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    消失的板塊之Nazca板塊俯沖與安第斯山脈形成:來自地球物理學和地球動力學的新認識
    2023-07-20 17:30:25

           消失的板塊之Nazca板塊俯沖與安第斯山脈形成:來自地球物理學和地球動力學的新認識
     
     

     
     
           ▲圖1. 世界海底地形圖(1977年,Bruce Heezen and Marie Tharp)
     
     
     
     
     
    前言
     
           縱貫中南美洲西岸的安第斯山脈是地球上最重要的地形特征之一,是亞洲(喜馬拉雅山脈)之外最高的山脈,素有“南美洲脊梁”之稱。從中美洲向南綿延至南美洲南端,是世界上(大陸)最長的山脈(圖1),屬美洲科迪勒拉山系的一部分。
     
           安地斯山脈普遍被認為是中生代-第三紀以來Nazca板塊和南極洲板塊不斷向南美洲板塊俯沖(subduction)而形成的(圖2),在此過程中伴隨著淺部的多期次、局部的變形作用,巖漿活動和地形變動,以及深部的板片俯沖角度變化、斷開甚至穿插至下地幔中。
     
           Nazca板塊的俯沖歷史與安第斯山脈的隆起過程密切相關。在中生代Nazca板塊的前身Farallon板塊位于太平洋板塊和北美板塊之間,隨著超大陸解體Farallon板塊北部主體開始向北美板塊西岸俯沖,形成北美西部的山地(圖2)。在大約23Ma Farallon板塊裂解,現今Juan de Fuca板塊、Cocos板塊和Nazca板塊等均是其殘留板塊部分(圖3),在北美原Farallon俯沖帶已經深入到猶他州等地下部地幔中,部分太平洋洋中脊已經被擠壓疊加到北美大陸之下。而南部殘留的Nazca板塊受洋中脊推力作用則不斷向南美板塊俯沖,形成如今的安第斯山脈主體,自晚中生代85Ma以來有大約超過5500千米的巖石圈因俯沖而消失于地幔中。

     
     

     
           ▲圖2. Farallon板塊向北美板塊的俯沖示意圖(修改自USGS)
     

     
     

     
           ▲圖3. 世界主要板塊及邊界(USGS):紅線-離散型邊界,綠色-匯聚型邊界,藍色-轉換型邊界。
     
     
     
           傳統的關于Farallon-Nazca板塊俯沖與安第斯山脈形成的動力學模型,認為俯沖作用和南美大陸地殼的擠壓/加厚、安第斯山脈的隆升是自中生代以來的連續漸進的過程,但是安第斯山脈的隆升就位卻是離現在更近的時間(不同研究結果在130Ma-50Ma之間,即早白堊紀-早新生代),而且俯沖板片與深部地幔的相互作用也會對安第斯山脈的隆升有重要影響,而不是簡單只考慮地球淺表的構造作用力。
     
           來自美國休斯敦大學一個研究小組Chen et al.(2019)利用地球物理層析成像數據,還原了俯沖Nazca板片的幾何構造,并重建了自晚中生代以來的安第斯板塊構造模型。結果顯示,晚白堊紀(大約80 Ma)Nazca板塊俯沖起始于北安第斯(5º S),然后向南推進,到早新生代(大約55 Ma)到達南安第斯(40º S)。與傳統模式不同,Nazca俯沖自中生代以來并不是完全連續的,而是包含間斷式離散期。另外,山前沉積以及安第斯擠壓作用的開始均與Nazca板片和下地幔相互作用是相關聯的。
     

     
     
     


     
           ▲圖4. 東南太平洋及南美大陸下深部構造層析成像圖。P, Pacific plate/太平洋板塊; Co, Cocos plate/Cocos板塊; An, Antarctica plate/南極洲板塊; NA, North American plate/北美洲板塊; SA, South American plate/南美洲板塊. 顏色標尺指示P波速度異常水平,紅點指示貝尼奧夫帶地震活動區。年代指示重新建模的Nazca海溝在120Ma、100Ma、80Ma和60Ma的位置??梢钥吹絅azca板片和更深的東部板片之間存在明顯的間斷(gap)。
     
     
     
     
           研究方法:層析成像
     
           地球物理層析成像結果顯示安地斯山脈下面存在明顯的P波速度正異常,對應于向東傾斜俯沖的Nazca板片(圖4),正異常區比貝尼奧夫地震帶更深,在8º S抵達1300千米深度,在26º S抵達1100千米深度。這里的Nazca板片包含深俯沖的Farallon板塊和Nazca板塊(23.5Ma Farallon板塊分解后殘留部分的新稱呼)部分。Nazca板片的層析成像結果似乎與前人的早侏羅紀以來的簡單連續俯沖模型一致,但是地球物理和地球動力學研究卻發現Nazca板片的活動無法解釋新生代以來Nazca板塊和南美板塊的匯聚作用,更不用說自侏羅紀以來的。而且,在Nazca板片下方,即1500千米深度,有另外兩個類似板片的異常(圖4b,c),這些異常指示早期的構造歷史更加復雜,可能在中生代時期南美西邊存在另外一個洋內俯沖帶。
     
          ★這里Nazca板塊(plate)是指大構造(tectonic)尺度上的Nazca板塊單位(圖3),Nazca板片(slab)則是指發生俯沖(subduction)進入地幔中的Farallon/Nazca板塊部分(圖5)。
     
           前人地球動力學模擬研究認為安第斯最近一期的擠壓作用和Nazca板片進入下地幔的時間是一致的,但是由于模型中板塊邊界條件的設定問題,得到的時間相差較大分別是大約132Ma和50Ma,而且在這些時間點Nazca板片是否進入下地幔仍值得懷疑,因為有研究認為安第斯地區的俯沖活動在更早期,甚至是侏羅紀或之前。沉積學研究則揭示南安第斯(35º S)經歷了非常復雜的多期擠壓和伸展作用,這些構造期被認為與板片的俯沖角度變化有關,本研究利用板塊重建模型去解析始新世-中新世間其成因,認為是Nazca板片和下地幔的相互作用。
     
           本研究根據地幔中俯沖巖石圈層析成像結果建立了一個新的安第斯板塊模型,該模型表明最近一期的安第斯俯沖開始于大約80 Ma的5º S,然后向南推進在大約55 Ma到達40º S。在35º S以南Nazca板塊俯沖并不是連續的,在80-55 Ma之間也有離散期。模型重建的俯沖板片長度指示,俯沖板片和下地幔的相互作用開始于Nazca俯沖后的10-30 Myr,并隨之向南推進。
     
     
     
     
           估算俯沖板塊長度:板片“展開”方法(slab “unfolding”)
     
     
     
           根據已有的Nazca板片三維層析成像結果(圖4-6),來定量估算板片在俯沖褶皺前的長度,即板片“展開”方法,研究者測量了板片的區域面積并根據地球參考模型PREM做了密度-深度校正。
     
           如圖5,假設初始的大洋巖石圈厚度為大約100 km,對Nazca板片沿0º S-40º S之間的一系列截面做展開(unfolding)??傮w來看,展開的板片長度從4º S的~7600 km遞減至36º S的~3800 km(圖6),換算得到消失的大洋巖石圈面積大約為26×10
     
    6
    km
     
    2
           (占地球表面的4.7%)。
     
           將展開的Nazca板片放入古GIS-GPlates系統中,假設Nazca板片與現今的Nazca板塊是相連的,因此在重建模型中Nazca板片與Nazca板塊同步運動,根據全球板塊模型中Nazca板塊的運動歷史,將展開的Nazca板片從南美下的地幔中抽出來(圖7a-d),發現展開的Nazca板片的前沿與退變形的安第斯邊緣在80 Myr前最匹配,也就是說Nazca板片即是80±10 Myr前開始俯沖而消失的Nazca板塊巖石圈。Nazca板片開始俯沖于80 Ma,得到其沉入下地幔的速率是13±4.5 mm/yr,與前人地球動力學模擬結果20±8 mm/yr和全球板塊重建模型結果(11-12)±3 mm/yr具有可比性。
     
           將重建的Nazca板片放入到全球板塊模型中,如圖8,本研究的板塊模型指示,最近一期的Nazca俯沖沿北安第斯(5º S)開始于80 Ma,然后向南推進于55Ma到達40º S,Nazca板片基底向南變淺,與本研究預測的更南緯的俯沖也更晚結論一致。在80-55 Ma期間Nazca俯沖局限于北安第斯,而南安第斯地區Nazca板塊與南美則是離散關系(圖8a-c)。
     
     
     
     


     
           ▲圖5. 板片展開方法示意圖。a,下地幔變形板片三維示意圖,通過計算板片截面積并展開以估算俯沖巖石圈的量。b,三維示意圖指示沿a中兩平行截面而重建的板片長度:板片的每一段1-8退變形到俯沖前的100 km厚度,在地表拼接到一起,從而得到俯沖前的長度,并根據地球參考模型PREM對每一段進行密度-深度校正。c,安第斯山地區下面層析成像示例,虛線指示兩個可能的Nazca板片區域,藍色虛線區dVp=+0.3%,紅色虛線區dVp=+0.2%。d,dVp=0.3%和dVp=0.2% Nazca板片區域所對應的板塊俯沖時間分別為70 Ma和90 Ma,這是根據全球板塊模型的板塊匯聚速率而確定的。

     
     
     
     
     


     
           ▲圖6. 展開的Nazca板片長度和底部深度向南緯方向減小。a,4º S-34º S之間7條東西向截面而展開的Nazca板片長度。b,沿海溝平行方向展示a中7條截面位置。CLIPs,加勒比大火成巖省。
     
     
     
     
     
     


     
           ▲圖7. Nazca板片展開重建模型。a,全球板塊構造重建模型中0 Myr時展開的Nazca板片:7條橙色線指示圖6a中7條截面展開的板片長度,橙色虛線指示展開的Nazca板片的前沿,紅色線只是退變形的安第斯邊緣。b-d,將Nazca板片緊貼現今Nazca板塊并隨時間(50Ma,80Ma,100Ma)反向運動而抽出展開?;液谏珔^域指示由于俯沖而消失的巖石圈,本研究中Nazca板片展開模型最能解釋80Ma消失的大洋巖石圈,即最近一期Nazca俯沖開始于80Ma。

     
     
     


     
           ▲圖8. 晚白堊紀以來Nazca俯沖向南推進過程。箭頭指示Nazca板塊相對于南美板塊的運動方向,不同箭頭顏色表示不同的Nazca-南美板塊邊界:紅色示匯聚(俯沖)邊界(即擠壓),綠色示轉換邊界,藍色示離散邊界(即伸展),箭頭長度指示相對運動速率。其他符號表示該地區的地質事件:黃色三角-島弧巖漿活動,藍色圓圈-Patagonian玄武高原,藍色五角星-伸展盆地,粉色五角星-前陸盆地。e中兩個插圖分別表示40 Ma-30 Ma北-南安第斯可能存在的兩種不同的板塊-地幔相互作用模式。
     
     
     
     
     
     
           估算板片進入下地幔的時間
     
     
     
           利用本研究所預測的不同時期的俯沖板片長度來估計Nazca穿插進入下地幔的時間。根據前人模型,當發生俯沖的板片長度達到770-1200 km時,可以認為俯沖板塊到達660 km深度(即進入下地幔)。由此得到Nazca板片進入下地幔的最小年代時間分別是:6ºS地區是大約68 Ma,40º S地區是大約35 Ma(圖9b)。
     
     

     


     
           ▲圖9. 板塊模型預測結果與安第斯地質對比圖。a,Nazca俯沖就位與安第斯巖漿活動對比。紅色粗線指示本模型預測的起始Nazca俯沖時間向南推進。紫色方框示晚白堊紀安第斯邊緣地區伸展事件,淺灰方框示島弧相關的巖漿活動,斑紋方框示弧后巖漿活動,綠色箭頭指示預測的Nazca俯沖開始前的巖漿活動間斷期,深灰方框示Patagonian玄武高原,棕色虛線框示前人推測的平直俯沖事件。b,本模型重建的俯沖Nazca板片長度隨緯度和時間的變化。紅線及其陰影區示Nazca俯沖的起點(對應板片長度為0 km),淺綠和深綠線示俯沖Nazca板片長度分別達到770 km和1200 km的時間點,兩線之間的黃綠色區域表示本研究所推測俯沖Nazca板片在相應緯度到達下地幔(即660 km深度)的最短時間。橙色方框示擠壓構造事件,帶點方框示山前沉積事件,劃線方框示沉積間斷,藍色方框示伸展構造事件。
     
     
     
     
     
     
     地質對比
     
           本研究所提出的Nazca俯沖在80-50 Ma之間逐漸向南推進的結論,與同時期安第斯-島弧巖漿作用向南的發展是一致的,如圖9a。
     
           根據本研究結論,在80-50 Ma之間北安第斯俯沖(35º S以北)和南安第斯離散(35º S以南)是同時存在的(圖8a-c)。晚白堊紀的離散可以解釋弧后到板內Patagonian玄武高原(圖8a),始新世的離散與Aluk擴張洋脊俯沖時間一致(圖8c),Aluk洋脊對應著展開的Nazca板片南端終點。
     
           將本研究模型與安第斯山擠壓作用和前陸盆地的發育進行對比發現,這些事件是逐漸向南發生的,但仍晚于Nazca俯沖20-30 Myr(圖9b,紅線),而安第斯山擠壓作用和前陸盆地構造事件與本研究推測的Nazca板片到達下地幔的時間相近(圖9b,綠色區域),這些結果與前人地球動力學模型將地表擠壓作用和下地幔板片滯留(anchoring)聯系起來的觀點是一致的。盡管本研究沒有直接預測Nazca板片滯留的時間,但Nazca板片到達下地幔的最短時間(圖9,綠色區域)和安第斯山擠壓作用(圖9,黃色方塊)相差10-30 Myr,這與板片滯留進入下地幔的最長時間60 Myr是一致的。
     
           Nazca板片穿插進入下地幔是逐步向南推進的(圖9b),意味著板片-地幔相互作用也是沿安第斯山逐步向南發展的。根據本研究重建的俯沖板片長度模型,在現今的Nazca俯沖期內,最早的板片-地幔相互作用開始于65 Ma的北安第斯(6ºS),然后30 Ma向南推進到南安第斯(40ºS)。根據以上結果可以得出,40-30 Ma北安第斯(30ºS以北)有超過3000 km的Nazca俯沖板片在地幔中堆積滯留并進入下地幔,但是在南安第斯(30ºS以南)Nazca板片要短得多(大約770 km)并不會滯留進入下地幔。南Nazca板片更像是短小而自由懸掛于上地幔中,然后回退,發育出地表伸展構造。這也就解釋了40-20 Ma同時觀測到北安第斯擠壓作用和南安第斯伸展作用(圖8d,e)。
     
     
     
     
     
     
           80Ma安第斯山地質演化
     
     
     
           根據現有的安第斯地質記錄,前人曾提出結論認為,最近一期構造旋回起始于大約190 Ma并連續發展至今而未中斷。但是本研究發現俯沖Nazca板片只能解釋大約80 Ma以來消失的巖石圈(圖7),因此需要80 Ma更多的板片來解釋安第斯邊緣的俯沖和島弧巖漿活動(圖9a)。剛好在層析成像中發現Nazca板片下方存在兩個異常區(圖4b,c),尤其是東部那塊,它的位置大概對應于100 Ma的安第斯邊緣(圖4c)。因為該板片異常一直延伸到核幔邊界,因此它可以解釋80-200 Ma之間安第斯地區的連續俯沖,同時能計算得到板片下沉速率為13±4.5 mm/yr。根據以上模型和討論可以看出,地幔中具有足夠的板片來解釋整個190 Myr的安第斯構造旋回中的俯沖作用。
     
           深部的板片異常與Nazca板片之間在1500±150 km深度具有明顯的連續的間斷(gap)(圖4),本研究認為這一間斷是在190 Myr安第斯構造旋回中(圖9a),80 Ma某個時期Nazca板塊俯沖的重構。當然也不能排除形成這一間斷的可能性是,曾經Nazca和東部板片是同時一起下沉的,隨后東部板塊斷開并以不同的速率下沉。本研究的解釋和前人研究結果是相符的,顯示在100-80 Ma廣泛的板塊邊緣活動,如邊緣擠壓事件、邊緣盆地的關閉、前路盆地的形成、走滑斷層運動的變化以及地球化學方面的變化。
     
           前人曾將100-80 Ma安第斯邊緣重構歸因于南美板塊的逐步向西漂移,但是根據已有的地幔參考框架模型(mantle reference frame)并不能產生足夠的漂移(僅有0-350 km),本研究為安第斯邊緣地質事件與板塊重構之間的聯系提供了新的解釋。
     
           已有的全球板塊模型并不能很好地解釋80 Ma安第斯邊緣板塊重構,因此對Nazca板塊運動學過程也不能很好地限定約束。而且下地幔中存在的東部異常(圖4b,c)指示200-80 Ma南美板塊以西大約2000 km可能存在一個洋內俯沖帶,前人也曾提出在白堊紀北美以西有這種洋內俯沖帶。對于這些安第斯板塊重構細節,還需要更多的研究去厘清。

     
     



     
           ▲圖10. 37º S Neuquén盆地構造演化模型。a,本研究提出的新模型:晚白堊紀Nazca俯沖開始,隨后板片與下地幔發生相互租用,從始新世到中新世短小自由運動的俯沖板片引起板片回退和伸展盆地形成,中新世時Nazca板片滯留于下地幔中產生擠壓作用。b,傳統的平直板片模型:Nazca板片俯沖傾角存在多次變化,始新世時Nazca板片俯沖角度變陡和中新世變平(平直板片)可以解釋Neuquén盆地伸展期后的擠壓期。
     
     
     
     
     
     
           新的安第斯板塊構造模型
     
     
     
           本研究提出了新的晚中生代以來的Nazca-安第斯俯沖模型,即最近一期的Nazca俯沖沿北安第斯(5º S)開始于80 Ma,然后向南推進于55Ma到達40º S,Nazca俯沖的向南推進和晚期的下地幔Nazca板片滯留均影響著安第斯山脈的一級演化。
     
           晚白堊紀-始新世(圖8a-c)Nazca俯沖向南推進控制著安第斯山脈的一級演化,形成了向南推進的與俯沖相關的島弧巖漿活動(圖9a)。傳統認為緊接著巖漿活動間歇期的一波新的巖漿活動與平直板片俯沖相關,但是受平直板片俯沖影響的地區一般僅限局部。我們的模型能更好地解釋安第斯地區巖漿活動的系統變化(圖9a)。
     
           從始新世到中新世(圖8d,e)整個安第斯邊緣最終轉變成俯沖邊界,整個邊緣具有相近的匯聚速率;在此期間重建模型所預測的不同俯沖板片長度,揭示了板片-地幔相互作用的差異,這也解釋了沿安第斯山脈構造活動的差異,尤其是北部更長的Nazca板塊能夠穿插進入下地幔,而南部更短的Nazca板片則可能是自由懸掛于上地幔和轉換帶中(圖8e插圖)。前人的模擬研究已經證明,滯留的下地幔板片將促進擠壓構造發育,而非滯留板片則形成回退和伸展構造。
     
           在安第斯每個地區都會經歷上地幔短小自由板片轉變為下地幔滯留板片的過程。Neuquén盆地沉積記錄顯示了復雜的演化歷史,包括早期(大約100 Ma)擠壓期,隨后是中性俯沖,始新世伸展期和最后中新世的擠壓期(圖10)。前人認為這一復雜構造歷史可以用俯沖板片的傾角變化來解釋(圖10b)。本研究的模型則認為,在80 Ma俯沖開始之后,Nazca板片還是短小自由的,形成海溝回退和伸展盆地。直到后來(大約中新世)俯沖板片長度達到足夠長從而能夠穿插進入下地幔中,形成了構造倒轉(圖10)。因此,本研究認為Neuquén盆地沉積實際上反映的是Nazca俯沖開始以后自然而可預見的板塊構造演化序列,并不需要用俯沖傾角的變化來解釋。
     
           只有到了中新世以后,本研究模型中才形成單一的、連續的Nazca俯沖機制,也就是所謂的經典安第斯模型。



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