板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是現(xiàn)今地球上已知的所獨(dú)有的構(gòu)造形式，而其他類地行星以及早期地球出現(xiàn)了蓋層對(duì)流模式。如何啟動(dòng)板塊構(gòu)造是地球科學(xué)領(lǐng)域里需要得到解決的問題之一，其中最大的困難在于較小的驅(qū)動(dòng)力和較大的巖石圈強(qiáng)度這一對(duì)矛盾的調(diào)和。傳統(tǒng)的板塊俯沖模型往往需要引入運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件，或者預(yù)設(shè)薄弱帶，或采用顯著低于實(shí)驗(yàn)值的巖石強(qiáng)度，這些模型都無法解釋最初的板塊俯沖的啟動(dòng)。因此，探究如何從均一蓋層自洽地形成板塊構(gòu)造成為了地球動(dòng)力學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。
我室地球深部結(jié)構(gòu)組呂剛博士后和合作導(dǎo)師趙亮研究員與其他合作者開展了俯沖板塊啟動(dòng)的計(jì)算模擬研究。結(jié)果表明，在無運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件以及不預(yù)設(shè)薄弱帶等條件下，地幔的流動(dòng)能夠產(chǎn)生足夠的推動(dòng)力，克服基于實(shí)驗(yàn)值的巖石圈強(qiáng)度，形成新的俯沖板塊。該研究首次自洽地實(shí)現(xiàn)了對(duì)板塊俯沖啟動(dòng)的模擬，發(fā)現(xiàn)了四種動(dòng)力學(xué)端元模式：穩(wěn)定蓋層、局部縮短、對(duì)稱俯沖和非對(duì)稱俯沖，其中非對(duì)稱俯沖模式與現(xiàn)今地球的板塊構(gòu)造相對(duì)應(yīng)。該研究認(rèn)識(shí)到板塊構(gòu)造的形成受多種因素的共同約束，其形成條件比前人所設(shè)想的條件要嚴(yán)格很多，這可能是其他類地行星沒有出現(xiàn)板塊構(gòu)造的一個(gè)原因之一。此外，他們還指出軟流圈-巖石圈之間的作用力具有提供板塊運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的可能性，為理解板塊構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)機(jī)制提供了新的認(rèn)識(shí)。
圖1 不同巖石圈熱年齡所對(duì)應(yīng)的三種動(dòng)力學(xué)端元模式：穩(wěn)定蓋層、局部縮短和非對(duì)稱俯沖
圖2 (a) 低強(qiáng)度巖石圈所對(duì)應(yīng)的第四種動(dòng)力學(xué)端元模式-對(duì)稱俯沖 (b)四種動(dòng)力學(xué)端元模式的參數(shù)空間相圖
圖3 軟流圈-巖石圈相互作用驅(qū)動(dòng)巖石圈運(yùn)動(dòng)的機(jī)制