新聞動(dòng)態(tài)劉亮等-Geology: 上地幔溫度差異驅(qū)動(dòng)北半球的長期板塊匯聚
板塊重構(gòu)研究表明，侏羅紀(jì)以來北半球逐漸形成了以歐亞大陸東部為代表的長期板塊匯聚中心，表現(xiàn)為西伯利亞、蒙古、印度、阿拉伯等地塊群以及（古）特提斯、（古）太平洋板塊向該區(qū)域的匯聚。此外，該階段（重）新啟動(dòng)的單向俯沖過程也大多是朝歐亞大陸東部發(fā)起的。從定性的角度來看，似乎有“黑洞”似的結(jié)構(gòu)長期位于歐亞大陸東部的下方，并將周邊的板塊吸引到自身之下，加劇板塊間的擠壓。然而，現(xiàn)有模型較難解釋北半球至少200 Ma以來、板塊間擠壓增強(qiáng)且成為陸內(nèi)構(gòu)造-巖漿遷移活動(dòng)聚集地的根本原因。
近日，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所徐義剛院士團(tuán)隊(duì)的劉亮副研究員與合作者，采用基于地球深部物理狀態(tài)建立正演動(dòng)力學(xué)模型的研究思路，約束了當(dāng)今上地幔的溫度分布情況（歐亞大陸東部之下保留有顯著的低溫端員）（圖1a-1b），并據(jù)此系統(tǒng)且定量模擬了上地幔溫度分布不均一對北半球動(dòng)力學(xué)演化的影響，揭示出北半球“黑洞”現(xiàn)象的本質(zhì)，即地幔溫差驅(qū)動(dòng)的地幔對流會(huì)吸引周邊板塊向其匯聚，顯著增強(qiáng)板塊間的相互擠壓作用（圖1c）。
圖1. 北半球上地幔的溫度分布不均一與長期板塊匯聚過程驅(qū)動(dòng)機(jī)制的示意圖。(a)-(b) 借助地震衰減模型揭示的北半球上地幔溫度分布不均一。根據(jù)本研究中的模擬結(jié)果，當(dāng)今西北太平洋下方的低溫結(jié)構(gòu)，可能是從歐亞大陸東部下方沉降并遷移過去的。(c) 北半球長期匯聚過程的上地幔溫度不均一驅(qū)動(dòng)模型。
本項(xiàng)研究表明，上地幔的溫度不均一所誘發(fā)的地幔對流，可以驅(qū)動(dòng)侏羅紀(jì)以來北半球代表性板塊匯聚事件的發(fā)生。根據(jù)對模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，在原有俯沖過程結(jié)束后的~19 Myr內(nèi)：88%的測試模型中發(fā)生了朝向冷地幔端員的單向俯沖；在大約43%的模型中，更輕的板塊可以向冷地幔端員上方的更重的板塊之下俯沖（圖2）。與此相反，在地幔熱狀態(tài)均勻的模型中，俯沖重啟的時(shí)機(jī)延長到了十倍之久，且更輕的板塊從未俯沖到更重的板塊之下。因此，本項(xiàng)工作解釋了侏羅紀(jì)以來新啟動(dòng)的單向俯沖過程大多是朝歐亞大陸東部發(fā)起的原因。數(shù)值模擬結(jié)果還表明，在不同的匯聚帶初始條件下，大規(guī)模平俯沖、年輕邊緣海的俯沖、以及俯沖板片在地幔過渡帶內(nèi)滯留等北半球代表性現(xiàn)象也可以在模型中自發(fā)產(chǎn)生（圖3）。此外，本研究中的數(shù)值模型很好地再現(xiàn)了西太新生代起始俯沖階段的平均匯聚速率，很大程度上支持了模型結(jié)果在論證大時(shí)空尺度板塊匯聚問題上的可靠性。
圖2. 模型結(jié)果總結(jié)。(a) 數(shù)值模型的俯沖極性。每個(gè)單元格中的數(shù)字標(biāo)記了對應(yīng)模型的編號。在模型29中，熱且輕的大洋板塊首先俯沖到上盤之下，但是俯沖極性在~2 Myr發(fā)生反轉(zhuǎn)。(b) 每個(gè)模型中俯沖啟動(dòng)所需的時(shí)間。
圖3. 上地幔溫度差異可以有效驅(qū)動(dòng)200 Myr以來北半球多類代表性俯沖過程的發(fā)生
論文中的正演數(shù)值模型基于劉亮主導(dǎo)開發(fā)與升級的熱-動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬程序LL_AM_TMM，該程序有自適應(yīng)型網(wǎng)格（A2ML）、非線性粘-密度、熔-流體遷移、以及巖漿地化組成演化等算法。研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Geology（5-year IF 5.9）。本項(xiàng)研究受到國家自然基金委重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目（92355302）與國家自然基金委重大項(xiàng)目（41890812）的共同資助。
論文信息：Liu,L.*（劉亮）,Cao,Z.（曹澤斌）,Morgan,J.P.*,Li,H.Y.（李洪顏）,Yang,F.（楊帆）,and Xu,Y.G.（徐義剛）,2024,Geology,doi.org/10.1130/G51948.1.
