智利三聯(lián)點(diǎn)南部含洋脊海洋板塊俯沖過(guò)程的數(shù)值模擬

原一哲，郭長(zhǎng)升，胡才博*，魏東平

1 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049 2 中國(guó)科學(xué)院計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049

0 引言

三聯(lián)點(diǎn)是三個(gè)板塊邊界的交點(diǎn)(Mckenzie and Morgan,1969).按板塊邊界的類(lèi)型(洋脊R、轉(zhuǎn)換斷層F、海溝T)與幾何形狀劃分為十六種不同的類(lèi)型(王振山和魏東平，2018).智利南部擴(kuò)張洋脊的俯沖是影響南美板塊邊界的主要構(gòu)造活動(dòng)之一，也是地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容(Atwater,1970;Kay et al.,1993;McCrory et al.,2009).

智利三聯(lián)點(diǎn)(CTJ)位于南極洲板塊、納茲卡板塊與南美板塊的交界處，由南極洲-納茲卡板塊之間的智利洋脊俯沖至智利海溝形成.隨著納茲卡板塊的東向俯沖，納茲卡板塊范圍逐漸變小，智利三聯(lián)點(diǎn)(CTJ)同時(shí)向北移動(dòng).大約14 Ma前至今，智利三聯(lián)點(diǎn)從54°S不斷向北移動(dòng)至46°30′S(Cande and Leslie,1986)(如圖1).以智利三聯(lián)點(diǎn)對(duì)應(yīng)緯度(46°30′S)為南北分界線，北部區(qū)域，納茲卡板塊以7.8 cm·a-1的速率快速俯沖于南美板塊下方，南部區(qū)域，南極洲板塊以2 cm·a-1速率緩慢俯沖于南美板塊之下(DeMets et al.,1994).由于智利三聯(lián)點(diǎn)北部區(qū)域智利洋脊段并未俯沖至南美板塊之下，而南部區(qū)域智利洋脊段SCR-1則在距今6 Ma俯沖至南美板塊之下，SCR0洋脊段則在距今3 Ma俯沖至南美板塊之下(如圖1).根據(jù)智利三聯(lián)點(diǎn)北部貝尼奧夫地震帶的分布，智利三聯(lián)點(diǎn)北部洋脊俯沖至南美板塊的傾角為30°(Cahill and Isacks,1992)，而智利三聯(lián)點(diǎn)南部尚未觀測(cè)到明顯的貝尼奧夫地震帶(Breitsprecher and Thorkelson,2009).

圖1 智利三聯(lián)點(diǎn)地形圖(修改自Agurto-Detzel et al.,2014;Lagabrielle et al.,2015)NZ：納茲卡板塊；AN：南極洲板塊；SA：南美洲板塊；CTJ：智利三聯(lián)點(diǎn)；SCR:洋脊；紅色五角星:5.9 Ma智利三聯(lián)點(diǎn)位置；黑色五角星:2.2 Ma智利三聯(lián)點(diǎn)位置(Maksymowicz et al.,2012)；白色線段表示海溝位置；黃色線段代表轉(zhuǎn)換斷層帶(實(shí)線)和預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)換斷層帶(虛線)；紅色實(shí)線代表智利洋中脊位置的擴(kuò)張中心(智利三聯(lián)點(diǎn)南部包括SCR-1和SCR0；北部包括SCR1、SCR2和SCR3)；紅色三角形代表第四紀(jì)火山群位置.Fig.1 Topographic map of the Chile triple junction (Modified from Agurto-Detzel et al.,2014;Lagabrielle et al.,2015)NZ:Nazca plate,AN:Antarctic plate;SA:South American plate;CTJ:Chile triple junction;SCR:Ocean Ridge;Red star:Chile triple point location at 5.9 Ma;Black star:Chile triple point location at 2.2 Ma (Maksymowicz et al.,2012);White lines denote the trench;The yellow lines denote the fracture zone (solid line)and the predicted fracture zone (dashed line);Red segments show the spreading centers of the Chile ridge (The southern part of the CTJ includes SCR-1 and SCR0;The northern part includes SCR1,SCR2,and SCR3);Red tringles denote Quaternary volcanoes.

含有洋脊的洋-陸俯沖與一般的相比最顯著的特征是俯沖洋殼年齡小、厚度薄、俯沖區(qū)域溫度梯度高(Lagabrielle et al.,1999)，在靠近海溝軸線附近伴隨有巖漿活動(dòng)(Bourgois et al.,1996).現(xiàn)代觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，智利三聯(lián)點(diǎn)南部區(qū)域呈現(xiàn)明顯的熱流正異常現(xiàn)象(Hamza et al.,2005)，明顯高于南美洲的平均熱流值52.7 mW·m-2(Sclater et al.,1980).

板片窗指板片在俯沖過(guò)程中由洋脊擴(kuò)張、板片撕裂或板片斷離形成的間隙.三聯(lián)點(diǎn)附近地質(zhì)構(gòu)造類(lèi)型存在明顯差異，其中典型的案例就是南美板塊中形成的巴塔哥尼亞板片窗(Bourgois and Michaud,2002).在智利巴塔哥尼亞區(qū)域和阿根廷巴塔哥尼亞弧后地區(qū)發(fā)現(xiàn)的始新世高原玄武巖(Demant and Morata,1996;Parada et al.,2001)已經(jīng)被證明是洋脊-海溝俯沖的產(chǎn)物(Kay et al.,2002;Kay and Mpodozis,2002).研究洋脊-海溝俯沖機(jī)制對(duì)于了解三聯(lián)點(diǎn)附近地質(zhì)構(gòu)造類(lèi)型及板片窗的形成具有重要意義.

本文通過(guò)建立二維洋脊-海溝俯沖模型，采用有限差分法和粒子追蹤技術(shù)研究巖石層尺度內(nèi)地球流體介質(zhì)在熱、重力及構(gòu)造作用下的流動(dòng)、變形及溫度場(chǎng)變化，定量模擬智利洋脊俯沖至南美板塊的動(dòng)力學(xué)過(guò)程.針對(duì)智利三聯(lián)點(diǎn)附近區(qū)域洋脊俯沖的角度和速率不同，設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)，研究不同的俯沖角度和速率條件下，洋脊俯沖對(duì)上覆巖石層溫度結(jié)構(gòu)及地質(zhì)演化過(guò)程的影響.研究洋脊俯沖區(qū)域地表熱異常機(jī)制對(duì)于了解地殼與上地幔的熱結(jié)構(gòu)及評(píng)定區(qū)域地?zé)豳Y源潛力等均具有重要意義.

1 數(shù)值模擬方法

1.1 控制方程

本文采用地球動(dòng)力學(xué)程序“I2VIS”進(jìn)行數(shù)值模擬(Gerya and Yuen,2003a)，控制方程分別為：斯托克斯流體動(dòng)力學(xué)方程、不可壓縮質(zhì)量守恒方程、溫度演化的能量守恒方程，可用于板塊俯沖、碰撞、拆沉、折返與造山等復(fù)雜地質(zhì)過(guò)程的時(shí)空演化(李忠海和許志琴，2015).

有效黏度ηeff存在兩種形式，一種是韌性黏度，一種是塑性黏度.其中，韌性黏度計(jì)算如下：

(1)

塑性部分采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則 (Ranalli,1995)：

σyield=C0+Psin(φeff),

(2)

其中，

sin(φeff)=sin(φ)(1-λ).

(3)

定義塑性黏度如下：

(4)

式中，σyield為屈服應(yīng)力；C0是P=0條件下的巖石剩余強(qiáng)度；φ是內(nèi)摩擦角；λ是孔隙流體系數(shù)；φeff是有效內(nèi)摩擦角，與孔隙流體系數(shù)和內(nèi)摩擦角相關(guān).

選取ηductile和ηplastic的較小者作為實(shí)際的有效黏度參與計(jì)算(Ranalli,1995;Gerya and Yuen,2003a):

ηeff=min (ηductile,ηplastic).

(5)

模型計(jì)算中考慮了地殼巖石的部分熔融行為(Gerya and Yuen,2003b;Burg and Gerya,2005;Gerya and Burg,2007)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)的約束條件，將溫度與巖石部分熔融體積比例之間的關(guān)系看作近似的線性關(guān)系.

2 洋脊俯沖模型的模型設(shè)置

根據(jù)智利三聯(lián)點(diǎn)北部貝尼奧夫地震帶的分布，智利洋脊俯沖至南美板塊的傾角約為30°(Cahill and Isacks,1992)，而智利三聯(lián)點(diǎn)南部沒(méi)有觀測(cè)到貝尼奧夫地震帶，智利三聯(lián)點(diǎn)南部的俯沖角度大致為10°～13°，但缺乏相關(guān)觀測(cè)證據(jù)(Breitsprecher and Thorkelson,2009).本文以智利三聯(lián)點(diǎn)南部的淺俯沖地質(zhì)背景為基礎(chǔ)，分別建立了初始俯沖角度分別為15°和30°的數(shù)值模型.同時(shí)，由于俯沖區(qū)域的速度邊界條件是控制大洋俯沖模式的重要影響因素之一(Jarrard,1986;Lallemand et al.,2005).因此我們?cè)O(shè)計(jì)兩組不同速率的模擬實(shí)驗(yàn)(3.5 cm·a-1，6.5 cm·a-1)討論俯沖速率的影響，各模型的俯沖角度和速率如表1所示.

表1 模型對(duì)應(yīng)的俯沖角度和速率Table 1 The subduction angle and speed used in the model

4個(gè)模型的初始寬度為1000 km，深度為300 km(如圖2)，使用不規(guī)則的有限差分網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行離散化，俯沖帶區(qū)域加密，網(wǎng)格設(shè)計(jì)為1 km×1 km單元，模型其余區(qū)域采用10 km×10 km單元.大陸板塊頂部長(zhǎng)度為400 km (藍(lán)色區(qū)域)，大洋板塊為600 km (紅色區(qū)域)，俯沖帶傾角為30°.大陸板塊總厚度為120 km，分為三部分，包括1 km厚的沉積層，20 km 厚的上地殼，15 km厚的下地殼和余下的巖石層地幔部分.大洋板塊總厚度為75 km，其中包括2 km 厚的沉積層，7 km厚的洋殼和余下的巖石層地幔部分.模型寬度500 km處為洋脊構(gòu)造，洋脊的位置和幾何參考前人結(jié)果(Hamblin and Christiansen,2003).不同的巖石類(lèi)型和性質(zhì)見(jiàn)表2.針對(duì)俯沖帶區(qū)域流變性質(zhì)相關(guān)參數(shù)的影響，我們主要考慮上覆大陸巖石層的流變性質(zhì)，尤其是陸殼的流變強(qiáng)度，以及巖石圈地幔的流變性能，流變參數(shù)主要參考前人的文獻(xiàn)(Ranalli,1995；李忠海和許志琴，2015).上覆大陸地殼的初始黏度與軟流層黏度降低均導(dǎo)致兩板塊俯沖界面傾角增大(皇甫鵬鵬，2016).

表2 模型采用的相關(guān)參數(shù)(參考Ranalli,1995；Li et al.,2010;李忠海和許志琴，2015)Table 2 Related parameters used in the model (Refer to Ranalli,1995;Li et al.,2010;Li and Xu,2015)

圖2 初始模型物質(zhì)圖.模型中的顏色代表不同的巖石組成.本模型主要分為8個(gè)分區(qū)：1.偽黏性空氣層與沉積層；2.上地殼；3.下地殼；4.洋殼；5.洋脊板塊；6.巖石層地幔；7.軟流層地幔；8.軟弱帶.水化的和部分熔融的巖石類(lèi)型在該初始模型中不存在，隨著模型的演化而產(chǎn)生.Fig.2 Initial model material diagram.The colors in the model denotes different rock compositionsThis model is mainly divided into 8 partitions:1.pseudo-sticky air and sediment;2.upper continental crust;3.lower continental crust;4.oceanic crust;5.ridge plate;6.lithospheric mantle;7.asthenospheric mantle;8.weak zone.The hydrated and partially molten rocks are not shown in the initial model,but appear during the evolution of the model.

模型底部邊界為滲透性邊界 (Burg and Gerya,2005;Ueda et al.,2008;Li et al.,2010).模型在俯沖板塊的遠(yuǎn)端施加俯沖速率(Vx)邊界條件，在計(jì)算過(guò)程中保持恒定，其他邊界采用自由滑動(dòng)的邊界條件.相當(dāng)于靜止參照物的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速率.模型自初始條件開(kāi)始,為了更真實(shí)反映俯沖碰撞后的地表變化,在地殼表面和模型頂界面之間設(shè)計(jì)了一層相對(duì)高黏度的偽空氣層，其與上地殼的接觸面被用來(lái)模擬模型計(jì)算過(guò)程中的地貌起伏變化，且該地貌起伏面模擬包含近似的地表剝蝕和沉積作用(Gerya and Yuen,2003a;Burg and Gerya,2005).偽空氣層的初始厚度在大陸巖石層之上為 7 km，在大洋地殼之上為8 km，大陸巖石層的初始高程比大洋高500 m.由于沉積層太薄，不便于單獨(dú)的顏色區(qū)分，因此將其與偽空氣層標(biāo)注相同顏色.

模型頂部溫度固定為0 ℃，莫霍面溫度為650 ℃，巖石層中采用線性溫度梯度0.5 ℃/km，巖石層底部溫度為1400 ℃(Tetreault and Buiter,2012)，巖石層溫度采用線性溫度分布，如圖3a所示.兩側(cè)邊界的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，即在模型底邊界下假設(shè)一個(gè)固定的地幔溫度(李忠海和許志琴，2015；皇甫鵬鵬，2016).初始模型的密度設(shè)置如圖3b.

圖3 初始模型示意圖(a)初始模型溫度圖；(b)初始模型密度圖.Fig.3 Schematic diagram of the initial model(a)Initial model temperature map;(b)Initial model density map.

3 模擬結(jié)果

根據(jù)海洋板塊俯沖速率和初始俯沖角度不同設(shè)計(jì)了四個(gè)模型，進(jìn)行對(duì)比分析.

3.1 低俯沖角度低俯沖速率模型(模型1)

模型1的初始俯沖角度為15°，初始俯沖速率為3.5 cm·a-1(圖4).模型運(yùn)行至6 Ma時(shí)，洋脊中心俯沖至地幔60 km左右深度，并且向大陸方向運(yùn)移200 km(如圖4c).溫度模擬結(jié)果顯示，含有洋脊的海洋板塊的俯沖使得俯沖區(qū)域上覆巖石層溫度升高約 400～800 ℃，上覆巖層溫度明顯升高區(qū)域主要集中在模型水平方向220～350 km區(qū)域，由于模型設(shè)置的含洋脊的大洋板塊俯沖開(kāi)始時(shí)，洋脊中心位置位于模型水平方向500 km處，海溝位置位于模型水平方向400 km處，即洋脊俯沖 6 Ma后，上覆巖層溫度異常區(qū)域位于220～350 km，距離海溝50～180 km，溫度異常區(qū)水平長(zhǎng)度約為130 km(如圖5a—5c所示).而通過(guò)模擬洋脊俯沖進(jìn)入海溝2 Ma后，在地下20 km深處溫度可達(dá)到600 ℃(DeLong et al.,1979).模型運(yùn)行至4 Ma時(shí)洋脊才開(kāi)始俯沖到海溝之下，俯沖至6 Ma時(shí)地表下20 km深處溫度為630 ℃，與DeLong等(1979)的研究結(jié)果相近，如圖5c所示.含洋脊板塊俯沖過(guò)程中受到上覆板塊的刮擦效應(yīng)及大陸板塊逆沖作用的影響，巖石層之間剪切熱大大增加，同時(shí)伴隨著溫度較高的洋脊俯沖至大陸板塊之下與上覆巖層產(chǎn)生熱交換，俯沖區(qū)域上覆巖層產(chǎn)生明顯的熱物質(zhì)侵蝕上涌現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)俯沖區(qū)域密度升高200～300 kg·m-3(如圖6所示).

圖4 初始俯沖角度15°，俯沖速率3.5 cm·a-1模型物質(zhì)演化結(jié)果Fig.4 Material evolution results of the model with initial subduction angle of 15° and subduction rate of 3.5 cm·a-1

圖5 初始俯沖角度15°，俯沖速率3.5 cm·a-1模型溫度演化結(jié)果Fig.5 Temperature evolution results of the model with initial subduction angle of 15° and subduction rate of 3.5 cm·a-1

圖6 初始俯沖角度15°，俯沖速率3.5 cm·a-1模型密度演化結(jié)果Fig.6 Density evolution results of the model with initial subduction angle of 15° and subduction rate of 3.5 cm·a-1

3.2 低俯沖角度高俯沖速率模型(模型2)

模型2的初始俯沖角度為15°，初始俯沖速率為6.5 cm·a-1.模型結(jié)果如圖7所示，與模型1相比，在相同的初始俯沖角度條件下(15°)，相同的模型演化時(shí)間內(nèi)(6 Ma)，隨著俯沖速率的增大，洋脊中心俯沖至地幔110 km左右深度，比模型1深50 km，并且向大陸方向運(yùn)移350 km，比模型1遠(yuǎn)150 km.這種現(xiàn)象主要是由于初始俯沖速率較大時(shí)俯沖板塊在俯沖區(qū)域淺層停留時(shí)間相對(duì)較短，弱化熔融作用較弱，表現(xiàn)為板塊強(qiáng)度較大，更易克服板塊前端擠壓應(yīng)力，相對(duì)更容易俯沖至地幔深處，向大陸方向運(yùn)移的距離也相對(duì)較長(zhǎng).同時(shí)，對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)顯示(如圖7b)，含洋脊的板塊俯沖使得俯沖區(qū)域上覆巖石層溫度結(jié)構(gòu)異常區(qū)域位于模型210～330 km范圍，距離海溝70～190 km，溫度異常區(qū)水平長(zhǎng)度約120 km.對(duì)應(yīng)俯沖區(qū)域密度升高200～300 kg·m-3左右(如圖7c).

圖7 初始俯沖角度15°，俯沖速率6.5 cm·a-1模型6 Ma演化結(jié)果(a)模型物質(zhì)圖；(b)模型溫度圖；(c)模型密度圖.Fig.7 Model evolution results with initial subduction angle of 15° and subduction rate of 6.5 cm·a-1 at 6 Ma(a)Model material map;(b)Model temperature map;(c)Model density map.

3.3 高俯沖角度低俯沖速率模型(模型3)

模型3的初始俯沖角度為30°，初始俯沖速率為3.5 cm·a-1，模型結(jié)果如圖8所示.相同的俯沖速率條件下，隨著俯沖角度的增大，含洋脊的海洋板塊俯沖過(guò)程中，在相同的模型演化時(shí)間內(nèi)(6 Ma)，洋脊中心俯沖的深度比模型1深20 km，同時(shí)，洋脊中心向大陸方向運(yùn)移的距離減小10 km，俯沖區(qū)域上覆巖層的溫度異常區(qū)域離海溝越近，其水平長(zhǎng)度縮小70 km.具體而言，當(dāng)俯沖速率為3.5 cm·a-1，初始俯沖角度為30°的洋脊板塊俯沖至6 Ma時(shí)，洋脊中心俯沖至地幔80 km左右深度，并且向大陸方向運(yùn)移190 km.對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)顯示(如圖8b)，含洋脊的板塊在6 Ma的俯沖過(guò)程中使得俯沖區(qū)域上覆巖石層溫度結(jié)構(gòu)異常區(qū)域范圍位于模型水平方向 260～320 km，即距離海溝 80～140 km區(qū)域范圍，溫度異常區(qū)水平長(zhǎng)度約60 km.

圖8 初始俯沖角度30°，俯沖速率3.5 cm·a-1模型6 Ma演化結(jié)果(a)模型物質(zhì)圖；(b)模型溫度圖；(c)模型密度圖.Fig.8 Model evolution results with initial subduction angle of 30° and subduction rate of 3.5 cm·a-1 at 6 Ma(a)Model material map;(b)Model temperature map;(c)Model density map.

3.4 高俯沖角度高俯沖速率模型(模型4)

模型4的初始俯沖角度為30°，初始俯沖速率為6.5 cm·a-1，當(dāng)洋脊板塊俯沖至6 Ma時(shí)，洋脊中心俯沖至地幔 120 km左右深度，并且向大陸方向運(yùn)移290 km(圖9a).對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)如圖9b，含洋脊的板塊在6 Ma的俯沖過(guò)程中使得俯沖區(qū)域上覆巖石層溫度結(jié)構(gòu)異常區(qū)域位于模型水平方向280～310 km，距離海溝 90～120 km.在相同速率(6.5 cm·a-1)條件下，相比低角度(15°)俯沖，溫度異常區(qū)域中心向海溝方向遷移了25 km左右，溫度異常區(qū)水平長(zhǎng)度縮減90 km.對(duì)應(yīng)俯沖區(qū)域密度升高200～300 kg·m-3左右(如圖9c).

圖9 初始俯沖角度30°，俯沖速率6.5 cm·a-1模型6 Ma演化結(jié)果(a)模型物質(zhì)圖；(b)模型溫度圖；(c)模型密度圖.Fig.9 Model evolution results with initial subduction angle of 30° and subduction rate of 6.5 cm·a-1 at 6 Ma(a)Model material map;(b)Model temperature map;(c)Model density map.

四個(gè)模型顯示上覆巖層不同的溫度異常區(qū)和洋脊中心俯沖深度(如表3).含洋脊的海洋板塊俯沖過(guò)程中，在低初始俯沖角度條件下(15°)，俯沖速率越大，洋脊中心在相同的時(shí)間俯沖至地幔的深度越深，洋脊中心向大陸方向運(yùn)移的距離越大，俯沖區(qū)域上覆巖層的溫度異常區(qū)范圍越大，溫度異常區(qū)域中心位置距離海溝越遠(yuǎn)(模型1和2).在高初始俯沖角度條件下(30°)，俯沖速率越大，洋脊中心在相同的時(shí)間俯沖至地幔的深度越深，洋脊中心向大陸方向運(yùn)移的距離就越大，俯沖區(qū)域上覆巖層的溫度異常區(qū)范圍越大，溫度異常區(qū)域中心位置與海溝的距離越近(模型3和4).

表3 不同俯沖角度和速率的洋脊俯沖模型結(jié)果(單位：km)Table 3 Results of ocean ridge subduction models with different subduction angles and speeds (unit：km)

3.5 含洋脊的海洋板塊俯沖區(qū)域上覆巖層近地表熱流值變化

大地?zé)崃魇潜碚鞯厍騼?nèi)部熱活動(dòng)的重要物理參量，研究地表熱流值的變化對(duì)于了解含洋脊的海洋板塊俯沖區(qū)域上覆巖層熱結(jié)構(gòu)及地球深部地質(zhì)變化具有重要意義.在一維穩(wěn)態(tài)條件下，熱流值可通過(guò)地溫梯度與巖石熱導(dǎo)率的乘積來(lái)表述(胡圣標(biāo)等，2001).由于巖石熱導(dǎo)率具有明顯的各向異性，并且受壓力、溫度、巖石成分和結(jié)構(gòu)影響很大，本文取上地殼巖石平均熱導(dǎo)率2.5 W·(m·K)-1(Furlong and Chapman,2013)進(jìn)行計(jì)算，由于模型設(shè)計(jì)的上地殼溫度梯度為30 ℃/km，因此熱流值高于62.5 mW·m-2的區(qū)域在模型中屬于熱流正異常區(qū)域，由于洋脊俯沖區(qū)域整體熱流值偏高，設(shè)定熱流值超過(guò)70 mW·m-2為熱流明顯異常區(qū)域，研究不同的初始俯沖角度，不同俯沖速率條件下，熱流最大值和明顯異常區(qū)域分布范圍.在上述洋脊俯沖模型中水平方向0～400 km范圍，地表下1 km深處水平方向每間隔20 km設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，通過(guò)記錄含洋脊的海洋板塊俯沖至6 Ma時(shí)地表下1 km處的溫度值，和大陸地表溫度對(duì)比得到溫度梯度，與巖石熱導(dǎo)率的乘積就是地表下1 km處的熱流值，結(jié)果如圖10所示.

圖10 不同俯沖角度和俯沖速率模型在模型運(yùn)行至 6 Ma時(shí)對(duì)應(yīng)的近地表熱流值Fig.10 Comparison of the near-surface heat flow values corresponding to different subduction angles and subduction rate models at 6 Ma

圖10結(jié)果表明：含洋脊的大洋板塊俯沖至6 Ma時(shí)，初始俯沖角度對(duì)近地表熱流明顯異常區(qū)域的范圍以及最大值的大小和位置均具有重要的影響；而俯沖速率僅在低初始俯沖角度(15°)俯沖時(shí)，對(duì)近地表熱流明顯異常區(qū)域的范圍以及最大值的大小和位置有較大影響，在高初始俯沖角度(30°)俯沖時(shí)，影響不大.具體而言，在低初始俯沖角度(15°)、高速俯沖時(shí)(6.5 cm·a-1)，近地表熱流值明顯異常區(qū)域范圍最大且熱流值也最高，最大熱流值達(dá)到 81.8 mW·m-2,熱流明顯異常區(qū)域位于距離海溝 70～190 km范圍(模型 210～330 km)，熱流最大值位于距離海溝120 km(模型280 km)處，熱流異常區(qū)域的均值約為75.3 mW·m-2；低初始俯沖角度(15°)、低速俯沖時(shí)(3.5 cm·a-1)，近地表熱流值明顯異常區(qū)域范圍和熱流最大值次之，最大熱流值達(dá)到76.5 mW·m-2，熱流明顯異常區(qū)域范圍位于距離海溝 50～180 km范圍，熱流最大值位于距離海溝120 km處，熱流異常區(qū)域的均值約為 72.4 mW·m-2；而當(dāng)初始俯沖角度為30°時(shí)，無(wú)論是高速還是低速俯沖，熱流值明顯異常的范圍和最大值均大幅減小，且俯沖速率對(duì)于熱流值影響不大.原因可能是俯沖角度增大后，洋脊中心隨著洋脊板塊俯沖的深度加大，從而對(duì)于近地表的溫度結(jié)構(gòu)擾動(dòng)減弱，導(dǎo)致近地表的熱流值明顯異常區(qū)域范圍相比低角度俯沖減小，最大熱流值和熱流異常區(qū)域的均值也相應(yīng)減小.

4 討論

4.1 模擬結(jié)果與南美洲實(shí)測(cè)熱流值對(duì)比

在智利三聯(lián)點(diǎn)向北遷移中，巴塔哥尼亞下方的軟流層窗口打開(kāi)，引起區(qū)域地幔對(duì)流擾動(dòng)，造成局部地區(qū)的地殼減薄、火山作用加強(qiáng)(Kay et al.,1993;Gorring et al.,1997,2003;D′Orazio et al.,2000).因此，智利三聯(lián)點(diǎn)附近地表的熱流值高于南美板塊其他地區(qū)，表現(xiàn)為正異常，說(shuō)明該區(qū)域地幔深部構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈.受人為活動(dòng)因素和地形環(huán)境的影響，南美地表熱流數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)位分布密度差異巨大，數(shù)據(jù)測(cè)量方法種類(lèi)多樣，數(shù)據(jù)來(lái)源不一(Birch,1954；Carvalho and Vacquier,1977；Swanberg and Morgan,1978；Santos et al.,1986；Burkhardt et al.,1989).位于南緯46°30′的智利三聯(lián)點(diǎn)以南的熱流測(cè)量點(diǎn)位稀疏，難以和數(shù)值模擬結(jié)果直接對(duì)比，故本文與Hamza等(2005)采用最小二乘法獲得插值多項(xiàng)式進(jìn)行擬合的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比.Hamza等通過(guò)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，巴塔哥尼亞高原的平均熱流值74±13 mW·m-2，高于南美洲大陸的平均熱流.巴塔哥尼亞位于智利洋脊段俯沖形成的板片窗上方，對(duì)應(yīng)洋脊俯沖模型的熱流值異常區(qū)域.智利三聯(lián)點(diǎn)南部區(qū)域?qū)儆诘徒嵌鹊退俾矢_，圖10分析結(jié)果表明，熱流明顯異常區(qū)域位于海溝前方50～200 km內(nèi).當(dāng)洋脊低角度俯沖時(shí)(15°)，熱流異常區(qū)域平均熱流為72.4 mW·m-2(3.5cm·a-1),75.3 mW·m-2(6.5 cm·a-1)，與Hamza等的分析結(jié)果較為吻合.

4.2 智利洋脊俯沖的地貌響應(yīng)

隨著智利三聯(lián)點(diǎn)向北遷移，巴塔哥尼亞南部以下板片窗的開(kāi)放，抵消了俯沖帶上方大陸板塊的向下偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致部分地區(qū)隆起(Guillaume et al.,2009,2010).圖11為俯沖角度為15°、俯沖速率為3.5 cm·a-1條件下地形隨時(shí)間的演化規(guī)律.在洋脊俯沖過(guò)程中，海溝前方400 km內(nèi)大陸巖石層高程均有所增大.初始模型中，大陸巖石層的高程比大洋巖石層高500 m；當(dāng)俯沖進(jìn)行至1 Ma左右，地表高程劇烈抬升；當(dāng)俯沖進(jìn)行至6 Ma，海溝前方400 km內(nèi)大陸巖石層的高程為1300～2800 m，與初始高程相比抬升了800～2300 m，最大值位于海溝前方320 km處.圖1中，SCR-1段洋脊所在位置高程在1000～2000 m左右，據(jù)此我們推斷，位于南美洲智利三聯(lián)點(diǎn)以南距離海岸線數(shù)百千米范圍內(nèi)的高山隆起及智利冰川的形成均與洋脊俯沖有很大關(guān)系.

圖11 俯沖角度15°，俯沖速率3.5 cm·a-1模型對(duì)應(yīng)的地貌圖Fig.11 The geomorphological map corresponding to the model with the subduction angle of 15° and subduction speed of 3.5 cm·a-1

5 結(jié)論

本文對(duì)智利三聯(lián)點(diǎn)含洋脊的海洋板塊俯沖進(jìn)行了較為系統(tǒng)的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，取得以下重要認(rèn)識(shí)：

(1)初始俯沖角度和俯沖速率是洋脊俯沖區(qū)域巖石層熱結(jié)構(gòu)及地形起伏的重要影響因素.板塊的初始俯沖角度越小，俯沖速率越大，則上覆板塊巖石層溫度異常區(qū)的范圍越大，異常區(qū)距海溝的距離越遠(yuǎn).

(2)初始俯沖角度對(duì)于地表熱流的影響遠(yuǎn)大于俯沖速率的.當(dāng)俯沖速率相同時(shí)，俯沖角度越小，上覆板塊巖石層熱結(jié)構(gòu)受到的影響越大.

(3)初始俯沖角度和俯沖速率越大，洋脊的俯沖深度越大.當(dāng)板片俯沖角度較小時(shí)(15°)，模擬結(jié)果與經(jīng)過(guò)擬合的熱流觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好.

(4)洋脊俯沖造成了智利三聯(lián)點(diǎn)以南距離海溝400 km范圍內(nèi)劇烈的地形隆起，最高抬升2300 m，最低800 m，與現(xiàn)今地形起伏較為一致.

致謝感謝李忠海與皇甫鵬鵬兩位老師在撰寫(xiě)本文的過(guò)程中所提供的建議和幫助.