大洋板块俯冲是地球浅表最具代表性的地质过程之一。理论上来讲，大洋板块在形成之后的20-40 Myr内，就已经具备了发生俯冲的密度等自身属性条件。然而，50%以上的大西洋板块形成于40 Ma之前，至今却几乎没有发生俯冲；位于地中海东部的部分大洋块体甚至已在地表存在了3亿年之久。因此，除了大洋板块自身的属性外，新俯冲的开启往往还伴随某种外部因素的存在、以打破大洋板块与上盘之间的平衡状态，如：横向或纵向的外部驱动力（图1）。然而，两类驱动力在起始俯冲中的相对贡献却仍存在广泛争议。

图1. 大洋俯冲体系孕育-成熟演化过程的示意图。(a)-(b) 纵向驱动。上盘减薄或弱化后，大洋板块的负浮力导致俯冲起始。(c)-(d) 横向驱动。板块间的横向挤压作用克服来自上盘的阻力，触发俯冲起始。(e) 成熟俯冲阶段。该阶段地幔楔内具有朝向俯冲板片的横向地幔流，俯冲带的岩浆活动变得稀疏，俯冲板块的主要脱水岩性转为蛇纹岩化的地幔岩类。

针对以上科学问题，中国科学院广州地球化学研究所徐义刚院士团队的刘亮副研究员、李洪颜研究员与合作者，基于正演模拟与岩浆地球化学证据联合约束的研究思路，以伊豆-小笠原-马里亚纳俯冲带（IBM）为主要研究对象，系统模拟了两类起始俯冲模型孕育-成熟的演化过程（图1），归纳总结了108个数值模型的模拟结果，揭示出俯冲前的板块间横向挤压对解读起始俯冲阶段岩浆地球化学演化与时空分布规律的具有关键作用。

根据研究结果，在横向驱动的起始俯冲模型中，1）板块间的横向挤压会导致俯冲板块浅部的物质被刮蹭掉（图2b、2i），致使俯冲起始后~2 Myr内发生脱水与熔融的板块物质主要为下洋壳（图2k），因此，该阶段的岩浆地球化学组成无法显示出俯冲沉积物、蚀变洋壳的地球化学贡献；2）伴随起始俯冲的板片回撤过程，会引起上盘岩石圈伸展减薄、发育裂谷（图2c-2g），并导致岩浆活动的中心向远离海沟的方向迁移约~100公里（图2j）；3）随着裂谷区域的持续冷却，俯冲板片中脱水与熔融的主体转为蛇纹岩化的地幔橄榄岩（图2k），该阶段俯冲带岩浆活动变得稀疏（图2j），模型进入到成熟俯冲带阶段（图1e）—以上时空演化特征与IBM的相关记录吻合。

图2. 横向驱动起始俯冲的代表性模型。(a)-(h) 模型的关键时空演化节点。蓝色箭头标明了上盘的伸展中心。图中浅绿色物质为上-下盘间的解耦层、如转换断层等，紫色为沉积物，橙色为上洋壳，绿色为下洋壳，浅蓝色为大洋板块的岩石圈地幔，褐色为俯冲带的上盘岩石圈。(i) 弧前增生楔中沉积物与上洋壳体积随时间的演化。(j) 地幔熔体的时空分布规律。(k) 俯冲板块中脱水岩性随时空的演化规律。

与此作为对比，在纵向驱动的起始俯冲模型中：1）早期>300公里的大洋板块前端部分会快速进入到深部地幔，在地表形成一个等宽的新生洋盆（图3a-3e）；2）与此同时，上涌的软流圈地幔会迅速熔融，形成较厚的新生岩石圈（图3f-3g），因此，起始俯冲阶段的岩浆活动只会发生在新生岩石圈形成之前（起始俯冲后3 Myr内）；3）随后模型进入到成熟俯冲带阶段（图3l-3m）（IBM则需要7-8 Myr）。在以上“短暂”的演化过程中，岩浆活动中心的迁移距离超过300公里，与IBM的观测不吻合。更为重要的是，由于板片的埋藏几乎与裂谷同时发生（图3c），在模型中起始俯冲早期阶段，所有板片物质均会发生脱水与熔融（图3k），这同样与IBM的岩浆地球化学记录不吻合。

因此，本研究中的数值模拟结果与岩浆地球化学证据共同揭示，在起始俯冲之前或早期，IBM俯冲带存在有显著的板块间横向挤压作用（持续时间可以短至1-2 Myr）。该研究还阐明了，上盘岩石圈裂谷的冷却与固化速率在很大程度上控制了IBM俯冲带由“起始”转向“成熟”的演化进度。

图3. 纵向驱动起始俯冲的代表性模型。(a)-(j) 模型的关键时空演化节点。 (k) 弧前增生楔中沉积物与上洋壳体积随时间的演化。(l) 地幔熔体的时空分布规律。(m) 俯冲板块中脱水岩性随时空的演化规律。

论文中的正演数值模型基于刘亮主导开发与升级的热-动力学数值模拟程序LL_AM_TMM，该程序有自适应型网格（A2ML）、非线性粘-密度、熔-流体迁移、以及岩浆地化组成演化等算法。研究成果发表于国际学术期刊Communications Earth & Environment（5-year IF=7.9）。本项研究受到国家重点研发计划项目(2022YFF0801002)与国家自然科学基金委重大研究计划集成项目（92258303）的共同资助。

论文信息：Liu, L.*（刘亮）, Li, H.Y.*（李洪颜）, Liu, L.J. （刘丽军）, Ryan, J.G., Morgan, J.P., Ren, K.X.（任可心）, Xu, Y.G.（徐义刚）, 2024, Communications Earth & Environment, 5, 91. 

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