Nature Geoscience：平板俯冲置换大陆岩石圈地幔基底

【前沿报道】Nature Geoscience：

平板俯冲置换大陆岩石圈地幔基底

全球俯冲带之下的板片展现出多样性的俯冲角度和形态，据此可将俯冲带分为以下两种类型：马里亚纳型与秘鲁-智利型。前者以年老的大洋板块大角度俯冲为代表，后者则指年轻的大洋板块以低角度或平板形式俯冲的样式（见Manea et al., 2017综述）。 

绝大部分俯冲板片都是以一定的正角度下插到周边较热的地幔之中，平板俯冲则是例外，在沉入地幔之前，它能在上覆板块之下近水平地运动数百乃至上千公里（Manea et al., 2017）。作为一种非同寻常的俯冲模式，平板俯冲仅占现今全球俯冲带的10%左右，主要分布于中墨西哥、秘鲁和智利（Gutscher et al., 2000；Manea et al., 2017）。

平板俯冲的形成机制长期处于争论之中，一般认为是俯冲板块自身的浮力异常（如大洋高原、无震洋脊或海山链）、海沟后撤、俯冲板块与上覆板块之间的吸力或上覆板块向海沟的运动等因素的组合效应（Manea et al., 2017）。

平板俯冲可以有效地将应力传递至上覆板块的内部，同时冷的俯冲板片会置换热的软流楔(asthenospheric wedge)，因此它会造成：

（1）上覆板块变形向内侧的迁移；

（2）岛弧岩浆作用减弱或消失，即岩浆作用的间隙。这些是判断或推测平板俯冲的重要地质依据（Manea et al.,2017）。例如，Li and Li（2007）提出平板俯冲导致了250-190Ma华南1300km宽的陆内造山。根据美国西部晚白垩Laramide造山运动的岩浆活动和构造变形历史，学者们推断在80-50Ma期间，Farallon板块以平板的形式俯冲到了美国西部之下（见Gutscher，2018）。

针对北美大陆下方曾经可能存在的平板俯冲，前人开展了大量的数值模拟研究（Liu et al., 2010），但是某些关键的观测现象，例如存在从西到东的挤压变形但并无相应的岩浆迁移，难以在统一框架下再现（Gutscher，2018）。

最近，Nature Geoscience发表了Axen等人的最新研究成果，他们利用二维热-力学模型探讨了Farallon板块以平板形式俯冲到北美大陆之下的动力学演化。

模型以Farallon板块的陡俯冲为起始，当轻而厚的洋壳（the conjugate Shatshy Rise, CSR）进入俯冲带，俯冲板片开始变平（图1）。CSR的俯冲对上覆板块产生了一个端元载荷，导致大陆岩石圈处于挤压应力状态。随着密度大的前端板片的断离，平板俯冲得到了进一步加强。他们发现平板俯冲能从上覆板片的底部刮掉20-50km厚的大陆岩石圈地幔（CML）。被刮下的CML充填了软流楔，他们推测该过程抑制了软流楔的熔融，最终导致岛弧岩浆作用减弱或终止。如果被刮下的物质密度轻，它则能在俯冲板片的前端聚集，形成一个“铲刮楔”（bulldozed keel）；如果被刮下的物质密度大，它则随板片下沉。 

图1 平板俯冲的演化过程（Axen et al., 2018）。左边是成分和温度，右边是水平偏应力（挤压为正，拉张为负）；在该模型中，上覆大陆岩石圈地幔中度亏损（密度为3230 kg/m³），强度中等（10倍于湿的橄榄岩）

Axen等的模型凸显了平板俯冲在铲刮大陆岩石圈底部和建造一个迁移的铲刮楔中的作用，为Laramide造山运动的一些主要特征提供了解释，包括：CSR轨迹上方的岩浆作用没有随着平板的推进而向内迁移，新墨西哥州东部和德克萨斯州西南部上地幔重力异常可能是古老铲刮楔的残留，科罗拉多州西南部下方厚达50km的岩石圈厚度突变可能是平板俯冲回撤后的遗迹等。

根据他们的平板俯冲模型，上覆板块内部的挤压变形是由施加在大陆边缘的端元载荷所致，而非由俯冲板块与上覆板块之间的剪切引起（图2）。这是因为只有强度弱的CML才会被刮掉，通过铲刮楔只有很少的应力能传递到上覆板块内部。

此外，他们的模型还预测在轻的铲刮楔的上方存在一个水平拉张带（图1）。这解释了Laramide造山运动造成的从西到东逐渐变年轻的断块隆起，同时也回答了为何秘鲁平板俯冲的上方发育的是活动的正断裂而非挤压变形（Gutscher，2018）。 

图2 平板俯冲中更少的底部剪切、更多的铲刮（Gutscher, 2018）。（a）Gutscher et al.（2000）早期提出的平板俯冲模型，认为平板推进产生的底部剪切是导致上覆板块内部挤压的原因；（b）Axen et al.（2018）提出的新的平板俯冲模型，认为平板俯冲铲刮上覆岩石圈基底，形成铲刮楔，轻的铲刮楔的移动导致了上覆板块挤压变形向陆内迁移和平板上方的拉张。绿色圆圈代表地壳地震活动性 

平板俯冲作为一种特殊的俯冲模式，它通过置换上覆岩石圈的基底、充填软流楔，可能在陆内构造变形、岩浆作用等地质过程中起着重要作用。

Axen等提出的模型为北美晚白垩Laramide造山运动提供了一个优雅的解释，模型预测平板上方的区域性拉张对过去和现今的平板俯冲带可能具有更广泛的意义。现今秘鲁平板俯冲上方的活动正断已初步验证了这一预测，但模型的普适性仍有待进一步野外应力观测和高分辨率地震探测的检验。

相关参考文献

1.Axen G J, van Wijk J W, Currie C A. Basal continental mantle lithosphere displaced by flat-slab subduction[J]. Nature Geoscience, 2018. DOI: 10.1038/s41561-018-0263-9.

2.Gutscher M A, Spakman W, Bijwaard H, et al. Geodynamics of flat subduction: Seismicity and tomographic constraints from the Andean margin[J]. Tectonics, 2000, 19(5): 814-833.

3.Gutscher M A. Scraped by flat-slab subduction[J]. Nature Geoscience, 2018, 11: 890-891.

4.Li Z X, Li X H. Formation of the 1300-km-wide intracontinental orogen and postorogenic magmatic province in Mesozoic South China: a flat-slab subduction model[J]. Geology, 2007, 35(2): 179-182.

5.Liu L, Gurnis M, Seton M, et al. The role of oceanic plateau subduction in the Laramide orogeny[J]. Nature Geoscience, 2010, 3(5): 353.

6.Manea V C, Manea M, Ferrari L, et al. A review of the geodynamic evolution of flat slab subduction in Mexico, Peru, and Chile[J]. Tectonophysics, 2017, 695: 27-52.

（撰稿：颜智勇，陈林 / 岩石圈室）