一、 已开展的研究工作

1、项目实施方案执行情况

按照项目计划实施方案执行较为顺利，目前已完成：

（1）马里亚纳海沟岩石的分析测试，正在着手建立马里亚纳俯冲带南段俯冲板块的岩石层序，并尝试探讨西南马里亚纳裂谷岩浆活动的成因。（2）已经开展被动源OBS 数据、挑战者深渊多波束数据处理，正在进行天然地震层析成像、宽角折射地震反演成像，尝试获取马里亚纳俯冲带俯冲板块的深部速度结构。（3）正在筹备参与马里亚纳海沟的深渊岩石取样和地球物理探测航次。

2、与西太计划其他项目的交流合作情况

暂无。

3、获得数据及其在项目研究中的意义

本年度通过多个渠道获得研究区：水深数据、重力异常数据、沉积厚度数据、天然地震数据、地热数据等，同时还申请到项目依托单位在马里亚纳海沟所采集的岩石、沉积物样品，和多波束测深、被动源OBS等地质-地球物理数据。这些数据对于研究马里亚纳海沟俯冲系统岛弧地壳增长率、洋壳的挠曲分段性、初始俯冲倾角差异变化以及始裂谷岩浆活动成因均有巨大的帮助。

二、 取得的主要研究进展

1. 开展了研究区内西南马里亚纳裂谷（西马里亚纳海岭和弧前地块之间，马里亚纳弧后扩张中心末端）的部分样品的全岩分析测试工作，揭示了弧后地区的岩石学特征。

岩石学特征分析结果表明，构造位置在马里亚纳弧后扩张中心末端、目前可能处于构造张裂阶段的西南马里亚纳裂谷的岩浆岩表现出特别的高钾含量，并且显示出类似岛弧岩浆的特征，其地幔源区是受到俯冲组分强烈改造的地幔楔，俯冲组分可能是来自俯冲板块深部的沉积物熔体。计划下一步将依照研究内容对研究区内的岩浆活动形成时间和机制，以及所反映的俯冲流体、地幔楔组成特征、流体对地幔楔的交代作用等进行详细研究。

下一步将根据代表性样品的年代学（磷灰石U-Th-He定年）和同位素组成数据，建立西南马里亚纳裂谷岩石成因模型。

2. 开展了研究区区域地震层析成像工作，查明了马里亚纳海沟南端的岩石圈结构，发现了地幔楔存在部分熔融

我们使用地震层析成像获取马里亚纳端俯冲带最南段上地幔的速度结构。使用了11台海底地震仪，3700多个道时，确定三维Vp和Vs结构。该区域俯冲板的P波和S波速度比正常地幔高2~6%，Vp/Vs较低，在50～100km的深度范围内平均倾角为45º。此外，我们的速度图像还为俯冲板顶部从海沟到残余弧的地幔楔区的速度异常提供了新的线索。我们在西南马里亚纳裂谷、西马里亚纳海脊和弧前下方的地幔楔中观察到较慢的速度异常。在弧前外侧，在浅于50公里的深度处观察到低速异常，表明地幔蛇纹石化和水的存在。此外，在弧前块体中心部分下方40–60 km的深度处观察到一个熔体产生区，这表明该区域可能存在熔融过程。

3. IBM岛弧岩浆产率数值模拟研究，根据熔体析出数量与岩浆活动时间的比值计算得到基于数值模拟方法的大洋岛弧地壳岩浆产率

为了揭示岩浆产率沿走向发生明显变化的原因，根据俯冲构造与材料参数构建各自的岛弧岩浆作用数值模型，基于数值模型从理论上探究大洋岛弧地壳岩浆产率的主控因素并分析其影响机制。根据岩浆产率的物理意义，沿着数值模拟剖面的岩浆产率值就是地幔熔体析出数量与岩浆活动时间的比值。根据岛弧地壳岩浆作用过程，估算地幔熔体析出数量时需要进行俯冲带温度建模、板片脱水数量计算和地幔熔融程度建模。通过CitComS模拟俯冲带温度结构演化；结合矿物相图和俯冲板片的温度-压力路径，可以评估俯冲板片脱水情况；根据地幔温度和俯冲板片脱水数量来模拟地幔熔融程度；在熔体析出阈值的约束下，根据熔地幔熔融程度建模结果估算地幔熔体析出数量；最后，根据熔体析出数量与岩浆活动时间的比值计算得到基于数值模拟方法的大洋岛弧地壳岩浆产率。

建立了相应的建模计算方法：俯冲带温度建模方法；俯冲板片脱水分布建模方法；地幔熔融程度建模方法；岛弧地壳岩浆产率计算方法。

4. 开展了IBM岛弧岩浆产率控制机制研究，俯冲板片形态的明显变化导致地幔温度和地幔中水的重量比沿走向的变化，进而导致地幔熔融程度存在差异，最终使岩浆产率发生变化

根据岛弧地壳岩浆产率变化趋势和实际地质背景，将伊豆-博宁-马里亚纳岛弧系统从北到南划分为五个部分：伊豆、博宁、北马里亚纳、中马里亚纳和南马里亚纳。由于小笠原洋底高原俯冲的影响，博宁区域的岩浆产率值可能被高估。因此，当不考虑因高原俯冲导致的博宁区域岩浆产率极值时，伊豆-博宁和北马里亚纳部分的岩浆产率变化趋势并不明显。其它两个区域的岩浆产率变化更为明显：在中马里亚纳区域，岩浆产率值先有增大趋势，随后在主体部分呈下降趋势；在南马里亚纳区域，岩浆产率整体上呈现增大趋势。

从岛弧地壳岩浆的形成过程来看，水从俯冲板片中释放并向上覆地幔的迁移主要取决于俯冲板片中含水矿物的稳定性，当含水矿物达到变质的临界温度和压力条件时，它将转化为干矿物并释放水；水进入地幔区域后降低了固体地幔的最低熔融温度，当地幔温度高于含水地幔的最低熔融温度时，地幔将部分熔融，熔融的地幔将贡献给岛弧地壳岩浆增生。因此，地幔温度和俯冲板片脱水分布是影响地幔部分熔融和岛弧地壳岩浆作用过程的关键因素；而俯冲板片脱水还受到俯冲板片温度的控制。因此，从理论上来看，当地幔温度和俯冲带温度统称为俯冲带温度时，大洋岛弧地壳岩浆产率应直接受到俯冲带温度的影响。

俯冲带温度本质上受到汇聚速率、俯冲板片年龄和俯冲板片形态等俯冲参数的影响。中马里亚纳岛弧走向上俯冲板片形态变化明显，数值模型结果显示岛弧走向的地幔温度和地幔中水的重量比都有较为明显的差异；因此，中马里亚纳俯冲带温度对其岩浆产率的影响机制为：俯冲板片形态的明显变化导致地幔温度和地幔中水的重量比沿走向的变化，进而导致地幔熔融程度存在差异，最终使岩浆产率发生变化。

5. 基于数值模拟，揭示了马里亚纳俯冲带及其邻区岩石圈有效弹性厚度

模拟结果表明，马里亚纳海沟的北段整体以低角度俯冲；中段由于海山的侵入作用，主要俯冲角度变化特征为高-低-高；南段整体以较高的角度进行俯冲。区域内太平洋板块的岩石圈强度较大，整体要强于卡罗琳板块以及菲律宾海板块。滑动窗口导纳法计算的Te 要高于挠曲模拟计算的Te，可能与滑动窗口导纳法的大窗口平滑作用与模型未考虑板块的横向变化作用力有关；板块的初始俯冲角度与有效弹性厚度、挠曲位置的相关性差，与海沟轴挠曲与挠曲幅度有一定的相关性，不过海沟轴挠曲相关性强于挠曲幅度。太平洋板块西部的海山区域的较弱岩石圈强度可能与以伊豆-小笠原海台特殊的地幔源、麦哲伦海山链多期的火山作用有关；帕里西维拉海盆东西两侧不均匀的岩石圈强度分布可能与海盆的不对称性扩张、岩浆分布以及九州-帕劳海脊的扩张有关；卡罗琳板块的低岩石圈强度主要与雅浦海沟的热点与卡罗琳板块的俯冲有关。俯冲带板块浅部脱水模型显示，水分可以从洋壳、沉积物中析出，湿润周边的地幔物质并形成部分熔融，进而发育较为强烈的岩浆作用，形成火山弧。水分通过由于俯冲导致板块弯曲形成的张性断裂或裂缝渗流或渗透到俯冲带深部的干镁铁质和超镁铁质的岩石中，是俯冲带水化的重要途径之一。卡罗琳洋底高原张裂形态受到深部岩浆活动和马里亚纳俯冲带远程拖曳力的共同作用，二者先后交替活动，定量评价二者的控制性作用，仅仅依靠温度和拉张速率两个条件还不足以完全解决，后期仍需岩浆侵入模块的进一步研究。

6.基于深度学习的深海收集器悬浮物二次预测模型

近年来，深海开采受到了广泛关注；然而，深海开采过程中产生的沉积物悬浮物对环境造成了重大问题。了解悬浮物的演变和传输对评估其环境影响至关重要。尽管缺乏有关悬浮物传输和扩散的研究，数值模拟结果与观测结果仍存在不一致的情况。在本研究中，我们提出了一种名为SEDSEQ的深度学习模型，用于对深海收集器悬浮物进行二次预测。该模型将悬浮物观测数据、数值模拟结果和其他相关多源数据进行整合。我们利用各种评估指标对模型的优化性能进行评估，使用包含不同数据集的验证集进行测试。结果表明，通过SEDSEQ模型优化的悬浮物浓度预测明显优于数值模拟，至少提高了25%。此外，我们还评估了不同观测站点的优化结果。研究结果表明，SEDSEQ成功优化了悬浮物模型，在深海环境中提供了一种新的悬浮物模拟方法和思路。

三、对解决西太计划关键科学问题的贡献

（1）俯冲板块的俯冲历史和归属；

研究结果表明，西南马里亚纳裂谷具有类似岛弧岩浆的特征，其地幔源区是受到俯冲组分强烈改造的地幔楔，俯冲组分可能是来自俯冲板块深部的沉积物熔体，这对查明俯冲板块归属具有重要指示意义。此外，研究区下方的地幔楔观察到速度异常，弧前外侧深处低速指示地幔蛇纹石化和水的存在，弧前块体中心下方深部存在熔体产生区，可能存在熔融过程，这说明西太俯冲板块俯冲过程中可能存在熔融过程。

（2）俯冲板块对浅部俯冲过程的约束及挑战者深渊的成因。

通过IBM岛弧岩浆产率数值模拟研究，根据熔体析出数量与岩浆活动时间的比值计算得到了基于数值模拟方法的大洋岛弧地壳岩浆产率，表明了俯冲板块对浅部俯冲过程中岩浆产出的控制作用。基于数值模拟，揭示了马里亚纳俯冲带及其邻区岩石圈有效弹性厚度，厘清了马里亚纳海沟各段的俯冲特征，对研究区不同板块岩石圈强度与岩浆活动、俯冲运动的关系有了新的认识，这有助于进一步了解马里亚纳海沟形成历史，并探究挑战者深渊成因。