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理学院地空系胡佳顺课题组在沉积物俯冲调节造山过程方面取得研究新进展

近日,南方科技大学理学院地球与空间科学系助理教授胡佳顺课题组在俯冲带动力学和造山机制的研究上取得新进展。研究成果以“Southward expanding plate coupling due to variation in sediment subduction as a cause of Andean growth”为题发表在学术期刊Nature Communications上。


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图1. 海沟沉积物厚度与安第斯山脉高度呈负相关。由于大气环流和冰川的作用,安第斯南部受到更强的剥蚀作用,是海沟沉积物的主要来源。


俯冲带造山运动是地球上最显著的构造现象之一,对地球的地形地貌演化起到了关键作用。造山运动也能显著地影响全球气候,比如通过风化剥蚀和火山喷发等过程调节大气中的CO2含量,通过区域隆升影响大气环流等,因此成为地学研究的热点。造山的机制可分为两大类,即构造和气候因素。因造山运动具有大空间尺度和长时间尺度的特点,以往对其机制的研究大多集中在相似尺度的构造因素上,比如岩石圈的流变与拆层、俯冲板块的年龄及其与下地幔的相互作用、上覆板块的厚度和漂移速度等。而气候是跨尺度的,它对造山的影响则被认为主要体现在对山体的剥蚀上,而这可能仅是控制造山的二级因素。那么,气候对造山的影响是否还存在其它渠道是一个尚未解决的科学问题。

课题组以安第斯山脉的隆升过程为研究对象,结合地质学观测与地球动力学数值模拟,探究沉积物俯冲对安第斯造山的影响。研究基于前人提出的沉积物俯冲可润滑俯冲通道,控制板块间耦合力,进而影响造山过程这一假说(Lamb and Davis,2003,Nature),进一步研究了安第斯造山过程的时空变化与沉积物俯冲之间的对应关系。通过数值模拟与地质重构的交叉验证,研究提出沉积物俯冲的时空变化是调节安第斯造山时空变化的重要因素:(1)受到气候的控制,安第斯山脉中段的剥蚀速率明显低于南北两段,导致海沟沉积物呈现中间少、两边多这一特点(图1);(2)地幔柱导致的Juan Fernandez Ridge(JFR海山)的俯冲阻断了海沟沉积物自南向北的长距离运输,使得中断的海沟沉积物俯冲保持较低的水平,进而引发更强的安第斯造山运动;(3)研究发现海山与海沟的交点自始新世以来不断往南迁移,这意味着沉积物较少的海沟不断向南扩展,导致了安第斯山脉的南向增长(图2)。

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图2.a-e重构海山的南向迁移和地壳缩短过程。在JFR海山北侧,海沟沉积物少,板块间耦合力强,导致造山运动剧烈,表现为较高的断层活动速度;而在JFR海山南侧,由于海沟沉积物的堆积和俯冲,降低板块间耦合力,减弱造山活动。f不同板块重构模型预测的海山与海沟交汇点维度随时间的变化。这些模型一致显示海山相对南美板块逐渐向南迁移。


模型解释了安第斯造山的两个最明显的特点:(1)地壳缩短量沿走向的变化表现为中部缩短量最大、向南北两侧递减;(2)造山起始时间表现为中北部始于始新世、越往南起始时间越晚。以往着眼于构造因素的研究往往只能解释其中一个特点。两个特点的同时解释为沉积物俯冲调节造山过程提供了有力的证据。这一研究表明,沉积物既是气候与构造相互作用的结果,也作为一个成因深刻地参与到构造演化中。作为气候与构造跨尺度相互作用的特殊例子,沉积物俯冲调节造山过程之一机制对我们后续研究气候与构造的相互作用具有重要的意义。

胡佳顺是该论文的第一作者和通讯作者,南科大是论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金、第六届中国科协青年人才托举工程的资助,以及南方科技大学超算中心的支持。


论文链接:https://www.sciencedaily.com/releases/2021/12/211214134952.htm 

 

 


供稿:地球与空间科学系

文字:胡佳顺

通讯员:龙晓怡

主图:丘妍