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使用数值模型研究俯冲板块动力学的进展

板块构造理论的核心是俯冲板块的动力学问题,可以通过地震学、矿物物理和岩石地球化学、地质构造和沉积学以及数值模拟对其进行多学科综合研究。其中数值模拟通过建立理论模型并使用数值方法模拟俯冲板块的动力学效应,直观地给出了定量化的俯冲板块的演化过程和地表响应,并用以解释其他学科研究所得到的观测和实验结果。因此使用数值模型进行定量化模拟是研究俯冲板块动力学的最重要的手段之一。

中国科学技术大学冷伟教授在《中国科学:地球科学》2018年第12期发表文章,综述了使用数值模型研究俯冲板块动力学多个方面在近期取得的进展,包括板块构造的起源和俯冲板块的启动过程,俯冲板块的热结构,以及俯冲板块在上地幔、地幔过渡带和下地幔的主要动力学表现。

作为板块构造理论最核心的一个部分,俯冲板块一直是地球科学的研究重点。相对于其他地球物理和地球化学方法,使用数值模型是研究俯冲板块动力学的十分有效的手段。数值模型的研究结果显示:板块运动的起源可能由古老岩石圈的垮塌或大的地幔热柱活动所诱发(图1),之后在转换断层或被动大陆边缘等板块边界处,由于两侧存在密度差和外部应力作用,不断产生新的俯冲板块的启动过程以维持板块运动;板块俯冲进入地幔后,由于地幔对其进行加热,板块的温度逐渐升高,俯冲速度较慢的年轻板块的表面温度要大于俯冲速度较快的年老板块;俯冲板块进入上地幔后可能出现平板俯冲或板块的扭曲和断离等形态变化,这些形态变化对地表的地形和火山活动起到重要的影响;当俯冲板块下沉进入地幔过渡带时,相变、黏性系数跳变、海沟运动、板块蠕变特性、板块初始下沉角度和含水等多种因素都能对其形态产生作用,造成俯冲板块的平躺和停滞等现象;当俯冲板块进入下地幔并最终抵达核幔边界时,其能够影响LLSVP的形态和位置分布以及地幔热柱的形成位置(图2),俯冲板块中的布里基曼石还能够发生后钙钛矿相变并影响整体地幔对流的效率。



图1 板块运动的两种可能起源模式

(A)   大陆岩石圈扩展垮塌造成的起源;(B) 地幔热柱上升侵蚀造成的起源


图2 俯冲板块对LLSVP和地幔热柱的影响

蓝色的为俯冲板块,红色为LLSVP,橙色为地幔热柱

需要注意的是,使用数值模型得到的结果是基于质量、动量和能量守恒方程的理论结果,还必须综合使用地震学、矿物物理和岩石学的实验和计算、以及构造地质和沉积学等方面的研究成果对模拟结果进行比对和验证,以最终理解俯冲板块的动力学过程。

对俯冲板块动力学的研究还存在着一些重要的问题和争议:(1) 对于大西洋两侧的被动边缘为何没能形成俯冲带目前尚未清晰理解,俯冲板块从启动到形成自我维持的成熟俯冲带的完整过程也还没有通过数值模型进行很好的展现。(2) 对数值模型得到的俯冲板块的热结构还没有通过其他多种观测手段进行很好的验证。(3) 如果使用俯冲板块自身的负浮力作为主驱动力,数值模型还未能准确重现地表的板块运动速度历史。(4) 对特定区域观测到的俯冲板块在过渡带中平躺堆积的主要控制因素尚未厘定清楚。(5) 对俯冲板块进入下地幔之后与LLSVP的形成之间的关系需要进一步深入的研究。

除了这些关键问题,俯冲板块动力学还有其他的一些研究方向值得关注,未来的数值模型研究需要对这些重点问题进行进一步的深入探讨。随着计算能力的大幅提升和建模技术的不断进步,数值模拟方法将为研究包括俯冲板块动力学在内的地球科学前沿问题提供更为准确和高效的手段。


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