方面进行梳理，总结归纳了俯冲过程中流体运移及其效应，希望能够为后续的相关研究提供有益的参考。
1 俯冲带前缘深海-大洋岩石圈流体交换
目前的研究认为，大洋岩石圈的水化作用可以发生在板块的形成、运动以及俯冲过程中[6]，主要有以下四种方式：(1)当新的大洋板块在洋中脊形成时，由于岩浆活动和洋壳的广泛破裂，导致了强烈的热液系统，这会在大洋岩石圈的浅部形成含水矿物[26-28];(2)洋中脊附近的转换断层的频繁活动也会促使海水沿着断层进入洋壳，并在断层上形成水合矿物[29, 30];(3)在热点与火山脊区域，上升的含水量较大的地幔柱和超级地幔柱会导致岩石圈中深部的水化作用[27, 31];(4)俯冲带前缘隆起区的深海-大洋岩石圈的流体交换作用。其中，最受关注的是俯冲带前缘隆起区的流体交换-水化作用。海底测深和地震反射剖面的结果显示，在海沟前缘的大洋板块上发育有大量的平行海沟的正断层[32](图 1a，b)，并且随着大洋板块接近海沟，正断层的数量随之增加[33, 34]。这被解释为当大洋岩石圈开始向大陆岩石圈下方俯冲时，在大洋岩石圈自身的重力以及和大陆岩石圈之间的强烈挤压应力的作用下，大洋岩石圈在下沉俯冲进入海沟前会首先发生弯曲变形。这种弯曲变形产生的应力会导致大洋岩石圈的上部发生脆性伸展并形成地壳尺度的正断层[32, 35, 36]。海水将沿着这些正断层进入大洋岩石圈，然后在断层上形成含水矿物，甚至沿着断层迅速渗透到大洋岩石圈地幔，使地幔寄主岩石(橄榄岩)发生蛇纹石化作用并形成水化地幔[32, 34, 37-39]，并且改变大洋岩石圈的流变学性质[18, 40]。近年来，在弧前隆起区，地震反射剖面中揭示的正断层结构(解释为由于破碎/蚀变的和完整的/干大洋岩石圈之间的声阻抗差异导致)(图 1c 中的黑色箭头)[33]、随着板块接近海沟而降低的地震波波速(图 1d)(低 Vp，高 Vp/Vs)[6, 41-44]以及主动源电磁探测发现的低电阻率水化通道[45-47](图 1e)均证实了这一观点。Faccenda[6]统计了前人观测到的全球海沟前缘低地震波速异常后，认为这种大洋岩石圈的水化现象在俯冲带十分常见，尤其在中美洲、南美以及西太平洋地区普遍发育。值得注意的是，洋中脊或者海底热点火山链的俯冲以及海沟的弯曲都会导致海沟前缘隆起区的断层不再平行于海沟，而与海沟成大角度相交，这将导致断层通道发生差异性变化进而改变板块的水化程度[48, 49]。
数值模拟的结果表明，与板块弯曲有关的水化通量是俯冲带的水的主要来源，所有其他的来源(沉积物、孔隙流体、大洋中脊的洋壳蚀变)与之相比都相形见绌[34, 50]。当然，模拟结果还表明大洋板块在海沟前缘隆起区的水化程度还受到不同的大洋板块年龄、大洋沉积物的厚度、俯冲速度、界面耦合的程度(俯冲角度)以及隆起程度导致的板块张力大小的影响[50]。
2 水化地幔的相变脱水效应
随着水化板块的继续俯冲，温度与压力状态也随之增加，这激活了相关矿物的一系列化学反应，使得水化板块中的矿物开始发生相变脱水。由于涉及的矿物众多，使得板块脱水的机理十分复杂[7, 51]。Faccenda[6]对含水矿物的化学进行了详细的整理，Zheng[7]也已经做过有关不同矿物相变脱水以及板片熔融的详细综述，这里就不再赘述。由于地幔橄榄岩的蛇纹石化(水化作用)极大的改变了俯冲板块的水储量，而这些水随着俯冲作用被带入了俯冲带更深的位置[52]，因此本文只关注弧前隆起区形成的蛇纹岩(即水化地幔)在俯冲带深部的温度压力条件下发生相变脱水到产生的一系列效应。目前的研究认为，蛇纹岩脱水控制着俯冲板块局部流变学的变化以及俯冲带中深部地震的孕育[24, 52-54]。
当俯冲带深度超过岛弧莫霍面的深度(约 40 km)时，俯冲板块完全接触大陆岩石圈地幔，此时的温压条件会使局部的蛇纹岩发生脱水并相变为橄榄岩[55, 56](图 2)。一般认为，压力和温度的增加有利于韧性变形而不是脆性破坏，因此由突然的脆性剪切破坏产生的地震应该被抑制[57, 58]。然而，贝尼奥夫带的发现证明，在更高的温度和压力下，俯冲板块也会发生局部脆性破坏。大量的蛇纹石粉末样品和蛇纹岩样品(含利蛇纹石、叶蛇纹石、温石棉及磁铁矿和水镁石等副矿物)的高温高压实验表明，尽管纤/利蛇纹石的韧性随着围压的增加而增加，但由于温度升高引起的蛇纹石脱水相变(利蛇纹石向叶蛇纹石的转变)使其韧性反转为脆性，甚至使得叶蛇纹石完全进入脆性区域，这被称为“脱水脆化”[52, 53, 59-62]。蛇纹石脱水相变改变了俯冲板块局部的流变学特征，进而可能改变了高温高压条件下俯冲带物质的变形特征及应力-应变行为关系，乃至于俯冲板块内部断层多场耦合摩擦动力学行为[24, 63](图 3)。
不仅如此，脱水过程可能伴随着岩石体积变化。如果发生在相对低温而坚硬的岩石中，即在低渗透率下，可能导致因反应诱导的脆化和水力压裂[64, 65]。通过蛇纹岩的脱水和摩擦实验，Proctor 和 Hirth[66]发现岩石的弱化速率强烈依赖于孔隙流体压力，这说明脱水过程可能伴随着体积应变，进而可能导致水力压裂的效果[67]。高孔隙压力可能会降低摩擦断层的强度，从而触发中等深度地震[68]。数值模拟结果显示，流体产生的孔隙压力可以导致周围的基质矿物发生水力压裂，并沿着基质晶界产生裂缝并发生扩展[69]。因此，对蛇纹岩相变脱水的研究可以帮助我们提高对俯冲带地震震源机制的认识。
3 流体在俯冲带内的运移效应
相变产生的流体在俯冲板块内并不是固定不动的，相反，由于流体的黏度较低，如果存在压力、温度或体积化学梯度的条件下，流体会很容易在板内孔隙/裂隙内运移(图 4);而且在流体运移过程中，总是伴随着一系列的物理化学反应。高温高压条件下流体运移的相关研究表明，脱出的流体可通过因高孔隙压力导致渗透率增大的孔隙网络渗流，也可聚集在渗透率较高的通道中(如局部流体超压、构造过程以及水化引起的局部应力集中产生的裂隙)[9, 66, 67, 70-73](图 3);而板块内部断层系统的较小晶粒尺寸与围岩产生的差异可能会导致水在高温高压条件下沿板内断层富集，进而导致含水断层的再活化以及某一断层在应力作用下错动后，断层之间的应力传递[74](图 5)。
除了流体生成运移过程中产生的水力压裂以及流体运移前端的局部强度降低、应力传递等一系列影响俯冲带动力学行为的事件外，在流体的运移过程中，也总是伴随着溶解与沉淀等化学反应。伴随流体流动的矿物溶解/沉淀反应可能会导致反应区孔隙及渗透率的变化，甚至形成反应性通道的形成进而影响周围区域的流体运移、化学反应和热反应[76, 77]。由于大部分化学反应的相关证据都可保留在高压变质岩中，Wassmann 和 Stöckher[78]对高压变质岩中溶解沉淀蠕变(Dissolution precipitation creep，DPC)的理论、观察和实验进行了非常详细的回顾并得出结论，俯冲带中的溶解/沉淀反应会制约板块边界的条件、板块的流变性和流体的流动方式。它不仅会产生扩张性裂缝，促进流体流动，而且还会导致裂缝愈合或封闭。
除了上述的板内流体运移效应之外，在板块耦合界面孕震带的下倾方向观测到的一系列伴随小地震或震动的幕式震颤和慢滑移现象(Episodic tremor and accompanying slow slip，ETS)也被认为与蛇纹岩脱出的流体发生的运移相关。目前通过地震反演、电阻率测试等观测手段，研究者们普遍认为孔隙压力的增加导致该地区应变强度的衰减，从而改变了脆性破裂和界面上的滑动摩擦机制[9, 79, 80]。而临近地幔楔的高温环境中蛇纹石变质脱水反应释放的流体被认为是该地区高孔隙流体压力的主要来源[80, 81]。通过数值模拟，Gao 和 Wang[8]还提出从地幔楔运移上来的流体中的 SiO2会在该地区发生沉淀进而降低俯冲界面的摩擦强度，产生连续蠕变和慢滑移现象。由此可见，板内流体的运移是一个涉及多物理场变化的复杂过程。
4 结论与展望
4.1 俯冲带前缘隆起区流体交换
目前地球物理观测与数值模拟均证明了在俯冲带前缘隆起区会发生强烈的流体交换并可形成蛇纹石地幔(水化地幔)，这些进入板块的流体对于我们深刻理解俯冲带具有重要的意义。但目前的研究尚存在一些不足：由于地球物理数据集的不确定性，因此在弧前隆起区下方的岩石圈地幔，不同学者对于蛇纹石化的程度估计差异很大。Cai[42]根据海底宽带地震数据的瑞利波得到的上地幔地震图像估算了上地幔蛇纹石化的延伸范围并得出结论，对现有全球深度超过 100 km 的水通量的估算应增加三倍。此外，大量的正断层作为流体的运移通道，是否存在流体沿断层上下循环，将深部地幔的热量传递到深海并形成海底热液?这就需要将现有的观测手段(如主动源地磁探测、地震探测)的结果作为约束，发展更加可靠的多场耦合的数值模拟技术，进而更详细地定量化研究流体交换以及地幔水化的构造过程。
4.2 水化地幔的相变脱水
越来越多的研究表明蛇纹岩对于俯冲带动力学过程具有重要意义[82]。蛇纹岩相变脱水不仅会导致俯冲带深部板块的流变学发生变化，同时会形成大量的水，使得板块内部的孔隙压力提高。目前，关于俯冲带中发现的中深部地震的成因机制尚存在争议。通过对蛇纹石脱水的实验观察 Jung 等[65]提出蛇纹石的脱水脆化以及在差应力作用下的变形破坏是中深部地震成核的可靠机制，而 Proctor 和 Hirth[66]认为弱化速率强烈依赖于孔隙流体压力，高孔隙压力可能通过降低断层上的摩擦强度而有助于触发中深度地震[68]。此外，Barcheck 等[12]统计了全球 56 个俯冲带中深度(75~240 km)的地震活跃率并与 vK11 模型计算出的板块脱水通量进行了对比，结果显示二者之间并没有很强的相关性[63]，这表明观测到的地震位置可能与脱水反应的实际位置并不相符。因此，未来结合地震观测结果和相变多场耦合数值模拟或许可帮助对地震机制提出更加合理的解释。
4.3 流体在俯冲板块内的运移
水在岩石中的迁移是一个反应性传输过程，且是高度非线性的。一方面，水的加入会驱动岩石中的相变或其他化学反应，引起岩石物理性质的重大变化，包括密度及流变学性质以及孔隙度和渗透率等;另一方面，这些变化会反过来影响水的迁移过程。从目前的研究来看，流体运移过程还与地震和慢滑移的形成机制有着密切的关系。然而，目前有关流体运移的许多基于观测或实验室高压实验的结果，由于实际条件的局限性，都是从最终结果中推断出来的而非直接观测结果，具体过程或许可通过数值模拟来进一步验证。但是目前的数值模拟则通常采用简化的孔隙弹性模型，这些模型没有考虑流体流动与矿物变质、地壳变形等构造过程的耦合关系。目前常用的方法是比较某些极端条件下的变形情况，例如“尚未排出”状态和“完全排出”状态[71, 83]，因而不能很好地反应实际的情况。此外，与脱水产生的流体相关的流动路径没有得到很好的约束，定量化评估孔隙/压力/应力的时空变化还需要考虑控制流体运移的 THMC 多场耦合条件下岩石内部微观结构的变化。这需要一个新的数值模型，以便在不同的观测结果之间建立联系。
总之，目前对俯冲板块的水化、脱水和流体运移过程的有了一定的了解，但是受到多种不确定性因素的影响，例如水对岩石物性的影响，地球物理勘探分辨率和非唯一解释的影响，物理实验和数值模拟技术手段局限的影响等。考虑到目前地球物理勘探手段及数据质量的快速提高，今后有必要将实验室和数值模拟与直接测量的流体流动(物理化学过程)和孔隙流体压力资料、地震和电磁技术的高分辨率成像、大地测量和地质野外记录等资料相结合，综合利用来之不易的观测和实验数据，构建稳定高效的数值模拟方法和俯冲带不同尺度多场耦合地质计算模型，利用超级计算机对相关不确定因素进行敏感性定量化模拟分析与验证，进而探明俯冲带地区深海-岩石圈流体交换及其多场耦合效应，以便更好地认识和理解俯冲带动力学行为。——论文作者：邢会林 1,2,3, 王建超 1,3,,逄硕 1,2,3,王瑞泽 1,3,刘冬豫 1,3,马子涵 1,3,张愉玲 1,3,谭玉阳 1,2,3
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