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劉亮等-Communications Earth & Environment:板塊間橫向擠壓在伊豆-小笠元-馬里亞納俯沖起始中的關(guān)鍵作用

撰稿: 發(fā)布時(shí)間:2024-03-21

        大洋板塊俯沖是地球淺表最具代表性的地質(zhì)過(guò)程之一。理論上來(lái)講,大洋板塊在形成之后的20-40 Myr內,就已經(jīng)具備了發(fā)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(méi)有發(fā)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(kāi)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(pán)之間的平衡狀態(tài),如:橫向或縱向的外部驅動(dòng)力(圖1)。然而,兩類(lèi)驅動(dòng)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(guò)程的示意圖。(a)-(b) 縱向驅動(dòng)。上盤(pán)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(dòng)。板塊間的橫向擠壓作用克服來(lái)自上盤(pán)的阻力,觸發(fā)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(dòng)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(lèi)。

        針對以上科學(xué)問(wèn)題,中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)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(xué)證據聯(lián)合約束的研究思路,以伊豆-小笠元-馬里亞納俯沖帶(IBM)為主要研究對象,系統模擬了兩類(lèi)起始俯沖模型孕育-成熟的演化過(guò)程(圖1),歸納總結了108個(gè)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(xué)演化與時(shí)空分布規律的具有關(guān)鍵作用。
        根據研究結果,在橫向驅動(dòng)的起始俯沖模型中,1)板塊間的橫向擠壓會(huì )導致俯沖板塊淺部的物質(zhì)被刮蹭掉(圖2b、2i),致使俯沖起始后~2 Myr內發(fā)生脫水與熔融的板塊物質(zhì)主要為下洋殼(圖2k),因此,該階段的巖漿地球化學(xué)組成無(wú)法顯示出俯沖沉積物、蝕變洋殼的地球化學(xué)貢獻(Li et al., 2019; 2022);2)伴隨起始俯沖的板片回撤過(guò)程,會(huì )引起上盤(pán)巖石圈伸展減薄、發(fā)育裂谷(圖2c-2g),并導致巖漿活動(dòng)的中心向遠離海溝的方向遷移約~100公里(圖2j);3)隨著(zhù)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(dòng)變得稀疏(圖2j),模型進(jìn)入到成熟俯沖帶階段(圖1e)—以上時(shí)空演化特征與IBM的相關(guān)記錄吻合。


圖2. 橫向驅動(dòng)起始俯沖的代表性模型。(a)-(h) 模型的關(guān)鍵時(shí)空演化節點(diǎn)。藍色箭頭標明了上盤(pán)的伸展中心。圖中淺綠色物質(zhì)為上-下盤(pán)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(pán)巖石圈。(i) 弧前增生楔中沉積物與上洋殼體積隨時(shí)間的演化。(j) 地幔熔體的時(shí)空分布規律。(k) 俯沖板塊中脫水巖性隨時(shí)空的演化規律。

        與此作為對比,在縱向驅動(dòng)的起始俯沖模型中:1)早期>300公里的大洋板塊前端部分會(huì )快速進(jìn)入到深部地幔,在地表形成一個(gè)等寬的新生洋盆(圖3a-3e);2)與此同時(shí),上涌的軟流圈地幔會(huì )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(dòng)只會(huì )發(fā)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(jìn)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(guò)程中,巖漿活動(dòng)中心的遷移距離超過(guò)300公里,與IBM的觀(guān)測不吻合。更為重要的是,由于板片的埋藏幾乎與裂谷同時(shí)發(fā)生(圖3c),在模型中起始俯沖早期階段,所有板片物質(zhì)均會(huì )發(fā)生脫水與熔融(圖3k),這同樣與IBM的巖漿地球化學(xué)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(xué)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(zhù)的板塊間橫向擠壓作用(持續時(shí)間可以短至1-2 Myr)。該研究還闡明了,上盤(pán)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(jìn)度。


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

        論文中的正演數值模型基于劉亮主導開(kāi)發(fā)與升級的熱-動(dòng)力學(xué)數值模擬程序LL_AM_TMM,該程序有自適應型網(wǎng)格(A2ML)、非線(xiàn)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(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Communications Earth & Environment(5-year IF=7.9)。本項研究受到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2022YFF0801002)與國家自然科學(xué)基金委重大研究計劃集成項目(92258303)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. 全文鏈接:https://www.nature.com/articles/s43247-024-01263-4.
參考文獻:
Li, H.-Y., Li, X., Ryan, J. G., Zhang, C. & Xu, Y.-G. Boron isotopes in boninites document rapid changes in slab inputs during subduction initiation. Nat. Commun. 13, 993 (2022).
Li, H.-Y. et al. Radiogenic isotopes document the start of subduction in the Western Pacific. Earth Planet. Sci. Lett. 518, 197–210 (2019).
 

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