董淼等-GRL：俯冲板片负浮力主导北苏拉威西海沟后撤——被动陆缘转化为俯冲带的实例
根据威尔逊旋回理论，海底扩张形成的大洋板块随后俯冲到大陆边缘之下。虽然在新生代形成了许多俯冲带，但很少有俯冲带是由被动陆缘转化而来。由于缺乏真实地质案例的支持，对于被动陆缘的俯冲起始机制仍存在较大的争议。北苏拉威西俯冲带位于巽他、澳大利亚和菲律宾海板块的交汇处，长约500公里(图1a)。磁异常和全球板块重建表明，苏拉威西海大约在48-40 Ma之间形成，沿西北-东南方向发生海底扩张。在9-5 Ma苏拉威西海开始向南俯冲至今，俯冲板块最大深度约260 km(图1b)。由于该俯冲带规模不大，在此前的研究中常被忽视，但它恰好是一个从被动陆缘过渡到主动陆缘的极好例子。
北苏拉威西海沟自晚中新世以来一直在发生后撤。海沟的移动通常与俯冲带上覆板块的变形和俯冲板片的迁移密切相关。目前苏拉威西北支正围绕其东端顺时针旋转(图1a)。传统观点认为，周围板块的汇聚碰撞导致了北苏拉威西俯冲带的形成和海沟后撤。但巽他板块缓慢地向东南移动，而澳大利亚板块和菲律宾海板块则分别快速地向东北和西北移动(图1a)。如果是这三个板块的运动导致了北苏拉威西海沟后撤，那么苏拉威西岛北支将更倾向于发生逆时针旋转。因此，北苏拉威西海沟的后撤和旋转的机制仍不清楚。
图1 苏拉威西海及其周缘地区。(a)研究区苏拉威西海(CS)位于东南亚区域内，包括苏禄海(SS)、南海(SCS)、北班达海(NBS)和南班达海(SBS)。(b)区域地形图。黄色圆圈表示热流值。粉红色虚线表示主要的磁异常。不规则的透明的颜色梯度代表了俯冲板片，其颜色表示俯冲深度
针对以上问题，我室董淼副研究员、郝天珧研究员等，通过多组地球动力学数值模拟试验，研究了北苏拉威西俯冲带从被动陆缘向俯冲带转化的启动机制和海沟后撤的机制。将模拟结果与苏拉威西地区的观测结果进行对比后得出结论：北苏拉威西俯冲带是诱发起始的，但其海沟后撤是由俯冲板片自身驱动的。
研究采用ASPECT（Advanced Solver for Problems in Earth’s ConvecTion, version 2.3.0-pre）软件进行数值模拟计算。模型的自发或诱发俯冲起始机制通过控制模型的边界条件和洋壳是否榴辉岩化来实现（图2a）。初始模型的俯冲板片和上覆板块地壳厚度按照苏拉威西地质条件所构建，但由于初始大陆岩石圈厚度、大陆岩石圈地幔密度和洋陆过渡角未有准确的约束，因此需要这三个参数需要分别设置不同的数值来进行模拟试验，分析它们对自发俯冲的影响。
图2 模型设置及模拟结果。(a)初始模型设置，包括几何形状、分层和热结构。(b)三种不同结果的情况: 没有俯冲；在10 myr内，俯冲板块没有达到260 km的深度和10 myr内，俯冲到260 km；(c)不同机制下海沟后撤速度随时间的变化(大陆岩石圈地幔密度=3275 kg/m3；洋陆过渡角= 30°)。(d) 深度660 km、400 km、350 km、300 km、250 km和200km耦合模型的海沟后撤速度。西、中、东分别表示苏拉威西海西侧、中心和东侧的海沟后退速度
模拟结果表明不同初始俯冲机制模型在上覆板块形变，海沟后撤速度以及地形演化方面存在较大差异（图2）。苏拉威西海板块在5—9 myr时间尺度内向南俯冲至260 km深度，上覆板片地壳发生显著的伸展，目前地壳厚度为23 km左右，最大热流为68 mW/m2；以上这些地质条件下，无论是单纯自发或诱发机制的模型，都很难再现其演化过程。自发俯冲起始的模型虽然可以满足地壳减薄的条件，但是得到的热流都远高于实际热流。而诱发俯冲起始模型虽可以满足其他条件，却无法重现地壳的减薄过程。因此，研究团队认为在俯冲的早期阶段，必须有外力使大陆板块向大洋板块移动。当洋壳到达～60 km深度后逐渐向榴辉岩转化，控制俯冲的主应力开始由外力向俯冲板片的负浮力转变，主导方向也由水平转向垂直。随后俯冲带的持续俯冲、海沟后撤和大陆地壳的伸展则都依赖于俯冲板片的负浮力。
各种证据(地震活动性，震源分布，反射地震数据等)均显示北苏拉威西俯冲带在东西向存在差异，这种差异主要表现在俯冲深度、俯冲倾角和俯冲后撤的距离。体波成像结果显示，桑义赫板片在苏拉威西海下方向西俯冲。桑义赫板片的俯冲深度自东向西增加，因此苏拉威西海与桑义赫板片之间的距离相应地自西向东减小。这意味着桑义赫板片的存在大大减少了随后发生俯冲的苏拉威西海板片在地幔中的空间。研究团队分别进行了2D和3D的数值模型试验(图2，图3)。模拟结果均表明影响苏拉威西海板块俯冲速率的最重要因素是可用俯冲空间，桑义赫板片的存在减少了苏拉威西海板片在中心和东侧的俯冲空间，从而阻碍了它的俯冲，减缓了海沟的后撤。苏拉威西岛北支两侧不同的海沟后撤速度导致了苏拉威西岛北支当前的顺时针旋转。
图3 北苏拉威西俯冲带的三维模型示意图。灰色板片代表苏拉威西海板片，蓝色板片代表桑义赫板片，绿色板片代表苏拉威西岛北支
该研究针对由被动陆缘转化为主动陆缘的实际地质案例，通过数值模拟结合实际观测的研究方法，系统性的分析了北苏拉威西俯冲带的起始和海沟后撤机制，为深入理解和完善板块构造理论中的板块俯冲起始过程提供了科学依据。
研究成果发表于国际学术期刊GRL (董淼, 吕川川, 张健, 郝天珧. Downgoing plate-buoyancy driven retreat of North Sulawesi Trench: transition of a passive margin into a subduction zone[J]. Geophysical Research Letters, 2022, 49: e2022GL101130. DOI: 10.1029/2022GL101130)。研究受国家自然科学基金西太平洋地球系统多圈层相互作用重大研究计划重点项目（91858212）、国家自然科学基金（42276072, 41906056, 42076068），中国科学院国际合作局国际合作伙伴计划项目（132A11KYSB20180020）和剑桥大学艾萨克·牛顿基金（G102642）联合资助。
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