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【前沿报道】Nature Geoscience: 地幔转换带下方弱粘性层导致的俯冲板块停滞
2018-10-29 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  板块俯冲进入地幔以及在地幔中的演化过程,是威尔逊旋回的重要组成部分,也是地壳与地幔进行能量和物质交换的重要过程,研究其动力学过程,是固体地球物理学关注的重要问题。 

  地震层析成像是研究地球内部速度结构的有效手段,通过该方法获得的地幔高波速块体结构,通常被解读为俯冲板块,因此可以用来约束俯冲板块的形态结构。但是,目前全球观测到的俯冲板块形态存在很大差异(Goes et al., 2017,有些直接俯冲到下地幔甚至核幔边界(Van der Hilst et al., 1997),也有些停滞在地幔转换带并横向延伸(Fukao et al., 2009)(图1)。对于造成俯冲板块形态如此大的差异的原因,其动力学控制机制和演化过程尚未得到很好的解释。 

1 全球主要俯冲板块形态结构 (Goes et al.,2017)

  针对部分俯冲板块在转换带上方停滞这个问题,美国科罗拉多大学的毛伟与导师钟时杰教授,通过数值模拟实验研究,给出了一种可能的解释,研究成果近期发表在Nature Geoscience上。他们的动力学数值模拟计算结果表明:如果在670km转换带之下存在一个弱粘性的薄层,结合地球表面的板块重构历史,动力学模型可以很好地模拟板块在转换带停滞的行为(图2),对于这个薄弱层,可能的形成原因是尖晶石到后尖晶石相变所引起的晶粒大小变化和超塑性所导致的。进一步的实验结果显示,俯冲板块的停滞行为只是一个过渡行为,结合了板块重构数据的全球地幔对流数值模拟结果显示,停滞在转换带之上的俯冲板块绝大多数是由近2030个百万年发生的俯冲所导致的,从而推断俯冲板块从停滞到穿透到下地幔的转换时间大概是~10个百万年尺度,为更好的理解地球内部结构演化提供了动力学约束。 

2  不同区域地震层析成像结果与数值模型温度场的结果对比显示,数值模拟结果可以大致符合地球不同地区俯冲板块的形态(Mao and Zhong, 2018)

  该研究涉及到的一个关键点是:在动力学模型中,存在于转换带下方的薄弱层对模拟俯冲板块的停滞起到了决定性作用。该薄弱层的存在性和物理化学性质可能是值得进一步研究的重要问题。  

  相关参考文献    

  1. Fukao Y, Obayashi M, Nakakuki T, et al. Stagnant slab: a review[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2009, 37: 19-46.原文链接 
  2. Goes S, Agrusta R, Van Hunen J, et al. Subduction-transition zone interaction: A review[J]. Geosphere, 2017, 13(3): 644-664.原文链接 
  3. Mao W, Zhong S. Slab stagnation due to a reduced viscosity layer beneath the mantle transition zone[J]. Nature Geoscience, 2018:DOI: 10.1038/s41561-018-0225-2.原文链接 
  4. Van der Hilst R D, Widiyantoro S, Engdahl E R. Evidence for deep mantle circulation from global tomography[J]. Nature, 1997, 386(6625): 578.原文链接 

  (撰稿:李杨/岩石圈室)

 
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