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外层隆起脆韧性损伤导致的动态板坯分割gydF4y2Ba

自然gydF4y2Ba体积gydF4y2Ba599gydF4y2Ba，gydF4y2Ba页面gydF4y2Ba245 - 250 (gydF4y2Ba2021gydF4y2Ba）gydF4y2Ba引用本文gydF4y2Ba

主题gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

俯冲是板块的主要驱动力，俯冲板块的强度控制着地球热化学演化的许多方面。每个俯冲板块都经历了强烈的正常断层活动gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba9gydF4y2Ba在弯曲过程中，适应从水平到向下运动的过渡在沟的外部上升。在这里，我们研究了这种弯曲诱导的板损伤的后果，使用数值俯冲模型，其中脆性和韧性变形，包括晶粒损伤，被跟踪和自一致耦合。由于脆性和延性损伤局部化之间的强烈反馈，外隆起区会发生普遍的板坯弱化和明显的分割。这种板-损伤现象解释了强板和弱板的俯冲二分现象gydF4y2Ba10gydF4y2Ba，大偏移量正断层发育gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7gydF4y2Ba在海沟附近，发生分段地震速度异常gydF4y2Ba11gydF4y2Ba和俯冲板块内不同的界面成像gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba13gydF4y2Ba，以及有效粘度降低的板内深层局部区域的出现gydF4y2Ba14gydF4y2Ba在战壕中观察。此外，脆性粘滞损伤板在地幔温度升高时表现出滑脱倾向。考虑到地球的冷却历史gydF4y2Ba15gydF4y2Ba，这意味着断续俯冲和频繁的板裂事件gydF4y2Ba16gydF4y2Ba可能是地球的特征直到比之前认为的更近的时间gydF4y2Ba17gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

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图1:4000万年前海洋板块的俯冲和板块分割动力学。gydF4y2Ba
图2:参考模型和日本海沟大偏移量正断层的发展。gydF4y2Ba
图3:参考模型和中美洲海沟东南部分中等偏移(差≤250 m)正断层的发展。gydF4y2Ba
图4:参考模型中测得的板段宽度与日本板内测得的板段宽度的比较。gydF4y2Ba
图5:参考模型中模拟的粒度分布与日本板的地震不连续面比较。gydF4y2Ba

数据可用性gydF4y2Ba

所有用于数值模拟的输入文件均可在以下网站获得gydF4y2Bahttps://doi.org/10.17605/OSF.IO/bnvthgydF4y2Ba．gydF4y2Ba源数据gydF4y2Ba都提供了这张纸。gydF4y2Ba

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用于数值实验和可视化的C和Matlab代码可在gydF4y2Bahttps://doi.org/10.17605/OSF.IO/bnvthgydF4y2Ba．gydF4y2Ba

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下载参考gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

这项工作得到了SNF项目200021_182069和200021_192296和ETH+项目BECCY(给T.V.G.)和NSF EAR-1853856(给T.W.B.)和NSF EAR-1853184(给D.B.)的支持。在ETH-Zurich欧拉和莱昂哈德星团上进行了模拟。gydF4y2Ba

作者信息gydF4y2Ba

作者和隶属关系gydF4y2Ba

  1. 瑞士苏黎世联邦理工学院地球科学系，瑞士苏黎世gydF4y2Ba

    T. V.格里亚gydF4y2Ba

  2. 耶鲁大学地球与行星科学系，美国康涅狄格州纽黑文gydF4y2Ba

    d·伯科维奇gydF4y2Ba

  3. 德克萨斯大学奥斯汀分校杰克逊地球科学学院地球物理研究所，美国德克萨斯州奥斯汀gydF4y2Ba

    t.w.贝克尔gydF4y2Ba

  4. 德克萨斯大学奥斯汀分校杰克逊地球科学学院地质科学系，美国德克萨斯州奥斯汀gydF4y2Ba

    t.w.贝克尔gydF4y2Ba

  5. 奥登计算工程与科学研究所，德克萨斯大学奥斯汀分校，奥斯汀，德克萨斯州，美国gydF4y2Ba

    t.w.贝克尔gydF4y2Ba

作者gydF4y2Ba
  1. T. V.格里亚gydF4y2Ba
    查看作者出版物gydF4y2Ba

    您也可以在中搜索这个作者gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  2. d·伯科维奇gydF4y2Ba
    查看作者出版物gydF4y2Ba

    您也可以在中搜索这个作者gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  3. t.w.贝克尔gydF4y2Ba
    查看作者出版物gydF4y2Ba

    您也可以在中搜索这个作者gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

贡献gydF4y2Ba

T.V.G.编写了数值代码，设计了研究并进行了数值实验;D.B.制定了粒度演化算法并编写了数值代码;和T.W.B.编译并注释了扩展数据图。gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba并提供相关文本。所有作者都对结果、问题和方法进行了讨论，并对数据的解释和论文的撰写做出了贡献。gydF4y2Ba

相应的作者gydF4y2Ba

对应到gydF4y2BaT. V.格里亚gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

道德声明gydF4y2Ba

相互竞争的利益gydF4y2Ba

作者声明没有竞争利益。gydF4y2Ba

额外的信息gydF4y2Ba

同行评审信息gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba感谢匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。同行评审报告可用。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba施普林格自然对出版的地图和机构附属的管辖权要求保持中立。gydF4y2Ba

扩展的数据图和表gydF4y2Ba

图1本文研究的两种俯冲模式的初始条件。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，自由俯冲板脱离右侧模型边界的模型设置;在右侧模式边界处，俯冲板块年龄随距离在500 km以内线性变化为1000年。gydF4y2BabgydF4y2Ba，模型设置，俯冲板附在右侧模型边界上;俯冲板块年龄不向边界方向变化。带数字的白线是°C的等温线。gydF4y2Ba

图2断裂减弱和晶粒尺寸演化对俯冲动力学的影响。gydF4y2Ba

有效粘度的分布(左列，面板gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BadgydF4y2Ba)和地幔的晶粒尺寸(右柱，面板gydF4y2BaegydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Bah)gydF4y2Ba．gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，gydF4y2BaegydF4y2Ba，同时考虑断裂减弱和晶粒尺寸演化的模型(模型xbeqc，扩展数据表2)。gydF4y2BabgydF4y2Ba，gydF4y2BafgydF4y2Ba，断层减弱但没有晶粒尺寸演化的模型(模型xbeqca，扩展数据表2)。gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BaggydF4y2Ba，具有晶粒尺寸演化但不存在断层弱化的模型(gydF4y2BaμgydF4y2Ba0gydF4y2Ba＝gydF4y2BaμgydF4y2Ba1gydF4y2Ba= 0.6为下洋地壳和岩石圈-软流圈地幔，模式xbeqcb，扩展数据表2)。gydF4y2BadgydF4y2Ba，gydF4y2BahgydF4y2Ba，模型没有断层弱化和晶粒尺寸演化(gydF4y2BaμgydF4y2Ba0gydF4y2Ba＝gydF4y2BaμgydF4y2Ba1gydF4y2Ba= 0.6对于海洋下部地壳和岩石圈-软流圈地幔，模型xbeqcc，扩展数据表2)。地幔温度比现在的值高100 K。其他参数与参考模型相同(图5)。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．实黑线表示1225°C等温线的位置。gydF4y2Ba

图3标准粒径演化模型中模型参数对俯冲动力学的影响。gydF4y2Ba

有效粘度的分布(左列，面板gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BadgydF4y2Ba)和地幔的晶粒尺寸(右柱，面板gydF4y2BaegydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Bah)gydF4y2Ba．gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，gydF4y2BaegydF4y2Ba，在俯冲板块40 Ma的模式下，俯冲起爆失败，但未见断层减弱(gydF4y2BaμgydF4y2Ba0gydF4y2Ba＝gydF4y2BaμgydF4y2Ba1gydF4y2Ba海洋下部地壳和岩石圈-软流圈地幔= 0.6，gydF4y2BahgydF4y2Ba马克斯gydF4y2Ba粒径颜色编码= 6 mm，型号xbeqab，扩展数据表2)。gydF4y2BabgydF4y2Ba，gydF4y2BafgydF4y2Ba在40 Myr老板坯模型中没有板坯分割，但断层随应变减弱的速度慢2.5倍(gydF4y2BahgydF4y2Ba马克斯gydF4y2Ba= 10 mm，型号xbes，扩展数据表2)。gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BaggydF4y2Ba，带40 Myr俯冲板块和标准断层弱化的参考板段分割模型(gydF4y2BahgydF4y2Ba马克斯gydF4y2Ba= 6 mm，模型xbeq，图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，扩展数据表2)。gydF4y2BadgydF4y2Ba，gydF4y2BahgydF4y2Ba， 100 Myr老板和标准断层弱化的模型中更宽的板段(gydF4y2BahgydF4y2Ba马克斯gydF4y2Ba= 10 mm，模型xber，扩展数据表2)。地幔温度是按当前值计算的。其他参数与参考模型相同(图5)。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．实黑线表示1225°C等温线的位置。gydF4y2Ba

图4粒度演化和断裂减弱对俯冲动力学的影响。gydF4y2Ba

有效粘度的分布(左列，面板gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BadgydF4y2Ba)和地幔的晶粒尺寸(右柱，面板gydF4y2BaegydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Bah)gydF4y2Ba．gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，gydF4y2BaegydF4y2Ba，具有断层弱化和晶粒尺寸演化的模型(40 Myr老板坯，模型xbeqd，扩展数据表2)。gydF4y2BabgydF4y2Ba，gydF4y2BafgydF4y2Ba，断层减弱但没有粒度演化的模型(40 Myr老板，模型xbeqda，扩展数据表2)。gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BaggydF4y2Ba，同时考虑断层弱化和晶粒尺寸演化的模型(100 Myr老板坯，模型xbeqq，扩展数据表2)。gydF4y2BadgydF4y2Ba，gydF4y2BahgydF4y2Ba，有粒度演化但没有断层减弱的模型(100 Myr老板，模型xbeqs，扩展数据表2)gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，gydF4y2BabgydF4y2Ba，gydF4y2BaegydF4y2Ba，gydF4y2BafgydF4y2Ba比现在的数值高150k。其他参数与参考模型相同(图5)。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．实黑线表示1225°C等温线的位置。gydF4y2Ba

图5俯冲板块中存在的断层对板块分割和俯冲动力学的影响。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，gydF4y2BaegydF4y2Ba，模型中断层间距为20 km，向沟槽倾斜(模型xbeql，扩展数据表2)。gydF4y2BabgydF4y2Ba，gydF4y2BafgydF4y2Ba，断层间距为10 km向沟槽倾斜的模型(模型xbeqm，扩展数据表2)。gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BaggydF4y2Ba，断层间距为5 km向沟槽倾斜的模型(模型xbeqn，扩展数据表2)。gydF4y2BadgydF4y2Ba，gydF4y2BahgydF4y2Ba，模型中间隔10公里的断层向海沟外倾斜(模型xbeqo，扩展数据表2)。现有断层分别被规定为宽1公里、深14公里的弱玄武岩地壳和蛇纹岩地幔区，位于较强辉长岩地壳和岩石圈地幔中(扩展数据表)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．初始断层倾角为63°。gydF4y2Ba

图6参考模型中大偏移量正断层的逐渐发展(图6)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BadgydF4y2Ba，塑性应变分布gydF4y2BaγgydF4y2Ba(地区gydF4y2BaγgydF4y2Ba> 0.02显示)和岩石圈地幔粒度。实白线表示参考面的位置，沿着它计算断层抛距(方法)。gydF4y2BaegydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BahgydF4y2Ba，分别时间步长的故障抛出分布如图所示gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BadgydF4y2Ba．只考虑投掷距离为>20米的故障。gydF4y2Ba

源数据gydF4y2Ba

图7图中分析的日本板块的5条沿倾角地震层析成像剖面(带圆的蓝色实线)的位置。gydF4y2Ba4 c, dgydF4y2Ba和扩展数据图。gydF4y2Ba8gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

根据SLAB2.0模型的地震活动深度，颜色编码对应板上表面gydF4y2Ba74gydF4y2Ba．蓝色实线表示板块边界的位置gydF4y2Ba75gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

图8 5个分析对象的层析图像(图5。gydF4y2Ba4 dgydF4y2Ba方法)日本板的地震层析成像剖面(扩展数据图。gydF4y2Ba7gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

的分布gydF4y2BavgydF4y2BapgydF4y2Ba(左列，面板gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BaegydF4y2Ba),gydF4y2BavgydF4y2Ba年代gydF4y2Ba(右列，面板gydF4y2BafgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BajgydF4y2Ba)地震速度异常基于Tao等人的层析成像模型。gydF4y2Ba13gydF4y2Ba．沿中间板线(红色实线)确定的分段边界(红色三角形)的位置是根据目测(方法)推断出来的。gydF4y2Ba

表1岩石物理性质gydF4y2Ba58gydF4y2Ba，gydF4y2Ba59gydF4y2Ba，gydF4y2Ba60gydF4y2Ba，gydF4y2Ba61gydF4y2Ba，gydF4y2Ba62gydF4y2Ba，gydF4y2Ba63gydF4y2Ba用于数值实验gydF4y2Ba
全尺寸表gydF4y2Ba
表2数值实验条件和结果gydF4y2Ba
全尺寸表gydF4y2Ba

补充信息gydF4y2Ba

源数据gydF4y2Ba

权利与权限gydF4y2Ba

转载及权限gydF4y2Ba

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Gerya, tv, Bercovici, D. & Becker, T.W.外部隆起脆性-延性损伤引起的动态板段分割。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba599gydF4y2Ba， 245-250(2021)。https://doi.org/10.1038/s41586-021-03937-xgydF4y2Ba

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