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【前沿报道】Nature:Nazca板块-构造重建与安第斯边缘演化
2019-02-26 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  安第斯边缘纵贯南美西部,全长近7000 km,平均海拔达4000 m,是世界上最长的大陆山链,高度仅次于喜马拉雅山脉。长期以来地学界将安第斯边缘视为板块构造理论中单一、连续洋-陆俯冲作用(安第斯模式)的原型(图1)。 

图1  -陆俯冲作用导致安第斯边缘的形成(修改自 Müller, 2019 

  地震层析成像结果显示,安第斯下方存在向东倾斜的高速异常体,该异常沿贝尼奥夫地震带向深部延伸,一般将其解释为向东俯冲的Nazca板块(图2)。进一步的地球物理与动力学研究表明,地震成像获得的Nazca板片尚不足以吸纳新生代以来Nazca板块相对南美板块的汇聚量,意味着自早侏罗纪以来该区可能并非始终保持单一、连续的俯冲过程。沉积学研究揭示南安第斯经历了幕式挤压和伸展过程,一般将这些构造相的形成,解释为俯冲过程中板片倾角变化引起的构造响应;然而,动力学模拟研究表明,安第斯挤压的启动,与Nazca板片进入下地幔的锚定slab anchoring)作用有关。 

  因此,Nazca板块的俯冲历史,以及安第斯边缘演化与板块俯冲之间究竟存在怎样的关联,是非常值得深入研究的重要科学问题。 

图2  地震层析成像揭示南美下方存在多个俯冲板片(Chen et al., 2019    

  近日,美国休斯敦大学地球与大气科学系Chen Yi-Wei等人,在Nature发表了利用地震层析成像模型重建晚中生代以来Nazca板块俯冲历史的最新成果。该项研究认为,Nazca俯冲系统80 Ma启动于北安第斯,尔后向南穿时传播,于55 Ma到达南安第斯;俯冲启动10-30 Myr之后,板片渐次进入下地幔并发生锚定,板块俯冲和板片锚定的南向传播共同控制了安第斯边缘的一级构造演化。该项研究不仅为认识安第斯边缘的形成与板块俯冲之间的联系提供了新的视角,而且为全球其它板块汇聚边缘的板块-构造重建提供了重要的方法借鉴。 

  该项研究在考虑密度-深度校正的情况下,将地震层析成像剖面中(Li et al., 2008)与目前Nazca板块仍保持连续的高速体(图2),进板片展平slab unfolding; Wu et al., 2016),恢复得到未经俯冲变形的Nazca板块的面积和形态(图3),并在古地理信息系统Gplates模型(Boyden et al., 2011)中,沿83.5 Ma以来Nazca板块相对南美大陆的运动路线,进行Nazca板块运动过程重建,结果显示板块前沿与80 Ma安第斯边缘的形状和位置吻合,从而推测层析成像获得的Nazca板片是80±10 Ma以来板块俯冲的产物。将重构得到的Nazca板块输入到全球板块模型(Müller et al., 2016)中,进行板块-构造历史恢复(Wu et al., 2016),获得80 Ma以来Nazca板块俯冲启动自北安第斯向南安第斯传播与构造作用的演化历史(图4),并基于恢复的板片长度进一步估算了俯冲板片自北向南进入下地幔的时间。 

图3  板片展平方法重建的Nazca板块(Chen et al., 2019   

图4  晚白垩纪以来Nazca俯冲自北向南的穿时传播与板块-构造演化(Chen et al., 2019 

  板块重构模型预测的Nazca板块俯冲自北向南穿时传播,不仅可以很好地解释地震层析成像高速体底部由北往南渐次变浅的空间变化特征,而且得到了同时期安第斯弧岩浆作用的迁移规律、安第斯挤压的启动与前陆盆地的发展等构造事件存在由北向南渐显年轻的时间变化趋势等系列地质观测的有力支持。特别是安第斯挤压的启动与前陆盆地的发展等构造事件,在时间上较模型预测的Nazca俯冲启动系统地滞后20-30 Myr,这一时间恰好与模型预测的俯冲板片到达下地幔的时间一致,这种时间一致性,意味着安第斯挤压的启动与Nazca板片在下地幔的锚定间存在联系。此外,40-20 Ma北安第斯与南安第斯的构造同步,以及Neuquén盆地晚白垩纪以来的构造演化过程,均可通过板片-地幔相互作用引起的浅部构造响应而得到合理解释。 

  综上所述,安第斯边缘自早侏罗纪以来并非始终保持经典安第斯模式所认为的单一、连续的俯冲作用;晚白垩纪-中新世期间,Nazca俯冲经历了自北向南穿时传播和板片渐次进入下地幔的锚定过程,此后安第斯边缘才实现构造同步,即仅仅自中新世以来才受到单一、连续的平板俯冲作用的控制。 

    

  主要参考文献 

  Boyden J A, Müller R D, Gurnis M, et al. Next-generation plate-tectonic reconstructions using GPlates//Keller G R, Baru C (Eds.). Geoinformatics: Cyberinfrastructure for the Solid Earth Sciences[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2011: 95-114.

  Chen Y W, Wu J, Suppe J. Southward propagation of Nazca subduction along the Andes[J]. Nature, 2019, 565(7740): :441-447. 原文链接 

  Li C, Van Der Hilst R D, Engdahl E R, et al. A new global model for P wave speed variations in Earth’s mantle[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2008, 9(5): Q05018. 原文链接 

  Müller D. The art of unsubduction [J]. Nature, 2019, 565:432-433. 原文链接 

  Müller R D, Seton M, Zahirovic S, et al. Ocean basin evolution and global-scale plate reorganization events since Pangea breakup[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2016, 44: 107-138.原文链接 

  Wu J, Suppe J, Lu R, et al. Philippine Sea and East Asian plate tectonics since 52 Ma constrained by new subducted slab reconstruction methods[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2016, 121(6): 4670-4741.原文链接 

  (撰稿:陈赟/岩石圈室)

 
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