【摘 要】
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大洋高原广泛分布于大洋板块中,是一种面积较大且地势比周边大洋板块高的异常浮力体。大洋高原的俯冲、碰撞和增生是一种重要的地质过程,与物质循环、大陆增生、俯冲起始、远程内陆造山和岩浆活动等息息相关。但大洋高原重组俯冲带的作用机制仍不明确。本文我们利用二维数值模拟手段,探讨了大洋高原在俯冲带重组中的作用,主要针对平板俯冲和俯冲带跃迁进行了系统的研究并得到了一些新的认识。平板俯冲是指大洋板块以低角度(<1
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大洋高原广泛分布于大洋板块中,是一种面积较大且地势比周边大洋板块高的异常浮力体。大洋高原的俯冲、碰撞和增生是一种重要的地质过程,与物质循环、大陆增生、俯冲起始、远程内陆造山和岩浆活动等息息相关。但大洋高原重组俯冲带的作用机制仍不明确。本文我们利用二维数值模拟手段,探讨了大洋高原在俯冲带重组中的作用,主要针对平板俯冲和俯冲带跃迁进行了系统的研究并得到了一些新的认识。平板俯冲是指大洋板块以低角度(<10°)或近水平方式下插到上覆板块之下的俯冲样式,仅占现今全球俯冲带的10%。相对于高角度俯冲,平板俯冲对上覆板块内部造成的影响更加显著。引发的地震强度更大,因此平板俯冲具有重要的研究意义。典型平板俯冲所引起的变形会从海沟向上覆大陆内部逐渐传递,并形成一个宽阔的岩浆带。平板俯冲的形成机制目前仍存在争议,主要包括:大洋高原的浮力效应、上覆板块逆冲、板块吸力和海沟后撤等。本文系统分析和总结了以往有关平板俯冲的研究成果,归纳了平板俯冲所产生的地质效应(包括陆内造山和岩浆作用),并着重从数值模拟角度综述了关于平板俯冲形成机制的研究现状。通过对比得出,在控制平板俯冲形成的各种因素中,上覆板块逆冲和大洋高原是最为关键的两个因素,板块吸力虽有助于俯冲角度的减小,但不足以成为形成平板俯冲的独立条件,而海沟后撤则是形成平板俯冲的必要条件。今后基于数值模拟探索平板俯冲形成机制的工作,需要结合地质、地球物理观测数据,并将洋壳榴辉岩化(负浮力)与大洋岩石圈地幔蛇纹石化(正浮力)的影响加入到模型中,开展三维高分辨率热-力学模拟研究。大洋高原的浮力作用是否能产生平板俯冲目前还没有定论。本文采用二维热-力学模拟方法定量的分析了大洋高原的洋壳厚度和规模对俯冲过程的影响。模型结果表明,大洋高原的浮力作用对俯冲形态有较大的影响。相较于大洋高原的规模,高原地壳厚度对俯冲形态影响更大。小规模(<20km)、低浮力和巨厚(≥35km)的大洋高原模型均不会产生平板俯冲,只有中等厚度地壳(~25km)的大洋高原,在一定条件下会产生平板俯冲。即产生平板俯冲的条件是大洋高原满足足够的正浮力的同时,大洋高原的厚度不能太厚(≥30km)。因为巨厚的大洋高原地壳具有极强的抵抗俯冲能力,不利于板块的俯冲。相对于正常的大洋岩石圈而言,大洋高原的地幔根具有强流变学且组分化学耗竭的特征。增厚的地壳和亏损的地幔根的浮力性质,使其大洋高原具有抵抗俯冲的能力并在大洋高原后面引发新的俯冲带,但其地球动力学过程仍然是一个谜。在这里,我们使用二维热-力学数值模拟方法研究了大洋高原在俯冲带重组中的作用,系统地测试了大洋高原地幔部分的流变强度和组成密度以及大洋高原的规模。模型表现出三种不同的俯冲形式:(1)小规模(≤150km)或低密度亏损的大洋高原发生陡俯冲而没有俯冲带重组;(2)中等规模以上(≥300km)的大洋高原,其组分密度高度亏损但流变强度相对较弱时,俯冲前缘板块发生断离,大洋高原引起平板俯冲;(3)中等规模以上(≥300km)的大洋高原,其组分密度高度亏损且流变强度相对较强时,大洋高原阻塞于海沟处并增生于大陆边缘,进而在大洋高原后侧形成一个新的俯冲带(俯冲带跃迁)。模型结果表明,随着俯冲带的重组,上覆大陆岩石圈在~5Myr内经历了从压缩到拉张的构造应力变化,这也在上覆板的地壳变形中得到了很好地体现。这一特殊的应力转换体系可以作为识别地质时期俯冲带跃迁实例的指示标准。俯冲带跃迁模型预测的时空关系很好地解释了侏罗纪时期羌塘南缘~175Ma的增生事件,以及中特提斯~165Ma的洋内新生弧岩浆作用。
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