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新生代东北亚的一阶演化格局—第一代地球动力学模型

已有 1634 次阅读 2018-12-1 20:22 |个人分类:地球动力学|系统分类:论文交流

地球表面可划分为若干板块(Fig. 1),板块内部具有相对较小的变形,但板块间却向不同方向运动,进而导致板块彼此间或相互汇聚或相互分离。分别对应于地球的俯冲带和洋中脊。此外,还存在一些板块相互运动既非汇聚,也非分离,而是相互走滑,板块通过转换断层来调节这一切向运动。 

Fig. 1 岩石圈构造板块及相互运动 (from https://www.sciencelearn.org.nz/resources/339-plate-tectonics)


太平洋板块在5千万年(50 Ma) 以来持续向东北亚俯冲。地震层析成像揭示俯冲的太平洋板片在东北亚下方的转换带内滞留平躺(Fig. 2)。已经有许多地质学模型解释这些平躺板片的成因及其对东亚构造的影响。但是尚无综合解释区域地质与地球物理观测的地球动力学模型。

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Fig. 2 东北亚区域地形(a)及层析成像给出的地幔结构(b)。蓝色(高速低温)的俯冲板片在转换带内偏折、平躺。


相比于地质学模型,动力学模型至少有两个重要优势(1)以数值计算作为工具,它能够给出时空连续的岩石圈变形与地幔温度、流速场的演化,从而更容易被观测检验。(2)后人可以根据新的观测和认知对先前的动力学模型进行迭代和改进。在这一过程中,动力学模型能够解释越来越多的观测,进而越来越接近于真实地球。


我们先前的工作试图构建东北亚新生代的一阶(第一代)动力学演化模型(Fig. 3)并尝试给出东北亚区域构造演化的动力学机理。该模型考虑到控制区域构造演化的许多一阶性因素,如(1)欧亚大陆在新生代位置基本固定,或者以非常缓慢的速度向太平洋方向运动;(2)太平洋板片的年龄在海沟处最小,而在远离海沟处最大;(3)相比于坚固的西伯利亚克拉通,东亚岩石圈比较弱,容易产生变形。该模型重现了新生代演化的许多基本特征,如(1)日本海的打开落后于太平洋的俯冲20-30 百万年;(2)日本海打开前,东亚有许多张裂与岩浆活动,日本海打开后这些张裂和岩浆活动逐渐减弱。(3)地震层析成像观测到的东北亚下方转换带内的滞留板片及板片内的主应力方向;(4)贝加尔湖加速张裂(5-6 百万年以来)在日本海停止扩张(~13 百万年前)之后;(5)垂直于太平洋海沟方向的东亚下方上地幔各项异性可以一直向西延伸到贝加尔湖之下。该模型的一个有意思的预测是贝加尔湖下方存在上涌流,该上涌流不是因为贝加尔湖的拉张而产生的(但贝加尔湖的拉张会进一步加强下方的上涌流),而是由太平洋俯冲板片的驱动所致。

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Fig. 3 新生代东北亚动力学演化第一代动力学模型给出的太平洋板片形态,东亚岩石圈构造及地幔流场演化(图片中时间为模型时间)。


通过对动力学各个模型参数的分析我们可以得到控制东北亚新生代以来动力学演化的几个重要的因素。

(1)欧亚大陆位置在新生代比较稳定,这导致日本海等弧后海的形成是俯冲板片在转换带内滞留、平躺的先决条件。我们对于全球板片形态的分析也支持这一结论(Fig. 4)。例如勘察加半岛区域弧后海没有完全打开,其对应的俯冲板片现在已经进入了下地幔,而相邻的库页岛及日本区域俯冲板片现在仍在转换带内滞留。

东亚区域边缘海的形成时间大致在30百万年以来,这也就限制了东亚区域转换带内的滞留板片形成时间肯定不超过30百万年。

(2)太平洋岩石圈在海沟年龄的变化对日本海打开的时间起着重要的影响。只有较老的海洋岩石圈俯冲才能够提供足够的驱动力使得日本海等弧后海打开。


Picture4.png

Fig. 4 地表地形及俯冲板片形态


总结,我们构建的第一代东北亚区域的动力学模型统一了许多区域的地质与地球物理学观测并解释了控制该区域演化的因素和动力学机制。该模型揭示在东亚区域,日本海等边缘海的形成是俯冲板片在上地幔底部滞留并形成平躺板片的先决条件。日本海的打开本身又阻碍了日本海的进一步扩张并加剧了贝加尔湖区域的张裂活动。值得提的是,我们的动力学模型还有很多不完善的地方。随着数值计算能力的提高,及对更多观测的总结,我们或者将会进一步地改进我们的模型。有兴趣的人可以进一步查看我们文章的细节:Cenozoic lithospheric deformation in Northeast Asia and the rapidly-aging Pacific Plate  (https://www-sciencedirect-com.ezp.lib.unimelb.edu.au/science/article/pii/S0012821X1830195X)


类似于上世纪初的物理学,地球动力学在许多方面都急需有激情的科研人员进行开创性的工作。我在这做个小广告,希望招收对科研有浓厚兴趣的学生来我们南方科技大学地空系攻读博士或做博士后研究。我将协助你在某个具体的方向拓展人类的认知。


个人网页:

https://www.researchgate.net/profile/Ting_Yang12

邮箱:heaventian@gmail.com


南方科技大学的博士招生简章见链接:

https://gs.sustc.edu.cn/boshi2019/1566





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