海洋板块的俯冲模式及对上覆岩石层的影响:数值模拟

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俯冲带是板块演化过程中形成-扩展-消亡三部曲中的最后一环:地球物质由洋脊及热柱上升,最终由俯冲带回到地球深部。俯冲作用是板块构造理论的核心部分,它为地球表层和深部物质演化循环提供了重要的源动力。环太平洋地区集中发育了全球绝大多数俯冲带,在西太平洋地区,从北到南依次为阿留申、千岛、北海道、日本本州、伊豆-小笠原、马里亚纳、加瓦等俯冲带;在东太平洋地区,从北到南依次为阿拉斯加、墨西哥、安地列斯、秘鲁、智利等俯冲带。这些区域发生了复杂的俯冲、增生以及碰撞作用,俯冲带的结构极其复杂并伴随有强烈的变形。本论文围绕海洋板块向大陆板块的俯冲问题,以二维地球动力学数值模拟作为主要研究手段,取得了一些创新性认识。  全球俯冲带的地震层析成像结果表明海洋板块俯冲进入地幔转换带后可以表现为不同的样式,有时能够穿越660km间断面而进入下地幔,有时却停滞在660km间断面处;对于后者,板块发生停滞的形态也大不相同,这都与海洋俯冲板块与地幔转换带的相互作用直接相关。因此,建立了一系列洋-陆俯冲带的二维数值模型,对地幔转换带内板块俯冲模式的分类,以及不同模式的动力学控制因素,进行了系统的探讨。模拟结果揭示了海洋俯冲板块在地幔转换带内的四种俯冲模式:褶皱型、穿越型、平躺型和回折型,其中以向前平躺型俯冲最为常见,褶皱型俯冲极少。俯冲海洋板块的年龄、上覆大陆岩石层的厚度以及板块汇聚速率对俯冲模式的控制作用至关重要。当俯冲海洋板块比较年轻时,易于发生穿越型俯冲;而当俯冲板块年龄较大时,易于停滞在地幔转换带内,发生平躺型和回折型俯冲。上覆大陆岩石层较厚时,俯冲板块易于向前平躺;而上覆大陆岩石层较薄时,俯冲板块易于向后回折。俯冲模式的选择与板块接触660km间断面时的俯冲角度θb之间存在重要关系;当θb介于102°和130°之间,容易发生褶皱型俯冲;当θb大于等于138°,倾向于发生回折型俯冲。以上三种模式都可以归类于俯冲板块停滞于660km间断面之上,与之相反的穿越型俯冲模式需要的条件较为苛刻,一般需要θb近似于90°(近垂直接触660km间断面)。  几乎所有大陆岩石层的减薄现象,可能都与海洋板块的俯冲作用相关,但是两者之间的内在联系迄今仍不十分明确,为此,设计了一系列包含洋-陆俯冲系统的二维数值模型,来探讨海洋板块的俯冲作用对上覆大陆岩石层变形行为的影响,尤其对大陆岩石层减薄效应的制约。模型结果表明,海洋板块俯冲过程中的地幔楔熔体对大陆岩石层地幔的热侵蚀以及由熔体上升所诱发的地幔局部对流的强烈扰动会导致上覆大陆岩石层的减薄效应。这种效应不仅表现在横向上的向陆内蔓延,还表现在垂向上的向浅部发展。且多类动力学参数都能制约大陆岩石层的减薄效应。具体地,随着汇聚速率和洋壳厚度的增加,上覆大陆岩石层在横向上的减薄范围越大,在垂向上的减薄程度也越深;而随着俯冲海洋板块年龄的增加,上覆大陆岩石层在横向上的减薄范围增大,但在垂向上的减薄程度会减小;随着上覆大陆岩石层厚度的增加,其横向减薄范围会减小,但在垂向上的减薄程度会加深。本文研究成果能为揭示华北克拉通减薄/破坏的动力学过程提供一定的理论参考依据。  在西太平洋一系列的边缘海中,鄂霍次克海位居最北部,是研究洋-陆俯冲以及洋缘盆地动力学演化的理想场所。采用数值模拟方法,探讨鄂霍次克海板块的俯冲及其板内洋缘盆地的开启和演化,对于获得该板块的运动驱动机制的新的认识,具有重要意义。鄂霍次克板块主要包含千岛盆地、西北盆地和东北盆地,其中千岛盆地是研究鄂霍次克海的一个窗口。那么千岛盆地的开启和演化主要受到哪些动力学因素的制约呢?本文以二维数值模拟为研究手段围绕此问题进行了初步探讨,旨在为完善和深化西太平洋边缘海盆地的研究提供证据。模型结果表明,鄂霍次克海域内沉积盆地的形成和演化受控于地球动力学多因素的联合作用。其中千岛海盆开启的主要控制因素是太平洋板块的西北向俯冲,诱发弧后物质上涌,形成弧后盆地。上覆大陆岩石层的厚度会显著制约千岛海盆的开启。当上覆大陆岩石层的厚度比较小(~80km),此时没有俯冲发生,板块的汇聚主要通过剪切增厚来实现;当上覆大陆岩石层的厚度比较大(~160km),此时会形成平板俯冲,也没有弧后盆地的开启。
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