新数值模型揭示地球板块构造运动的基本过程

　　2022年3月10日，《自然》（ Nature ）子刊《地球与环境通讯》（ Communication Earth & Environment ）杂志刊发文章《极性反转引发的自我复制俯冲带》（Self-replicating subduction zone initiation by polarity reversal）称，来自葡萄牙里斯本大学（University of Lisbon）和德国约翰内斯·古腾堡大学（Johannes Gutenberg University）的研究人员首次开发了地球板块构造运动基本过程高级数值模型，用于开展地球斑块构造运动机制的解释与模拟。
　　板块俯冲带是地球动力学的核心。虽然地质学家已经知道，板块俯冲在数千年的时间尺度上可以停滞并逆转，从而产生新的俯冲带。但仍然有必要知道这是如何发生的，并在模型中实现包括这个过程所涉及的各种力量的模拟。研究人员称，俯冲带是地球的主要特征之一，也是板块构造和地球全球动态的主要驱动力。俯冲带也是发生大地震的地方，环太平洋火山带是世界上最大的俯冲带系统。因此，了解新的俯冲带如何开始以及这个过程是如何发生的非常重要。俯冲带在地球上反复形成。然而，先前的研究表明，俯冲过程不太可能从原始海洋内部开始。相反，它们似乎更有可能从另一个预先存在的俯冲带形成。一个被广泛引用的启动新俯冲带的概念模型是极性反转。然而，这个过程发生的动态条件仍然难以捉摸。为此，该研究提出了由海洋高原到达海沟引起的极性反转导致俯冲带形成的3D数值模型，使用包括自由表面的3D自洽粘弹塑性地球动力学模型（self-consistent visco-elasto-plastic geodynamic models）来研究通过极性反转引发俯冲的动力学机制。在模型中，海洋高原被纳入俯冲板，最终与海洋上覆板相撞。在实验中，模型板块的运动不从外部强加，而是由内部驱动力和阻力之间不断发展的动态平衡引起，系统中唯一相关的驱动力是板块拉力（Fsp），这是由俯冲板块的负浮力引起的。该驱动力与板块/地幔的粘性阻力以及高原碰撞期间覆盖板块的变形相反。相关模拟在约翰内斯·古腾堡大学的超级计算机上进行。模拟结果表明，这个过程更有可能发生在旧的俯冲板块和狭窄的高原上，并且新的俯冲带可以以自我复制的方式从以前的俯冲带形成，而不需要任何其他外部构造的作用。
　　研究人员称，该模型开辟了一系列新的视角，并代表了研究地球特定区域的起点。研究人员正在将模型应用于特定情景，例如从大西洋、加勒比海、斯科舍弧、南极洲旁边和葡萄牙西南部边缘开始的俯冲带，这些地方可能导致大西洋的闭合的关键研究区。
　　转载本文请注明来源及作者：中国科学院兰州文献情报中心《地球科学动态监测快报》2022年第6期，刘文浩 编译。