马尼拉海沟区海山俯冲过程的数值模拟研究

来源：中国海洋湖沼学会

海山，洋脊和海底高原广泛分布在全球洋盆中，是十分普遍的地质构造，其中大多数会伴随着板块运动在板块汇聚边界发生消亡，再循环到地幔中去。海山俯冲作为板块汇聚研究的一个分支，包含着复杂的地质过程，涉及传统的地质学、地球物理学、岩石地球化学以及海底地貌学多个研究方向，因此对海山俯冲过程的地球动力学研究具有非常重要的意义。

南海是西太平洋最大的边缘海，经由早渐新世-中中新世期间海底扩张运动形成。现今海盆发育着大量的海山或海山链，绝不部分形成与海底停止扩张后。自25 Ma以来，受菲律宾板块北北西向的运动，吕宋岛仰冲至年轻的南海板块之上，形成马尼拉俯冲带，南海东侧的洋壳，包括其上分布的海山，很多已经、或者正在向吕宋岛弧之下俯冲消减。前人对洋壳向陆壳主动俯冲消减模式下海山的俯冲过程已经进行了大量的研究，包括数值模拟的过程重建，但是对于南海这种陆壳（吕宋岛弧）仰冲至洋壳（南海海盆）之上的被动俯冲机制，海山的俯冲过程及对俯冲板片的影响的研究较为欠缺。

自然资源部第二海洋研究所丁巍伟课题组程子华博士基于I2VIS数值模拟方法，对南海海盆以黄岩-珍贝海山链为代表的海盆区海山俯冲过程进行了俯冲过程的模拟。首先根据研究区实际地质因素（汇聚速率，洋壳年龄，流变学性质）的约束，建立海山受上覆陆壳板块的仰冲而被动俯冲的初始模型，同时也设置多组不同参数的数值模拟实验，包括影响流变学性质的活化能体积（Va）和岩石内聚力（C）、板块的汇聚速率、俯冲洋壳板块的年龄、以及没有海山情况下的俯冲等，与参考模型进行对比。数值模拟的结果显示：（1）在洋壳主动俯冲模式下，俯冲板片表现为稳定的高角度俯冲，并不会发生撕裂；而陆壳的仰冲模式下，俯冲板片更容易发生撕裂，撕裂发生的深度在100-300 km之间（图1和图2）；（2）陆壳仰冲模式下，不论有、无海山，俯冲板片都会发生撕裂，但俯冲板片海山的存在会促进板片的撕裂，撕裂的位置集中在海山的前缘或者后缘应力变化最大的地方，同时发生撕裂的时间会比无海山俯冲提前约2 Myr（图3）；（3）板块的汇聚速率和洋壳年龄，控制板片撕裂时间和深度，速率越大断裂时间越早，而洋壳年龄越老则断裂时间则更晚，深度也更深；（4）陆壳仰冲模式下，活化能体积和岩石内聚力的改变，并不影响整个俯冲过程的主要特征。

图1 研究区地貌及主要构造单元分布图

图2 陆壳仰冲被动模式（左）及洋壳主动俯冲模式（右）显示的海山俯冲过程

将参考模型的结果与马尼拉海沟处珍贝-黄岩海山链的俯冲过程进行了比较，发现具有很好的一致性，同时17°N处地震层析成像结果显示的P波低速带表明珍贝-黄岩海山链的俯冲已经导致了俯冲板片的撕裂，验证了本文的结果。

以上研究成果发表在国际知名地学期刊Tectonophysics上。该研究得到了国家重点研发计划（2016YFC0600402），全球变化和海气相互作用项目（GASI-GEOGE）和国家自然科学基金（91828214，41676037, 41860811）的联合资助。

文章信息：Cheng, Z.H., Ding, W.W*., Faccenda, M., Li, J.B., Lin, X.B., Ma, L.T., 2019. Geodynamic effects of subdected seamount at the Manila Trench: Insights from numerical modeling. Tectonophysics, 764, 46-61.

新闻来源：燕山期重大地质事件微信公众号、自然资源部第二海洋研究所等