板块构造是现代地球科学的核心理论，威尔逊旋回进一步阐述了一个自洽的固体地球演化过程：板块在大洋中脊处扩张新生，在大陆边缘处俯冲消亡，同时，俯冲板块的负浮力以及洋中脊的推力驱动着整个动力学过程。然而，威尔逊旋回面临着一个重大的难题：新的俯冲如何在被动大陆边缘启动？现代观测表明，被动大陆边缘能够承载很大的应力，俯冲很难启动，大西洋两侧的被动陆缘更是稳定存在了数十个百万年以上。在这个背景下，地质学家提出岛弧-陆块碰撞诱发的俯冲极性反转（SPR, Subduction Polarity Reversal）过程（图1）可以很好地解释被动陆缘处俯冲的启动。俯冲极性反转是弧陆碰撞背景下的俯冲启动过程 （图1）：（1）在大洋闭合时，可能在内部的薄弱带发生一个初始的洋内俯冲，这个洋内俯冲会在上覆大洋板块形成一个地壳较厚但岩石圈较薄的岛弧结构；（2）随着初始的俯冲板块完全沉入地幔，这个岛弧结构将与陆块（大陆或洋底高原）发生碰撞；（3）如果外部仍有持续的挤压应力作用于这个碰撞系统，那么一个新的俯冲将易于从相对薄弱的岛弧处启动，这个新俯冲的方向与初始的洋内俯冲方向相反，且之前的被动陆缘由于俯冲的启动转换为活动陆缘。
图1. 岛弧-陆块碰撞诱发的俯冲极性反转过程示意图。（修改自Dewey, 2005）
相较于稳定的大西洋型被动陆缘，岛弧-大陆边缘构造活动强烈，在最近一百个百万年内就有多个俯冲极性反转事件被报导（图2a），且地震学资料显示在中国台湾附近的琉球（RK，图2c），澳大利亚东部的所罗门群岛（SL）、瓦努阿图群岛（NH，图2d）都有正在进行的俯冲极性反转事件。然而，有学者指出岛弧陆碰撞并不一定会诱发俯冲极性反转，例如在阿曼就发生的是仰冲（大洋板块仰冲到大陆上方）造山运动（OM，图2b）。即便发生俯冲极性反转，当地的构造特征也大相径庭。例如在台湾附近虽然有连续的两个俯冲发生，但我们从地形剖面（图2c）上可以看出只有一个海沟结构保留下来；而瓦努阿图群岛附近的极性反转区域，新老两个海沟都完好地保留下来，并且两个海沟被一个大的活跃的扩张洋盆分隔开（图2d）。什么条件下弧陆碰撞会诱发俯冲极性反转？什么情况下弧陆碰撞会诱发仰冲？为什么不同俯冲极性反转区域的构造学特征会有明显的差异？这些关键的问题并没有在动力学上得到较好的认识。
图2. （a）已报导的弧陆碰撞诱发的俯冲极性反转事件和仰冲事件。（b）阿曼地区的地形图及地形剖面。（c）台湾附近俯冲极性反转区域的地形图、地形剖面及地震剖面。（d）瓦努阿图俯冲极性反转区域的地形图、地形剖面及地震剖面。（引用自Zhang & Leng, 2021）
图3. 热力学模拟结果，（a-c）为温度场，（d-e）为对应的地形和粘度场。（a）弧陆碰撞后发生的仰冲。（b）弧陆碰撞后的诱发型俯冲极性反转。（c）弧陆碰撞后俯冲极性反转自发启动。（引用自Zhang & Leng, 2021）
近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院、中科院比较行星学卓越创新中心冷伟教授及其团队在传统热力学数值模型中引入先进的粘-弹-塑性岩石圈流变模型，系统地研究了岛弧-陆块碰撞这一动力学过程，揭示了俯冲极性反转的启动条件及启动机制的多样性，创新性地提出：岛弧-大陆碰撞后，无需外部构造应力的挤压，新的俯冲也能依靠大洋板块自身的负浮力自发启动。该研究通过大量的动力学模拟，确定了控制俯冲极性反转启动机制及其多样性的关键条件：上覆海洋板块的塑性强度。（1）如果上覆板块强度很大，没有任何薄弱带的时候，俯冲极性反转很难启动，反而会发生仰冲（图3a,d）。（2）如果上覆板块很强，但前端有一个相对薄弱的岛弧，俯冲极性反转可以在外部构造应力的持续挤压下被诱发（图3b）。这种诱发型俯冲最显著的特点是，在强烈的挤压下，老海沟会被新海沟原位替代，在地形上只能识别出一个海沟（图3e）。（3）如果上覆板块整体都很弱（图3c），会发生强烈的弧后扩张，形成一个大的活跃的扩张洋盆，不需要外部应力挤压，原先的上覆板块就会自发地坍塌。并且，由于中间的扩张洋盆没有办法承载挤压变形，新老两个海沟都被较好保留下来，可以从地形上清晰识别出来 （图3f）。上述三种动力学演化结果很好地对应了图1中展示的自然界中弧陆碰撞的三种不同的构造学响应，并揭示了其背后可能的动力学机制，为未来弧陆碰撞带的地质学研究、区域的板块重构提供了动力学上的支撑。
该成果以 “Subduction Polarity Reversal: Induced or Spontaneous?” 为题，发表于国际地学一流期刊Geophysical Research Letters（DOI: 10.1029/2021GL093201）。论文的第一作者为中国科学技术大学的博士研究生张晟星，通讯作者为冷伟教授。该项研究受到国家自然科学基金、中科院战略先导专项（B）的支持。
参考文献
Dewey, J. F. (2005). Orogeny can be very short. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 102,15286–15293. https://doi.org/10.1073/pnas.0505516102
Zhang, S., & Leng, W. (2021). Subduction polarity reversal: Induced or spontaneous? Geophysical Research Letters, 48, e2021GL093201. https://doi.org/10.1029/2021GL093201