板块重构研究表明，侏罗纪以来北半球逐渐形成了以欧亚大陆东部为代表的长期板块汇聚中心，表现为西伯利亚、蒙古、印度、阿拉伯等地块群以及（古）特提斯、（古）太平洋板块向该区域的汇聚。此外，该阶段（重）新启动的单向俯冲过程也大多是朝欧亚大陆东部发起的。从定性的角度来看，似乎有“黑洞”似的结构长期位于欧亚大陆东部的下方，并将周边的板块吸引到自身之下，加剧板块间的挤压。然而，现有模型较难解释北半球至少200 Ma以来、板块间挤压增强且成为陆内构造-岩浆迁移活动聚集地的根本原因。

近日，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与合作者，采用基于地球深部物理状态建立正演动力学模型的研究思路，约束了当今上地幔的温度分布情况（欧亚大陆东部之下保留有显著的低温端员）（图1a-1b），并据此系统且定量模拟了上地幔温度分布不均一对北半球动力学演化的影响，揭示出北半球“黑洞”现象的本质，即地幔温差驱动的地幔对流会吸引周边板块向其汇聚，显著增强板块间的相互挤压作用（图1c）。

图1. 北半球上地幔的温度分布不均一与长期板块汇聚过程驱动机制的示意图。(a)-(b) 借助地震衰减模型揭示的北半球上地幔温度分布不均一。根据本研究中的模拟结果，当今西北太平洋下方的低温结构，可能是从欧亚大陆东部下方沉降并迁移过去的。(c) 北半球长期汇聚过程的上地幔温度不均一驱动模型。

本项研究表明，上地幔的温度不均一所诱发的地幔对流，可以驱动侏罗纪以来北半球代表性板块汇聚事件的发生。根据对模拟结果的统计，在原有俯冲过程结束后的~19 Myr内：88%的测试模型中发生了朝向冷地幔端员的单向俯冲；在大约43%的模型中，更轻的板块可以向冷地幔端员上方的更重的板块之下俯冲（图2）。与此相反，在地幔热状态均匀的模型中，俯冲重启的时机延长到了十倍之久，且更轻的板块从未俯冲到更重的板块之下。因此，本项工作解释了侏罗纪以来新启动的单向俯冲过程大多是朝欧亚大陆东部发起的原因。数值模拟结果还表明，在不同的汇聚带初始条件下，大规模平俯冲、年轻边缘海的俯冲、以及俯冲板片在地幔过渡带内滞留等北半球代表性现象也可以在模型中自发产生（图3）。此外，本研究中的数值模型很好地再现了西太新生代起始俯冲阶段的平均汇聚速率，很大程度上支持了模型结果在论证大时空尺度板块汇聚问题上的可靠性。

图2. 模型结果总结。(a) 数值模型的俯冲极性。每个单元格中的数字标记了对应模型的编号。在模型29中，热且轻的大洋板块首先俯冲到上盘之下，但是俯冲极性在~2 Myr发生反转。(b) 每个模型中俯冲启动所需的时间。

图3. 上地幔温度差异可以有效驱动200 Myr以来北半球多类代表性俯冲过程的发生

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Geology（5-year IF 5.9）。本项研究受到国家自然基金委重大研究计划集成项目（92355302）与国家自然基金委重大项目（41890812）的共同资助。

论文信息：Liu,L.*（刘亮）,Cao,Z.（曹泽斌）,Morgan,J.P.*,Li,H.Y.（李洪颜）,Yang,F.（杨帆）,and Xu,Y.G.（徐义刚）,2024,Geology,doi.org/10.1130/G51948.1.

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