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    2. 科研進展

      廣州地化所:板塊間橫向擠壓在小笠元-伊豆-馬里亞納俯沖起始中的關鍵作用

      發布時間:2024-03-21 來源:廣州地球化學研究所

      大洋板塊俯沖是地球淺表最具代表性的地質過程之一。理論上來講,大洋板塊在形成之后的20-40 Myr內,就已經具備了發生俯沖的密度等自身屬性條件。然而,50%以上的大西洋板塊形成于40 Ma之前,至今卻幾乎沒有發生俯沖;位于地中海東部的部分大洋塊體甚至已在地表存在了3億年之久。因此,除了大洋板塊自身的屬性外,新俯沖的開啟往往還伴隨某種外部因素的存在、以打破大洋板塊與上盤之間的平衡狀態,如:橫向或縱向的外部驅動力(圖1)。然而,兩類驅動力在起始俯沖中的相對貢獻卻仍存在廣泛爭議。

      圖1. 大洋俯沖體系孕育-成熟演化過程的示意圖。(a)-(b) 縱向驅動。上盤減薄或弱化后,大洋板塊的負浮力導致俯沖起始。(c)-(d) 橫向驅動。板塊間的橫向擠壓作用克服來自上盤的阻力,觸發俯沖起始。(e) 成熟俯沖階段。該階段地幔楔內具有朝向俯沖板片的橫向地幔流,俯沖帶的巖漿活動變得稀疏,俯沖板塊的主要脫水巖性轉為蛇紋巖化的地幔巖類。

      針對以上科學問題,中國科學院廣州地球化學研究所徐義剛院士團隊的劉亮副研究員、李洪顏研究員與合作者,基于正演模擬與巖漿地球化學證據聯合約束的研究思路,以小笠元-伊豆-馬里亞納俯沖帶(IBM)為主要研究對象,系統模擬了兩類起始俯沖模型孕育-成熟的演化過程(圖1),歸納總結了108個數值模型的模擬結果,揭示出俯沖前的板塊間橫向擠壓對解讀起始俯沖階段巖漿地球化學演化與時空分布規律的具有關鍵作用。

      根據研究結果,在橫向驅動的起始俯沖模型中,1)板塊間的橫向擠壓會導致俯沖板塊淺部的物質被剮蹭掉(圖2b、2i),致使俯沖起始后~2 Myr內發生脫水與熔融的板塊物質主要為下洋殼(圖2k),因此,該階段的巖漿地球化學組成無法顯示出俯沖沉積物、蝕變洋殼的地球化學貢獻;2)伴隨起始俯沖的板片回撤過程,會引起上盤巖石圈伸展減薄、發育裂谷(圖2c-2g),并導致巖漿活動的中心向遠離海溝的方向遷移約~100公里(圖2j);3)隨著裂谷區域的持續冷卻,俯沖板片中脫水與熔融的主體轉為蛇紋巖化的地幔橄欖巖(圖2k),該階段俯沖帶巖漿活動變得稀疏(圖2j),模型進入到成熟俯沖帶階段(圖1e)—以上時空演化特征與IBM的相關記錄吻合。

      圖2. 橫向驅動起始俯沖的代表性模型。(a)-(h) 模型的關鍵時空演化節點。藍色箭頭標明了上盤的伸展中心。圖中淺綠色物質為上-下盤間的解耦層、如轉換斷層等,紫色為沉積物,橙色為上洋殼,綠色為下洋殼,淺藍色為大洋板塊的巖石圈地幔,褐色為俯沖帶的上盤巖石圈。(i) 弧前增生楔中沉積物與上洋殼體積隨時間的演化。(j) 地幔熔體的時空分布規律。(k) 俯沖板塊中脫水巖性隨時空的演化規律。

      與此作為對比,在縱向驅動的起始俯沖模型中:1)早期>300公里的大洋板塊前端部分會快速進入到深部地幔,在地表形成一個等寬的新生洋盆(圖3a-3e);2)與此同時,上涌的軟流圈地幔會迅速熔融,形成較厚的新生巖石圈(圖3f-3g),因此,起始俯沖階段的巖漿活動只會發生在新生巖石圈形成之前(起始俯沖后3 Myr內);3)隨后模型進入到成熟俯沖帶階段(圖3l-3m)(IBM則需要7-8 Myr)。在以上“短暫”的演化過程中,巖漿活動中心的遷移距離超過300公里,與IBM的觀測不吻合。更為重要的是,由于板片的埋藏幾乎與裂谷同時發生(圖3c),在模型中起始俯沖早期階段,所有板片物質均會發生脫水與熔融(圖3k),這同樣與IBM的巖漿地球化學記錄不吻合。

      因此,本研究中的數值模擬結果與巖漿地球化學證據共同揭示,在起始俯沖之前或早期,IBM俯沖帶存在有顯著的板塊間橫向擠壓作用(持續時間可以短至1-2 Myr)。該研究還闡明了,上盤巖石圈裂谷的冷卻與固化速率在很大程度上控制了IBM俯沖帶由“起始”轉向“成熟”的演化進度。

      圖3. 縱向驅動起始俯沖的代表性模型。(a)-(j) 模型的關鍵時空演化節點。 (k) 弧前增生楔中沉積物與上洋殼體積隨時間的演化。(l) 地幔熔體的時空分布規律。(m) 俯沖板塊中脫水巖性隨時空的演化規律。

      論文中的正演數值模型基于劉亮主導開發與升級的熱-動力學數值模擬程序LL_AM_TMM,該程序有自適應型網格(A2ML)、非線性粘-密度、熔-流體遷移、以及巖漿地化組成演化等算法。研究成果發表于國際學術期刊Communications Earth & Environment(5-year IF=7.9)。本項研究受到國家重點研發計劃項目與國家自然科學基金委重大研究計劃集成項目的共同資助。

      論文信息:Liu,L.*(劉亮),Li,H.Y.*(李洪顏),Liu,L.J. (劉麗軍),Ryan,J.G.,Morgan,J.P.,Ren,K.X.(任可心),Xu,Y.G.(徐義剛),2024,Communications Earth & Environment,5,91.?

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