俯冲过程引起的克拉通破坏及相关影响因素的数值模拟

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克拉通是由太古代和元古代岩石构成的较厚且稳定的大陆地块。目前的地震波数据和地质证据都证实了许多克拉通岩石圈都经历过破坏过程并且出现了明显的岩石圈的减薄。为此需要针对克拉通减薄的情况提出合理的机制来解释岩石圈弱化和破坏的原因以及所需条件。当前对其的研究基本分为两类:一个是热侵蚀作用,一个是岩石圈地幔的剥离作用。在此基础上,文章中针对克拉通破坏一共做了三个方面的研究。首先是在研究中提出了俯冲初始过程可以在超大陆循环的阶段诱发克拉通破坏,进而建立了一系列数值模型来模拟海洋板块俯冲和克拉通破坏过程。针对海洋板块初始俯冲阶段与克拉通之间的相互作用力建立了受力分析模型,以此提出了控制克拉通破坏的三个重要控制参数:陆下岩石圈地幔(SCLM)厚度,SCLM与海洋板块接触角度和SCLM的摩擦系数。结果认为SCLM的厚度和接触角度都直接控制克拉通破坏能否产生,SCLM的强度进而影响破坏的岩石圈地幔规模。此外,值得关注的是克拉通下方的岩石圈中不连续面(MLD)的存在。将数值模型中90~110 km处增加了 MLD弱层,结果证实当MLD存在时克拉通的破坏不需要与俯冲带直接接触就可以被诱发,地幔较深部存在的MLD弱层因与上涌的软流圈物质直接接触促进了其下方岩石圈地幔的剥离。另一个研究是将洋底高原的俯冲过程纳入克拉通破坏的考虑因素。洋底高原因增厚的地壳在俯冲时受到的正浮力增加从而改变了俯冲形态。当洋底高原靠近俯冲带时阻碍俯冲进一步进行并且在挤压过程中拼贴在大陆板块边缘。外来陆块的拼贴过程之后持续的俯冲令洋底高原后方产生新的俯冲并且出现克拉通的破坏。研究中的数值模拟结果发现克拉通在洋底高原拼贴到边缘后如果SCLM的强度较大不能进一步产生岩石圈的破坏,但是当强度降低后克拉通的破坏则会出现。尽管得到了完整的数值演化过程,研究中诱发克拉通破坏的明确动力还不是很清楚,确切机制还需日后的进一步研究。最后是针对华北克拉通建立的三维数值模型。相对于华北克拉通目前发现的清晰的破坏证据,中国东北部是否产生岩石圈破坏是不确定的。目前的岩石圈结构发现东北部下方的岩石圈厚度较未破坏的华北克拉通要薄。因此需要三维模型来模拟海洋板块俯冲到不同厚度的大陆岩石圈下方。在俯冲过程中,只有增厚的克拉通岩石圈出现破坏,而未增厚的岩石圈在经历同样的俯冲过程后未产生岩石圈剥离作用。这样的结果与我们之前二维数值模型结果相符合。该结果支持东北部的岩石圈因为厚度较薄而未因古太平洋俯冲产生破坏的结论。该研究中对于克拉通的破坏提出了创新的解释机制,将俯冲带和克拉通之间的作用关系利用数值模型合理地连接起来,针对克拉通岩石圈的减薄过程给出了新的解释观点。
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