董淼等-GRL：小洋盆角落处的俯冲起始
在东南亚地区存在着很多年轻的俯冲带，这些俯冲带发生俯冲起始的时间只有几个百万年（图1）。这些地区虽然各自属于不同俯冲起始的阶段，但有着相似的构造特征：还没有发生俯冲起始的地区似乎都位于角落里；而在已经发生俯冲的地区，俯冲板片的几何形状都呈现为一个三角型：海沟中部俯冲板片深度最大，沿着海沟两侧方向俯冲板片深度逐渐变小，这也同样暗示着俯冲起始在角落里开始。那么为什么该地区的俯冲起始都最始于角落里，角落结构对于俯冲起始有什么样的影响？随着计算能力的发展，虽然有一些3D模型被用于俯冲起始的研究，但是还没有数值模型可以用来验证东南亚地区角落处的俯冲起始。
图1 （a）东南亚的洋盆和俯冲带。NBS表示北班达海，SBS表示南班达海；（b）北班达海及其周边地区测深图；
（c）北苏拉威西和哥达巴托海沟中的西里伯斯海板块俯冲图（灰色不规则多边形表示直接投影到表面上的俯冲板块的形状，红色不规则多边形是重建的俯冲板块在表面的范围）；
（d）俯冲板表面重建示意图。黑线代表俯冲的板块。计算出的长度投影到平面上显示为红线
针对以上问题，我室海陆油气综合地球物理团队董淼副研究员、郝天珧研究员等，通过多组三维地球动力学数值模拟试验，研究了角落结构对俯冲起始的影响，最终得出结论：在小型洋盆中，无论角的大小和角度如何，俯冲都是在角的顶点开始的。小角度的拐角会促进俯冲起始，但角度大于120°的拐角不利于俯冲起始，反而可能会阻碍俯冲起始的发生。
研究采用ASPECT软件进行数值模拟计算，初始模型由上覆板块、大洋板块和两者之间的薄弱带组成（图2a）。角的几何形状通过角度α，和弯曲的边界宽度D来控制（图2b）。记录下来俯冲板片到达200 km深度时的时间作为完成俯冲起始的时间，以此作为根据来判断俯冲起始难易程度（图2c）。
直的洋-陆边界模型为参考模型（模型0）。模拟结果表明：对于弯曲边界的模型，在D相同或顶点位置h相同的情况下，角度越大，完成俯冲起始的时间越长，角度越小则越容易完成；但在角度相同的情况下，完成俯冲起始的时间与间距D和顶点位置h均不是线性相关。无论板块边界角的间距和角度的大小，最先开始下插弯曲的地方都是角最顶点的位置，最先完成俯冲起始的位置也是角的最顶点（图2c），俯冲板块首先在板块中段达到200km的深度（图2d）。
图2 （a）初始模型设置，包括几何形状、边界宽度D、角度α；（b）不同模型实验中角的几何形状；
（c）模型0-3的最终结果仅显示了海洋地壳和海底岩石圈地幔。模型1-3具有相同的D（200 km）和不同的角度（α）；（d）模型2在y=0 km（前部）、y=200 km（中部）和y=400 km（后部）的剖面图
这是因为无论角度大小，边界角结构会将应力集中在顶点（图3a），这使得角的顶点比其他地方更容易发生形变。随着俯冲起始的开始，边界角的整体面积会逐渐变小。不同模型的减小程度不同（图3b）。小角度的边界角度，力在z方向上的分量足够大，使上覆板块发生形变，角落的顶点位置逐渐闭合。因此位于顶点处的大洋板块能很快下沉到软流圈中，并促进俯冲起始的发生。由于这种小角度角的几何结构的不稳定性，因此很难在地球表面很难存在很大范围的锐角的角落结构。
图3 （a）模型1、2、3初始阶段上表面（y=0 km）的剪应力；（b）角几何形状的演化。虚线表示初始阶段D和h的长度。∆h表示h长度的减小。黑色箭头表示速度
对于大角度的边界角来说，密度差产生的作用力在z方向的分量太小，很难改变角落里上覆板块的形变，因此长度h变化比较小，上覆板块更倾向于沿着x方向整体向大洋板块运动。由于大角失去了应力聚焦效应使得整个陆缘来承担洋-陆之间密度差所产生的应力，因此大角对俯冲起始的影响很小。
本研究通过数值模拟的方法研究了角落几何结构对俯冲起始的影响，强调了在研究俯冲起始的动力学时三维几何结构的重要性，这有助于我们更好的理解发生在地球不同位置的俯冲作用。
研究成果发表于国际学术期刊Geophysical Research Letters (董淼, 郝天珧, 李月, 张健, 方桂. Subduction initiation at the corner of small oceanic basins. Geophysical Research Letters, 51, e2023GL107440. https://doi.org/10.1029/2023GL107440)。研究成果发表于国际学术期刊GRL（董淼, 郝天珧, 李月, 张健, 方桂. Subduction initiation at the corner of small oceanic basins[J]. Geophysical Research Letters, 2024, 51: e2023GL107440. DOI: 10.1029/2023GL107440）。该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, 42176052, 42306084），中国科学院国际合作局国际合作伙伴计划项目（132A11KYSB20180020）和中科院先导项目（XDB42020104）联合资助。模拟计算在北京超级云计算中心上完成。
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