【科研动态】海洋学院博士生梁丹在JES发表爪哇海沟俯冲板片的破裂机制—来自动力学数值模拟启示的研究成果

近日，上海交通大学海洋学院博士生梁丹在知名地学期刊Journal of Earth Science上发表了题为“Numerical models of slab breakoff mechanism beneath the Java Trench”的研究论文，海洋学院双聘研究员丁巍伟为通讯作者，上海交通大学海洋学院为第一完成单位。

爪哇海沟位于东南亚环形俯冲体系的最南端，在此印度-澳大利亚板块向巽他大陆下方俯冲。地震层析成像结果表明在爪哇海沟200-400km深度存在板片洞，岩石地球化学证据则证明下地幔物质会经由板片洞上涌至地幔楔，导致了浅部富钾性异常岛弧岩浆活动，形成了包括多巴火山在内的超级火山。然而对于爪哇海沟下部俯冲板片为何发生断离？浅部过程如何与深部断离过程响应？依然存在诸多疑问。

图1. 爪哇海沟区深部高精度地震层析成像

基于I2VIS软件，课题组针对爪哇海沟区深部高分辨率地震层析成像揭示的深部板片不连续现象（图1），设置符合研究区地质背景的参考模型，对爪哇海沟深部俯冲板片断离的动力学过程进行模拟。模拟工作中同时并行设置一系列对照模型，通过改变是否有海山俯冲、海山几何形状和流变特性、板片汇聚速率以及大洋岩石圈的年龄等参数来讨论不同因素对板片断离机制的影响。

图2. 海山俯冲动力学过程中物性场（a-d）与应变场(e-h)演化

参考模型结果表明，相较于正常俯冲，当有海山随着洋壳进入俯冲通道后，更容易在深部发生俯冲板片的断离，断离的位置通常集中在海山的前缘或者后缘，也即应力变化最大的地方（图2）。

图3. 地表高程响应

a无海山参与俯冲地表高程响应；b海山参与俯冲并发生板片断离地表高程响应；c三次地表抬升高程曲线

对照模拟结果表明，海山的几何形状和流变强度是决定是否会发生板块断离的内部因素，即更厚、更宽、流变强度更弱的海山，更容易发生断离。反之俯冲板片会产生香肠化现象，并不断离；洋壳年龄和汇聚速率是控制断离发生的时间和深度的外部因素:对于年轻的洋壳（<40 Ma）, 俯冲板片发生断离的时间与汇聚速度具有很强的相关性，即汇聚速率越大；然而对于较老的洋壳（>40 Ma），在较快或者较慢的速度下俯冲板片均不容易发生断离。研究同时发现海山俯冲并且发生板片断离引起的地表高程演化不同于均一洋壳的俯冲，其特点是板块断离引发的二次地表抬升事件（图3）。

本研究得到了国家重点研发计划(2023YFF0803401)和自然科学基金（42025601, 92258303）的资助。

论文链接：

https://link.cnki.net/urlid/42.1788.P.20241106.0849.002

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