汇聚板块边缘动力学: 进展与挑战
摘要
汇聚板块边缘动力学包含了从板块俯冲起始经成熟的大洋俯冲到大陆俯冲和碰撞的一系列过程, 在不同阶段都可能引起造山作用. 这个演化途径是板块构造最重要的表现形式, 是地球表层与深部物质和能量交换的主要过程, 也是火山、地震等自然灾害的重要发源地. 基于前人广泛的地质-地球物理观测和动力学模拟, 本文系统总结了俯冲起始、大洋俯冲和大陆碰撞过程中的关键动力学要素, 并指出了未解的科学问题. (1) 俯冲起始往往需要多重驱动力的结合及岩石圈尺度的流变弱化以减少阻力, 因此更倾向于在既有的缝合带或薄弱带的基础上发生. 俯冲起始的地质记录既包含热构造环境形成的岩浆岩和变质底板, 也包含相对冷环境的构造抬升或沉降及其伴生的沉积响应; 根据差异性的地质记录可分为热俯冲起始和冷俯冲起始, 前者倾向于在垂向驱动力的主导下发生, 而后者倾向于水平驱动力主导. (2) 板块平俯冲和地幔过渡带的长距离滞留是成熟俯冲带的两种典型的非常规样式; 平俯冲模式受控于板片低年龄、异常厚洋壳及板片与上覆岩石圈的耦合作用; 板片的滞留模式主要受控于660km间断面的阻碍和海沟后撤作用. 俯冲板片是将水和碳等挥发分物质携带进入深部地幔的主要途径; 洋壳之下的蛇纹岩层是将水带入深部地幔的主要载体, 其厚度和含水量是地球深部水循环的关键控制因素. 俯冲带碳循环受控于机械脱碳、变质脱碳、溶解脱碳、熔融脱碳等的联合作用, 碳循环通量有待进一步定量化的约束. (3) 深俯冲的大陆地壳物质可经历变质相变致密化, 从而产生较大的俯冲驱动力, 因此一旦将大陆地壳牵引至较大的深度后, 可发生自驱动的大陆俯冲. 青藏高原大陆碰撞动力学包含下盘印度板片的差异性俯冲和撕裂、上盘青藏高原的变形特征和物质平衡、印藏碰撞驱动的中亚内陆远程造山机制等系列关键过程, 并且这些深部过程与地表过程的耦合作用对于青藏高原的塑造及其环境气候效应具有重要意义. 综上, 板块汇聚边缘动力学进入了多学科交叉研究的“深水区”, 需要将多重地质-地球物理-地球化学观测与动力学-热力学模拟有机结合, 共同推动相关遗留科学问题的最终解决.