数值模拟揭示南海中部大洋钻探区陆洋转换方式

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所属分类:研究成果
摘要

       为何南海中东部陆缘薄化-破裂过程中有大量岩浆参与?南海东部和西部陆缘在破裂方式上有什么不同?为了回答上述问题,中科院南海海洋研究所‘构造与模拟’研究团队李付成副研究员和孙珍研究员等,在南海大陆边缘破裂方式及控制因素方面开展了系列数值模拟研究,并取得了突破性新进展,相关研究成果发表在国际期刊《Tectonics》上。


       为何南海中东部陆缘薄化-破裂过程中有大量岩浆参与?南海东部和西部陆缘在破裂方式上有什么不同?为了回答上述问题,中科院南海海洋研究所‘构造与模拟’研究团队李付成副研究员和孙珍研究员等,在南海大陆边缘破裂方式及控制因素方面开展了系列数值模拟研究,并取得了突破性新进展,相关研究成果发表在国际期刊《Tectonics》上。

 

       全球观测表明,俯冲板块后撤(Rollback)和俯冲方向反转(Subduction direction reversal)是边缘海发育的两种重要方式。前者被认为是活动大陆边缘破裂的重要动力学来源,也是近年来国内外学者的主要研究对象;而后者是被动大陆边缘破裂的重要动力学来源,但对其研究却甚少,尤其尚不清楚大洋岩石圈在俯冲过程中发生俯冲方向反转时,能否诱发大陆岩石圈的破裂,以及典型的破裂方式及主控因素如何。根据前人研究,南海从中生代主动陆缘转变为新生代被动陆缘的主要驱动力为古南海板块的反向俯冲拖曳,即南海陆缘俯冲方向由北西向俯冲反转为新生代向南东俯冲,因此开展南海中新生代构造转换的模拟研究对揭示俯冲方向反转的演化特点,解释南海东西部陆缘的结构和破裂方式的差异具有重要意义。

 

       研究团队创新性地开展了多地质过程融合的数值模拟,并与前期观测工作进行对比,揭示南海岩石圈演化包含三个重要阶段:1. 在初始阶段,大洋岩石圈向北西俯冲至华南大陆之下;2. 之后进入构造平静期;3. 最后大洋岩石圈俯冲反转,向南东俯冲至婆罗洲之下。新结果表明俯冲转向可能诱发大陆岩石圈破裂,产生新洋盆;破裂方式有陆缘(Continental edge)和陆内(Continental interior)破裂两种(图1);破裂发生的位置受控于向西北俯冲的时间和大洋岩石圈年龄。陆缘破裂以弧前碎块裂离及俯冲大洋岩石圈的拆沉为主要特征,而陆内破裂时出现大型陆块向南漂移。

 

数值模拟揭示南海中部大洋钻探区陆洋转换方式

图1 陆缘及陆内破裂的演化特征

 

       上述结果很好地解释了南海初始破裂位置与破裂特征的关系。东侧陆缘在中生代弧前破裂,属于陆缘破裂,裂离华南的陆块为狭窄的陆条,宽度小于300公里(包括巴拉望岛等);西侧在岛弧发生破裂,属于陆内破裂,裂离的南沙地块宽度超过500公里。东西侧陆缘破裂的差异,可能受控于北西向俯冲的时间和俯冲板块的年龄。

 

       结合模拟与重力对比,新研究推测现今残存的向西北俯冲的中生代海沟可分为两段,其中西侧随南沙地块运移至Crocker‐Palawan增生楔体之下,东侧仍留在南海北部(图2)。东西侧陆缘破裂位置和破裂方式的差异可能是南海东西部陆缘结构和岩浆作用存在巨大差异的主要控制因素。

 

数值模拟揭示南海中部大洋钻探区陆洋转换方式

图2 模拟结果与重力数据结合揭示北向俯冲海沟的位置(其中晚中生代火山弧位置引自Li et al., 2018)。

 

       该研究团队还包括中科院南海海洋研究所林间特聘研究员、香港中文大学杨宏峰教授、美国加州理工学院Joann Stock教授等。研究得到广东省基金团队项目、广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项、中科院卢嘉锡国际团队项目、国家自然科学基金、香港研究资助局基金项目和中国IODP的共同资助。

 

论文信息

 

Li, F.*, Sun, Z. *, Yang, H., Lin, J., Stock, J. M., Zhao, Z., et al. (2020). Continental interior and edge breakup at convergent margins induced by subduction direction reversal: A numerical modeling study applied to the South China Sea margin. Tectonics, 39, e2020TC006409.

 https://doi.org/10.1029/2020TC006409.

 

       其中关于南海中生代火山弧恢复、弧前-岛弧破裂方式的工作,请参见Li et al., (2018), JGR: solid earth及文内所列前人文献. https://doi.org/10.1029/2017JB014861