卡罗琳高原的前俯冲加剧了马里亚纳海沟南部岩石圈的水合作用

为什么深海海沟与日常生活有关

马里亚纳海沟南部是地球上最深的地方，但它不仅仅是海底的一处极值。它是一个巨大的传送带的一部分，将水和岩石从地表带入地球深部，帮助调控火山、地震，甚至长期的海洋与大气平衡。该研究考察了当一块厚重的海底高原向海沟推进时会发生什么，以及这种情况如何改变水渗入地球内部的方式。

移动中的隐蔽海底高地

远在著名的挑战者深渊以西，是卡罗琳高原——一片由古老火山活动构建的宽广隆起海底区域。与通常较薄的海洋地壳不同，这一高原具有明显增厚、更具浮力的地基。当太平洋板块缓慢滑向马里亚纳海沟南部时，高原和邻近的常规地壳一起被拖入。作者们使用海底地震仪和研究船发射的声波，高分辨率地描绘了这段即将进入海沟板块的隐蔽结构。

用地震声波倾听地壳

通过计时地震波在板块中传播的速度，研究团队能够推断地壳的厚度与岩石状况。他们发现，沿研究剖面，地壳厚度从海沟处约7.5公里增厚到更外侧卡罗琳高原所在处的16到18公里。同时，在高原边缘与海沟之间的某些带状区域，地震波速明显变慢。这里的减速表明相比通常位于常规洋壳下方的更快、干燥的地幔，这些区域的岩石更为破碎且含水更多。

弯曲与断裂如何让水深入

当板块弯入海沟时，并不会均匀弯曲。最初出现的小断层位于远离海沟的地方，但对深部岩石影响有限。更靠近海沟处，断层变得更深，切穿整个地壳并延伸到下方地幔。这些断裂成为通路，使海水得以深度下潜并与热岩反应，将其转化为富含水分的矿物组合。研究概述了通向海沟的三个阶段：温和的浅层破裂、随后开始改变地幔岩石的更深切割，以及在海沟附近发生最强烈水合作用的剧烈断裂阶段。

高原与常规地壳之间的拉锯

厚重的卡罗琳高原的行为不同于其旁的较薄地壳。高原前方的常规地壳会形成许多密集的小断层，并表现出地震波速的大幅下降，这通常是强烈水合的信号。而高原段则形成更少但更大的断层，波速降幅较小，表明高原内部的水合程度较弱。然而，就在高原前端刚与海沟接触的地方，其刚性的前缘使弯曲变得集中，下伏地幔显示出异常低的波速。这揭示了一个相比邻近区域和世界其它俯冲带都更为强烈的富水岩石团块。

塑造海沟、火山与上方海底

这些深部差异在更浅的地方也有所反映。在高原潜入处，海沟内壁向上隆起，海沟后弧区大体保持完整，几乎没有海底扩张的迹象。而仅有常规地壳下沉的区域，内侧海沟坡更为宽广，后弧被拉伸并呈开放状态。作者认为，浮力较大的高原使其下方的下沉板段变短并变平，而东侧较长的常规地壳段则更陡地向后退，撕拉覆盖板。随着卡罗琳高原继续前行，目前在其前缘观察到的强烈、局域性水合可能会促进未来深部板块的撕裂与碎裂。

对地球含水量与地质灾害的意义

对非专业读者而言，核心信息是：巨大的海底高原像传送带上的坚硬减速带，会通过将水流集中并强化导入下沉板块的特定部分，从而决定岩石何处变弱、板块何处最终可能撕裂，以及上覆海底如何弯曲或破裂。这项工作表明，来向海沟的海底形态与强度强烈影响地球如何循环水分，以及未来地震与火山可能在这一极端板块边界上如何分布。

引用: He, E., Qiu, X., Li, Y. et al. Pre-subduction of the Caroline Plateau intensifies lithospheric hydration in the southern Mariana Trench. Commun Earth Environ 7, 409 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03408-z

关键词: 马里亚纳海沟, 卡罗琳高原, 俯冲, 岩石圈水合, 洋底高原