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多海山俯冲对增生楔变形的影响:来自物理模拟实验的约束

编辑:chenjiao 时间:2021年04月06日 访问次数:65

          海山、海脊是洋壳之上非常常见的正地形单元,高度大于1 km的海山数量在全球超过十万,大部分的海山最终都会随着俯冲作用返回到地球深部。海山的俯冲不仅影响了板块间的耦合程度,还影响了上覆板块增生楔内部的构造变形。地球物理数据,如多道地震数据常常由于成像品质的原因难以准确识别增生楔内部的构造变形,而且地震剖面刻画的是现今的构造形态。物理模拟是反演海山或者海脊俯冲所引起的增生楔构造演化过程的有效方式,并得到了广泛的应用。但前人的工作主要侧重单一的海山或者海脊的俯冲,而对于多海山俯冲(如海山链)对增生楔构造变形的影响还鲜有涉及。
      自然资源部第二海洋研究所丁巍伟课题组王春阳博士采用物理模拟的手段针对多海山俯冲对增生楔构造变形的影响进行了系统研究。在实验中通过变化多种参数:如俯冲海山的形态(圆弧型、圆锥型、平顶型)、海山的尺寸、俯冲海山的间距以及海山之间地层流变学性质,来模拟多海山的俯冲过程。研究结果表明,海山的俯冲对增生楔体的结构有明显影响(图1),显著抑制增生楔向海盆方向的传播,促使楔体形成“短而陡”的构造形态。


图1 平面及剖面角度反映海山俯冲对增生楔体变形的影响 (Exp-3)


       研究结果同时表明,多海山俯冲时变形主要集中于第一个俯冲海山的前缘(图2),随着海山俯冲深入,在海山前缘形成构造高压区,在高压区内形成双重构造,且这种双重构造的发育可能与海山的形态与尺寸有关,即越高、坡角越大的海山越易在其前缘发育双重构造,双重构造也可能会导致深部俯冲的物质折返回浅层,我们也对这种双重构造的发育机制进行了力学分析(图3)。相应的,在俯冲海山的后缘形成构造低压区,表现为两个海山之间的地层变形微弱。然而当海山之间存在强滑脱层时,此时滑脱层能有效传递侧向挤压应力促使海山之间的地层产生显著变形(图2e及图1c)。结合实际自然界实例,我们提出哥斯达黎加陆缘增生楔内部的双重构造的形成可能是由于俯冲板片的局部基底起伏所致(图4)。


图2 不同实验显示变形主要集中于俯冲海山前缘,形成双重构造,海山之间的地层在存在强滑脱层时容易产生变形(Model 6)




图 3 海山前缘双重构造发育机制

图 4 实验结果与哥斯达黎加陆缘增生楔内部的双重构造形态对比


      相关成果近期发表于国际地学主流期刊 Journal of Geodynamics上。该研究得到国家自然科学基金(41606051, 42076080, 91858214, 41890811, 42025601)等项目的联合资助。
文章信息:Chunyang Wang*., Weiwei Ding*., Wouter P. Schellart., Jiabiao Li., Chongzhi Dong., Yinxia Fang., Tianyao Hao., Zhenyi Tong. Effects of multi-seamount subduction on accretionary wedge deformation: Insights from analogue modelling. Journal of Geodynamics, 2021, 145, 101842.