【导读】近日《地质学》杂志发表文章，汇编了全球深俯冲带的岩石类型和结构数据，并利用数值模拟技术量化了俯冲带的整体剪切强度和粘度。结果表明俯冲带界面的强度存在显著差异，其粘度和剪切强度存在巨大的变化范围。温度是影响界面粘度的主要因素，但基体组成、块体分布和整体应变率也会造成相同温度下界面强度高达50倍的差异。研究证实了地质历史和物质输入及其空间分布的变化对俯冲动力学的重要性，为构建更精细的俯冲带模型提供了理论依据。
俯冲带(subduction zones)，是指地球岩石圈中一块构造板块潜没到另一块板块之下的区域，是地球上构造活动最剧烈的地区之一。俯冲带界面(subduction interfaces)，即两块板块之间的接触面，其强度和流变特性对俯冲带的长期和短期动力学过程，如地震活动、弧岩浆作用、挥发分释放以及板块汇聚和后退速率等，都有着至关重要的影响。以往对俯冲带界面强度的估计主要基于端元流变定律或简单的混合模型。这些模型通常假设界面是由单一岩石类型组成，或者只考虑了有限的几种岩石类型的混合。然而，实际上，俯冲带界面通常是由多种岩石类型组成的复杂混合物，称为混杂岩带(mélange belts)，其宽度和物质组成在空间上都可能存在显著差异。这种复杂性使得传统的模型难以准确地描述俯冲带界面的实际强度。
图1 从初始地质剖面和相关模型结果得出的模型设置示例
为了更准确地约束深部/粘性俯冲界面上的强度范围，苏黎世联邦理工学院的研究人员汇编了一个全球数据库，涵盖了来自全球不同俯冲带的 17 个出露的深俯冲界面混杂岩带的岩石类型和块体-基体的分布信息。图2 17个模拟剪切带的粘度分布
这些混杂岩带代表了俯冲界面在特定时间点的“快照”，可以为了解俯冲界面的组成和结构提供重要信息。研究人员利用这些数据，结合数值模拟技术，对每个混杂岩带进行了剪切实验，以量化其整体剪切强度和粘度。
图3 建模剖面的岩石类型分布和归一化强度，与强或弱块体的百分比相对应
研究结果表明，天然俯冲剪切带的粘度范围为 ~1018到 1020 Pa·s，剪切强度范围为 ~1-100 MPa。其中，温度是影响俯冲带界面粘度的主要因素，但即使在相同温度下，由于基体组成、块体分布和整体应变率的差异，不同俯冲带界面的粘度也可能相差高达 50 倍。图4 基于古测压研究（方框）的下倾（A）和综合（B）剪切应力估计，与建模剪切带重叠
具体来说，基体组成 (matrix composition) 对界面强度的影响主要体现在不同岩石类型的流变特性差异较大。例如，蓝片岩 (blueschist) 的粘度通常高于变质沉积物 (metasediments) 和蛇纹岩 (serpentinite)。块体分布也会影响界面强度。当强块体以透镜体或团簇的形式出现时，它们会抑制应变局部化，从而导致界面整体强度增加；而当强块体以孤立透镜体形式存在时，应变更容易在基体中局部化，界面整体强度降低。此外，整体应变率越高，界面粘度越低，强度也越低。这项研究的结果与先前基于古压力计和力平衡方法得出的界面强度估计结果一致，证实了地质历史和物质输入及其空间分布对俯冲动力学的重要性。该研究揭示了俯冲带界面强度并非均匀一致，而是存在显著差异。这表明传统的假设俯冲带界面强度均匀一致的模型可能过于简化，需要更加精细的模型来描述俯冲带界面的复杂性。参考文献：Ana Lorena Abila, Whitney M. Behr, Jonas Ruh; Strength of viscous subduction interfaces: A global compilation. Geology 2024; doi: https://doi.org/10.1130/G52518.1
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