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    在東南亞地區(qū)存在著很多年輕的俯沖帶，這些俯沖帶發(fā)生俯沖起始的時(shí)間只有幾個(gè)百萬年（圖1）。這些地區(qū)雖然各自屬于不同俯沖起始的階段，但有著相似的構(gòu)造特征：還沒有發(fā)生俯沖起始的地區(qū)似乎都位于角落里；而在已經(jīng)發(fā)生俯沖的地區(qū)，俯沖板片的幾何形狀都呈現(xiàn)為一個(gè)三角形：海溝中部俯沖板片深度最大，沿著海溝兩側(cè)方向俯沖板片深度逐漸變小，這也同樣暗示著俯沖起始在角落里開始。那么為什么該地區(qū)的俯沖起始都最始于角落里，角落結(jié)構(gòu)對(duì)于俯沖起始有什么樣的影響？隨著計(jì)算能力的發(fā)展，雖然有一些3D模型被用于俯沖起始的研究，但是還沒有數(shù)值模型可以用來驗(yàn)證東南亞地區(qū)角落處的俯沖起始。

    圖1 （a）東南亞的洋盆和俯沖帶。NBS表示北班達(dá)海，SBS表示南班達(dá)海；（b）北班達(dá)海及其周邊地區(qū)測(cè)深圖；（c）北蘇拉威西和哥達(dá)巴托海溝中的西里伯斯海板塊俯沖圖（灰色不規(guī)則多邊形表示直接投影到表面上的俯沖板塊的形狀，紅色不規(guī)則多邊形是重建的俯沖板塊在表面的范圍）；（d）俯沖板表面重建示意圖。黑線代表俯沖的板塊。計(jì)算出的長(zhǎng)度投影到平面上顯示為紅線

    針對(duì)以上問題，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所海陸油氣綜合地球物理團(tuán)隊(duì)董淼副研究員、郝天珧研究員等，通過多組三維地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究了角落結(jié)構(gòu)對(duì)俯沖起始的影響，最終得出結(jié)論：在小型洋盆中，無論角的大小和角度如何，俯沖都是在角的頂點(diǎn)開始的。小角度的拐角會(huì)促進(jìn)俯沖起始，但角度大于120°的拐角不利于俯沖起始，反而可能會(huì)阻礙俯沖起始的發(fā)生。

    研究采用ASPECT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，初始模型由上覆板塊、大洋板塊和兩者之間的薄弱帶組成（圖2a）。角的幾何形狀通過角度α，和彎曲的邊界寬度D來控制（圖2b）。記錄下來俯沖板片到達(dá)200km深度時(shí)的時(shí)間作為完成俯沖起始的時(shí)間，以此作為根據(jù)來判斷俯沖起始難易程度（圖2c）。

    直的洋-陸邊界模型為參考模型（模型0）。模擬結(jié)果表明：對(duì)于彎曲邊界的模型，在D相同或頂點(diǎn)位置h相同的情況下，角度越大，完成俯沖起始的時(shí)間越長(zhǎng)，角度越小則越容易完成；但在角度相同的情況下，完成俯沖起始的時(shí)間與間距D和頂點(diǎn)位置h均不是線性相關(guān)。無論板塊邊界角的間距和角度的大小，最先開始下插彎曲的地方都是角最頂點(diǎn)的位置，最先完成俯沖起始的位置也是角的最頂點(diǎn)（圖2c），俯沖板塊首先在板塊中段達(dá)到200km的深度（圖2d）。

    圖2 （a）初始模型設(shè)置，包括幾何形狀、邊界寬度D、角度α；（b）不同模型實(shí)驗(yàn)中角的幾何形狀；（c）模型0-3的最終結(jié)果僅顯示了海洋地殼和海底巖石圈地幔。模型1-3具有相同的D（200 km）和不同的角度（α）；（d）模型2在y=0 km（前部）、y=200 km（中部）和y=400 km（后部）的剖面圖

    這是因?yàn)闊o論角度大小，邊界角結(jié)構(gòu)會(huì)將應(yīng)力集中在頂點(diǎn)（圖3a），這使得角的頂點(diǎn)比其他地方更容易發(fā)生形變。隨著俯沖起始的開始，邊界角的整體面積會(huì)逐漸變小。不同模型的減小程度不同（圖3b）。小角度的邊界角度，力在z方向上的分量足夠大，使上覆板塊發(fā)生形變，角落的頂點(diǎn)位置逐漸閉合。因此位于頂點(diǎn)處的大洋板塊能很快下沉到軟流圈中，并促進(jìn)俯沖起始的發(fā)生。由于這種小角度角的幾何結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，因此很難在地球表面很難存在很大范圍的銳角的角落結(jié)構(gòu)。

    圖3 （a）模型1、2、3初始階段上表面（y=0 km）的剪應(yīng)力；（b）角幾何形狀的演化。虛線表示初始階段D和h的長(zhǎng)度。?h表示h長(zhǎng)度的減小。黑色箭頭表示速度

    對(duì)于大角度的邊界角來說，密度差產(chǎn)生的作用力在z方向的分量太小，很難改變角落里上覆板塊的形變，因此長(zhǎng)度h變化比較小，上覆板塊更傾向于沿著x方向整體向大洋板塊運(yùn)動(dòng)。由于大角失去了應(yīng)力聚焦效應(yīng)使得整個(gè)陸緣來承擔(dān)洋-陸之間密度差所產(chǎn)生的應(yīng)力，因此大角對(duì)俯沖起始的影響很小。

本研究通過數(shù)值模擬的方法研究了角落幾何結(jié)構(gòu)對(duì)俯沖起始的影響，強(qiáng)調(diào)了在研究俯沖起始的動(dòng)力學(xué)時(shí)三維幾何結(jié)構(gòu)的重要性，這有助于我們更好的理解發(fā)生在地球不同位置的俯沖作用。

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