大洋板塊俯沖是地球淺表最具代表性的地質(zhì)過程之一。理論上來講，大洋板塊在形成之后的20-40 Myr內(nèi)，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(tài)，如：橫向或縱向的外部驅(qū)動力（圖1）。然而，兩類驅(qū)動力在起始俯沖中的相對貢獻(xiàn)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(qū)動。上盤減薄或弱化后，大洋板塊的負(fù)浮力導(dǎo)致俯沖起始。(c)-(d) 橫向驅(qū)動。板塊間的橫向擠壓作用克服來自上盤的阻力，觸發(fā)俯沖起始。(e) 成熟俯沖階段。該階段地幔楔內(nèi)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(zhuǎn)為蛇紋巖化的地幔巖類。
針對以上科學(xué)問題，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所徐義剛院士團(tuán)隊(duì)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(jù)聯(lián)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(tǒng)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(jié)了108個(gè)數(shù)值模型的模擬結(jié)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(guī)律的具有關(guān)鍵作用。
根據(jù)研究結(jié)果，在橫向驅(qū)動的起始俯沖模型中，1）板塊間的橫向擠壓會導(dǎo)致俯沖板塊淺部的物質(zhì)被剮蹭掉（圖2b、2i），致使俯沖起始后~2 Myr內(nèi)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)組成無法顯示出俯沖沉積物、蝕變洋殼的地球化學(xué)貢獻(xiàn)；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(fā)育裂谷（圖2c-2g），并導(dǎo)致巖漿活動的中心向遠(yuǎn)離海溝的方向遷移約~100公里（圖2j）；3）隨著裂谷區(qū)域的持續(xù)冷卻，俯沖板片中脫水與熔融的主體轉(zhuǎn)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(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(qū)動起始俯沖的代表性模型。(a)-(h) 模型的關(guān)鍵時(shí)空演化節(jié)點(diǎn)。藍(lán)色箭頭標(biāo)明了上盤的伸展中心。圖中淺綠色物質(zhì)為上-下盤間的解耦層、如轉(zhuǎn)換斷層等，紫色為沉積物，橙色為上洋殼，綠色為下洋殼，淺藍(lán)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(shí)間的演化。(j) 地幔熔體的時(shí)空分布規(guī)律。(k) 俯沖板塊中脫水巖性隨時(shí)空的演化規(guī)律。
與此作為對比，在縱向驅(qū)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(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(fā)生在新生巖石圈形成之前（起始俯沖后3 Myr內(nèi)）；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(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(shù)值模擬結(jié)果與巖漿地球化學(xué)證據(jù)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(xù)時(shí)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(zhuǎn)向“成熟”的演化進(jìn)度。
圖3. 縱向驅(qū)動起始俯沖的代表性模型。(a)-(j) 模型的關(guān)鍵時(shí)空演化節(jié)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(guī)律。(m) 俯沖板塊中脫水巖性隨時(shí)空的演化規(guī)律。
論文中的正演數(shù)值模型基于劉亮主導(dǎo)開發(fā)與升級的熱-動力學(xué)數(shù)值模擬程序LL_AM_TMM，該程序有自適應(yīng)型網(wǎng)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(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Communications Earth & Environment（5-year IF=7.9）。本項(xiàng)研究受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目與國家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)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.?
附件下載：