板塊重構(gòu)研究表明，侏羅紀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、板塊間擠壓增強且成為陸內(nèi)構(gòu)造-巖漿遷移活動聚集地的根本原因。
近日，中國科學院廣州地球化學研究所徐義剛院士團隊的劉亮副研究員與合作者，采用基于地球深部物理狀態(tài)建立正演動力學模型的研究思路，約束了當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力學演化的影響，揭示出北半球“黑洞”現(xiàn)象的本質(zhì)，即地幔溫差驅(qū)動的地幔對流會吸引周邊板塊向其匯聚，顯著增強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)動機制的示意圖。(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)動模型。
本項研究表明，上地幔的溫度不均一所誘發(fā)的地幔對流，可以驅(qū)動侏羅紀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，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，俯沖重啟的時機延長到了十倍之久，且更輕的板塊從未俯沖到更重的板塊之下。因此，本項工作解釋了侏羅紀以來新啟動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。每個單元格中的數(shù)字標記了對應模型的編號。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) 每個模型中俯沖啟動所需的時間。
圖3. 上地幔溫度差異可以有效驅(qū)動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開發(fā)與升級的熱-動力學數(shù)值模擬程序LL_AM_TMM，該程序有自適應型網(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)表于國際學術期刊Geology（5-year IF 5.9）。本項研究受到國家自然基金委重大研究計劃集成項目與國家自然基金委重大項目的共同資助。
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.
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