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大量研究表明，俯冲带是地球物质循环和能量交换的重要枢纽，对地球深部的演化和浅表的响应有着深远影响。然而，俯冲带往往并非单一，有时会围绕一个陆块或陆块群异向成对出现，构成内倾的“双向俯冲”。复杂俯冲带之间的相互作用对地球深部热和物质演化的影响以前较少受人关注，目前已成为地球科学领域关注的焦点之一。近年来，越来越多的研究表明，地质历史上曾存在多个关于双向俯冲的记录，此时俯冲带之间的相互作用有可能会产生不同于单一俯冲带行为的深部效应，值得深入研究。举例来说，南海作为欧亚大陆边缘最大的海盆之一，形成于早新生代内倾双向俯冲系统之上，受到太平洋板块、菲律宾板块和印澳板块在外围俯冲的共同控制。类似的构造情况在超大陆的聚合和裂解过程中也有出现（图1A）。扬子地块在新元古代超大陆中的构造演化可能就受到类似系统演化的影响，其四周的内倾双向俯冲系统随着华夏地块与扬子地块的最终拼合而终止（图1B），并在其后表现为广泛的地壳熔融作用和大规模伸展。然而，双向俯冲究竟如何如何影响深部地幔的热变化并最终控制壳内岩浆作用的产生呢？ ![]()
图 1. 两个双向俯冲系统相关的地质记录。（A）40Ma时期的南海区域重建结果；（B）新元古代扬子地块的地质记录。
针对这一问题，南京大学地球科学与工程学院内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室骨干王孝磊教授与其团队的博士研究生李林森等通过数值模拟方法，深入分析了内倾双向俯冲与单俯冲带的演化差异（图2，图3），并重点关注前者演化对陆内岩石圈深部热的影响，同时考虑了双向俯冲系统在一侧俯冲停止后转向单俯冲系统演化的过程。图2展示了单俯冲与内倾双向俯冲系统演化的关键节点。对模型的进一步的分析表明，单俯冲系统相关的俯冲及碰撞过程能够造成陆缘范围内（<400 km）的伸展（图3A-D），这与现今弧后盆地的范围及构造背景相吻合。区别于单俯冲系统，内倾双向俯冲系统不仅继承了两侧边缘的弧后伸展，并将这一伸展过程扩展到陆块内部（>1000 km;图3E-H）。此外，俯冲板块在地幔深部的相对集中也会增强地幔上涌的体积和强度，这将导致软流圈地幔温度的上升，这一效应的强度主要受控于俯冲板块间的距离。位于中心的大陆岩石圈类似于保温层，这一效应的积累效应将导致其底部软流圈地幔的温度较周缘大洋岩石圈显著升高（图3I）。在内倾双向俯冲系统一侧引入大陆岩石圈将导致一侧的俯冲停止，从而使该系统向单俯冲系统转化（图2D）。然而，这一过程并非一蹴而就。由于演化历史的影响，新形成的单俯冲系统将继承内倾双向俯冲系统的部分特征，逐渐向单系统过渡（图3G-I）。![]()
图2. 不同数值模型的演化结果。模型命名见上。
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图3.（A-H）数值模型中软流圈深度（～200 km）的垂直速度分量（vy）（第一列）和岩石圈深度（～100 km）的水平应变率场（xx）（第二列）的演化； （I） 相对次大洋地幔的次大陆地幔温度上升（ΔTc）。模型命名参考图 2 。
该模型的结论能够较好地解释早新生代南海地区和新元古代扬子地块的构造演化过程和大范围的板块伸展作用。内倾双俯冲系统可能影响了南海的大尺度构造过程。印度-亚洲挤压模型和地幔柱模型被认为是两种可能的南海洋盆打开的模式，然而，挤压（约27-22 Ma）（Ma指百万年前）及地幔柱活动的时间（约24 Ma）均晚于南海区域伸展的开始时间（>32 Ma）。数值模拟显示，这一地区的内倾双向俯冲作用可能促进了地幔上涌并引起了该地区长期处于伸展背景之下（图4B-C）。由于两个俯冲带相距较远，二者在深部地幔的相互作用诱发的构造作用有限（图4A）。而这一区域内新的俯冲带的出现将会大大缩短俯冲带间的特征长度，有可能使得这一效应变得明显。在这一地区的层析成像和地球化学证据也显示，上涌的海南地幔柱受到周围俯冲系统的制约和偏转，这可能促成了南海的打开。扬子地块在新元古代（约8亿年前）时期的演化则符合由内倾双俯冲单侧发生碰撞后向单俯冲系统转变的三阶段演化模型（图4D-F）。这些也得到了扬子地块大量岩石学及地球化学资料的支持，扬子地块周缘在>830 Ma的新元古代早-中期存在长期的弧岩浆活动和大量新生地壳物质的存在，表明了扬子地块周缘存在长期的双俯冲作用。当扬子地块与华夏地块在约830-815 Ma时发生拼合，此时对应于数值模拟模型的过渡时间（约20 个百万年），该时期长期双向俯冲诱发的陆内的热效应引发了大量花岗岩侵位及局部高温高镁玄武岩的出现。第三阶段则以扬子陆块东南缘俯冲停止、西缘快速后撤为特征，这一时期大陆漂移速率增加到6-7 cm/yr或更快，促进了以康滇和南华裂谷为代表的大规模裂谷系的产生。![]()
图4. （A）双向俯冲数值模拟及理论模型的比较与（B-C）南海和（D-F）新元古代扬子陆块演化过程。（A）中大陆尺度和ΔTc，max表示大陆两侧内倾俯冲带之间的距离和次大陆地幔的最大升温。（A）中的红线和蓝线分别代表1450°C和1350°C时地幔温度的理论模型结果，阴影区域代表新元古代扬子地块和新生代南海根据其大陆尺度对次大陆最高升温的估计。（B–F） 的图例显示在底部。
该研究将数值模型与早新生代和新元古代的内倾双向俯冲系统实例进行比较，为阐明大陆构造演化提供了一个框架，并为评估地幔中多个俯冲带和分散板块的完整历史给出了一个有效的途径。上述成果近日以“Double subduction controls on long-lived continental tectonics and subcontinental mantle temperatures”为题在线发表于国际权威地球科学期刊《Geology》上，翟明国院士和王孝磊教授共同指导的博士研究生李林森为论文的第一作者，南京大学王孝磊教授和吴本君副教授为共同通讯作者，本工作也是地质学和地球物理学研究深度融合的一个尝试。论文作者还包括Monash大学的Fabio A. Capitanio副教授和Peter A. Cawood 教授。本研究得到了国家自然科学基金（42025202和41674048）、关键地球物质循环前沿科学中心（2023300291）、Australian Research grant（FL160100168）以及国家留学基金委（202206190071）的联合资助。https://pubs.geoscienceworld.org/gsa/geology/article/doi/10.1130/G52232.1/646730/Double-subduction-controls-on-long-lived
———— 南大地科 ————
图文 | 王孝磊、李林森
美编 | 王梦韬
审核 | 唐朝生
