GeoPRISMS執行計劃簡介＊

編者按：大陸邊緣是地球碳氫化合物和金屬礦產資源形成的重要場所，同時也是地震、火山、滑坡等災害的多發地，此外，大陸邊緣附近還擁有當前最高的人口密度。因此，大陸邊緣具有很高的社會和經濟重要性。美國國家科學基金會（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執行計劃（Geo－PRISMS Implementation Plan）發布。在此，我們對GeoPRISMS執行計劃中的研究區域及其將探討的具體科學問題做一簡要介紹，以便相關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，根據研究對象的構造背景，這2個計劃可區分為：俯沖循環和變形（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鍵科學問題，其實施的具體目標區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）及其相關島弧是北美最活躍的構造區，該區是研究巖漿弧、構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區域。SCD計劃在該區的研究主題包括：

（1）地震周期和震級的變化。

（2）斷層行為特征的系列研究。

（3）多個地震周期的發展歷史。

（4）長期形變與地震周期之間的關系。

（5）揮發物、流體、熔化物的儲存、運輸和釋放。

（6）俯沖運動的地球化學產物和大陸地殼的初始形成。

（7）地殼對火山作用的控制。

（8）物質流動（沉積物、冰）及其對俯沖帶邊緣結構和演化的控制作用，以及對俯沖動力學的影響。

（9）俯沖運動在阿拉斯加半島和阿留申島弧下方的產生。

SCD計劃在AASZ有多個研究區，研究重點各不相同：

（1）阿留申島弧（Aleutian Island Arc）：通過對中新世及更為古老的火山巖和深成巖的研究，并結合對島弧巖石圈的地球物理成像，研究島弧地殼的結構、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）：該區為研究大型和小型慢滑事件及相關的震顫，震后瞬間變形等提供了很好的機遇，重點研究內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生的變化。

（6）卡斯卡迪亞俯沖帶沿走向所呈現出的各個分段的特征。

（7）卡斯卡迪亞下方的俯沖運動的產生和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）在卡斯卡迪亞地區的應用。

（11）周邊地質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域，SCD計劃的各關鍵問題均可在新西蘭的一些具體區域得到解答。研究的主要科學問題包括：

（1）俯沖運動產生和島弧早期演化在地質學、地球化學及地球物理學方面的響應有哪些，這些響應又如何影響俯沖帶的演化？

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

（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，研究重點如下：

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

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

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

（4）Kermadec島弧：研究與俯沖運動產生和之后的島弧環境演化有關的構造、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。

（3）弧前和弧后環境中的揮發通量。

（4）俯沖帶深部的變質與火成條件及其過程。

（5）俯沖運動的產生。

2 RIE計劃

2．1 東非大裂谷系統（East African Rift System）

東非大裂谷存在著各種各樣的裂谷過程，并表現出了多種裂谷特征，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）大陸巖石圈力學不均勻性對裂谷形成、及其形態和演化的影響。

（3）應變在整個巖石圈的累積和分布過程，以及應變局部化和遷移的控制因素。

（4）巖漿和揮發物累積與分布的控制因素，以及這些因素與伸展斷層系統的關系。

（5）在大陸或盆地尺度上的裂谷地形對區域氣候的影響及其有關反饋過程。

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

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

（1）構造和巖漿繼承（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、與裂谷作用相關的巖漿活動和中大西洋巖漿省（Central Atlantic Magmatic Province）之間的關系。

（4）流入和流出沉積楔的物質流動和元素流動。

（5）近海滑坡的控制因素及其分布。

（6）后裂谷期邊緣演化、驅動力和響應：沉降、地貌演化、侵蝕、沉積。

（7）北美大陸東部邊緣內的地震災害與裂谷構造之間的關系。

（8）認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）裂谷過程與應變速率之間的關系。（3）裂谷作用過程中的揮發物。

（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。