板块俯冲的数值模拟及其控制参数分析

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俯冲带是地球上板块汇聚和消亡的地带,尤其是环太平洋沿岸。它是极为重要的地质特征,与边缘海盆地的形成、岛弧火山活动及造山运动等密切相关。因此,对俯冲相关问题的深入研究,有助于更好地解释地球上在板块构造作用控制下发生的特殊的全球性动力学过程,更深入地理解板块构造的动力学机制及地球内部圈层的结构。针对俯冲带的问题,前人已经做了相当多的研究。尤其通过基于地震学的方法,如地震层析成像、地震震源机制、地震波速度成像等,学者们已经对现今俯冲带的结构和形态进行了较为准确的解译。然而,由于受到时空的约束,运用类似的探测的手段,很难呈现俯冲的整个演化过程。这就需要以实测数据为约束,结合数值模拟的方法开展相关研究。本文即利用二维数值模拟的方法对洋-陆俯冲的启动及俯冲相关的控制因素进行了探讨。  由于是使用数值模拟方法研究板块俯冲问题,数值算法的不同会直接影响模型结果。因此,本文首先对模型算法相关的参数进行了测试,通过对比分析,选择最优化参数以确保板块俯冲模型的可靠性,计算效率和精度。测试结果显示:1)随着最小粘滞系数的增大,背景地幔的粘滞系数逐渐减小;2)在本文未考虑相变的情况下,与干橄榄岩流变准则相比,采用湿橄榄岩的流变参数会导致地幔粘滞系数过高,这在一定程度上会阻碍俯冲板块的下沉。3)合理减小非线性容差可以有效减少模型的计算时间。4)参考粘滞系数的减小能够缩短模型解算所需的时间,提高效率。5)选用调和平均数算法时,模型各分层的边界相对平滑,俯冲模型中板片的俯冲深度更深。而选用最大值法时,各分层的边界相对锐化,且模型的俯冲板片下插深度较浅。  俯冲启动是俯冲整个过程最开始且极为重要的一环。影响数值模型中俯冲启动的因素很多,如俯冲分界面的几何形状、俯冲分界面的强度和俯冲板块的流变性质。本文即对俯冲分界面形状的作用进行了动力学的数值模拟。分别建立了倾斜型、弯曲型和垂直型分界面的模型。模拟的结果显示:倾斜型俯冲的俯冲角度最大,俯冲深度最深,海沟深度最深,俯冲板片前沿形状随着板片的俯冲逐渐锐化而成近乎箭头形;垂直型俯冲的俯冲角度次之,俯冲深度最小,海沟深度仅次于倾斜型俯冲,俯冲板片前沿形状在整个俯冲过程中几乎保持不变;弯曲型俯冲的俯冲角度略小于垂直型,俯冲深度介于倾斜型和垂直型之间,且略大于垂直型,海沟深度最小,俯冲板片前沿的锐化形状与倾斜型类似。因此也可得出结论,俯冲板块的倾角与海沟深度呈正相关。  纵观全球范围内的俯冲带,上覆板块尤其是弧后区域内,应力状态及在其作用下形成的地形地貌特征、俯冲板片的形态和俯冲深度、甚至地幔对流形式等,都具有很大差别。因此,本文随后对造成以上差异的相关控制因素进行了研究。数值模拟的结果表明:1)初始俯冲角度较小时,俯冲过程中俯冲板片的倾角也就越平缓,俯冲深度越浅。另外,只有大于一定倾角的俯冲才会产生俯冲板片的反卷。2)初始薄弱带宽度在小角度俯冲过程中基本不会对俯冲过程造成明显的影响;俯冲角度较大时,初始薄弱带的宽度越大,俯冲板片反卷的程度越大。具有近乎垂直的初始俯冲角的模型中,薄弱带的宽度会直接影响俯冲启动发生的时间,薄弱带宽度越大,越容易促使俯冲启动。3)沉积层和洋壳内摩擦角的大小直接影响着俯冲板块的强度及俯冲板块与上覆板块的耦合程度。此内摩擦角越大,俯冲板块强度的越大,越容易在俯冲过程发生断裂进而引起板块分界面附近上覆板块的地形抬升,俯冲角度也会随之增大。  日本海是西北太平洋上典型的边缘海之一。研究日本海的形成与演化对于更好的理解边缘海及弧后盆地的发育意义重大。因此,本文最后通过建立2D的动力学数值模型,对日本海形成早期日本岛裂离欧亚大陆的问题进行了初步的数值模拟,模拟结果表明:大陆上地壳内摩擦角的减小能够明显提高上覆板块在海沟附近的应变积累,增大局部地区的应变率,从而为该区域裂离上覆大陆提供条件。
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