近日，南方科技大學地球與空間科學系助理教授胡佳順課題組在俯衝帶動力學和造山機制的研究上取得新進展。研究成果以“Southward expanding plate coupling due to variation in sediment subduction as a cause of Andean growth”為題發表在學術期刊Nature Communications上。
圖1. 海溝沉積物厚度與安第斯山脈高度呈負相關。由於大氣環流和冰川的作用，安第斯南部受到更強的剝蝕作用，是海溝沉積物的主要來源。
俯衝帶造山運動是地球上最顯著的構造現象之一，對地球的地形地貌演化起到了關鍵作用。造山運動也能顯著地影響全球氣候，比如透過風化剝蝕和火山噴發等過程調節大氣中的CO2含量，透過區域隆升影響大氣環流等，因此成為地學研究的熱點。造山的機制可分為兩大類，即構造和氣候因素。因造山運動具有大空間尺度和長時間尺度的特點，以往對其機制的研究大多集中在相似尺度的構造因素上，比如岩石圈的流變與拆層、俯衝板塊的年齡及其與下地幔的相互作用、上覆板塊的厚度和漂移速度等。而氣候是跨尺度的，它對造山的影響則被認為主要體現在對山體的剝蝕上，而這可能僅是控制造山的二級因素。那麼，氣候對造山的影響是否還存在其它渠道是一個尚未解決的科學問題。
課題組以安第斯山脈的隆升過程為研究物件，結合地質學觀測與地球動力學數值模擬，探究沉積物俯衝對安第斯造山的影響。研究基於前人提出的沉積物俯衝可潤滑俯衝通道，控制板塊間耦合力，進而影響造山過程這一假說（Lamb and Davis,2003,Nature），進一步研究了安第斯造山過程的時空變化與沉積物俯衝之間的對應關係。透過數值模擬與地質重構的交叉驗證，研究提出沉積物俯衝的時空變化是調節安第斯造山時空變化的重要因素：（1）受到氣候的控制，安第斯山脈中段的剝蝕速率明顯低於南北兩段，導致海溝沉積物呈現中間少、兩邊多這一特點（圖1）；（2）地幔柱導致的Juan Fernandez Ridge(JFR海山)的俯衝阻斷了海溝沉積物自南向北的長距離運輸，使得中斷的海溝沉積物俯衝保持較低的水平，進而引發更強的安第斯造山運動；（3）研究發現海山與海溝的交點自始新世以來不斷往南遷移，這意味著沉積物較少的海溝不斷向南擴充套件，導致了安第斯山脈的南向增長（圖2）。
圖2.a-e重構海山的南向遷移和地殼縮短過程。在JFR海山北側，海溝沉積物少，板塊間耦合力強，導致造山運動劇烈，表現為較高的斷層活動速度；而在JFR海山南側，由於海溝沉積物的堆積和俯衝，降低板塊間耦合力，減弱造山活動。f不同板塊重構模型預測的海山與海溝交匯點維度隨時間的變化。這些模型一致顯示海山相對南美板塊逐漸向南遷移。
模型解釋了安第斯造山的兩個最明顯的特點：（1）地殼縮短量沿走向的變化表現為中部縮短量最大、向南北兩側遞減；（2）造山起始時間表現為中北部始於始新世、越往南起始時間越晚。以往著眼於構造因素的研究往往只能解釋其中一個特點。兩個特點的同時解釋為沉積物俯衝調節造山過程提供了有力的證據。這一研究表明，沉積物既是氣候與構造相互作用的結果，也作為一個成因深刻地參與到構造演化中。作為氣候與構造跨尺度相互作用的特殊例子，沉積物俯衝調節造山過程之一機制對我們後續研究氣候與構造的相互作用具有重要的意義。
胡佳順是該論文的第一作者和通訊作者，南科大是論文第一單位。該研究得到了國家自然科學基金、第六屆中國科協青年人才託舉工程的資助，以及南方科技大學超算中心的支援。
論文連結：https://www.sciencedaily.com/releases/2021/12/211214134952.htm
供稿：地球與空間科學系
文字：胡佳順
通訊員：龍曉怡
主圖：丘妍
編輯：朱增光
