在自维持型安第斯型俯冲作用的数值模拟中，对岩石圈汇聚速度的敏感性分析

《Technovation》：Sensitivity analysis of lithospheric convergence velocity in numerical simulations of self-sustained Andean-type subduction

　　本研究通过2D自持俯冲模拟，探讨海洋性板块长度、下地幔粘度及部分熔融带对收敛速率的影响。结果表明，板块长度每增加1000公里，平均收敛速率下降1.3 cm/yr；下地幔粘度降低可使速率提升3倍；PMZ对速率稳定性影响较小，主要模拟较短的板块行为。

　　
板块运动驱动机制与几何参数影响的数值模拟研究

地球板块的动力学行为是理解大陆漂移、山脉形成及地震活动等地质现象的核心科学问题。当前关于板块运动的研究多聚焦于驱动力量学模型，而针对影响收敛速率的几何参数与地幔流变学关系的系统性研究仍存在空白。巴西圣保罗大学天体物理与气象学研究所的科研团队，通过构建系列二维自持俯冲数值模型，首次系统揭示了俯冲板块几何特征、下地幔流变学参数及部分熔融带分布对收敛速率的定量影响规律。

研究以安第斯型俯冲系统为模型对象，重点考察三个关键参数的耦合作用：1）俯冲板块地表长度（OPLS）；2）下地幔粘度分布；3）俯冲带下方部分熔融带（PMZ）的流变学特性。通过对比不同参数组合下的数值模拟结果，建立了板块运动稳定性与关键地质参数间的定量关系模型。

在模型构建方面，研究团队采用LaMEM数值模拟平台，通过控制方程求解实现了地壳-地幔系统的动态演化。不同于传统研究中的边界驱动模式，该模型采用自持俯冲机制，即完全依靠板块间引力相互作用驱动系统演化，这有效避免了边界条件对驱动力的干扰。特别值得关注的是，研究通过参数化处理实现了对复杂地质条件的有效简化，如将下地幔粘度视为均匀介质，而部分熔融带则采用热力学参数模拟其低粘度特性。

关键研究发现如下：

1. 俯冲板块地表长度（OPLS）与稳定收敛速率的负相关关系
当俯冲板块地表长度从1000公里增至5000公里时，数值模拟显示其稳定后的平均收敛速率呈现线性递减趋势。具体表现为每增加1000公里地表长度，稳定后的平均速率下降约1.3厘米/年。这种反比例关系揭示了板块长度与能量耗散之间的动态平衡：较长的板块在俯冲初始阶段需要消耗更多势能驱动系统，但后续的稳定阶段因能量传递效率降低而需维持更缓慢的俯冲速率。研究特别指出，这种线性关系适用于板块长度超过2000公里的参数范围，而对于极短或极长的板块（如<500公里或>6000公里），可能存在非线性修正效应。

2. 下地幔粘度参数的敏感性分析
通过调整下地幔粘度参数（0.5-1.5×1022 Pa·s），研究发现粘度每降低一个数量级，稳定后板块收敛速率可提升约3倍。当将粘度从基准值1.5×1022 Pa·s降至0.5×1022 Pa·s时，板块在660公里深度处的稳定速率从约2.1厘米/年增至6.3厘米/年。这种显著响应揭示了地幔深部粘度对板块拖拽力的关键调控作用。研究同时发现，当板块初始深度超过800公里时，其稳定速率对下地幔粘度的敏感性开始降低，这可能与地幔对流系统的尺度效应有关。

3. 部分熔融带参数的弱影响机制
针对俯冲板块下方可能存在的部分熔融带（PMZ）这一争议性问题，研究通过引入等效粘度降低模型（将PMZ视为具有0.1-0.3倍基底粘度的区域），发现其对稳定收敛速率的影响仅为±0.5厘米/年量级。这种弱相关性表明，在当前模型参数设置下，PMZ的流变学特性对板块运动稳定阶段的速率影响可忽略不计。研究进一步指出，PMZ效应主要体现在俯冲带附近的局部变形调整，而非整体运动速率控制。

研究创新性体现在：
- 首次建立俯冲板块地表长度与稳定速率的定量关系模型
- 揭示下地幔粘度对板块拖拽力的非线性调控机制
- 提出部分熔融带参数的弱影响理论框架
- 开发自持俯冲数值模拟新范式（非边界驱动模式）

理论意义与实践价值：
1）理论层面完善了板块运动驱动力的多参数耦合模型，为解释不同地质记录中的速率变化提供了理论支撑。例如，南美安第斯造山带收敛速率的长期稳定性（如 Nazca-South America 板块约7厘米/年的稳定速率）与本研究预测的较长板块（4000公里以上）对应的稳定速率范围（2-3厘米/年）存在差异，这暗示可能存在更复杂的深部过程（如地幔对流系统）的调节作用。

2）实践应用方面，研究成果为地震预测和资源勘探提供新思路。通过分析板块长度与稳定速率的关系，可建立俯冲带几何特征与地震活动性的关联模型。研究提出的粘度敏感性规律，为利用地震波速变化反演地幔流变参数提供了新的理论依据。

3）数值方法创新方面，研究改进了传统边界驱动模型的局限性。通过完全自持的俯冲系统演化，更真实地模拟板块运动中的能量转化过程，为后续研究提供标准化数值平台。

研究局限与展望：
当前模型主要基于二维简化假设，三维效应可能对结果产生10-20%的修正量。此外，部分熔融带参数设置存在不确定性，建议后续研究采用动态部分熔融带模型。研究团队计划在下一阶段引入地幔对流参数，构建三维全耦合模型，以更精确地模拟板块运动与地幔动力学的相互作用。

该研究为板块运动稳定性理论提供了新的实证基础，其揭示的几何参数与流变学参数的定量关系，将推动地壳-地幔系统数值模拟方法的发展。特别值得关注的是，当板块长度超过4000公里时，其稳定速率呈现平台特征（变化幅度<1厘米/年），这为解释某些造山带地质记录中的速率稳定现象提供了可能的机制解释。

后续研究方向建议聚焦于：
1）三维全耦合模型的开发与验证
2）考虑地幔对流系统对稳定速率的影响
3）建立不同地质构造背景下的参数化模型
4）结合地球物理观测数据验证模型预测

该研究成果已获得巴西国家石油公司（Petrobras）资助，相关数值模型和参数数据库已开放共享，为全球板块运动研究提供了重要的计算工具。研究团队特别强调，这些发现有助于理解南美安第斯-Nazca俯冲带未来演化趋势，为沿海地区地震风险评估提供新的理论依据。