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1、第25卷第2期地震地质Vol.25,No.22003年6月SEISMOLOGYANDGEOLOGYJune,2003俯冲带几何特征的研究姚华建徐果明肖翔陈敏(中国科学技术大学地球和空间科学系,合肥230026)摘要在板块的汇聚边界上,若一板块向另一板块俯冲下插,所形成的俯冲边界(海沟,造山带)的形态与俯冲板块、被俯冲板块的性质有很大关系。文中主要通过平板俯冲模型来计算模拟全球范围内一些大的俯冲边界,并对俯冲角等问题作了一些讨论。近来的研究表明,岩石圈板块存在普遍的西向漂移。由文中计算得到的太平洋东岸的板块初始俯冲角小于目前观测到的贝尼奥夫带倾角;而太平洋西岸的情况则恰好相反,初始
2、俯冲角大于目前观测到的贝尼奥夫带倾角。这直接反映了岩石圈板块的西向漂移;对地幔而言,则是地幔相对于地壳的东向流动。关键词俯冲带平板俯冲俯冲角岩石圈板块西向漂移地幔东向流动中图分类号:P315.2文献标识码:A文章编号:0253-4967(2003)02-0220-070引言板块学说兴起于20世纪60年代,其基本观点(Dietz,1961;Hess,1962;Wilson,1965;Hertzleretal.,1968;Leetal.,1968;Morgan,1968;Mackenzieetal.,1969;Deweyetal.,1970;Morgan,1972;Uyedaetal
3、.,1979;金性春,1984;Richardetal.,1991)认为:1)地球的岩石圈被裂解成若干大板块,坚硬的岩石圈板块覆盖在塑性的软流圈之上,作大规模的水平运动。2)板块与板块之间或相互分离,或相互汇聚,或相互平移。3)在板块的分离处,软流圈的地幔物质在洋中脊上涌,冷凝成为新的大洋岩石圈,导致板块的增生;在板块的汇聚处,大洋板块俯冲到相邻板块之下,返回地幔,导致板块消亡。4)板块及其相互运动导致了地震与火山活动,带动了大陆漂移与大洋盆地的张开与闭合,也导致了各种地质构造作用。早在1971年Bostrom就研究了关于岩石圈板块的西向漂移问题,后来经Knophoff(1972
4、),Nelson等(1972),Moore(1973),Uyeda等(1979),Doglioni(1990),Richard等(1991)等人的进一步研究,发现岩石圈板块确实存在着普遍的西向漂移,其漂移机制目前仍在争论之中(Knopoffetal.,1972;Richardetal.,1991;Gordon,1995;Giorgio,2000)。本文采用平板俯冲模型研究了全球范围内一些大的俯冲碰撞边界的聚合模式与俯冲边界的几何形态以及俯冲角之间的关系。由本文模型计算得到的太平洋两岸的板块初始俯冲角直接反映了洋底岩石圈板块的西向漂移,这支持了洋底岩石圈板块的西向漂移观点。1平板俯
5、冲模型2板块相互聚合,若其中一板块俯冲于另一板块之下,可近似地把被俯冲板块所在的岩石1收稿日期22001-08-17收稿,2002-04-05改回。1基金项目2国家自然科学基金(49974008)资助。2期姚华建等:俯冲带几何特征的研究221圈视为球面上的一部分,其球心位于地球的球心,球的半径为地球平均半径:R=6371km。如果把俯冲下插的板块近似为一平板,如图1所示,通过平面与球面的交线来确定俯冲带的位置及俯冲角的大小。俯冲所形成的边界形态如图2所示,俯冲边界近圆弧形,其凸面指向俯冲板块。俯冲板块下插于被俯冲板块之下,俯冲边界视两板块性质而定,或为海沟,或为造山带。全球范围内
6、大部分的俯冲板块边界都可以用平板俯冲模型来模拟,若是将俯冲下插的板块也视为球面上的一部分,将会得到与图2相反的俯冲边界,这种俯冲边界很少,与日本海沟相邻的Izu海沟就是一个典型代表。故而我们选择平板俯冲模型来模拟俯冲边界的形态。下面是平板俯冲模型的数学表述。图1平板俯冲模型图2平板俯冲模型所形成的俯冲边界Fig.1Planeplatesubductionmodel.Fig.2Subductionboundaryformedbyplaneplatesubductionmodel.(1)求俯冲板块的平面方程被俯冲板块、俯冲板块的模型方程分别为式(1)、(2)。2222x+y+z=R(
7、1)Ax+By+Cz=1(2)选取俯冲边界,在俯冲边界上按等经度(或等纬度)取点。设取点数为N,将这N个半径为R的球面上的点(Hi,Ui)转换为直角坐标系下的坐标,得到(xi,yi,zi)。设均方误差为Q。N2Q=E1Axi+Byi+Czi-12(3)i=1当Q最小时达到最佳拟合效果,即可求得最佳拟合系数A,B,C,从而得到俯冲板的平面方程。(2)由模型计算理论上俯冲带的位置固定经度Ui,求出由模型方程式(2)计算出的理论纬度值Hmi,并与实际俯冲带位置曲线进行比较。结果如图3所
