地星学院李忠海提出俯冲起始过程既可能是热的,也可能是冷的

  • 李忠海
  • 日期:2024-02-27
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   新的板块俯冲带的形成是板块汇聚动力学演化的起点,该过程是板块构造理论与威尔逊旋回的薄弱点和关键一环。相对于板块俯冲的漫长过程而言,俯冲起始是一个非常瞬间的事件,其特征地质记录的捕捉非常困难。

   前人的研究聚焦在厘定与俯冲起始相关的岩浆、变质和构造-沉积记录方面。作为传统主流观点,伊豆-小笠原-马里亚纳(IBM)俯冲带的弧前岩石组合代表了俯冲起始的典型地质记录。也有学者认为塞浦路斯和阿曼等的SSZ型蛇绿岩与IBM弧前岩石序列在岩石组合和地球化学特征上具有可对比性,从而提出SSZ型蛇绿岩可能是俯冲起始过程中形成的弧前大洋岩石圈残片。无论是IBM的弧前岩石组合还是SSZ型蛇绿岩的形成都需要低压高温的条件,因此相应的模型认为垂向驱动的板块下沉伴随软流圈上涌是形成这类岩石组合及俯冲起始的关键条件。俯冲起始的变质记录主要是变质底板,它一般与SSZ型蛇绿岩伴生,并大多形成于低压高温环境(0.5–1.5 GPa, 700–900°C),该条件一般需要来自软流圈的加热(要么上盘极薄、要么软流圈上涌)。上述的特征岩浆和变质记录都指示了俯冲起始的低压高温环境, 那么是不是所有的俯冲起始都产生(或发生于)这种异常的高温环境呢?

   现今大洋中的俯冲起始过程显示了差异性的地质记录,譬如新西兰南部的Puysegur俯冲带,该俯冲起始主要受控于走滑挤压的构造背景和驱动力,这是俯冲起始的一个非常有利的条件。该过程中汇聚板块处于耦合状态,难以达到低压高温条件,因此并未形成蛇绿岩和变质底板。此外, 在西太平洋存在一系列年轻大洋岩石圈的年轻俯冲带,例如苏禄海的Negro俯冲带,西里伯斯海的北苏拉维西俯冲带和Cotabato俯冲带等。它们也大多经历了板块的被动下插和俯冲起始过程,该过程的温度结构相对较冷,难以达到自然界中观测到的蛇绿岩和变质底板的低压高温条件。因此,古俯冲带中的SSZ型蛇绿岩和变质底板指示的高温记录并不适用于所有俯冲起始, 而仅代表高温环境的俯冲起始端元模型。

   基于上述分析,近日,地星学院李忠海教授在发表于《国家科学评论》的观点性论文中,提出并对比了“热”和“冷”俯冲起始这两种差异性的模式(图1),分析了其驱动力、地质记录和自然界中的典型实例。

图1 热和冷俯冲起始的对比

   对于传统的“热”俯冲起始模式,之所以受到地质学家的青睐,很大程度上因为有利于形成岩浆岩和变质岩记录,从而拥有好的实验样品和对象。该模式的核心要素是板块垂向驱动为主(但也可包含水平驱动),上、下盘解耦导致软流圈上涌,从而有利于形成SSZ型蛇绿岩和低压高温变质底板。该过程伴随强烈的伸展作用,当然俯冲成熟之后可能转变为挤压,促进蛇绿岩和变质底板的就位。

   与之相对,在“冷”俯冲起始模式中,水平挤压作用为主,上、下盘紧密耦合形成相对低温的俯冲通道,该条件难以产生蛇绿岩,也难以发育俯冲洋壳的“拆离-折返-就位”,而是直接俯冲消亡,从而导致俯冲起始阶段的岩浆和变质岩石记录缺乏。该低温俯冲起始过程普遍经历挤压环境,当然伴随着俯冲板片拉力逐渐主导,可能转变为伸展状态。

   作为总结,俯冲起始既可能形成热的初始通道,也可能形成冷的初始通道,从而产生差异巨大的地质记录。因此,我们不能仅通过是否存在热俯冲起始相关的岩浆和变质记录来评定是否发生俯冲起始,而需要综合多重观测数据来系统约束该棘手的关键地质过程。

   该观点以“Hot versus cold subduction initiation”为题发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR)。地星学院李忠海教授为论文的独立作者,该研究得到了国家自然科学基金和中国科学院先导专项等的资助。

   论文链接:<https://doi.org/10.1093/nsr/nwae012>