地学院研究团队系统揭示被动大陆边缘俯冲起始机制

  • 李忠海
  • 发布于 2020-03-11
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   地球板块构造体制之下,一个新的俯冲带的起始过程和机制是板块构造和威尔逊旋回理论最薄弱的环节。国科大地学院计算地球动力学重点实验室李忠海团队为之进行了系统的动力学模拟研究,相关成果最近在《科学》杂志子刊《Science Advances》和国际著名地球物理专业期刊《Geophysical Research Letters》、《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》陆续发表。

   一般而言,板块俯冲起始可能发生在两个部位,一是大洋板块内部的薄弱带(洋中脊、转换断层、破碎带等);二是大洋和大陆的过渡带(被动陆缘)。无论是大洋内部还是被动陆缘的俯冲起始,都既可能是自发的(自身重力驱动),也可能是诱发的(远程作用力驱动)。关于大洋内部薄弱带的俯冲起始,前人进行了较多的模拟和研究(e.g., Zhou et al., 2018),一般认为年轻的上覆岩石圈(从而较小的阻力)是该自发俯冲起始的先决条件,从而转换断层和上盘洋中脊的三联点处阻力最小,最有利于俯冲起始的发生,而后向两侧拓展;该俯冲起始的另一个必要条件就是两侧岩石圈较大的年龄差,而现今地球上转换断层两侧的岩石圈年龄差和密度差不够大,因此驱动力一般难以克服阻力而自发的俯冲起始。对于典型的被动陆缘而言,其岩石圈流变强度一般大于大洋内部转换断层处,因此更难以自发的俯冲起始,而需要额外的远程作用力的参与。那么到底需要多大的作用力?而这些作用力又来源于何种构造环境呢?

   首先,Zhong & Li (2019) 构建了新的、边界应力驱动的俯冲动力学数值模型,发现俯冲起始所需要的推动力随着大洋岩石圈年龄的增大而增大(图1)。在正常的板块构造推动力下(~3×1012 N/m),年轻的大洋岩石圈(≤30 Ma)可在被动陆缘发生俯冲起始,但古老的大洋岩石圈和被动陆缘无法起始。进而揭示东南亚的年轻洋盆正在进行的俯冲起始与远程推动力相关(图2),但该作用力无法驱动大西洋型古老被动陆缘发生俯冲起始。

图1、应力边界条件驱动的被动陆缘俯冲起始模型

图2、东南亚年轻洋盆和大西洋古老被动陆缘的洋壳年龄对比

   进一步聚焦大西洋型被动陆缘的俯冲起始问题,考虑到现今西大西洋域已经存在两个小的俯冲带(南部的Scotia和中部的Lesser Antilles,图2c),那么直觉的想法是这些小的俯冲带能否沿走向扩展,从而诱发整个大西洋被动陆缘的俯冲起始呢?这种俯冲带沿走向扩展的演化历史也可能已经发生在其他地区(图3)。针对该问题,Zhou et al. (2020) 构建了系统的、高分辨三维数值模型,发现被动陆缘俯冲起始沿走向的扩展是比较困难的,需要的两个主要条件是被动陆缘的弱化及周缘俯冲板块较大的拉力(图4)。进而通过系统的地质对比,揭示大西洋被动陆缘无法沿着Scotia俯冲带进行扩展,但Lesser Antilles俯冲带的北向扩展是可行的,取决于现存薄弱带的弱化程度。

图3、现今地球上的板块俯冲带沿走向扩展的可能实例

图4、三维俯冲模式依赖于俯冲板块年龄、被动陆缘弱化程度及地幔岩石的应变弱化效应

   除了针对现代大洋板块系统的俯冲起始问题研究之外,进一步聚焦特提斯系统演化过程中的古俯冲带起始动力学。特提斯演化可以看作多期次的威尔逊旋回,该过程伴随着地体与上覆板块的碰撞,进而与之相邻的大洋板块可能形成一个新的俯冲带(图5)。针对这种地体碰撞诱发的俯冲带跃迁问题,Zhong and Li (2020)构建了系统的动力学模型,揭示较大的边界应力及弱化的被动陆缘是发生俯冲起始跃迁的关键因素,进而发现被动陆缘俯冲起始滞后于地体的碰撞拼合,但时间间隔较短(10 Ma尺度),从而很好的解释了特提斯系统的岩浆记录并揭示其动力学机制。

图5、特提斯演化过程中的地体碰撞-拼贴与俯冲带跃迁

   该研究成果系统的厘清了板块构造体系新的俯冲带的起始机制,既解读了现今大洋板块俯冲起始规律,又揭示了特提斯系统等古俯冲带起始的控制因素;弥补了地球动力学演化的最薄弱环节,发展和完善了板块构造理论。

   该研究得到了国家自然科学基金重大研究计划重点项目和中科院先导专项B等的支持。

   李忠海团队相关论文:

   Zhou X., Li Z.-H.*, Gerya T., Stern R., (2020). Lateral propagation induced subduction initiation at passive continental margins controlled by pre-existing lithospheric weakness. Science Advances, 6: eaaz1048.

   Link: https://advances.sciencemag.org/content/6/10/eaaz1048.full

   Zhong X.Y., Li Z.-H.*, (2020). Subduction initiation during collision-induced subduction transference: Numerical modeling and implications for the Tethyan evolution. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 125: e2019JB019288.

   Link: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019JB019288

   Zhong X.Y., Li Z.-H.*, (2019). Forced subduction initiation at passive continental margins: velocity-driven versus stress-driven. Geophysical Research Letters, 46: 11054-11064.

   Link: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019GL084022

   Zhou X., Li Z.-H.*, Gerya T., Stern R., Xu Z., Zhang J., (2018). Subduction initiation dynamics along a transform fault control trench curvature and ophiolite ages. Geology, 46: 607-610.

   Link: https://doi.org/10.1130/G40154.1