卡罗琳海板块实验：初始俯冲、初始扩张与流固耦合

The Caroline Basin (plate) is formed between the Tethys and the Pacific Ocean, and is currently located at the throat of the Indonesian seaway, and corresponds in area to most of the waters of the western Pacific warm pool. The interior of the Caroline plate is topographically complex and has a characteristic ridge and relic spreading centers. The plate is bordered by young active subduction zones and active spreading center, and strongly interacts with the surrounding Philippine Sea, the Pacific, the Ontong-Java Large Igneous Province, many deep trenches and so on. Therefore, the Caroline Basin is an ideal place for studying process and dynamics of initiations of subduction and seafloor spreading, and of the interaction of solid earth with seawater. . In the past, the study of the Caroline Basin was mainly done by the US and Japanese scientists in the last 70-80s, and there are great controversies about the genesis and nature of many tectonic units, and the interactions of multi-geospheres were seldom explored. . By comprehensive geophysical and geochemical analyses, this proposal plans to conduct a detailed study of the tectonic boundary process of the Caroline Basin and the extent of serpentinization the uppermost lithospheric mantle in the basin, and explores the coupling between the deep lithospheric process and the seabed process, especially in the water and heat flux. We aim to propose an evolutional model of this unique oceanic micro-plate and suggest further research activities (including scientific ocean drilling), and to enhance our deep sea research capability.

Caroline海盆形成于特提斯与太平洋之间，处于印尼海道的咽喉区域，海盆范围正好对应了西太平洋暖池的大部分海域。其内部地形复杂，具有特征的隆起和残留洋中脊，而周围具有年轻活跃的俯冲带和洋中脊，并且与菲律宾海、太平洋、Ontong-Java大火成岩省、众多深海沟等相互作用，是研究俯冲带和洋中脊初始形成机理与动力学、以及固体地球与海水相互作用的理想场所。过去对Caroline海盆的研究主要是美国和日本科学家在上世纪70-80年代完成的，对很多构造单元的成因和属性的解释上存在很大争议，很少涉及多圈层相互作用方面的研究。本项目通过综合地球物理和地球化学分析手段，对Caroline海盆的构造边界过程和海盆岩石圈蛇纹岩化程度开展详细研究，探索深部过程与海底过程之间，特别是在水和热流通量方面的联系。提出典型海洋微板块的演化模式和未来进一步深入研究（包括科学大洋钻探）的建议，提升我国深海的科研能力。

项目组成员多次赴青岛积极参加共享航次的讨论和筹备工作，包括航前培训、OBS学习调试与及时充电、船上地震仪器设备租赁/准备好相关配件、收集基础资料。项目组成员7人搭乘“科学号”科考船前往卡罗琳海进行多道地震观测、OBS数据采集、岩石样品获取的工作，获得大量高分辨率地震数据与岩石样品。对部分地震数据开展的处理分析，对穆绍海沟的形成演化有了全新的认识。筹资45万元，参加了 “竺可桢号”全球大洋航次，克服了新冠疫情的影响，在卡罗琳海盆的东部穆绍海沟成功开展多波束测量工作，获得宝贵的第一手资料并开展了详细分析。因为用于水岩反应的卡罗琳海的橄榄岩样品难以获得，课题组成员和合作者野外采集来自中国张家口和日本北海道的实验的岩石样品。课题组配置了橄榄石的蛇纹岩化实验装置，并开展了橄榄石的蛇纹岩化实验，分析蛇纹岩化对岩石物理属性、流体地球化学的影响。在西太平洋区域，使用地形和布格重力异常数据，基于傅里叶变换和小波变换两种不同的信号处理技术，分别计算了高分辨率的岩石圈有效弹性厚度值。完成了针对年轻板块俯冲到年老板块之下的俯冲起始问题的动力学数值模拟研究，引起了国际同行的关注。构建挤压环境形成断层，而后诱发年轻大洋俯冲年老大洋的模型。通过本项目的实施，在区域地球物理场特征分析、原始地球物理数据采集、俯冲起始动力学数值模拟、俯冲起始的过程与成因、穆绍海沟深部结构、俯冲带岩石地球化学、俯冲大地幔楔流体岩浆过程、区域岩石圈温度场、区域岩石圈强度、初始扩张的岩浆流体作用与构造过程等方面都做出了创新性贡献，提出了五个不同的科学概括模型。已发表标注项目的论文30余篇，完成并公开计算软件1件。获得了穆绍海沟的反射地震数据、主动源海底地震仪数据、多波束数据等，对认识大计划的初始俯冲、初始扩张与流固耦合三个方面有重要意义，对后续大计划的集成有很大的帮助。