陶再礼，尹继元等-Geology: 弧陆碰撞过程中上下覆板块的耦合

促进板块俯冲极性反转

　　板块俯冲起始是启动全球板块构造运动的重要机制，在维持地球不同层圈之间的物质循环和能量交换过程中起到了关键性的作用。因此，深入研究板块俯冲起始的机制和过程，对于理解地球内部运行机制和地壳物质再循环都具有重要意义。俯冲极性反转是板块俯冲起始的主要类型之一，也是形成新俯冲带的重要机制。在传统的板块构造模型中，俯冲极性反转通常被认为是下覆俯冲板片沿着弧-陆过渡带断裂或撕裂，从而引发具有相反俯冲极性的上覆板片俯冲（Teng et al., 2000; Mann and Taira, 2004）。然而，最近的数值模拟表明，上覆板块和下覆板块的流变耦合也是引发俯冲极性反转的一个重要的机制（Almeida et al., 2022）。在该模型中，下覆俯冲板块和上覆板块之间的耦合能够产生足够强的板块拉力，将上覆板块向下拖曳，导致俯冲极性反转（Almeida et al., 2022）。然而，这种构造模型在自然界中很难验证，其时间尺度也很难确定，其主要原因在于俯冲极性反转是一个短暂的地质过程，加之后期的俯冲侵蚀和构造叠加导致地质记录缺失或者不完整。因此，尽管上下板块耦合在俯冲极性反转中具有重要的意义，但其对造山运动的影响仍不清楚。

　　鉴于上述科学问题，中国地质科学院地质研究所陶再礼博士后和尹继元研究员及其合作者，通过总结西昆仑造山带早古生代岩浆岩的时空分布特征，地球化学和同位素组成，结合其它地质记录以及动力学数值模拟，阐明了西昆仑造山带原特提斯洋的构造演化过程，并揭示了板块耦合导致的俯冲极性反转对造山作用的影响。

取得的主要认识如下：

　　1、本次研究揭示了西昆仑造山带早古生代弧岩浆作用在早奥陶世（ca. 487–485Ma）显示出一个明显的转换过程；其中，早寒武-早奥陶世（ca. 530–487 Ma）岩浆岩显示出相对亏损的εNd(t)、εHf(t)值和洋内弧地球化学特征（图1A-B）。而早奥陶世-早志留世（485–430 Ma）岩浆岩具有相对富集的εNd(t)、εHf(t)值（图1A-B）以及较高的不相容微量元素（如Th等; 图1C），类似于塔里木克拉通大陆岩石圈地幔（图1D）。

图1西昆仑造山带岩浆岩同位素和微量元素比值图

　　2、结合西昆仑造山带弧岩浆岩的时空分布表明，早奥陶世弧岩浆岩组分的转换是弧下地幔由大洋亏损岩石圈地幔转换为塔里木大陆岩石圈地幔所引起的（图1E-F）；此外，本次研究结合碎屑锆石证据和两个蛇绿岩带年龄间隔（7 ± 3 Ma），表明弧下地幔的转换是由原特提斯洋在早奥陶世发生快速的（<10 Ma）俯冲极性反转所造成的，由早寒武-早奥陶世南向俯冲转换为早奥陶世-早志留世北向俯冲（图2）。

图2板块耦合引发俯冲极性反转动力学数值模拟图

　　3、基于板块断裂记录缺失和数值模拟结果（图2A-C），本次研究提出俯冲极性反转过程中上下板块板耦合会加快极性反转速度（<10 Ma; 图2B），同时阻碍了具有正浮力的物质上升以及软流圈地幔的上涌，从而使西昆仑弧-陆碰撞带中缺乏高压/超高压变质岩和后碰撞岩浆岩（图2C）。该模型成功地解释了西昆仑造山带早古生代造山运动，并可以应用于世界上其它缺乏后碰撞岩浆作用和高压/超高压变质岩的造山带。

　　研究成果近期发表在国际权威地学期刊《Geology》上，论文第一作者为陶再礼博士后。共同通讯作者为尹继元研究员和中国科学院新疆分院肖文交院士。其他共同作者有：加拿大皇后大学Christopher J. Spencer博士、香港大学孙敏教授、英国卡迪夫大学Andrew C. Kerr教授、中国地质科学院地质研究所王涛研究员、陈文研究员、中国科学院大学皇甫鹏鹏副教授和中国地质大学（北京）曾云川副教授。

　　该研究成果获得国家重点研发计划项目课题（2022YFC2903302）、国家自然科学基金项目（41888101）联合资助。

论文信息及全文链接：

陶再礼, 尹继元*, Spencer C.J, 孙敏, 肖文交*, Kerr A.C, 王涛, 皇甫鹏鹏, 曾云川, 陈文. 2024. Subduction polarity reversal facilitated by plate coupling during arc-continent collision: Evidence from the Western Kunlun orogenic belt, northwest Tibetan Plateau. Geology. https://doi.org/10.1130/G51847.1

参考文献：

Almeida, J., Riel, N., Rosas, F.M., Duarte, J.C., and Schellart, W.P., 2022, Polarity-reversal subduction zone initiation triggered by buoyant plateau obstruction: Earth and Planetary Science Letters, v. 577, https://doi .org /10 .1016 /j .epsl .2021 .117195.

Mann, P., and Taira, A., 2004, Global tectonic significance of the Solomon Islands and Ontong Java Plateau convergent zone: Tectonophysics, v. 389, p. 137–190, https://doi .org /10 .1016 /j .tecto .2003 .10 .024.

Teng, L.S., Lee, C.T., Tsai, Y.B., and Hsiao, L.Y., 2000, Slab breakoff as a mechanism for flipping of subduction polarity in Taiwan: Geology, v. 28, p. 155–158, https://doi .org /10 .1130 /0091-7613(2000)28<155:SBAAMF>2 .0.CO;2.