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SA等:远程驱动的被动陆缘俯冲起始
2020-03-23 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  俯冲带是板块构造体系的核心要素,然而俯冲的起始过程和机制却是板块构造和威尔逊旋回理论的薄弱环节(Stern, 2004)。一般而言,俯冲起始可能发生在两个部位,一是大洋内部的薄弱带(洋中脊、转换断层、破碎带等),另一个是洋陆过渡带(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)。 

  对于洋内薄弱带的俯冲起始,前人进行了较多的模拟和研究(e.g., Zhou et al., 2018),揭示出年轻的上覆岩石圈是发生自发俯冲起始的先决条件,转换断层和上盘洋中脊的三联点处因为阻力最小,所以最有利于发生俯冲起始,而后向两侧扩展;另一个必要条件是两侧岩石圈具有较大的年龄差,而现今地球上转换断层两侧的岩石圈由于年龄和密度差不够大,驱动力一般难以克服阻力而产生自发俯冲起始。 

  对于典型的被动陆缘,其岩石圈流变强度一般大于洋内转换断层处,因此更难以产生自发俯冲起始。如果要发生,则需要额外的远程作用力参与,那么到底需要多大的作用力,以及这些力又来源于何种构造作用?围绕该问题,中国科学院大学李忠海研究员团队进行了系统的动力学模拟研究,相关成果最近陆续在GRLJGRScience Advances发表。 

  该研究首先构建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(Zhong and Li, 2019)。 

1 应力边界条件驱动的被动陆缘俯冲起始模型Zhong and Li, 2019 

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Zhong and Li, 2019 

  如果聚焦于大西洋型被动陆缘的俯冲起始问题上,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),那么自然会问: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?因为这种俯冲带沿走向扩展的演化历史可能已经发生在其他地区了(图3)。就此问题,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,需要两个主要条件,一是被动陆缘的弱化,二是周缘俯冲板块的较大拉力(图4)。通过系统的地质对比,揭示大西洋被动陆缘是无法沿着Scotia俯冲带进行扩展的,但Lesser Antilles俯冲带的北向扩展是可能的,可行与否取决于现存薄弱带的弱化程度。 

3 现今地球上的板块俯冲带沿走向扩展的可能实例(Zhou et al., 2020 

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(Zhou et al., 2020

  特提斯演化有别于大西洋,它可以看作多个完整的威尔逊旋回,该过程中伴随着地体与上覆板块的碰撞(图5),进而将诱发一个新的俯冲带出现在相邻的大洋板块内(万博等,2019)。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首要因素,深入研究继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),从而很好地解释了特提斯系统的岩浆记录并揭示其动力学机制。 

5 特提斯演化过程中的地体碰撞-拼贴与俯冲带跃迁(Zhong and Li, 2020    

  主要参考文献 

  Stern R J. Subduction initiation: Spontaneous and induced [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2004, 226: 275-292.链接 

  Zhong X, Li Z-H. Forced subduction initiation at passive continental margins: velocity-driven versus stress-driven [J]. Geophysical Research Letters, 2019, 46: 11054-11064.链接 

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

  Zhou X, Li Z-H, Gerya T, et al. Subduction initiation dynamics along a transform fault control trench curvature and ophiolite ages [J]. Geology, 2018, 46: 607-610.链接 

  Zhou X, Li Z-H, Gerya T, et al. Lateral propagation induced subduction initiation at passive continental margins controlled by pre-existing lithospheric weakness [J]. Science Advances, 2020, 6: eaaz1048.链接 

  万博, 吴福元, 陈凌, . 重力驱动的特提斯单向裂解-聚合动力学[J]. 中国科学:地球科学, 2019, 49: 2004-2017.链接  

(撰稿:李忠海/国科大,万博/岩石圈室) 

 
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