Nature: 海沟外侧隆起的脆韧性破坏导致板片分段

俯冲板片为板块构造动力过程提供了最重要的动力引擎。板片的负浮力提供了力源，但板片的强度也强烈影响俯冲动力系统。强的板片可以形成现今地球的单侧俯冲系统，而弱的板片容易形成双侧俯冲(e.g., Gerya et al., 2008)。实验室测得的岩石强度参数表明岩石圈由于温度低，强度会非常大。但地球物理成像却显示板片在地球内部呈现连续的、分段的、弯折的等复杂形态，这可能表明板片并没有它在浅部时那么强。那板片进入地球内部是如何变弱的呢？来自苏黎世联邦理工学院的Taras Gerya，耶鲁大学的David Bercovici和德克萨斯大学奥斯汀分校的Thorsten Becker在Nature联合撰文，提供了一种新的动力学机制的解释。

他们认为最可能的一种方式是板片在海沟外侧隆起(outer rise)处变弱。俯冲板片进入海沟时，会发生挠曲（bending），并强烈伸展，在海沟外侧形成隆起。板片在上部伸展达到脆性屈服，形成大量正断层，可能伴随着海水进入洋壳甚至岩石圈地幔，从而发生蛇纹石化(e.g., Cai et al., 2018; Faccenda et al., 2009; Ranero et al., 2003; 图1)。这被认为是俯冲板片将水(以及其他挥发分)带入至深部地幔最重要的方式。而在板片的下部是以韧性变形的挤压应力为主，难以达到屈服应力，但它可能发生岩石晶粒粒度减小(grain size reduction)，从而降低板片强度。

图1 俯冲大洋板片在海沟处挠曲发育断层并将海水注入板片形成蛇纹石化的地幔(Faccenda et al., 2009)

研究者利用先进的地球动力学程序，构建了脆韧性变形和岩石晶粒粒度演化下的自发俯冲模型。模拟结果显示在韧性弱化（塑形应变弱化）和岩石晶粒粒度减小的双重作用下，板片在深部易发生变形，形成“链条”式的分段板片，这与以往模型中的板片形态十分迥异。进一步的模型参数敏感性测试显示：单一的韧性弱化可形成分段式的板片，但变形不如参考模型那么显著；而单一的晶粒粒度减小不能形成分段式板片。这表明板片的分段式变形是由脆性弱化主导，晶粒粒度减小进一步促进板片弱化。

图2 晶粒粒度减小导致日本俯冲带板片分段

(Taras Gerya供图)

在自然界能找到板片分段式变形的证据吗？作者认为是存在的。在板片挠曲的初期，变形小，形成中等大小的断层断距(不超过300m)，这与中美俯冲带观测到的断层断距接近；而在板片挠曲的成熟阶段，可同时形成小距离和大距离的断层断距，这与日本俯冲带是相似的(图3)。而在地球深部，全波形反演成像获得的日本俯冲带下的板片呈现了约200-400km波长的分段式地震波高速异常，与模拟得到的分段式减小的岩石晶粒粒度具有较好的一致性。这是因为剪切模量随着晶粒粒度减小而减小(Faul and Jackson, 2005)，导致地震波速降低。

图3 动力学模型与海沟外侧隆起处正断层的断层断距对比。日本俯冲带(a-d)和中美俯冲带(e-h)分别与成熟的和不成熟的板片分段变形阶段的对比(改自Gerya et al., 2021)

在俯冲板片下方观测到的地震波低速体从浅部到深部（如Wang et al., 2020；王新等-NG：地幔过渡带中俯冲板片界面成像）似乎普遍存在。晶粒粒度的减小不仅会降低地震波速度，也会降低岩石的渗透率。因此，在晶粒粒度变小的区域可能成为熔体迁移的屏障(图4)，导致部分熔融体聚集在俯冲板片下方。

作者进一步暗示，如果俯冲板片在海沟处发生强烈弱化，那么在地球早期，温度更高，可能更容易造成板片的变形，甚至断离。因此，随着地球的冷却，板片可能经历了早期间歇式俯冲到现今持续俯冲的演变。

倘若俯冲板片如作者指出的，在海沟处发生强烈弱化导致板片分段式变形，我们可能需要重新检验以往的动力学模型。俯冲板片在海沟处的挠曲是许多挥发分(如水、碳)进入深部地幔的区域，从而可能影响我们对俯冲带岩浆作用、中深源地震活动及挥发分循环的理解。另一方面，晶粒粒度演化对地幔对流的影响可能也是不可忽视的，其造成的影响还需要更一步的研究。

图4 动力学模型与日本俯冲带的地震学观测的对比(改自Gerya et al., 2021)

主要参考文献

Cai C , Wiens D A , Shen W , et al. Water input into the Mariana subduction zone estimated from ocean-bottom seismic data[J]. Nature, 2018, 563(7731):389-392.

Faccenda M , Gerya T V , Burlini L . Deep slab hydration induced by bending-related variations in tectonic pressure[J]. Nature Geoscience, 2009, 2(11):790-793.

Faul U H , Jackson I . The seismological signature of temperature and grain size variations in the upper mantle[J]. Earth Planetary Science Letters, 2005, 234(1-2):119-134.

Gerya T V, Bercovici D and Becker T W. Dynamic slab segmentation due to brittle？？ìductile damage in the outer rise[J]. Nature, 2021, 599(7884), 245-250.（原文链接）

Gerya T V, Connolly J A and Yuen D A. Why is terrestrial subduction one-sided? [J]. Geology, 2008, 36(1), 43-46.

Ranero C R , Morgan J P , Mcintosh K , et al. Bending-related faulting and mantle serpentinization at the Middle America trench[J]. Nature, 2003, 425(6956), 367-373.

Wang X , Chen Q F , Niu F , et al. Distinct slab interfaces imaged within the mantle transition zone[J]. Nature Geoscience, 2020, 13(12): 822-827.

编辑: 万鹏

美编：傅士旭

校对：李玉钤、赵娜