大洋俯沖和大陸碰撞沿走向的轉(zhuǎn)換動力學(xué)及流體-熔體活動的作用*

李忠海 許志琴

LI ZhongHai and XU ZhiQin

大陸構(gòu)造與動力學(xué)國家重點實驗室，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京 100037

State Key Laboratory of Continental Tectonics and Dynamics，Institute of Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China

2015-06-01 收稿，2015-09-05 改回.

1 引言

自然界中，所有的會聚大陸板塊都有側(cè)向邊界，并與周圍的大洋板塊或另一個大陸板塊相鄰。例如，特提斯構(gòu)造帶作為地球上最大的板塊俯沖-碰撞造山帶之一，它沿走向呈現(xiàn)一種陸-陸碰撞和洋-陸俯沖的相間結(jié)構(gòu)，西起歐洲的阿爾卑斯陸-陸碰撞造山帶，經(jīng)過地中海復(fù)雜的板塊俯沖帶，向東延伸至西亞的扎格羅斯(Zagros)陸-陸碰撞造山帶及其東部的馬庫元(Makrun)洋-陸俯沖帶，再繼續(xù)向東至喜馬拉雅陸-陸碰撞造山帶，而后與東印度洋板塊向東南亞之下的洋-陸俯沖帶相連。這種大洋俯沖和大陸碰撞沿走向的空間轉(zhuǎn)換控制著特提斯構(gòu)造帶深部結(jié)構(gòu)及動力學(xué)特征沿走向強烈的變化，也控制著其中每個造山帶側(cè)向邊緣和造山帶腹地不同的淺層地質(zhì)特征和深部結(jié)構(gòu)(Hatzfeld and Molnar，2010;Yin，2010;Xu et al.，2012;Li et al.，2013)。

在洋-陸俯沖和陸-陸碰撞的過程中，流體-熔體活動對其動力學(xué)過程具有非常重要的作用(Wang，2010;Faccenda，2014)。流體和熔體可以引起俯沖帶物質(zhì)的弱化及相變，從而很大程度上促進俯沖帶中殼幔物質(zhì)混合及相互作用，進而影響會聚板塊之間的耦合、上覆板塊巖漿作用以及隧道內(nèi)高壓-超高壓變質(zhì)巖石的折返(Zheng，2012)。我們最近通過二維數(shù)值模擬的方法對含水俯沖碰撞模型與無水模型進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)無水模型中由于缺少流體-熔體活動而產(chǎn)生的弱化作用，上覆巖石圈的變形很小，在碰撞造山過程中的參與程度很低。而流體-熔體的活動可以加強上覆巖石圈的地形隆升和造山作用(Li et al.，2015)。

本文通過建立一系列三維大尺度、高分辨率的洋-陸俯沖和陸-陸碰撞沿走向轉(zhuǎn)換的數(shù)值模型，對比研究俯沖碰撞帶中流體-熔體活動的作用和影響，并與中東特提斯構(gòu)造帶的深部結(jié)構(gòu)觀測進行對比，進而探討其動力學(xué)機制。

2 數(shù)值模擬方法

對于板塊俯沖碰撞相關(guān)的動力學(xué)數(shù)值模型，一般對三組控制方程進行求解，包括斯托克斯流體動力學(xué)方程、物質(zhì)守恒方程以及熱量守恒方程。本文中，對這些方程在不規(guī)則的歐拉網(wǎng)格節(jié)點上采用有限差分算法進行離散化和近似求解。數(shù)值模擬的基本方法可見Gerya(2010)，具體的控制方程、流變模型及參數(shù)等可見Li et al.(2013)，本文中不作詳細介紹。由于本文側(cè)重點在于對比研究俯沖-碰撞過程中流體-熔體的活動和影響，下面詳細介紹數(shù)值模型中采用的流體活動模型和部分熔融模型。

2.1 脫水-水化作用和水的運移

俯沖帶中的水主要包括兩部分。一種是自由水，一種是礦物水。對于自由水，基于前人的系統(tǒng)研究(Gerya and Meilick，2011;Li et al.，2013)，假設(shè)沉積物和大洋上地殼玄武巖在地表含2%(質(zhì)量百分含量)的水，并且隨著深度的增加而減少，直至75km 的自由水含量降為零。對此，假設(shè)線性的定量化關(guān)系式:

其中，XH2O(P0)代表地表的自由水含量2%，Δz 是深度(0～75km)，對于其他的巖石屬性(大陸地殼，大洋下地殼，地幔)，假設(shè)其自由水含量為零。

對于礦物水，采用了PerpleX(Connolly，2005)所計算的四種典型巖性的含水量隨溫度和壓力的變化，這些數(shù)據(jù)是依據(jù)吉布斯自由能最小化原理，對特定巖石成分和熱力學(xué)數(shù)據(jù)計算而得(Gerya and Meilick，2011)。隨著俯沖的進行，礦物水析出后保存在新生成的示蹤點中，并獨立的運移，當(dāng)其遇到由于水化或部分熔融作用而產(chǎn)生的水不飽和巖性的時候，該活動的水就會被吸收。水的運動速度由該位置處的壓強梯度進行計算，具體算法如下:

其中，vx(water)、vy(water)、vz(water)分別是水在x、y 和z 方向的速度。vx、vy、vz是該位置處的巖石速度。vy(percolation)代表流體-熔體向上的滲透速度，根據(jù)前人的研究，參考模型中采用vy(percolation)=10cm/a(Gorczyk et al.，2007;Peacock，1990)。在這里，模型假設(shè)水生成之后的水平速度與巖石速度相當(dāng)，由于水和巖石的密度差，導(dǎo)致其速度差異主要體現(xiàn)在垂向上。同時，我們還設(shè)計了不同的模型對流體-熔體滲透速率的變化進行了探討。

2.2 巖石部分熔融作用

數(shù)值模型中包含了多種巖石類型的部分熔融計算(Li et al.，2013)。對于水化蝕變的地幔橄欖巖，采用了Katz et al.(2003)的算法和參數(shù)。對于其他巖石類型，基于實驗巖石學(xué)的約束條件，作為一種近似算法，假設(shè)部分熔融的體積比例與溫度之間存在一種線性關(guān)系:

其中，Tsolidus和Tliquidus分別代表特定巖性的固相線溫度和液相線溫度。

3 初始模型和邊界條件

基于要研究的洋-陸俯沖和陸-陸碰撞沿走向轉(zhuǎn)換的動力學(xué)背景，我們設(shè)計了一組三維大尺度、高分辨率動力學(xué)數(shù)值模型(圖1)。初始模型中，上覆板塊是一個均一的大陸板塊，而俯沖板塊沿走向平分為兩個部分，一側(cè)為均一的大洋板塊，而另一側(cè)長度為450km 的大洋板塊之后與大陸板塊相連。大陸板塊的上地殼厚度為20km，下地殼厚度為15km;而大洋板塊的上地殼玄武巖厚度為3km，下地殼輝長巖厚度為5km。值得注意的是，在地殼表面之上，與自由滑動的模型頂界面之間，設(shè)計有一層相對高黏滯度的偽空氣層，其與上地殼的接觸面用以模擬地形起伏面，該地形起伏面包含了近似的剝蝕和沉積作用(如Li et al.，2013)。對于大陸巖石圈的溫度結(jié)構(gòu)，地表是0℃，巖石圈底部為約1325℃，其間采用線性插值的方法。大洋巖石圈的年齡約為30Ma。巖石圈之下的軟流圈地幔的溫度梯度為0.5℃/km。

圖1 初始模型設(shè)計(a)三維初始模型，空間尺度為1000 ×680 ×656km，分辨率為2×2 ×2km. 為了更加清楚的顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最頂層的20km 被剪切掉. 顏色代表不同的巖石類型，色標(biāo)如(b):0-偽空氣層;1-水;2、3-沉積物;4-部分熔融沉積物;5、6-大陸上、下地殼;7、8-水化的大陸上、下地殼;9、10-部分熔融的大陸上、下地殼;11、12-大洋上、下地殼;13-部分熔融的大洋地殼;14-巖石圈地幔;15-軟流圈地幔;16、17-水化、蛇紋石化的地幔;18-部分熔融的地幔. 水化的和部分熔融的巖石類型在圖1 的初始模型中不存在，將隨著模型的演化而產(chǎn)生Fig.1 Initial model configuration(a)the spatial scale of 3-D initial model is 1000 ×680 ×656km with the resolution of 2 × 2 × 2km. Colors indicate different rock types as in (b). The top layer (y ＞-20km)is cut off for clarity;(b)the colorgrid for different rock types，with:0-air;1-water;2，3-sediment;4-partial molten sediment;5/6-upper/lower continental crust;7/8-hydrated upper/lower continental crust;9/10-partial molten upper/lower continental crust;11/12-upper/lower oceanic crust;13-partial molten oceanic crust;14-lithospheric mantle;15-asthenospheric mantle;16/17-hydrated/serpentinized mantle;18-partially molten mantle. The hydrated and partially molten rocks are not shown in Fig.1，but will appear during the evolution of the model

對于數(shù)值模型的速度邊界條件，頂部(y=0)和前后兩個側(cè)面(z=0 和z=656km)是自由滑動邊界。底部邊界是滲透性邊界，采用近無限深度的外部自由滑動邊界條件(Li et al.，2013)，在模型底邊界(680km)之下的200km 處，滿足自由滑動條件(Gerya，2010;Li et al.，2010)。與普通的自由滑動邊界條件相同，外部自由滑動條件也將滿足計算區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)守恒。模型的左右兩個邊界是會聚邊界，自初始條件開始，兩個邊界之間的會聚速率為5cm/a;在10Ma 到15Ma之間，伴隨著大陸俯沖碰撞的發(fā)生，會聚速率逐漸減低至2.5cm/a;而后保持2.5cm/a 的會聚速率不變。

對于數(shù)值模型的溫度邊界條件，模型頂部為固定溫度(0℃);四周的側(cè)面邊界條件為水平方向溫度梯度為零(即零熱流)。底部邊界采用的是外部邊界固定溫度條件，在模型底邊界(680km)之下的200km 處，假設(shè)一個固定的地幔溫度，這樣就可以使得在底部滲透邊界處，溫度和熱流都可以據(jù)模型演化而動態(tài)調(diào)整(Gerya，2010;Li et al.，2010)。

4 模擬結(jié)果

4.1 參考模型

基于前人研究，流體-熔體向上滲透速率的估計值約為vy(percolation)=10cm/a(Gorczyk et al.，2007;Peacock，1990)，參考模型中我們采用了這個滲透速率，具體算法如前文所述。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示在洋-陸俯沖帶和陸-陸碰撞帶產(chǎn)生了差異巨大的演化特征。在大陸碰撞帶，先期俯沖的大洋巖石圈板塊在碰撞后發(fā)生斷離，斷離深度約為150km，斷離時間為18Ma 左右(圖2a)。本文中，板塊斷離的判定準(zhǔn)則為，俯沖板塊巖石圈的物質(zhì)場錯斷一定距離(＞10km)，其間被軟流圈物質(zhì)充填。板塊斷離后，殘留的俯沖板塊向上彎曲，造成大陸板塊俯沖角度變小，并推動了俯沖大陸地殼的折返以及部分熔融物質(zhì)在上覆巖石圈底部的積聚(圖2b)。在大洋俯沖一側(cè)，海溝持續(xù)的后撤，伴隨著俯沖大洋板塊的脫水，以及地幔楔中的水化和部分熔融作用。同時，大洋海溝的后撤產(chǎn)生了弧后的伸展以及邊緣海盆地的拉張(圖2c)。

三維數(shù)值模型顯示了沿走向的空間差異性俯沖碰撞模式，該模式造成了上覆地殼物質(zhì)從大陸碰撞一側(cè)向大洋俯沖一側(cè)逃逸(圖2b，c)。同時，造成了深部結(jié)構(gòu)的巨大差異性，導(dǎo)致周圍的地幔物質(zhì)穿過板塊的斷離窗口，從板下地幔進入地幔楔中，而后從大陸俯沖帶向大洋俯沖帶側(cè)向流動(圖2d)。并且，深部地幔流動的方向與地表物質(zhì)的擠出方向一致。

4.2 不同的流體-熔體滲透速率

為了探討流體-熔體的滲透速率對于俯沖-碰撞過程的影響，我們建立了兩個新的數(shù)值模型，其中一個采用滲透速率vy(percolation)=5cm/a，另一個采用滲透速率vy(percolation)=0。

把流體-熔體的滲透速率從參考模型中的vy(percolation)=10cm/a 降低至5cm/a，三維模型的大尺度演化模式變化不大，大洋板塊一側(cè)持續(xù)俯沖進入地幔之中，而大陸俯沖碰撞一側(cè)發(fā)生俯沖板塊的斷離，伴隨著俯沖引發(fā)的部分熔融作用以及上覆地殼物質(zhì)的側(cè)向擠出(圖3)。但是，相對于參考模型中18Ma 時、150km 深度處的板塊斷離(圖2a)，降低滲透速率，導(dǎo)致板塊斷離的時間較晚(～22Ma)，并且深度較大(～200km)(圖3a)。

進而，為了探討一個流體-熔體活動的端元模型，我們將流體-熔體的滲透速率降低為零，即模型中包含了脫水作用，但是脫出的水只能隨固體一起運移，而不發(fā)生向上的滲透。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，大陸碰撞一側(cè)的板塊斷離的時間和深度進一步增大，達到26Ma 和300km 左右(圖4a)。同時，由于俯沖和上覆大陸板塊之間較強的耦合作用，上覆巖石圈地幔也有向下俯沖的趨勢，從而傾向于形成一種雙向?qū)_碰撞模式(圖4a)。

圖2 參考數(shù)值模型結(jié)果該模型中流體-熔體的向上滲透速率vy(percolation)=10cm/a. (a、b)大陸碰撞一側(cè)的模型演化;(c)大洋俯沖一側(cè)的模型演化;(d)等黏滯系數(shù)面和速度場分別展示三維模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地幔流動特征Fig.2 Results of the reference numerical modelIn this model，the upward percolation velocity of fluid and melt is prescribed as vy(percolation)=10cm/a. (a，b)evolution of the continental collision side;(c)evolution of the oceanic subduction side;(d)iso-viscosity surface (1022Pas)and velocity field demonstrate the inner structure and mantle flow characteristics of the 3-D model

4.3 無流體-熔體活動

為了進一步對比研究流體-熔體活動的作用，我們又設(shè)計了一個無流體-熔體活動的模型，即在參考模型中(圖2)取消所有關(guān)于水的活動以及部分熔融作用的計算，從而成為一個單純的熱動力學(xué)模型。

數(shù)值模擬的結(jié)果顯示，該模型中大陸碰撞一側(cè)雖然也能最終發(fā)生板塊的斷離(圖5a)，但時間更晚(35Ma)并且深度更大(400 ～500km)。由于缺少流體和熔體的潤滑作用，會聚板塊之間具有強烈的耦合作用，從而無論洋-陸俯沖帶還是陸-陸碰撞帶，上覆巖石圈地幔都會被拖曳而向下俯沖，從而形成一種雙向?qū)_碰撞模式(圖5)。

5 討論

扎格羅斯-喜馬拉雅大陸碰撞造山帶及其鄰區(qū)的大洋俯沖帶顯示了陸-陸碰撞和洋-陸俯沖的相間結(jié)構(gòu)(圖6a)，這種大地構(gòu)造特征成為控制該區(qū)域板塊會聚動力學(xué)的關(guān)鍵。針對該構(gòu)造背景，我們建立了一系列三維大尺度、高分辨率的數(shù)值模型，探討洋-陸俯沖和陸-陸碰撞沿走向的轉(zhuǎn)換動力學(xué)。模型結(jié)果顯示了強烈的沿走向的差異性，大洋俯沖帶中，巖石圈板塊持續(xù)的俯沖進入地幔之中;而在大陸碰撞一側(cè)，俯沖板塊在一定深度處發(fā)生斷離。在板塊會聚速率相同的情況下，板塊斷離的深度與俯沖帶流體-熔體的活動具有負相關(guān)關(guān)系。在含流體-熔體模型中，斷離深度隨著流體-熔體滲透速度vy(percolation)的減小，而逐漸增大:vy(percolation)= 10、5、0cm/a 時，對應(yīng)的斷離深度依次是大約150km、200km 和300km。在無流體-活動模型中，板塊斷離深度最大，達到400～500km。其動力學(xué)機制在于，流體-熔體活動可以很大程度的降低周圍巖石的流變強度，造成俯沖板塊上部及地幔楔黏滯系數(shù)的減小，同時能夠降低俯沖板塊和上覆板塊之間的耦合作用。在俯沖大洋板塊拉力一定的情況下，流變強度的降低將對板塊斷離產(chǎn)生促進作用，從而使得俯沖板塊在較早的時間以及較淺的深度處發(fā)生斷離。

圖4 流體-熔體滲透速率為零的數(shù)值模擬結(jié)果該模型中流體-熔體的向上滲透速率vy(percolation)=0. (a)大陸碰撞一側(cè)的模型演化結(jié)果;(b)大洋俯沖一側(cè)的模型演化結(jié)果Fig.4 Numerical model result with zero upward percolation velocityIn this model，the upward percolation velocity of fluid and melt is zero，i. e. vy(percolation)=0cm/a. (a)evolution result of the continental collision side;(b)evolution result of the oceanic subduction side

流體-熔體活動對俯沖-碰撞帶的表層和深部構(gòu)造樣式產(chǎn)生了很大的影響，但沿走向的巨大差異性是所有模型中共存的。這種走向差異性促使周圍地幔物質(zhì)發(fā)生復(fù)雜的流動，從板下地幔穿過板塊斷離窗口進入地幔楔，而后從大陸碰撞帶向大洋俯沖帶側(cè)向運移。這種繞過大洋俯沖板塊側(cè)向邊緣的地幔流動，可以促使地幔變形以及地幔礦物發(fā)生晶格優(yōu)選定向，進而產(chǎn)生地震波各向異性(Li et al.，2014)，并能夠通過地震臺站在地表進行觀測(例如，Wang et al.，2008)。同時，深部的地幔流動方向與淺部物質(zhì)從造山帶向俯沖帶的側(cè)向逃逸方向是大體一致的，這也顯示了二者之間可能存在一種相互促進的關(guān)系。

圖5 無流體-熔體活動的數(shù)值模擬結(jié)果該模型中取消了所有流體和熔體活動的計算. (a)大陸碰撞一側(cè)的模型演化結(jié)果;(b)大洋俯沖一側(cè)的模型演化結(jié)果Fig.5 Numerical model result with no fluid and melt activityIn this model，the whole calculations of fluid and melt activity are canceled. (a)evolution result of the continental collision side;(b)evolution result of the oceanic subduction side

圖6 中-東特提斯構(gòu)造帶的大地構(gòu)造特征及深部結(jié)構(gòu)(a)中-東特提斯構(gòu)造帶及鄰區(qū)地形，其中紅色涂抹線表示大陸碰撞邊界，藍色涂抹線代表大洋俯沖邊界;(b-d)喜馬拉雅-東印度洋板塊會聚邊界的深部結(jié)構(gòu)層析成像結(jié)果(Replumaz et al. ，2004);(e-f)分別指示扎格羅斯大陸碰撞帶及其東部的馬庫元大洋俯沖帶的深部結(jié)構(gòu)層析成像結(jié)果(Amaru，2007)，剖面位置如圖中淺藍色和深藍色直線所示;(g)安納托利亞地區(qū)的深部結(jié)構(gòu)(Gessner et al. ，2013)Fig.6 Tectonics and deep structures of the middle-eastern Tethyan belt(a)topography of the middle-eastern Tethyan belt and its surrounding regions. On the map，red charcoal lines indicate the continental collision boundaries，whereas blue charcoal lines indicate the oceanic subduction boundaries;(b-d)deep structure of the Himalaya and Eastern Indian Oceanic plate convergent regions from seismic tomography (Replumaz et al. ，2014);(e-f)demonstrate the deep structure of Zagros continental collision belts and Makran oceanic subduction zones，respectively，based on the seismic tomography (Amaru，2007);(g)deep structure of the Anatolia region according to the systematic geological and geophysical reviews (Gessner et al. ，2013)

模型所展示的大尺度深部結(jié)構(gòu)特征與中-東特提斯構(gòu)造帶具有很好的相似性，在此我們進行三組對比。首先，對于喜馬拉雅大陸碰撞造山帶及東部的東印度洋大洋板塊俯沖帶，層析成像的結(jié)果表明，在淺部(例如，200km 深度處)，大陸碰撞帶和大洋俯沖帶都顯示了高地震波速的俯沖板塊的存在(如圖6b);但是，到一定深度處(如440km)，喜馬拉雅帶的高速體缺失，意即該處俯沖板塊發(fā)生斷離(如圖6c);而到很深的位置處(如1175km)，存在沿走向連續(xù)的高速體，解釋為先期俯沖的特提斯大洋板塊(如圖6d)。這種三維空間結(jié)構(gòu)與我們的數(shù)值模型相吻合，即大陸碰撞一側(cè)發(fā)生俯沖板塊的斷離，形成一個斷離窗口，而大洋俯沖板塊具有垂向的連續(xù)性。而后，對于扎格羅斯大陸碰撞造山帶及其東部的馬庫元大洋俯沖帶，前人的深部探測的結(jié)果也揭示大陸碰撞帶板塊斷離的可能存在(如圖6e)，但相鄰的大洋俯沖帶卻顯示連續(xù)的大洋俯沖板塊高速體(如圖6f)。從而也顯示該區(qū)域的深部結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特征與數(shù)值模型結(jié)果的相似性。最后，在扎格羅斯造山帶西部的安納托利亞地區(qū)，也存在深部結(jié)構(gòu)沿走向的巨大差異性(如圖6g)?；谖覀兊臄?shù)值模型可見，大洋俯沖和大陸碰撞沿走向的空間轉(zhuǎn)換是該地區(qū)大地構(gòu)造特征的主控因素。

我們的數(shù)值模型提供了俯沖板塊沿走向差異性的一個端元模型，即大陸板塊和大洋板塊相鄰，這也是特提斯構(gòu)造帶的典型狀況。如果對此進行拓展，可以聯(lián)想到，在自然界中，會聚的大陸板塊(也包含某些大洋板塊)可能沿走向不是均一屬性的，因此在碰撞的過程中就會造成深部結(jié)構(gòu)及表層造山過程的差異性，這可以為地質(zhì)、地球物理觀測的解譯提供一定的思路。

6 結(jié)論

(1)俯沖-碰撞帶中，流體-熔體活動可以降低周圍巖石的流變強度以及會聚板塊之間的耦合作用，并且能夠很大程度上促進大陸碰撞帶中俯沖板塊的斷離。

(2)大洋俯沖和大陸碰撞的空間轉(zhuǎn)換數(shù)值模型揭示深部結(jié)構(gòu)巨大的沿走向的差異性，大陸碰撞帶發(fā)生俯沖板塊斷離，而大洋俯沖板塊持續(xù)下插。同時，地殼物質(zhì)發(fā)生從陸-陸碰撞帶向洋-陸俯沖帶的側(cè)向逃逸。

(3)這種三維空間中沿走向的差異性俯沖-碰撞模式與中-東特提斯構(gòu)造帶三個典型地區(qū)相吻合，揭示了其深部結(jié)構(gòu)的控制機制;如喜馬拉雅碰撞帶及東印度洋俯沖帶、扎格羅斯碰撞帶及馬庫元俯沖帶，以及安納托利亞陸-陸碰撞和洋-陸俯沖轉(zhuǎn)換帶。

致謝 感謝羅綱教授、王世民教授對稿件提出的一系列建設(shè)性的意見。

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