大洋板塊幾何與流變控制的俯沖板塊垂向撕裂
2023年12月1日，“高原生長與演化”任務(wù)“青藏高原不同地塊的隆升過程與動(dòng)力學(xué)機(jī)制”專題研究團(tuán)隊(duì)，在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表論文“Vertical tearing of subducting plates controlled by geometry and rheology of oceanic plates”。該論文第一作者為浙江大學(xué)博士研究生陳亞光，通訊作者為浙江大學(xué)求是特聘教授陳漢林博士、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院劉明啟博士和Taras Gerya教授。該論文提出了俯沖板塊垂向撕裂的新機(jī)制。
俯沖板塊的垂向撕裂以剪切型（Mode-III）為主，是調(diào)節(jié)側(cè)向非均勻俯沖的主要變形過程之一（圖1）。但這種垂向撕裂的動(dòng)力學(xué)過程前人的觀點(diǎn)認(rèn)為，俯沖板塊垂向撕裂的形成需要巖石圈尺度的異常條帶（如正浮力地體或薄弱帶）參與俯沖，如納斯卡海嶺（Nazca ridge）或奧羅斯科斷裂帶（Orozco fracture zone）的俯沖導(dǎo)致的撕裂（圖1）。然而，在完整的俯沖板塊內(nèi)部也發(fā)育有垂向撕裂且至今仍在活動(dòng)，如俯沖的太平洋板塊在阿留申-勘察加海溝和馬里亞納海溝之下的垂向撕裂。因此，需要一種新的機(jī)制來解釋垂向撕裂的形成與傳播。觀察發(fā)現(xiàn)，垂向撕裂往往發(fā)生在俯沖帶-轉(zhuǎn)換斷層的過渡區(qū)域，即海溝被轉(zhuǎn)換斷層錯(cuò)開（海溝位錯(cuò)），俯沖板塊的這一特殊幾何形態(tài)（海溝位錯(cuò)）很可能與垂向撕裂的形成與傳播存在聯(lián)系。
圖1. 俯沖板塊剪切型垂向撕裂的全球分布
該論文通過高分辨率的三維熱力學(xué)數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)地研究了垂向撕裂的形成和傳播過程，以及海溝位錯(cuò)長度和俯沖板塊的流變強(qiáng)度（大洋板塊年齡和脆性應(yīng)變?nèi)趸潭龋Ω_大洋板塊垂向撕裂的形成與傳播的影響。結(jié)果表明：垂向撕裂是一種自持的地球動(dòng)力學(xué)過程，形成后如果條件不變，便可持續(xù)穩(wěn)定傳播；海溝位錯(cuò)這一幾何形態(tài)可以誘導(dǎo)垂向撕裂的形成，并保證其穩(wěn)定傳播（對比圖2a 和 b）；俯沖板塊的流變學(xué)強(qiáng)度則影響了產(chǎn)生垂向撕裂所需的臨界海溝位錯(cuò)長度（圖2c, d）；脆性應(yīng)變?nèi)趸潭葲Q定了脆、韌性變形的相對強(qiáng)弱，既改變了垂向撕裂產(chǎn)生的過程，也影響了地表海溝的深度分布。這些發(fā)現(xiàn)為垂向撕裂的演化提供了新的見解，也為俯沖板塊分離的動(dòng)力學(xué)過程研究做出了貢獻(xiàn)。
圖2. 不同參數(shù)的模型結(jié)果對比。（a）參考模型結(jié)果；（b）更小的海溝位錯(cuò)；（c）更老的俯沖板塊年齡；（d）更弱的應(yīng)變?nèi)趸Ｗ訄D中，上方為俯沖板塊的幾何形態(tài)，左下為粘滯度圖，右下為地形疊加地殼速度圖。ITO：initial trench offset（初始海溝位錯(cuò)長度）。
論文信息：Chen, Y., Chen, H. *, Liu, M. *, Gerya, T. *. Vertical tearing of subducting plates controlled by geometry and rheology of oceanic plates. Nature Communications 14, 7931 (2023).
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43804-z