大陆俯冲-碰撞-折返的动力学数值模拟研究综述

大陆板块通常紧接着大洋俯冲的完结而开始俯冲和碰撞,并可能伴随着高压-超高压变质岩石的形成和折返.基于对前人动力学数值模型的总结,大陆板块的稳定会聚过程可以大致分为6种模式:纯剪切增厚、挤压褶皱、单向高角度俯冲、单向低角度俯冲、双向俯冲以及俯冲板块的断离.同时,俯冲隧道中高压-超高压岩石的折返机制主要包含8种模式:逆冲断裂折返、褶皱挠曲折返、物质回旋折返、构造增压折返、俯冲板块"中上地壳"的整体拆离和折返、不同深度处物质周期性的韧性挤出、俯冲板块断离引发的板块后撤折返以及俯冲隧道中地壳物质穿过"破碎的"上覆岩石圈的折返.在大陆俯冲隧道中,中上地壳的弱化和拆离是物质从俯冲到折返转换的先决条件.但是物质弱化的主导机制及其在大陆俯冲隧道中的控制作用尚没有得到很好的解决.近似而言,大陆俯冲和折返的动力学机制可以等效为流体动力学中的"倾斜隧道流模式".该模式中,物质的俯冲抑或折返取决于俯冲隧道中"向下的Couette流"和"向上的Poiseuille流"这两种流动机制的竞争结果.另外,壳-幔岩石中的水对于俯冲隧道和上覆岩石圈的变形和破坏具有非常重要的作用,从而如果在模型中增加脱水和水化作用的数值算法,那么模拟的结果将可能大大区别于简单的"倾斜隧道流模式".数值模拟的另一个重要问题就是三维模型的应用,这对于研究造山带沿走向的差异性俯冲碰撞模式具有重要意义,也是该领域未来的发展方向之一.     

海洋板块俯冲作用下上覆大陆岩石层减薄机制的动力学模拟

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,我们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.

     

俯冲大陆岩石圈重熔：大别-苏鲁造山带中生代岩浆岩成因

大别-苏鲁造山带是华南-华北陆块在三叠纪经过大陆碰撞形成的,其中含有大量中生代岩浆岩,形成时代上主要属于晚三叠世、晚侏罗世和早白垩世.晚三叠世碱性岩和晚侏罗世花岗岩仅出露在苏鲁造山带东部,而早白垩世岩浆岩则遍布整个大别-苏鲁造山带（包括大面积的花岗岩、零星的中基性侵入岩和火山岩）.虽然时代不同,但是它们均富集轻稀土元素和大离子亲石元素,亏损高场强元素,具有高的初始Sr同位素比值、低的εNd（t）值和低的放射成因Pb同位素组成.晚侏罗世和早白垩世花岗岩锆石中含有新元古代和三叠纪U-Pb年龄的继承核,大多数早白垩世基性岩中锆石具有比正常地幔锆石低的氧同位素比值,全岩具有比正常地幔低的碳同位素比值.系统的元素和同位素对比研究发现,大别-苏鲁造山带中生代花岗岩和基性岩分别与经过超高压变质的花岗片麻岩和榴辉岩具有相似性.尤其是若干鉴定性特征的地球化学指标证明,它们都是华南岩石圈北缘的组成部分.由于中生代大陆深俯冲,这些具有类似地球化学性质的岩石分别在不同时间和层位发生超高压变质和碰撞后深熔作用.因此,这些中生代岩浆岩的形成与华南陆块俯冲/折返之后的碰撞后造山带构造跨塌有关,是俯冲大陆岩石圈在碰撞造山带加厚背景下部分熔融的产物.     

基于随温度变化的热系数模拟板块俯冲动力学过程

热传导系数和热膨胀系数是影响板块俯冲动力学过程的两个重要参数. 由于地球介质的不均匀性,热系数也会随深度发生变化.然而,这种变化在地球动力学模拟研究中往往被忽略.本文针对随温度变化的热传导系数和热膨胀系数, 模拟板块俯冲的动力学过程,分析热系数、黏度对板块俯冲形态的影响及其对应的地幔对流特征.结果表明,依温度变化的热传导系数和热膨胀系数会影响地幔温度及黏度分布,进而改变板块的俯冲角度;黏度是控制板块俯冲动力学演化过程的重要因素;地幔对流受黏度结构的影响,呈现分层对流及局部多个对流环等多种不同形态的对流场特征.     

大别-苏鲁超高压变质带P-T-t轨迹的动力学模拟

综合现有的地质、地球化学资料以及同位素年龄等研究成果，同时结合新西兰南岛北端陆壳俯冲的最新发现，提出了超高压变质岩的形成四阶段演化模式：板片俯冲形成增生楔、板片俯冲驱动角落流、板片拆离浮力抬升至Moho深度和后期上地壳伸展阶段.以此为定量模拟的出发点，利用二维有限元对大别-苏鲁超高压变质带的形成演化进行了动力学和热演化模拟，追踪超高压变质岩形成演化过程中的质点路径以及对应的P-T-t轨迹.计算的P-T-t轨迹及其空间分布特征均能与实测结果较好吻合.     

大别-苏鲁榴辉岩和石榴辉石岩中矿物Ce异常: 对氧化环境下形成沉积物深俯冲作用的示踪

准分子激光ICP-MS矿物原位微区分析发现, 来自大别-苏鲁超高压变质带典型地区(双河、毛屋、碧溪岭及仰口)的榴辉岩和石榴辉石岩中石榴石Ce异常从正到负高度变化. 绿辉石或单斜辉石也表现出类似的Ce异常特征, 但变化幅度小于石榴石. 这种Ce异常高度变化的现象仅见于氧化条件下形成的强烈风化剖面中. 因此, 这一结果表明大别-苏鲁榴辉岩和石榴辉石岩中存在氧化条件下形成的风化沉积物, 这些陆壳物质的深俯冲对地幔的改造和物质再循环可能具有重要意义.     

上地幔俯冲板块的动力学过程:数值模拟

大洋板块俯冲到地幔转换带,进而可形成不同的形态：板块可以停滞在660 km不连续面,抑或穿过地幔转换带进入下地幔.这些不同的俯冲模式可进一步影响到海沟的运动.为更好地理解上地幔中俯冲板片的变形行为以及俯冲过程与海沟运动之间的关系,本文通过建立一系列高精度二维热-力学自由俯冲的数值模型,揭示了俯冲板块在上地幔中的变形方式及其与地幔转换带之间的相互作用过程.模拟结果显示,在俯冲板块与地幔转换带的相互作用过程中,其动力学过程可以分为以海沟后撤主导、海沟前进主导以及稳定型海沟等三种主要动力学类型.对于年龄较老,厚度较大的俯冲板块容易形成海沟后撤型俯冲,俯冲板块停滞在660 km不连续面.相反,年龄较小,塑性强度较小的板块容易形成海沟前进型俯冲,俯冲板块穿越660 km不连续面.

     

大别—苏鲁超高压变质带P-T-t轨迹的动力学模拟

综合现有的地质、地球化学资料以及同位素年龄等研究成果,同时结合新西兰南岛北端陆壳俯冲的最新发现,提出了超高压变质岩的形成四阶段演化模式：板片俯冲形成增生楔、板片俯冲驱动角落流、板片拆离浮力抬升至Moho深度和后期上地壳伸展阶段.以此为定量模拟的出发点,利用二维有限元对大别—苏鲁超高压变质带的形成演化进行了动力学和热演化模拟,追踪超高压变质岩形成演化过程中的质点路径以及对应的P-T-t轨迹.计算的P-T-t轨迹及其空间分布特征均能与实测结果较好吻合.     

欧亚东边缘的双向板块汇聚及其对大陆的影响

自3 Ma至现今,在欧亚东缘太平洋、菲律宾海板块以较大速率朝NWW方向运动,并沿海沟向欧亚大陆俯冲;同时欧亚板块以较小速率朝SEE方向移动,构成双方向的板块汇聚格局.沿日本岛弧东侧,海洋板片以较小的倾角插入欧亚大陆下面,在浅部产生的挤压变形扩展到日本海东边缘.琉球岛弧的中、北部,菲律宾海俯冲板片的倾角较大,其西南段由NE向转变为EW向,正经历活动的海沟后退与弧后扩张.台湾是3种板块汇聚的交点:欧亚沿马尼拉海沟向东俯冲,吕宋弧与台湾碰撞,使台湾岛陆壳东西向缩短与隆升,形成年轻的造山带,菲律宾海板块沿琉球海沟的西南段向北俯冲到欧亚下面.位于南海与菲律宾海之间的菲律宾群岛是宽的变形过渡带,两侧被欧亚向东、菲律宾海向西俯冲夹击,中间是大型左旋走滑断层.总体上,现今时期的太平洋、菲律宾海板块的西向俯冲运动所产生的变形主要分布在俯冲板片内部及岛弧,未扩散到弧后地区,可能这种俯冲运动产生的水平应力较小,不能阻挡欧亚大陆的向东移动,对大陆内部的现今构造没有明显的影响.     

太平洋板块俯冲对长白山天池火山的影响

长白山天池火山是我国最具潜在喷发危险的活火山之一,属于远离海沟的陆内火山.太平洋板块平卧于长白山天池火山的下方,其俯冲过程对长白山天池火山形成及活动具有重要意义.本文通过二维热力学耦合的数值模型对海洋板块俯冲的动力学过程进行了模拟,分析了海洋板块俯冲对远离海沟的陆内火山的深部温压条件、速度场、岩浆补给量等的影响.依据模拟结果探讨了太平洋板块对长白山天池火山活动影响的可能性及方式.

     

俯冲初始时板块分界面形状对俯冲过程的影响

自板块理论建立以来,俯冲一直是学者们关心的热点问题.前人结合地质、地球物理、实验室物理实验和数值模拟等多种手段对这一问题进行了大量的研究.以往的研究更为关注俯冲过程中板块的作用、地幔流动的规律和物质的迁移与相变等问题,却常忽视了俯冲是如何开始的这一基本问题.同时,由于相关数据资料较为有限,更限制了俯冲启动的相关研究.因此,本文选取俯冲启动问题中板块分界面形状对俯冲过程的影响这一问题,使用有限元的方法进行了数值模拟.我们选择针对倾斜型、垂直型和弯曲型三种不同形状的板块分界面建立对比模型,比较它们演化至10 Ma的过程我们发现：分界面几何形状的不同的确会对俯冲板块演化和海沟的深度产生影响.倾斜型模型的俯冲角度最大,海沟深度最深,俯冲深度最深;垂直型模型的俯冲角度和海沟深度仅次于倾斜型模型,俯冲深度最浅;弯曲型模型的俯冲角度最小,海沟深度最小,俯冲的深度介于倾斜型和垂直型之间.结合以上结论不难看出,俯冲角和海沟深度变化具有一定的相关性,俯冲角度越大,相应的海沟深度越大.

     

板块俯冲中水分运移过程及其地球物理含义

流体/水分在地球演化过程中具有重要作用,它的存在可以提高地质体的扩散及蠕变,降低岩石/地幔的固液相限,对地质体的地球物理性质、地质灾害诱发、地质构造演化等都有着重要的作用.在板块俯冲区,流体/水分的影响贯穿了整个动力学过程,但板块深部脱水还存在着争议,且目前系统地研究水分在整个俯冲中的迁移过程及其地球物理意义的工作还较少.本次研究以我国东北地区为例,借助于地球动力学数值模拟,利用二维岩石化学-热-力学耦合的数值计算程序,建立西太平洋板块向欧亚大陆岩石圈俯冲的数值模拟模型,模拟了板块俯冲整个连续动力学过程中流体/水分的迁移过程.模拟与分析结果表明,板块俯冲过程中水分的迁移过程可分为三个阶段：洋壳水化、板块浅（中）部脱水、板块深部脱水.进一步揭示了洋壳水化过程中水分渗流通道形成、水分渗流以及板块及地幔物质水化反应的机制;解释了板块浅（中）部脱水过程对火山岛弧、弧后盆地及低速异常带形成的作用,以及对~410 km不连续带的影响;模型演化过程中观察到的板块深部脱水现象说明了存在板块深部脱水的可能性,而且板块深部脱水可以较好地解释部分内陆火山以及部分地区地幔柱（岩浆羽）和深源地震的成因.研究展示了板块俯冲过程中水分运移的地球物理意义.

     

吉林-日本区深震特征及板块俯冲图像分析

根据USCS地震资料：分析了吉林-日本深震区地震的深度特征．结果表明：吉林-日本深震区地震位于太平洋板块与欧亚大陆板块的交界带上．其北支地震活动强于南支．同时也揭示了该区地震深度、地震频次以及地震能量之间的关系．指出其最容易发生强震的地震层位在570-580km左右。由深度资料推断板块间的作用方式，太平洋板块向欧亚大陆的挤压是一个由浅入深的过程，在不同的部位其俯冲角度与俯冲距离是不一样的，一般来说，倾角越大，俯冲越陡．水平延伸距离越短；反之，倾角越小．俯冲越平缓，水平延伸距离越长。     

Remelting of subducted continental lithosphere: Petrogenesis of Mesozoic magmatic rocks in the Dabie-Sulu orogenic belt

The Dabie-Sulu orogenic belt was formed by the Triassic continental collision between the South China Block and the North China Block. There is a large area of Mesozoic magmatic rocks along this orogenic belt, with emplacement ages mainly at Late Triassic, Late Jurassic and Early Cretaceous. The Late Triassic alkaline rocks and the Late Jurassic granitoids only crop out in the eastern part of the Sulu orogen, whereas the Early Cretaceous magmatic rocks occur as massive granitoids, sporadic intermedi- ate-ma...     

A review on the numerical geodynamic modeling of continental subduction, collision and exhumation

Continental subduction and collision normally follows oceanic subduction,with the remarkable event of formation and exhumation of high-to ultra-high-pressure(HP-UHP)metamorphic rocks.Based on the summary of numerical geodynamic models,six modes of continental convergence have been identified:pure shear thickening,folding and buckling,one-sided steep subduction,flat subduction,two-sided subduction,and subducting slab break-off.In addition,the exhumation of HP-UHP rocks can be formulated into eight modes:thrust fault exhumation,buckling exhumation,material circulation,overpressure model,exhumation of a coherent crustal slice,episodic ductile extrusion,slab break-off induced eduction,and exhumation through fractured overriding lithosphere.During the transition from subduction to exhumation,the weakening and detachment of subducted continental crust are prerequisites.However,the dominant weakening mechanisms and their roles in the subduction channel are poorly constrained.To a first degree approximation,the mechanism of continental subduction and exhumation can be treated as a subduction channel flow model,which incorporates the competing effects of downward Couette(subduction)flow and upward Poiseuille(exhumation)flow in the subduction channel.However,the(de-)hydration effect plays significant roles in the deformation of subduction channel and overriding lithosphere,which thereby result in very different modes from the simple subduction channel flow.Three-dimensionality is another important issue with highlighting the along-strike differential modes of continental subduction,collision and exhumation in the same continental convergence belt.     

海山的倾斜俯冲对上覆板块变形的影响

伴随洋壳的俯冲,驼伏其上的海山会导致上覆板块的强烈变形.为解释该构造变形特征,本文运用物理模拟实验的方法,着重分析海山的斜向俯冲对上覆板块变形的影响,并将模拟结果与正向俯冲过程进行对比.实验结果显示:海山开始进入俯冲,前缘楔体的增生会被阻止,同时楔体被抬升并出现脱顶构造,未被海山破坏的楔体会出现后冲断层的激活,后冲断层轴平行于海山的俯冲方向.海山进一步俯冲,突起项部发育一系列张扭性质的微断裂和走滑性质的共轭断裂,尾随突起之后的楔体由于重力会产生正断层系统.比起正向俯冲,斜向俯冲过程中所产生的后逆冲体、海山两侧的叠瓦状逆冲推覆构造都出现不对称分布,断裂和微断裂束的走向不规则散开,后冲断层的轴向及海山俯冲过后在楔体上产生的凹槽的轨迹都不断斜向迁移,且凹槽两侧的地势不一致等.最后利用文中的物理模拟结果,很好的解释了马尼拉海沟中段俯冲构造的构造特征,同时对其他俯冲大陆边缘的构造解释具有指导意义.     

西太平洋板块向我国东北地区深部俯冲的数值模拟

本文采用依赖温度的黏度结构以及考虑海洋板块和大陆板块厚度差异等特征,以太平洋板块向欧亚板块会聚速率作为板块速度的主要约束,通过变化海沟后撤速度模型,数值模拟西太平洋板块向中国东北的俯冲过程.结果表明,要产生类似于中国东北之下低角度的板片俯冲,海沟后撤是重要条件;而上下地幔黏度的较大差异是决定俯冲板片不穿透660 km相变面的决定因素;西太平洋板块向欧亚板块的俯冲应早于70 Ma B.P.,海沟后撤速度可能小于一些地质学家估计的45 mm/a, 而且可能是分阶段变化的;速度场表明运动学模型的反过程：大陆岩石圈之下物质的不断水平向东的流动和推挤可能成为海沟后撤的力源之一,地幔物质的这种东向流动可能与印度板块挤压碰撞欧亚板块有关,沿欧亚板块东缘的扩张构造可能是太平洋-欧亚板块运动和印度-欧亚板块运动的综合效应.     

Rejuvenated extension of the Philippine Sea plate and its effect on subduction dynamics in the Nankai Trough

The Nankai Trough, Japan, is a subduction zone characterized by the recurrence of disastrous earthquakes and tsunamis. Slow earthquakes and associated tremor also occur intermittently and locally in the Nankai Trough and the causal relationship between slow earthquakes and large earthquakes is important to understanding subduction zone dynamics. The Nankai Trough off Muroto, Shikoku Island, near the southeast margin of the rupture segment of the 1946 Nankai earthquake, is one of three regions where slow earthquakes and tremor cluster in the Nankai Trough. On the Philippine Sea plate, the rifting of the central domain of the Shikoku Basin was aborted at ~15 Ma and underthrust the Nankai forearc off Muroto. Here, the Tosa-Bae seamount and other high-relief features, which are northern extension of the Kinan Seamount chain, have collided with and indented the forearc wedge. In this study, we analyzed seismic reflection profiles around the deformation front of accretionary wedge and stratigraphically correlated them to drilling sites off Muroto. Our results show that the previously aborted horst-and-graben structures, which were formed around the spreading center of the Shikoku Basin at ~15 Ma, were rejuvenated locally at ~6 Ma and more regionally at ~3.3 Ma and have remained active since. The reactivated normal faulting has enhanced seafloor roughness and appears to affect the locations of slow earthquakes and tremors. Rejuvenated normal faulting is not limited to areas near the Nankai Trough, and extends more than 200 km into the Shikoku Basin to the south. This extension might be due to extensional forces applied to the Philippine Sea plate, which appear to be driven by slab-pull in the Ryukyu and Philippine trenches along the western margin of the Philippine Sea plate.