The three-dimensional thermo-mechanical signature of ridge subduction and slab window migration
We present a series of three-dimensional numerical models investigating possible thermal and mechanical effects of ridge subduction and slab window migration. Ridge subduction is a fundamental process of plate tectonics, and the geologic manifestations in the overriding lithosphere have been investigated in many convergent margin settings. Many of the geologic effects of slab window migration (e.g., anomalous high-T metamorphism in the forearc, non-arc-like magmatism in the volcanic arc) are explained primarily by the introduction of a region of hot, upwelling asthenospheric mantle in the subduction zone environment. Using end-member boundary conditions and idealized geometries, our models address the thermal and corresponding mechanical manifestations of slab window migration, and our results provide a general agreement with observations from interpreted regions of slab window migration. Our models show that protracted heating in the forearc region should result in protracted high-temperature metamorphism, associated rheologic weakening and strain partitioning and changes in the topographic uplift pattern in regions affected by slab window migration. Although these models are idealized, they do provide valuable insight into the geodynamics of slab window environments and provide a valuable starting point for further exploration.
俯冲板片窗的热学—机械动力学三维模拟研究
摘要：洋中脊俯冲是板块构造过程及许多会聚大陆边缘上覆岩石圈的地质活动。影响板片窗运移（如在前缘部分的异常高温变形，火山弧的非弧型岩浆作用）的主要地质作用通常表现为俯冲带背景下炽热的上升地幔岩石圈区域。利用边界末端数字控制作用及理想化的几何结构，模拟了热学作用及板片窗相应的机械运移，显示结果与板片窗运移区域的观测值具有较为普遍的一致性。模拟结果显示出前缘区域的拉伸加热作用导致了伸展高温变质作用及板片窗运移区域的流变弱化作用、应变分割作用及地形隆升模式的变化。虽然这些均为理想化模型，但它们确实能向我们提供板片窗背景下的地球动力学过程及为将来的研究提供一个崭新的视角。
关键词：板片窗 洋中脊俯冲 三维数字建模 地形隆升
1、前言
洋中脊的俯冲是版块构造及主要影响上覆板片运移的不可避免的一系列过程。洋中脊的俯冲导致的板片窗的形成，在板片窗处热的地幔软流圈以气体的形式于分开的板片处进行释放。（Marshak and Karig，1977； Delong 等，1979；Dickinson and Snyder， 1979； Forsythe and Nelson， 1985； Thorkelson and Taylor， 1989； Sisson and Pavlis， 1993； Thorkelson， 1996）。俯冲洋中脊和形成相应板片窗的详细几何及地球动力学作用过程的研究，基本依赖于正在俯冲的洋中脊的几何模型（洋中脊相对于上覆板块的定向研究——洋中脊于转换断层带的配置关系， etc.， cf.， Thorkelson， 1996）。尽管假设的俯冲板片窗具有特殊的几何学形状，但其形成演化仍然存在一些共同的地质学特征，如板片窗前缘的高温变质作用（Delong 等， 1979； Underwood 等， 1993； Sisson and Pavlis， 1993； Brown， 1998； Groome 等， 2003），火山弧的非弧型岩浆作用 （Johnston and Thorkelson， 1997； Breitsprecher 等， 2003； Madsen 等， 2005），板片窗两侧变形样式的迅速变化（Cembrano 等， 2002；Haeussler 等， 2003）及位于板片窗上部加速的地形隆升（Buiter 等， 2002； Rogers 等， 2002； Legabrielle 等， 2004； Espinoza 等， 2005），所有上述的一切，均从不同的侧面显示出了，板片窗处相对较冷的密度逐渐降低的岩石圈被热的上浮地幔软流圈所代替。
许多会聚板块边界的俯冲板片的地质过程都被人们所研究，包括北美加利福尼亚（Thorkelson and Taylor， 1989； Barker 等， 1992； Sisson and Pavlis， 1993； Breitsprecher 等， 2003； Groome 等， 2003； Sisson 等， 2003），中美（Johnston and Thorkelson， 1997； Rogers 等， 2002），巴塔哥尼亚安第斯山（Suarez 等， 2000； Legabrielle 等， 2004， Espinoza 等， 2005），南极洲半岛（Barker， 1982）以及日本（如，Hibbard 等， 1993； Underwood 等， 1993； Brown， 1998； Iwamora， 2000）。弧前的某些地质特征源自洋中脊的俯冲作用，包括：① 包括增生楔内部的，异常的岩浆作用及相应的高温变质作用（Barker 等， 1992； Underwood 等， 1993； Sisson and Pavlis， 1993； Groome 等， 2003； Pavlis and Sisson， 2003）；② 弧及弧前的加速抬升速率（Rogers 等， 2002； Espinoza 等， 2005）；③ 板片窗两侧构造样式的变化（Pavlis and Sisson， 2003； Legabrielle 等， 2004）（见图1）。
图1 板片窗周围环境主要特征原理框架图。改编自Johnston和Thorkelson（1997）。周围环境显示出板片体的对称性向下延伸（黄色及绿色），并在板片窗口处伴随有对称的上升软流层带。在向下延伸的板片边缘并没有热蚀作用。记录在板片窗延伸板片上的，前缘区域的压扭变形作用的传递，由于边界构造的变化而变化（向下延伸板片于上覆板片之间不一致的斜收敛角方向）。两板片的倾角变化是示意性的，并于板片窗的基本特征没有任何关系。俯冲板片上的箭头指示出了每一个板片及其上覆板片之间的会聚方向。
由于相对较冷的大洋岩石圈俯冲产生的低地温梯度，导致在弧前区域形成低温变质作用的典型代表区带（Turcotte and Schubert， 2002）。由于地幔楔热的软流圈水平流动及上覆岩石圈的热松弛，使得从弧前到弧及弧后区域的地温梯度是逐渐增加的（Turcotte and Schubert， 2002）。这种情况将使变质作用产生从弧前到弧后的侧向梯度：理想化的模式应该是从弧前的低温变质作用（+/-高压），到弧于弧前的巴罗型变质作用，以及位于弧及弧后区域的高温低压型变质作用（Bucher and Frey， 1994）。然而，发生在北加利福尼亚弧前区域（British Columbia and Alaska）的晚中生代/早新生代作用却是高温变质作用，包括红柱石—硅线石变质作用（Sisson and Pavlis， 1993； Groome 等， 2003； Pavlis and Sisson， 2003）以及标记了地幔软流圈地球化学影响的长英质岩浆岩的镁铁质化作用（Barker 等，1992； Sisson 等， 2003； Groome 等， 2003； Madsen 等， 2005）。这些特征均被归因于洋中脊弧前伸展区域不同的俯冲速率的结果，导致在薄的岩石圈前缘下面形成并列的热的地幔软流圈（Barker 等， 1992； Sisson and Pavlis， 1993； Groome 等， 2003； Madsen 等， 2005）。
弧前区域的隆升发生于扩张脊开始俯冲时，主要是由于洋中脊较高的地形及其不断的活动，从而对俯冲形成阻碍作用，导致俯冲板片及上覆板片的速度场发生变化，最终产生上覆板片的收缩隆起，类似于在海山俯冲区域看到的景象（Dominguez 等， 2000）。进一步研究证实，在中美洲（Rogers 等， 2002）以及喀尔巴阡山脉地区岩石圈破碎带顶部（Wortel and Spakman， 2000），俯冲扩张脊上部存在着广泛隆升的现象，在这些地方地幔软流圈代替地幔岩石圈。当冷地幔岩石圈被较热的地幔软流圈逐渐代替时，由于热的软流圈相对岩石圈具有较低的密度，从而改变了地壳均衡性，使得上升软流圈的垂向速度较高。
最终，当板片窗移动时由于两侧会聚向量的变化导致变形样式的变化（Suarez 等， 2000； Bradley 等， 2003； Pavlis and Sisson， 2003； Legabrielle 等， 2004； Espinoza 等， 2005）。上覆岩石圈变形样式的改变严重影响着板片窗两侧的会聚方向和会聚速率。例如，俯冲洋中脊正交于俯冲带，两板片相对于上覆板片将会分叉延伸向两个不同的方向（Thorkelson， 1996）。这就意味着在板片窗的一侧，上覆板片的传递变形记录应该会不同于另一板片。在板片窗的正上方，速度矢量可能发生偏移，并有可能产生外延构造。然而，如果两板片延伸向相同的方向，但板块在平行于俯冲带上并没有相等的移动量，则上覆板片的传递变形量会随着板片窗的移动而发生变化。
本文，利用简易化三维数字模拟建模，以揭示关于会聚洋中脊俯冲及板片窗形成的热学及机械动力学论断。首先，热学模型展示了板片窗移动过程中上覆岩石圈尤其是弧前地区热演化的影响因素。然后利用模型抑制后形成机械动力学模型，分析由于板片窗的移动对热的弱化作用的影响。此次模型是第一次模拟板片窗周围地球动力学的环境，模拟结果基本上支持了上述论断，并为板片窗对造山演化的影响提供了崭新的研究视角。
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