上覆大陆板块热状态对俯冲动力学的影响二维热力学模拟学术资讯

来源：中国科学杂志社

洋-陆俯冲的动力学过程不仅依赖于俯冲大洋板块的性质, 还取决于上覆大陆板块的性质和状态。已有的数值模型多关注于大洋岩石圈性质或状态的影响，而对上覆大陆岩石圈性质的研究则相对薄弱。越来越多的证据表明大陆岩石圈在年龄、厚度以及强度上普遍存在横向非均一性。虽然前人利用数值模型对上覆大陆岩石圈的厚度、强度以及运动状态的影响开展了相关研究，但是鲜有研究关注上覆大陆岩石圈热状态的横向变化。因此，我们对大陆岩石圈热状态如何影响俯冲动力学过程及其自身的构造变形仍然了解甚少。近日，中国科学院地质与地球物理研究所的唐嘉萱硕士与导师陈林副研究员，及其合作者孟庆任研究员、武国利博士，利用二维热-力学模拟方法研究了洋-陆俯冲过程中上覆大陆板块热状态对海沟位置与其自身变形的影响。模拟结果显示（图1）：当上覆大陆地壳地温梯度较低时，在大洋板块自身负浮力的作用下，俯冲大洋板块快速后撤，打开了一个宽阔的弧后洋盆，最终大洋与大陆板块解耦；当大陆岩石圈增热至一定程度时，热而弱的大陆陆壳会发生重力垮塌向海沟处伸展变形，延缓洋陆解耦的时间，一定程度上减小海沟后撤的距离。

图1 上覆大陆板块热状态对海沟位置的影响随后，文中重点分析了上覆大陆板块热状态对自身应力转换和构造变形的影响（图2）：（1）陆壳内应力演化的特征不同，较冷的陆壳内应力演化具有区域性集中的特征，而较热的陆壳内应力表现为整体性演化，由整体挤压逐渐转变为整体拉张；（2）大陆岩石圈减薄的区域和程度不同，较冷的大陆岩石圈发生边缘性减薄，而较热的大陆岩石圈易发生大规模整体性减薄；（3）地形演化的趋势不同，俯冲板块后撤导致较冷大陆板块陆缘发生明显的地表沉降，而较热的大陆板块从大陆边缘至内陆易发生一致性地表沉降。

图2 上覆大陆板块热状态对陆壳内应力的影响

以此为基础，文章对早白垩世东亚地区裂谷盆地差异化发育的机制进行了探讨（图3）。早白垩世阿穆尔超级地体发育宽裂谷盆地体系，华北克拉通东部发育被动裂谷盆地，同时古热流重建研究表明晚中生代阿穆尔超级地体和华北克拉通存在明显的岩石圈热差异。作者推断：同在古太平洋板块的俯冲作用下，由于阿穆尔超级地体岩石圈较热，俯冲板块后撤导致大陆地表一致性沉降，发育宽裂谷盆地体系，且地壳向海沟处重力垮塌，减缓海沟后撤；而华北克拉通岩石圈较冷，俯冲板块快速后撤，导致大陆边缘发育被动裂谷盆地。

图3 早白垩世东亚构造演化模式图在实际的地质过程中, 晚中生代阿穆尔超级地体和华北克拉通的岩石圈性质差异性可能不仅仅只体现在热状态上，它们的物质成分、密度以及厚度可能也存在显著不同。另外，古太平洋板块的性质和状态沿俯冲带走向可能也存在变化。因此，晚中生代东亚地区裂谷盆地构造演化的差异性可能是多元因素叠加形成的结果。该项研究受国家重点研发计划项目（批准号:2016YFC0600406）和中国科学院战略性先导科技专项（批准号: XDB18000000）资助

来源：scichina1950 中国科学杂志社

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