中生代以来西太平洋地区板块俯冲过程及影响

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东亚地区周边具有极其复杂的构造环境,其东部边缘因受到太平洋板块俯冲作用形成了长达数千公里的岛弧系统,而其西南部受到印度板块的碰撞挤压而形成了青藏高原,两者共同作用造就了当今东亚地区地形西高东低的阶梯分布特点。尤其是东亚板块东缘自中生代以来先后经历了 Izanagi板块和太平洋板块长期的俯冲作用,持续的板块俯冲过程对于东亚板块东部的构造环境、火成岩活动、地形起伏和成矿作用等均有深远的影响。因此,对自中生代以来西太平洋地区的板块的俯冲活动以及东亚大陆板块相应的地表响应的研究,对于深入了解东亚地区的构造演化过程有十分重要的意义。从地震成像结果发现,东亚的华北克拉通地块在中生代经历了强烈的构造事件,导致华北克拉通东部岩石圈的厚度从白垩纪期间的200千米以上减薄到新生代时期的80千米左右。华北克拉通岩石圈的破坏过程被认为与Izanagi板块在中生代的俯冲过程有关。同时通过分析地震层析成像结果可以观察到,当今东亚板块下方地幔过渡带底部存在长达1000千米以上的水平状地震波高速异常并且在其上方的软流圈存在明显的低速异常,该水平高速异常带与其上方地幔的组合被称之为大地幔楔构造。大地幔楔构造强烈的改变了东亚地区的深部地幔结构以及地表构造环境,造成了一系列的造山运动、火成岩活动等地质响应。所以太平洋板块(以及Izanagi板块)向东亚之下俯冲过程中,俯冲板块在地幔过渡带中的形态演化过程,不仅仅与中生代华北克拉通岩石圈的破坏有关,同时也对新生代东北亚地区火山活动分布有很大的影响。我们构建了基于板块重构模型导出的板块运动速度为边界条件约束的全球地幔对流模型,用来研究中生代以来西太平洋地区板块俯冲过程以及板块在地幔过渡带中的形态演化情况。模型结果表明:对于Izu-Bonin-Mariana俯冲地区,由板块重构给出的速度作为边界约束,以及仅考虑660-km间断面相变和上下地幔流变性差异的地幔对流模型,就可以较好地实现板块在地幔过渡带内发生折叠并停滞的现象并且对于水平滞留板片与上覆板块之间的软流圈地幔也会造成弱化作用,构成大地幔楔构造。但对于本州俯冲带区域,我们的模型结果显示在该区域俯冲板块径直穿过地幔过渡带,进入下地幔之中,这与该地区的地震层析成像结果不符合,我们认为可能有其他的因素控制该区域俯冲板块在地幔过渡带中形成滞留板片。同时,自中生代以来,Izanagi板块和太平洋板块先后向东亚板块下方俯冲的过程也对东亚板块东缘的构造应力环境产生了极大的影响。在东亚板块东缘弧后区域自北向南分布着松辽盆地、日本海盆地、渤海湾盆地、南华北盆地、黄海盆地、东海盆地、菲律宾海盆地等一系列构造盆地。而且海洋板块的持续俯冲过程也将改变已有盆地的构造环境。盆地构造环境的变化是地表对于地球内部地幔对流演化过程的重要构造响应之一。我们构建了以板块重构模型导出的板块运动速度为表面速度边界的全球地幔对流模型,以研究自中生代以来西太平洋板块俯冲过程东亚地区的动力地形起伏演化的影响。我们的模型结果显示晚中生代后期以来东亚地区整体呈现低动力地形的特征。东亚动力地形整体倾斜的方向也在新生代早期由向南倾转变为向东南倾。在160Ma~70Ma之间,东亚大陆东缘滨海地区的动力地形先后经历了构造沉降、构造抬升、再次构造沉降以及再次构造抬升的过程。我们认为靠近俯冲海沟附近的动力地形升降模式的反转与Izanagi板块俯冲时海沟位置的前进和后撤运动有关,二者之间存在时空上的同步性。同时我们在松辽盆地、鄂尔多斯盆地和北黄海盆地分别提取的一采样点处的动力地形随时间演化的趋势,我们模型结果在早白垩晚期和新生代早期的动力地形升降趋势与地质上推测的盆地构造过程可以较好的匹配,并且我们发现三处盆地动力地形曲线均在120 Ma和65 Ma时发生了明显的构造反转,我们认为这可能分别与华北克拉通岩石圈破坏过程以及新生代早期Izanagi-太平洋大洋中脊构造俯冲过程有关。在白垩纪晚期至新生代早期阶段,Izanagi-太平洋大洋中脊构造被认为以平行于海沟的接触形式向东亚板块之下俯冲,类似的例子还有自渐新世以来持续至今的法拉龙-太平洋大洋中脊俯冲过程。因大洋中脊构造具有典型的高地形、高热流等特点,其俯冲过程会对地表火成岩活动、地形起伏等地质构造响应产生强烈的影响。我们构建了二维粘-弹-塑性数值模型来研究与海沟平行的大洋中脊构造的俯冲模式及相关的控制参数。我们模型结果表明,与海沟平行的大洋中脊俯冲模式可以分为三种:快速扩张模式、慢速扩张模式和洋中脊消亡闭合模式。并且我们认为影响大洋中脊俯冲模式的关键因素是大洋中脊两侧海洋板块之间的相对运动状态。大洋中脊构造不同的俯冲模式会造成地表不同的地质、地形响应,这些可以用来解释与洋中脊俯冲有关的地质现象,比如在55 Ma~45 Ma时期的东亚火成岩事件的间断期以及北美板块西部在中新世时期出现的火成岩事件的间断期。
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