基于文獻計量的國際俯沖帶研究發展態勢分析*

張燦影,王 琳,於維櫻，馮志綱

(中國科學院海洋研究所，山東青島 266071)

0 引言

俯沖帶是地球表面物質與地幔物質進行交換的主要地帶，是火山、地震、海嘯等地質災害的常發地區，全球90%以上的地震能量是由俯沖帶地震釋放的。災害的發生導致大量人員傷亡，并造成大批財產損失和基礎設施的損壞。但俯沖帶作為地球循環體系的關鍵部位，多源的物質來源與多期次的巖漿活動為各類礦床的形成提供了優越的條件[1]；俯沖帶溫壓和環境合適，極有可能廣泛分布有天然氣水合物和礦產資源[2]。多數研究表明，大多數天然氣水合物存在于俯沖帶的增生沉積楔中[3]，具有十分廣闊的開發前景[4]。因此，俯沖帶研究不但具有重要的科學價值，同時也具有極其重要的經濟意義和社會意義。

由于俯沖帶的重要性，多個大型計劃和研究項目將其列為優先研究領域和核心研究內容之一，計劃的實施使俯沖帶研究取得了很多技術性突破和新發現。例如，1968年開始實施的深海鉆探計劃(Deep Sea Drilling Program，DSDP，1968-1983年)，使得海洋地質學發生了革命性的變化，為深海沉積物的成巖作用、海底火山和地震活動的研究提供了許多有價值的資料[5]。1998 年開始實施的美國大陸邊緣研究計劃(MARGINS Program，1998-2010年)致力于研究俯沖帶區域巖石、沉積物和流體特征，以便更好地理解俯沖帶的性質和地震周期的發生機制[6]。1999年開始實施的國際大陸邊緣計劃(InterMargins Program)主要研究內容包括大陸巖石圈破裂實驗(RCL)、俯沖加工廠實驗(SubFac)、地震發震帶實驗(SEIZE)、源到匯實驗(S2S)，該計劃的實施對俯沖帶的研究起到關鍵性推動作用[7]。國際大洋發現計劃(International Ocean Discovery Program,IODP，2013-2023年)、大洋鉆探計劃(Ocean Drilling Program，ODP，1986-2003年)和綜合大洋鉆探計劃(Integrated Ocean Drilling Program，IODP，2003-2013年)，3個計劃的研究涉及深部生物圈、地球殼幔結構、俯沖構造、地震活動等地球科學的諸多領域。國際大洋發現計劃還將俯沖帶如何形成周期性的不穩定狀態，以及如何生成大陸地殼問題作為海洋研究領域未來面臨的14項挑戰之一[8]。國際洋中脊計劃第三個十年科學計劃(2014-2023年)提出未來十年重點發展的6個主要研究方向，其中研究重點包括控制俯沖板塊組成的綜合過程；待解決的相關問題包括：蛇紋石化作用的范圍，其是否在板塊進入俯沖帶時停止；深海丘的生命周期及其“復活”；大洋板塊的組成及其對俯沖板塊的影響[9]。

2013年美國國家科學基金會(National Science Foundation，United States，NSF)發布啟動MARGINS的后續計劃“裂谷與俯沖邊緣的地球動力學過程 (Geodynamic Processes at Rifting and Subducting Margins，GeoPRISMS) ”，該計劃涉及五大科學主題：大陸地殼的起源和演化，流體、巖漿及其相互作用，氣候—地表—構造間的反饋，地球化學循環，板塊邊界變形和地球動力學[10]。2017年6 月，美國地質調查局發布《減少構造板塊碰撞處的風險——一項推進俯沖帶科學的計劃》(ReducingRiskwhereTectonicplatesCollide—U.S.GeologicalSurveySubductionZoneSciencePlan)報告，提出從俯沖帶過程觀測和模擬、自然災害和風險的量化分析、預報和態勢感知3個方面，增加對俯沖帶災害的認識，并通過行動和產品來建設更具彈性的未來[11]。德國亥姆赫茲基爾海洋研究中心(GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel)的一個主要研究方向是海底動力學研究，核心研究主題包括大洋巖石圈的形成變更、俯沖過程及其對環境的影響，并聚焦于洋底和海洋盆地的形成、俯沖帶、海洋板塊運動等研究。GEOMAR在“2025研究戰略”里再次強調了匯聚邊緣-俯沖帶的研究，還開展俯沖帶流體和揮發物研究項目：研究液體和揮發成分(碳、硫、鹵素)通過俯沖帶的途徑和通量，分析這些揮發物對氣候、水圈和大氣圈地球化學演化的影響[12]。

另外涉及俯沖帶研究的還有1998年實施的地球化學參考模型、2000年實施的俯沖工廠科學計劃、2003年實施的美國地球探測(EarthScope)十五年計劃以及2007年實施的日本南海海槽地震帶實驗(NanTroSEIZE)等。

近些年來，我國也開展了多個不同層面的俯沖帶研究計劃與項目，包括深俯沖地殼的化學變化與差異折返(2009-2013年)、大陸俯沖帶殼幔相互作用(2015年啟動)等科技部國家重點基礎研究發展計劃；國家自然科學基金重點項目“南海周緣與板塊俯沖相關的巖漿巖研究”(2014-2017年)和“板塊俯沖工廠與成礦分帶”(2011-2014年)、重大項目“東南亞環形俯沖系統超級匯聚的地球動力學過程”(2018-2021年)，以及重大研究計劃“西太平洋地球系統多圈層相互作用”(2018-2025年)；中國科學院“海斗深淵”戰略性先導科技專項(2014年)等。這些研究計劃、項目的實施，獲取了大量寶貴的技術資料和數據，并據此發表了大量與俯沖帶研究相關的論文，進一步深化了我們對俯沖帶發震機理、俯沖帶邊界移位、構造特征、增生模式、深俯沖地殼的折返過程和再造、板塊俯沖過程中的化學過程及成礦作用等方面的認識。

本文擬通過文獻計量方法對全球俯沖帶研究的年度變化、主要力量布局、主要研究機構及其機構間的合作關系、研究的熱點方向等做簡要分析，以期能為我國俯沖帶研究和相關決策制定提供參考依據。

1 數據來源與分析工具

俯沖帶研究內容涉及較廣，包括大陸邊緣、地震、海溝、島弧以及俯沖工廠等多個方面，發文數量較多。本研究數據收集自科學引文索引(Science Citation Index Expanded，SCIE)數據庫，以題名、關鍵詞和摘要中出現“subduction zone”或“subduction zones”的Article、Processedings paper和Review為數據分析基礎，檢索時間截至2018年12月31日，檢索結果基本涵蓋大部分俯沖帶研究論文，從文獻計量角度分析全球俯沖帶研究發展態勢。

數據分析主要采用湯森路透集團開發的文獻專利信息分析工具Thomson Data Analyzer (TDA) 軟件、網絡關系分析工具(Ucinet、NetDraw和Histcite)以及辦公軟件Excel。利用TDA 軟件對文獻數據進行基本的處理和清理；利用Ucinet和NetDraw工具繪制國家合作網絡和關鍵詞聚類圖；利用Histcite軟件進行引文分析，定位出該領域的重要文獻；利用Excel 軟件對該領域文獻進行統計分析以及圖表繪制的可視化分析。

2 結果與分析

2.1 研究論文年際變化

早在1971年就有俯沖帶相關的研究，這可能得益于1968年開始實施的深海鉆探計劃，該計劃獲得了大量海底巖心樣品和井下測量資料。從SCIE論文的年際變化來看，俯沖帶研究在1990年以前處于發展緩慢狀態。從20世紀90年代初開始，大洋鉆探、地震成像和鉆井技術等取得突破性進展，以及超高壓變質巖的發現，對于整個國際俯沖帶研究起到了至關重要的作用，刺激了研究論文的增長。除個別年份略有波動外，國際俯沖帶研究發文量整體呈穩步增長趨勢，近十年(2009-2018年)發文8 235篇，占研究時段內全部發文量14 354篇的57.37%，總發文量以平均每年10.39%的速度增長(圖1)。

圖1 國際俯沖帶研究年度SCIE發文量年際變化Fig.1 Interannual variation in annual publications number about subduction zone research

2.2 研究論文期刊分布

自20世紀70年代以來，國際俯沖帶研究論文分布于500多種有關地球物理、地質學和礦物學方面的期刊、論文集中，收錄數量排名前15的期刊情況如表1所示。期刊的出版國家主要集中在美國、荷蘭和英國，排名前15的期刊都屬于JCR Q1或JCR Q2分區。

表1 國際俯沖帶研究發文量前15位的期刊Table 1 Top 15 journals with number of papers on international subduction zone research

續表1Continued table 1

2.3 俯沖帶國際研究力量分析

2.3.1 主要國家、地區及其影響力

按照全部作者統計，國際上有關俯沖帶研究的全部論文中，發文量前10的國家分布見圖2。從圖2中可以看出，美國在俯沖帶研究領域占絕對優勢，居全球之首，遙遙領先于其他國家，共發文4 766篇，占該領域全部發文量的33.20%；其后依次是日本、中國、德國、法國、英國和加拿大，發文量均超過1 000篇，其中中國發文量為1 577篇，排在第3位。前10位國家的平均發文量為1 597.20篇，中國論文數量略低于平均水平。但中國第一作者國家發文所占比例在前10位國家中最高，為80.22%，說明中國在所參與的俯沖帶研究中主導性較強，自主創新較多，但同時也說明在俯沖帶研究中，中國與發達國家的合作較弱。

圖2 國際俯沖帶研究論文發文量前10國家及其第一作者國家發文所占比例Fig.2 Top 10 countries and first author country percentage about subduction zone research

為更深入了解各國或地區在俯沖帶研究方面的影響力，對總被引頻次、篇均被引頻次、ESI高被引論文比例等進行分析。其中，ESI高被引論文是指到檢索時間為止，根據對應領域和出版年中的高引用閾值，近十年內發表的SCI論文被引次數排在相應學科領域全球前1%以內的文章。

分析發現，排名靠前的國家總被引頻次基本與發文量成正比，美國、日本、德國、法國和英國的總被引頻次均較高，均超過40 000次；中國、加拿大和澳大利亞的總被引頻次處于第二梯隊，總被引頻次均超過30 000次。在所有發表論文中被引用論文占比例最高的是加拿大，為95.12%。被引頻次≥100的論文所占比例最高的為美國，所占比例為8.43%(表2)。

表2 國際俯沖帶研究發文量前10位的國家Table 2 Top 10 country or region with number of papers on subduction zone research

2012 年我國提出打造海洋強國的國家戰略,積極投身于國際大型研究計劃并自主啟動了多項大陸邊緣計劃和項目；同時加大海洋基礎設施建設的投入，在深海潛水器等深海儀器研發方面取得了突破性的進展，逐漸縮短與美國、日本等海洋科技強國的差距。這些舉措的實施刺激了我國俯沖帶研究，有關論文的數量顯著增加，近3年發文量占全部發文量的比例最高，為38.17%，說明中國越來越重視俯沖帶研究。所有發文中共有116篇ESI高影響力論文，其中美國參與49篇，中國參與31篇，分別占比42.24%和26.72%。中國ESI高被引論文占國家或地區近十年發文的比例為2.40%，高居榜首，說明中國近幾年相關論文得到很大關注，影響力較高。

從圖3可以看出，在論文數量和影響力方面美國均處于領先位置，德國、法國和英國論文數量增長有限，只略高于前10位國家平均值，但影響力處于領先位置，處于第一象限；中國雖然發文量略高于平均水平，但影響力遠遠低于發達國家。

圖3 俯沖帶研究國家發文數量和篇均被引分布圖

綜合各項指標來看，美國俯沖帶研究論文體量和質量方面實力靠前；澳大利亞雖然研究論文數量不多，但文章影響力較高。中國論文數排第3位，論文篇均被引頻次排名第9位，近3年發文量占全部發文量的比例排在第1位，被引論文比例排在第9，被引頻次≥100的論文占比排8位，ESI高被引論文占比排1位。綜合看來，我國俯沖帶研究論文數量近年來增量明顯，論文質量參差不齊，雖然整體影響力不夠，但部分論文得到的關注度不斷增加。

2.3.2 主要發文國家或地區的合作情況

如圖4所示，不同的節點代表不同的國家或地區，連線的粗細代表合作強度，連線越粗表明合作的次數越多。從圖4中可以看出，美國處于合作的中心位置，是其他國家或地區的主要合作伙伴，其主要合作國家有德國、法國、日本、英國、加拿大、中國和澳大利亞。此外，法國和德國在國際合作中處于第二梯隊的地位，在國際俯沖帶研究中也具有重要的地位。

圖4 國際俯沖帶研究國家/地區合作情況

全部論文中，以國家數量計為21 940篇，實際論文為14 354篇，論文篇均合作國家為1.53個。從表3可以看出，單個國家完成的論文有8 629篇，占全部論文的60.12%；超過三國合作的論文數量為507篇，占全部論文的3.53%，說明俯沖帶研究多國合作較少。

表3 俯沖帶研究論文合作國家或地區數量Table 3 Number of countries or regions in cooperation with subduction zone research papers

2.3.3 主要機構

如圖5所示，按照全部作者統計，發文量較多的15個機構依次是東京大學、中國科學院、美國地質調查局、俄羅斯科學院、日本海洋科學與技術中心、德國亥姆霍茲聯合會、得克薩斯大學、加州理工學院、澳大利亞國立大學、日本國立東北大學、巴黎大學、墨西哥國立自治大學、加拿大地質調查局、法國科學研究中心和華盛頓大學。這些機構中，美國機構有4個，法國和日本機構分別有3個。

圖5 國際俯沖帶研究發文量前15位的機構

3 國際俯沖帶研究熱點領域及方向

3.1 國際俯沖帶研究學科分布

按Web of Science學科分類看，俯沖帶研究所涉及的研究學科有地球化學和地球物理學、地質學、礦物學、科技相關主題、海洋學、氣象學與大氣科學、自然地理學、水資源、工程學和古生物學(表4)。其中地球化學與地球物理學所占比重最大，有7 744篇相關論文；其次是地質學，有5 628篇論文；礦物學論文有1 281篇。

表4 國際俯沖帶研究主要涉及的Web of Science學科領域Table 4 Subject categories in Web of Science mainly involved in the study of international subduction

3.2 俯沖帶研究關鍵詞分析

通過對作者關鍵詞的統計，可以發現除俯沖帶(Subduction zone，1 403次)和俯沖(Subduction，1 060次)外，地球化學(Geochemistry，414次)、蛇綠巖(Ophiolite，331次)、地震(Earthquakes，312次)、海嘯(Tsunami，243次)、榴輝巖(Eclogite，225次)、地震層析成像(Seismic tomography，222次)、構造(Tectonics，209次)、地震各向異性(Seismic anisotropy，176次)、微量元素(Trace elements，152次)和數值模擬(Numerical modeling，145次)等是出現頻次較高的關鍵詞(表5)。為了更顯著地展示高頻關鍵詞的年代變化，采用TDA對除俯沖帶和俯沖外排名前20位的關鍵詞進行年代變化分析可視化分析(圖6)。分析結果顯示：榴輝巖(2011和2016年)、地震各向異性(2013-2014年)、數值模擬(2012年、2016年和2018年)、蛇綠巖(2016和2018年)和蛇紋石化(2013年和2015年)具有階段性凸顯特征；地質構造、地震活動(Seismicity)和地幔(Mantle)等趨勢比較穩定平緩，但在整體上還是屬于研究熱點。

表5 俯沖帶研究論文作者關鍵詞年代變化(前50位)Table 5 Chronological changes of keywords of authers in subduction zone research papers (top 50)

圖6 俯沖帶研究論文作者關鍵詞年代變化(前20位)

通過分析這些高頻關鍵詞，可以總結出國際俯沖帶研究的熱點地區、熱點內容和研究方法。其中，熱點地區包括日本南海海槽(Nankai Trough)、卡斯卡迪亞俯沖帶(Cascadia Subduction Zone)、新西蘭(New Zealand)、伊朗(Iran)、土耳其(Turkey)、南美洲(South America)和中國臺灣(Taiwan，China)；熱點研究方向包括俯沖帶地質構造研究(Tectonics)，地震(Earthquakes)、海嘯(Tsunami)和火山弧活動(Arc volcanism)等地質災害研究，巖漿作用(Magmatism)和流體作用(Fluids)中微量元素的地球化學研究(Geochemistry)，埃達克巖(Adakite)，俯沖帶折返過程和機制研究(Exhumation)，俯沖帶交代作用(Metasomatism)和變質作用(Metamorphism)；研究方法技術包括地震層析成像(Seismic tomography)、數值模擬(Numerical modeling)、GPS和地震各向異性(Seismic anisotropy)。

3.3 俯沖帶主要研究內容和熱點文獻分析

利用Garfield[13]開發的引文圖譜分析軟件Histcite，選取被檢索數據集中文獻引用次數最多的30篇文獻，以圖譜方式展示國際俯沖帶研究重要文獻之間的引用關系，并結合ESI高被引論文和熱點論文，從高引用論文和高影響力論文兩個方面分析俯沖帶領域的主要研究內容和研究熱點。

如圖7所示，可以將俯沖帶研究的主要內容分為5個方面。

數字編號是文獻在Histcite程序中的編號,箭頭指向的是被引文獻Number represents that of the research paper in the Histcite program，arrow points to cited literature

第Ⅰ部分的文獻主要與俯沖帶熱結構研究有關，包括熱結構解析模型、數值模擬等研究方法，熱結構影響因素和演化過程研究等。俯沖帶熱溫度結構控制俯沖巖石中含水礦物的穩定性，決定俯沖板片-地幔界面的溫度[14]，是控制俯沖過程的決定性因素之一，直接影響礦物脫水、巖石部分熔融、島弧火山噴發以及俯沖帶地震等關鍵地質活動[15]。

第Ⅱ部分的文獻主要是針對俯沖帶成礦與地球化學研究，包括俯沖帶弧前地幔蛇紋石化、玄武巖、埃達克巖的成因及其地球化學特征等。弧前地幔在俯沖帶流體作用下發生蛇紋石化現象，蛇紋石化過程在提高泊松比值的同時，能夠大幅度降低地震速度和地幔密度[16]。目前有關俯沖成礦的研究主要集中在斑巖型礦床，而斑巖銅礦等礦床與埃達克巖之間有密切關系[1]，許多研究針對埃達克巖成因機制、地球化學特征以及地質構造背景等展開討論。

第Ⅲ部分的文獻主要是關于俯沖帶地震和火山弧活動的研究，包括地震誘發機制、震源深度定位、島弧火山巖成因和物質成分等研究。通過對1973-2012年全球地震頻數隨震源深度分布的統計發現，約72%的地震發生在淺于60 km的地球表層，而大多數強震與超強震都集中于俯沖帶[17]。板塊的變形特征、俯沖板塊的應力狀態、俯沖角度以及俯沖板塊的曲率及其速度等是俯沖帶發生大地震的指示性標志[18]。

第Ⅳ部分的文獻主要研究俯沖帶熔/流體成分及其地球化學特征等。在俯沖過程中，巖石由于脫水作用會產生熔/流體，熔/流體的特性和行為在俯沖帶殼/幔相互作用過程中起著關鍵作用，是俯沖過程中發生元素遷移、同位素分餾以及交代上覆地幔楔不可或缺的介質[19]。

第Ⅴ部分的文獻主要圍繞俯沖帶慢地震研究。慢地震通常發生在地震帶附近，并且可以加劇破壞性大地震的發生[20]。幕式震顫與慢滑移(Episodic Tremor and Slip，ETS)是最有規律的一種慢地震，其發生地點主要集中于卡斯卡迪亞俯沖帶[21]和日本西南俯沖帶[22]，由斷層的剪切滑移造成，與高壓流體的變化有關。也有研究表明，在有儀器可以觀測的條件下，基本上所有的俯沖帶都存在慢滑移現象，摩擦力性質決定了滑移的速度，慢滑移的深度范圍和俯沖板塊邊界的熱結構性質有關[23]。顫動地震是俯沖帶一系列小滑移事件引發的低頻地震集合[24]。2002年，日本地震學家Obara[25]首次在日本西南部非火山區發現長周期深部顫動，顫動震中沿菲律賓俯沖板塊走向分布，俯沖帶內顫動分布位置表明，顫動可能是由板塊脫水過程中產生的流體引起的。

4 結論

利用文獻計量方法對SCIE數據庫中俯沖帶研究論文進行分析，研究結果表明美國的俯沖帶研究實力最強，中國近3年俯沖帶研究論文數量明顯增多，文章影響力得到較大提升。俯沖帶熱結構、俯沖與地震的關系、俯沖帶中的流體與巖漿作用以及俯沖帶成礦是俯沖研究的重點研究內容和研究熱點。近年來我國一直積極參與國際大型海洋研究計劃，同時加強與國際海洋研究機構合作與交流，“科學號”“張謇號”等深海科考船、“蛟龍號”“深海勇士號”等載人潛水器、“發現號”“探索號”等無人潛水器等深海儀器研發方面取得了突破性進展，為研究俯沖帶地質結構和動力學過程提供了寶貴資料和研究樣品，極大擴展了深海遠洋探測能力，這些都將促使我國俯沖帶研究進入新階段。