上覆板块与地幔粘度结构对深海板块形态的影响

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：The Role of the Overriding Plate and Mantle Viscosity Structure on Deep Slab Morphology

分析板块类型和地幔粘度结构对深部滑板形态的影响，发现大陆板块与1000公里粘度跃增协同促进阶梯状滑板下切。

　　本研究利用二维数值俯冲模型，探讨了在海洋板块或大陆板块作为上覆板块的情况下，深部俯冲板块的形态如何受到660公里或1000公里深度处粘度跃变的影响。通过分析这些不同条件下的俯冲行为，我们发现大陆板块结合1000公里深度的粘度跃变会促进板块向下地幔的深入。相反，当板块在海洋板块下方俯冲时，若粘度跃变发生在660公里深度，则板块会在该深度发生偏转并变平。为了量化这些动态过程，我们引入了“俯冲板块弯曲比”，即深部板块尖端角度与靠近地表板块界面的浅部俯冲板块角度之比，反映了板块的整体陡度和俯冲历史。研究结果表明，海洋-海洋汇聚模型在660公里深度发生粘度跃变时，其弯曲比较低，与自然界的海洋-海洋俯冲区域（如Izu-Bonin）观察到的变平板块形态相似。而结合大陆上覆板块与1000公里深度粘度跃变的模型，则表现出较高的弯曲比和阶梯状的板块形态，与Nazca板块在南秘鲁下方的观测结果类似。这说明板块形态最终是由上覆板块类型、板块引起的流动以及相变相互作用决定的，这些因素通过上地幔和过渡带顶部的粘度结构进行调节，补充了对上地幔中板块折叠、屈曲及其他变形的研究。

研究中提到，俯冲是一种将海洋地壳下沉到地幔下方的过程，这个过程在两种情况下都会发生：一种是薄而中性浮力的上覆板块，另一种是厚而正浮力的上覆板块。之前的研究表明，将上覆板块纳入数值模型可以更好地拟合观测数据，其中上覆板块模型显示的俯冲和沟槽后退速度与自然界中的观测结果一致。这表明上覆板块在浅层俯冲动力学中起着关键作用。此外，研究表明，上覆板块的厚度也可能影响俯冲板块的动态和深部板块形态，厚的上覆板块会鼓励整体更陡的俯冲板块，减少沟槽移动性并增加板块向地幔深处的渗透。然而，目前尚未有研究系统探讨大陆密度和强度的变化与地幔粘度结构变化如何共同影响深部俯冲动力学。以往的研究通常将地幔粘度变化限制在660公里深度的简单粘度增加，这种做法基于冰川回弹和重力场的反演（例如Hager, 1984）。然而，除了地幔粘度的一般增加外，已发表的地幔粘度剖面并不唯一。一些研究发现，当粘度跃变不与660公里处的环状橄榄石到布里奇曼石和铁方镁石相变重合时，粘度增加发生在900–1200公里的深度（King & Masters, 1992; Mitrovica & Forte, 2001, 2004; Rudolph et al., 2015, 2020）。因此，本研究探讨了两种粘度跃变情况下的影响：一种是660公里处的粘度跃变，另一种是1000公里处的粘度跃变。我们结合不同的上覆板块类型，以更好地约束地幔顶部的板块行为。

在模型中，我们使用了通用的二维数值正向模型（Van Zelst et al., 2022）来模拟海洋-海洋和海洋-大陆俯冲过程。我们模拟了标准的地幔粘度结构，其中粘度在660公里深度增加（参考模型V1），并与粘度在1000公里深度增加的情况（模型V2）进行对比。模型V1和V2分别代表两种不同的地幔粘度结构。我们还使用了StagYY代码（Tackley, 2008）来求解非维数质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，以模拟不可压缩粘性流体中的流动过程。此外，我们还考虑了地壳的物理模型和流变学，其中包括一种弱化的水合地壳层，它在板块俯冲后自由发展（Crameri & Tackley, 2015）。这种弱地壳层厚度为15公里，其屈服应力（约10 MPa）低于地幔材料。当弱地壳层达到400公里深度时，它会转变为普通的地幔材料。我们还引入了熔融粘度降低（MVR）来模拟俯冲和上覆板块下方低粘度的地幔软流圈。MVR描述了温度超过简单线性深度依赖固相线的区域中粘度下降一个数量级（Tackley, 2000）。

研究中还提到，模型包括一个200公里厚、2000公里宽的大陆上覆板块。大陆根部延伸至软流圈底部，其几何形状为矩形，且在沟槽处有倾斜边缘（参考Crameri和Lithgow-Bertelloni, 2018的实施）。大陆材料与地幔材料之间的区别在于其密度较低（3275 kg/m3 vs. 参考地幔密度3330 kg/m3），这使得大陆具有更低的密度（即更轻、更浮力强）。我们使用了大陆浮力比来描述大陆密度与周围地幔密度之间的差异，该比值为负值，表明大陆比地幔轻。此外，我们还将大陆地壳的粘度提高到平均值为102?（在200公里深度范围内），其中大陆底部的粘度为102?，而在冷的大陆地壳核心区域，粘度则高达102?。我们还提高了大陆地壳的摩擦系数到0.5，这表明在大陆地壳中，塑性屈服需要更高的应力，意味着大陆地壳比模型中的其他部分更强。这种设定使得大陆比其下方的地幔和海洋地壳更轻且更强。

在模型设置中，我们采用了一种2:1的纵横比（x:z），总共有512×256个网格点，水平网格间距为恒定值，约为11公里。垂直网格间距则在岩石-空气界面处被细化，分辨率可达4公里。每网格点平均使用100个拉格朗日追踪器来跟踪模型中包含的不同成分（如地幔、弱地壳、大陆和粘性空气层）以及物理界面（如自由表面）。通过这些方法，我们能够更精确地模拟地幔中俯冲板块的行为。

研究结果表明，上覆板块的类型和地幔粘度结构的改变显著影响了俯冲板块的动态和沟槽后退。当上覆板块为大陆板块时，俯冲板块的运动速度会减缓，这与之前的发现一致（例如Holt, Becker, & Buffett, 2015；W. Schellart, 2005）。我们注意到，当上覆板块为大陆时，俯冲板块的尖端也会更陡峭，导致其在660公里深度以下仅轻微地进入地幔。相反，同一板块在海洋上覆板块下方俯冲时，会在660公里深度处发生偏转并变平。通过比较这两种俯冲形态，我们观察到在大陆-海洋俯冲过程中，板块主体（即板块尖端和沟槽之间的区域）经历了显著的形态变化，呈现出波动和弯曲的形态，而V1海洋-海洋模型中则保持了相对直线的形态。在模型V2中，地幔粘度增加发生在1000公里深度，且与660公里处的相变分离。在这种情况下，当上覆板块为大陆时，板块在660公里深度以上变平，但其尖端同时进入地幔下方，形成一种“阶梯”状的板块形态。这种形态与V1大陆模型中的板块形态类似，而V2海洋模型中的板块行为则与V1海洋模型相似。当上覆板块为海洋时，板块在660公里深度处变平并发生偏转，而当上覆板块为大陆时，板块则在更深层次表现出更陡峭的形态。

通过绘制V1和V2模型中大陆上覆板块的沟槽速度和板块尖端角度随时间的变化，我们进一步分析了这些动态过程。我们发现，在V1模型中，板块尖端角度随时间下降，表明板块在660公里深度以上发生变平，但在70–75百万年和87–99百万年时出现轻微的变陡，这表明板块在后期阶段仅轻微地进入地幔。而在V2模型中，板块尖端角度在25百万年之后显著变陡，这表明板块在更深层次进入地幔。两种模型都表现出初始快速的沟槽后退，但最终沟槽速度大幅下降。此外，我们还发现，在V1模型中，当板块尖端到达660公里深度时，沟槽速度会暂时下降，而在V2模型中，当板块尖端进入地幔时，沟槽速度会显著上升。

研究结果表明，V1模型中的粘度增加发生在660公里深度，与相变同时发生，两者共同抵抗板块尖端进一步下沉。然而，在V2模型中，粘度增加发生在1000公里深度，这使得板块在穿过相变后可以无阻碍地下沉，从而解释了V2模型中更高的沟槽和俯冲板块速度。我们还发现，V1和V2海洋模型中的板块速度比大陆模型快，这可能是由于海洋板块的上覆板块具有更高的移动性，导致更多的板块后退。

研究中还讨论了俯冲板块的形态如何反映上覆板块类型、板块引起的流动以及矿物物理特性之间的相互作用。例如，在南秘鲁大陆弧下方观察到的Nazca板块的阶梯状形态，可能是由于大陆上覆板块对板块的拖拽作用和660公里处未转变的布里奇曼石的异常浮力共同作用的结果。同时，地幔粘度结构的变化也会影响板块的形态。对于海洋-海洋俯冲，板块通常在660公里深度处发生偏转和变平，而大陆-海洋俯冲则会形成更复杂的形态，如“钩状”或“阶梯状”。这些形态的变化可能与板块在不同深度处的流动和相变有关。

尽管模型能够解释一些自然现象，如Izu-Bonin俯冲带和Nazca板块的形态，但模型仍然存在一定的局限性。例如，我们忽略了多矿物组成和板块脱水对动力学的影响，这可能导致对板块行为和引起的粘性流动的解释不够全面。此外，模型未考虑上覆板块的变形，虽然模型允许地表变形，但简单的几何设定可能无法完全模拟背弧扩张等动态特征。因此，本研究更关注深部板块与地幔的相互作用，以更好地理解深部俯冲动力学。

总的来说，本研究强调了探索深部俯冲动力学的重要性，特别是在包括浮力强、坚固的大陆地壳（现代俯冲的主要形式）和地幔粘度结构（不仅仅局限于660公里处的简单粘度增加）的情况下。我们发现，板块在深度处的形态是上覆板块类型、地幔流动以及矿物物理特性共同作用的结果，并且主要受到地幔过渡带和地幔顶部粘度结构的影响。这些发现为理解地球内部如何动态地与地表相互作用提供了新的视角。