刘少峰：东亚陆缘深部水平板片俯冲及其地表动力地形响...

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可变形板块运动和地表动力地形是板块与地幔耦合的重要指示标志。东亚陆缘（图1）深部以地幔过渡带内发育大型水平板片为特征。然而，这一特征的板片结构是如何演变的、它又如何与板块运动、板内变形和动力地形相耦合，人们对其知之甚少。


针对上述科学问题，我校地球科学与资源学院、“岩石圈构造”求真研究群体刘少峰教授等，采用先进的可变形板块运动与地幔对流相结合的正演模拟方法，重建了东亚陆缘54Ma以来精细的板块-地幔系统演化，取得了如下主要成果：


（1）新生代可变形板块构造重建结果展示了板块、板块俯冲带和板内变形演化：包括菲律宾海板块的北向运动，菲律宾海板块与欧亚板块之间的斜向汇聚，海沟三联点的向北迁移，日本海沟、南开（Nankai）和琉球海沟的向东后退，及伊豆-博宁-马里亚纳海沟向东北后退等。这一重建结果为东亚板块-地幔系统四维模拟提供了详细的运动学约束。


（2）由可变形板块构造重建资料约束的地幔流动正演模拟结果与地震层析成像揭示的东亚深部地幔结构特征基本吻合。模拟结果表明，随着菲律宾海板块自渐新世开始发生顺时针旋转，俯冲的西太平洋板片不断撕裂，导致板片分割和拆离；尽管板片撕裂和海沟后退对地幔过渡带水平板片形成具有控制，但指向北西的、分布广泛的地幔流对形成水平俯冲具有重要贡献（图2）；模型预测的太平洋板片俯冲至地幔过渡带发生滞留的时间大约为42 Ma（图3）。


（3）地幔流动模型模拟产生的动力地形幅度约为±200 m，它与现今观察的残余地形总体吻合，也与50百万年以来的残余地形变化幅度一致。由深部水平板片俯冲和板片撕裂作用驱动的地表动力地形演化是东亚陆缘低起伏地貌形成的重要控制因素（图4）。


（4）东亚陆缘深部宽阔的水平板块及动力沉降对沿渤海湾盆地和松辽盆地西缘分布的“重力梯度带”的形成具有贡献。东亚与东南亚地区的大地构造和动力地形演变形成鲜明对比，这反映俯冲板片在东亚深部地幔中正在短暂停留，而在东南亚深部则快速沉入下地幔，因此，前者地表发生缓慢的动力沉降，而后者却发生大幅度快速沉降。


该成果的科学价值在于，将地表地形、可变形板块运动及深部地幔流动相结合，构建了东亚陆缘四维地球动力学系统；揭示了深部地幔过程（或称东亚陆缘深部大地幔楔形成过程）与地表动力地形演化的耦合关系；探讨了东亚陆缘特征性的低起伏地貌的成因。






图1 东亚构造图






图2 板片俯冲演化





图3 预测的、俯冲于东亚陆缘深部地幔过渡带的太平洋板片的滞留年代





图4 预测的东亚陆缘动力地形演化





上述研究成果发表在地球物理学国际权威刊物《Journal of Geophysical Research-Solid Earth》上：Liu SF, Ma PF, Zhang B, Gurnis M. The Horizontal Slab Beneath East Asia and Its Subdued Surface Dynamic Response. JGR: Solid Earth. 2021; 126 (3), e2020JB021156. [IF 2020=3.848]


全文链接：https://doi.org/ 10.1029/2020JB021156