地球上大多數俯沖帶都存在與其海溝平行的火山島弧，但仍有一些俯沖帶或俯沖帶的部分區域缺少相應的火山弧，年輕的北蘇拉威西俯沖帶（NSS）就是其中之一。目前的研究表明俯沖帶島弧缺失的主要原因有：俯沖板片的含水效能低，存在特殊的俯沖構造（如平板俯沖、洋脊俯沖等），俯沖板片未超過弧下深度，俯沖板片角度的突然變化，上覆板片處于擠壓構造環境等等。然而上述原因都不能解釋NSS島弧的缺失。是什么原因導致了NSS的島弧缺失？為什么俯沖深度、起始時間和機制都相近的菲律賓俯沖帶中段（MPS）存在島弧火山呢（圖1a）？為此，中國科學院地質與地球物理研究所海陸油氣綜合地球物理團隊董淼副研究員、郝天珧研究員等分別從輸入板塊水化程度、俯沖板塊脫水和地幔楔熱結構三個方面開展了對比研究。
圖1 （a）北蘇拉威西俯沖帶（NSS）和菲律賓中部俯沖帶（MPS）的位置，其中Una-Una火山已經被證實非俯沖帶島弧火山；（b）海底地形和平滑地形；（c）中等深度地震（70-100 km）的頻率，其中黑框表示地震計數的位置（兩個俯沖帶的等效區域）；（d）減去平滑地形后的MPS海溝外隆區地形；（e）減去平滑地形后的NSS海溝外隆區地形
他們通過計算板塊撓曲應力來定量估算俯沖板塊的水化程度（圖2）。在NSS，水可能進入板塊內部的最大深度僅為12 km；而在MPS則為24km。通過減去平滑地形后的海底地形（圖1b）可以顯示海溝外隆區斷層的分布，MPS外隆區（圖1d）的地形起伏和斷層間距明顯大于NSS（圖1e）。同時，MPS中源地震數量明顯高于NSS（圖1c）。上述結果都表明NSS的輸入板塊水化程度要遠小于MPS。
圖2 NSS和MPS的撓曲應力分布的對比。（a、b）NSS和MPS淺層俯沖板塊；（c、d）NSS和MPS的模擬地形（紅色虛線）與實際地形（藍色線）；（e、f）NSS和MPS的撓曲應力分布。黑色虛線表示屈服最大深度
接下來，他們利用ASPECT軟件模擬了兩個俯沖帶的熱結構演化。從熱力學俯沖模型中提取了沿板塊頂部、與頂部平行的路徑（頂部以下1km）、莫霍面、與莫霍面平行的路徑（NSS模型至莫霍面以下2km，MPS模型至莫霍面以下14km）的壓力-溫度（P-T）曲線。通過這些路徑上的P-T 曲線與遠洋沉積（圖3a）、平均洋中脊玄武巖（圖3b）和虧損的洋脊地幔（圖3c）的礦物含水相圖結合來計算沉積物、洋殼和地幔的脫水深度。結果表明兩個俯沖帶的沉積物、洋殼和地幔的脫水深度都是依次增加，且MPS的各層脫水深度大于NSS。
圖3 深海沉積物（a）、平均洋脊玄武巖（MORB）（b）和虧損MORB地幔橄欖巖（DMM）（c）礦物含水相圖與計算的P-T曲線結合；（d）沉積物脫水過程；（e）洋殼脫水過程；（f）含水地幔脫水過程
隨后，將地幔脫水深度投影至地幔楔熱結構上（圖4），可以發現由于NSS中的水在90km以上的深度被釋放，其對應的地幔楔熔融程度大部分都小于5% （圖4a）。而在MPS模型中俯沖板片脫水上方對應的地幔楔熔融程度要大于10%（圖4b），因此可以產生相應的島弧火山。由于板塊當前俯沖狀態的脫水深度是俯沖過程中所能達到的最大深度，這意味著從NSS板塊釋放的水都進入到了冷的地幔楔中，缺乏水進入熱地幔楔角來促進足夠的地幔熔融，是NSS缺失弧巖漿的主要原因（圖4c）。為了研究板塊年齡和淺部的彎折角度各自對火山弧形成的影響，又增加了不同的對比模型進行研究，發現只有當俯沖板塊年齡小且角度低的情況下（如NSS）會從俯沖起始后存在島弧巖漿缺失的歷史。這也表明，用島弧的形成時間來代表俯沖起始的時間可能會存在較大的誤差。
圖4 （a）NSS和（b）MPS模型中地幔楔的熱結構。圓圈和垂直虛線分別表示最大脫水的位置及其在地表的投影。2 km和14 km的分界線代表水化地幔的厚度，由板塊撓曲模型計算得出；紅色三角形表示火山；示意圖顯示了（c）NSS板塊缺乏島弧火山和（d）MPS板塊存在島弧火山的原因
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