印度洋中部的潜在海底俯冲作用起始

《Tectonophysics》：Potential Intra-oceanic Subduction Initiation in the Central Indian Ocean

　　

陈泽基|索彦辉|陈涛|罗汉宇|孙洪旭|李三忠

摘要

洋内俯冲带的形成（SI）是板块构造学中尚未解决的关键问题之一。尽管印度洋中部存在显著的板块缩短现象，但这些逆冲-褶皱带（TFBs）是否能够引发新的俯冲带仍不清楚。在此，我们利用高分辨率的二维热力学模型，并结合多尺度岩石圈流变学约束，系统研究了TFBs的几何形状（倾角30-75°，穿透深度30-90公里）以及印度-欧亚板块的汇聚速率（3-5厘米/年）对SI的影响。结果表明，当TFBs以中等倾角贯穿整个岩石圈并在较快的汇聚速率下作用时，能够有效集中地幔剪切应力，从而在约1000万年内形成自持续的俯冲带。而倾角较小的TFBs则将变形限制在地壳范围内，阻碍了俯冲带的形成。关键在于，较深的断层系统性地降低了岩石圈破裂所需的边界力，这凸显了边界力在SI过程中的关键控制作用。这些发现表明印度洋中部是一个研究洋内SI的理想天然实验室，并为控制SI的机械阈值和几何演化提供了可量化的预测。通过将岩石圈结构、汇聚动力学和断层深度联系起来，我们的研究加深了对新俯冲带形成条件的理解，以及它们在驱动板块重组甚至青藏高原塌陷中的作用，为全球板块构造学提供了重要的见解。

引言

俯冲带的形成（SI）是威尔逊循环中的一个关键阶段，对于理解板块构造学至关重要（Toth和Gurnis，1998；Gerya等人，2015）。这一过程需要克服下沉板块的弯曲阻力以及现有板块边界的摩擦阻力（Mckenzie，1977；Lallemand和Arcay，2021）。目前提出了两种主要机制：一种是由内部重力不稳定性驱动的自发SI；另一种则需要外部作用力和岩石圈弱化来诱导的SI（Gurnis等人，2004；Stern，2004）。现有的薄弱区域，如转换断层（Yang等人，2023）、海岭段（Stern，2004）、被动边缘裂谷（Kemp和Stevenson，1996）或剥离的岩石圈（Sutherland等人，2010），可以降低俯冲带形成的应力阈值（Zhong和Li，2020，2021；Shuck等人，2021）。虽然海洋岩石圈在机械强度上优于大陆岩石圈，但在冷却20-40百万年后会变得重力不稳定（Cloetingh等人，1982；van Hunen等人，2000），这解释了为什么大多数新生代俯冲带都发生在海洋区域（Gurnis等人，2004）。然而，随着海洋岩石圈年龄的增长，其流变强度增加，从而抑制了新的俯冲作用（Okal，1983；Gordon，2000）。

在特提斯洋系统内，印度-欧亚板块碰撞期间形成了多个俯冲带（Ding等人，2022；Zhu等人，2022；Li等人，2023a，Li等人，2023b）（图1a），但自碰撞发生以来尚未观察到明显的洋内SI现象（Stern和Gerya，2018）。这种现象的缺失可能反映了应力在青藏高原内部的局部化（Molnar和Lyon-Caen，1988；Ghosh等人，2006；Schmalholz等人，2014），以及北部印度洋岩石圈的古老年龄（>100百万年），以及缺乏适合应力聚集的薄弱区域（Stern，2004）。此外，数值模拟表明，南部印度洋边缘的楔形几何结构在机械上抑制了SI的发生（Zhong和Li，2022）。

大约2000万年以来，印度-欧亚板块的汇聚速率有所减缓，而青藏高原则经历了向外扩张和东西向拉伸（图1b；Lee和Lawver，1995；Molnar和Stock，2009；Wu等人，2023）。一些研究表明，这些远场应力传播到了印度洋中部，形成了以约200公里波长、1公里振幅为特征的高角度逆冲-褶皱带（TFBs），这些断层根部位于海洋地壳的上6-10公里范围内（图1c和d；Weissel等人，1980；Bull和Scrutton，1990；Molnar等人，1993；Delescluse等人，2008；Krishna等人，2009；Chen和Zhang，2017）。大量研究表明，印度洋中部经历了地球上最强烈的板块内变形，这种变形是由印度板块内部的极高压缩应力驱动的（Cloetingh等人，1984；Cloetingh和Wortel，1985；McAdoo和Sandwell，1985；Zuber，1987；Royer和Chang，1991；Martinod和Molnar，1995；Gerbault，2000）。岩石圈的褶皱波长和方向与印度-欧亚板块碰撞产生的东西向压缩应力一致，为TFBs的演化提供了区域应力环境。这种构造背景引发了这样一个问题：如此异常高的板块内应力是否有助于从分布式褶皱转变为局部化弱化，最终导致SI。1987年印度洋钻探计划（ODP Leg 116）从印度洋中部和孟加拉扇区采集的沉积物岩芯显示，这种变形始于约800-750万年前，并一直持续到现在（Curray和Munasinghe，1989；Leg 116科考队，1987；Cochran，1990）。此外，基于区域高分辨率地震地层分析，Krishna等人（2009）将这种变形的起始时间定在1540万至390万年前。这些长期存在的TFBs代表了全球海洋中板块内变形的独特现象，但它们作为俯冲带形成点的潜在作用仍不明确。

在这里，我们利用高分辨率的二维热力学模型，并结合岩石圈流变学约束，研究了印度洋中部TFBs在何种条件下可以从地壳缩短转变为穿透岩石圈的俯冲。通过系统改变断层几何形状和汇聚速率，并量化边界力需求，我们评估了洋内SI的地质动力学可行性及其对未来板块重组的广泛影响。较深的断层几何形状（30-90公里）被视为潜在的岩石圈尺度剪切带的极端情况，而不是目前观测到的浅层断层。

章节片段

模型配置

为了探讨印度洋中部现有的TFBs是否可能在印度-欧亚板块碰撞框架下演变为新的俯冲带，我们构建了一个二维热力学模型，该模型包含了从北到南的三个主要构造单元：青藏高原、印度大陆和印度洋中部（图2）。计算域的水平范围为6000公里，垂直范围为1000公里，划分为1024 × 512个网格单元。模型中包含一个20公里厚的粘性空气层

模型结果

我们进行了一系列二维热力学模拟，以研究印度洋中部TFBs演变为SI的潜力。关键参数进行了系统变化，包括断层倾角（30°-75°）、断层的初始穿透深度（30-90公里）以及印度-欧亚板块的汇聚速率（3-5厘米/年）（详见支持信息）。根据模拟得到的变形模式、应变局部化和速度场，我们识别出三种不同的演化路径：

控制TFBs演化的机制

岩石圈薄弱区域的几何形状和空间分布对SI起着主要控制作用。数值和理论研究表明，较大、较弱且连接性更好的薄弱区域降低了岩石圈破裂的机械阈值，而它们的方向则影响变形方式和俯冲极性（Gerya等人，2008；Xie等人，2021）。然而，在外部力作用的情况下，与汇聚相关的力变得占主导地位，通常约为10^12-10^13牛顿/米

结论

本研究采用系统化的热力学建模方法，并结合岩石圈流变学和区域地球物理观测数据，评估了TFBs和汇聚速率在洋内SI中的作用。主要研究结果如下：

1. 已存在的TFBs作为主要的薄弱区域，能够集中应变并控制变形的几何形态。根据其结构配置和施加的汇聚速率，TFBs可能演化成三种极端情况：自持续的俯冲

CRediT作者贡献声明

陈泽基：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、概念化。索彦辉：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、调查、概念化。陈涛：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论。罗汉宇：撰写——审稿与编辑。孙洪旭：撰写——审稿与编辑。李三忠：撰写——审稿与编辑、资金争取。

未引用的参考文献

Cochran等人，1989

Faccenda和Dal Zilio，2017

利益冲突声明

无。

致谢

我们衷心感谢编辑和审稿人对我们手稿的审阅，这有助于改进论文质量。本研究得到了中国国家自然科学基金（42121005，92358302）和中央高校基本科研业务费（202562009）的支持。大部分图表使用GMT（https://wwwgeneric-mapping-tools.org/）和Paraview（https://www.paraview.org/）软件生成。部分研究工作、数据转换和存储使用了海洋大数据超级计算平台。