俯冲带界面流变学沿走向变化对动力学的影响：三维数值模拟的约束

《Geophysical Journal International》：The role of along-strike variations in interface rheology on subduction dynamics: constraints from 3D numerical models

本刊编辑推荐：为揭示俯冲带界面强度沿走向变化这一三维特性如何影响全球俯冲动力学，研究人员通过ASPECT软件开展全动力学三维数值模拟。研究发现强弱界面段相互作用可收敛汇聚速度范围，同时拓宽界面应力阈值，强段在弱段驱动下呈现更高汇聚速度与应力，导致上覆板片压缩力增强及海沟差异迁移。该研究为解释安第斯玻利维亚弧和安地列斯等自然现象提供了新机制。

　　

俯冲带作为地球板块构造的核心驱动力，长期控制着板块运动、火山活动及地震灾害的时空分布。传统上，科学家们通过二维数值模型来理解俯冲动力学，这些模型揭示了界面强度对俯冲速度、板片形态和上覆板块变形的关键影响。然而，自然俯冲带本质上是三维系统，其界面强度会因沉积物输入等因素沿走向呈现显著差异。这种三维特性如何影响俯冲过程的整体行为，成为当前研究的重要空白。

为填补这一空白，苏黎世联邦理工学院等机构的研究团队在《Geophysical Journal International》发表最新研究，通过先进的地球动力学代码ASPECT构建了全动力学三维俯冲模型，首次系统探究了界面流变学沿走向变化对俯冲带的多尺度影响。研究发现，强弱界面段的相互作用会显著改变传统二维模型的预测：它使汇聚速度分布更集中，同时允许更宽的界面应力范围存在。特别值得注意的是，强界面段在弱邻段驱动下会加速俯冲，产生更高剪切应力，并促进上覆板块压缩变形，最终导致海沟位置沿走向发生迁移。这一机制为理解安第斯山脉玻利维亚弧的构造隆升和安地列斯俯冲带的分段演化提供了新视角。

研究团队主要采用三维热力学数值模拟技术，利用ASPECT软件求解质量、动量和能量守恒方程。模型设置包含年龄差异化的俯冲板块与上覆板块，通过自适应网格加密技术将界面区域分辨率提升至5公里。关键创新在于沿走向设置不同黏度值的界面段（10¹⁹–10²¹Pa·s），并系统分析汇聚速度、界面应力、上覆板块力等参数随时间演化规律。

3.1 均匀模型

对比三种均匀界面黏度模型（10¹⁹/10²⁰/10²¹Pa·s）发现：弱界面（10¹⁹Pa·s）导致高速俯冲（23.6 cm/yr）和显著海沟后退，而强界面（10²¹Pa·s）几乎停滞俯冲（0.5 cm/yr）。界面强度与板片倾角正相关，强界面产生更陡倾角（71°）和较小海沟迁移。

3.2 沿走向强度变化模型

在强弱界面相邻的模型中（如M2019），弱段俯冲速度峰值达13.4 cm/yr，强段为10.9 cm/yr。强段界面应力升高至32 MPa，上覆板块压缩力达5.9 TN/m，并引发广泛逆冲断层活动。海沟位置沿走向出现65 km差异，形成S形几何形态。

3.3 中央界面模型

当强界面段位于模型中央时（如C1921），形成凹形海沟几何，但沿走向速度差异减小（0.2 cm/yr）。由于两侧约束作用，上覆板块旋转减弱，强段压缩力进一步增大。

3.4 上覆板块长宽比影响

增大上覆板块长宽比（0.5→2）会抑制板块旋转，降低压缩力（1.6→1.3 TN/m），并减弱海沟位置差异（188→58 km），说明板块几何形态对动力学的调制作用。

研究结论表明，沿走向的界面流变学变化通过两种机制影响系统：强段黏度决定应力基线，而沿走向黏度对比控制应力放大程度。这种三维相互作用使模型更贴近自然观测数据——70%的模型段落在锚定前汇聚速度落在2–12 cm/yr自然范围内，同时界面应力范围扩展至2–44 MPa（均匀模型仅7–19 MPa）。地形分析显示强界面段对应更深海沟（达5.5 km）和更大累积起伏（13.4 km），与安第斯山脉阿塔卡马台地等实际构造特征吻合。

该研究的核心意义在于突破了二维模型对界面应力范围的限制，揭示了沿走向耦合效应可同时实现"速度收敛"和"应力拓展"的双重调节。这一机制合理解释了玻利维亚弧（强界面导致海沟前进和压缩）与安地列斯（弱界面引发海沟后退和伸展）的构造分异，为理解俯冲带分段演化提供了动力学基础。未来考虑温度依赖流变学、沉积物密度效应及更高分辨率模拟，将进一步提升模型对自然系统的预测能力。