俯冲带是什么?关于俯冲带的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:26:52

俯冲带(Subduction zone),又称消减带或贝尼奥夫带。俯冲作用是指发生在汇聚板块边缘复杂的地质作用过程,表现为一个岩石圈板块相对于另一个岩石圈板块下降潜伏的过程。俯冲带即为俯冲板块的俯冲部分,发生俯冲作用板块的边缘地带,它是板块发生消减灭亡的区域。一般认为,俯冲板块能下潜到很深的深度(650km),甚至达到了核幔边界2800km处(如东、西太平洋板块)。

俯冲带两侧板块会聚边界称汇聚型边界(convergent boundary)。俯冲带上面反映震源活动的地带称“贝尼奥夫(地震)带”(Benioff seis-mic zone)

概述

俯冲带存在于汇聚型边界处,一个海洋岩石圈板块与另一个板块会聚。俯冲板块被另一块板的前缘覆盖,俯冲板块以大约25度到45度的角度沉入大陆板块。俯冲是通常是由俯冲的洋壳岩石圈与周围地幔软流圈之间的温差和密度驱动的。

俯冲带是地球内外部物质发生循环的重要场所。如果将俯冲系统比作一个“工厂”,火成岩洋壳、海底沉积物以及岩石圈地幔就是进入工厂的原料;溢出地表的气体、水流体、岩浆以及相伴随生成的陆壳物质和矿产等是工厂所产生的产品;而在俯冲带内部发生的脱水熔融、变质作用等则是工厂的核心技术。俯冲带与人类的生活密切相关,随俯冲发生的火山、地震、海啸等地质灾害以及与之相伴生的矿床,都对人类有相当重要的影响。

迄今为止,地球是唯一已知发生俯冲的行星。俯冲是板块构造背后的驱动力,没有它,板块构造就不可能发生,没有俯冲作用,地壳不会分化出大陆与海洋,所有的固体地球也都会被一个全球性的大海洋所覆盖。

类型

大陆俯冲带和大洋俯冲带

目前,国际地学界根据俯冲作用所处的不同构造环境,将俯冲作用分为A型(阿尔卑斯型大陆俯冲带)和B型(太平洋型大洋俯冲带)。

A型俯冲(阿尔卑斯型大陆俯冲带):是指一个大陆岩石圈板块下降潜伏到另一个大陆岩石圈板块的过程,如落基山。

B型俯冲(太平洋型大洋俯冲带):是一个大洋岩石圈板块下降潜伏到另一个大洋岩石圈板块或大陆岩石圈板块的过程,它是基于板块构造学汇聚板块边缘的经典概念(毕尼奥夫带),典型的B型俯冲发育于太平洋的东、西两岸。A型俯冲作用往往伴随着B型俯冲作用发生或在其之后发生。

智利型大洋俯冲带和马里亚纳型大洋俯冲带

将大洋俯冲带进一步划分为两种类型,大洋俯冲带的经典分类是Uyede 和Kanamori 于1979 年根据岛弧是大陆弧或大洋弧、上下盘耦合程度提出的智利型(Chiles)和马里亚纳型(Marainas)分类。

两种俯冲带的区别如下:

1)应力类型,智利型处于挤压构造背景之下,马里亚纳型是在拉张背景下。

2)俯冲角度,智利型俯冲角度比较平缓,而马里亚纳型比较陡。

3)地震震级,智利型俯冲带发育有大量高震级地震,尤其是震级在8.0级左右的逆冲断层型地震几乎都发育在智利型俯冲带上,而马里亚纳型发生的地震震级一般比较低。由此可推断智利型俯冲板块与上覆板块之间的耦合程度是很高的,原因可能是俯冲板块与上覆板块的接触面比较粗糙,使它们能够比较好的耦合在一起,要发生震级比较高的逆冲断层型地震就要求压力很大,这样才能克服两板块之间的阻力使之发生滑动进而产生地震,马里亚纳型板块的耦合程度不是很高,可能是由于两板块接触面光滑或接触面之间存在岩浆或者流体等使接触面之间可以进行低应力的无震滑动。

4)岩浆类型,智利型岩浆类型为安山岩-英安岩-流纹岩类型,且安山岩十分发育,安山岩在大陆弧和成熟岛弧比较发育,马里亚纳型则以玄武岩为主,安山岩较少。

5)俯冲板块的年龄,智利型年龄较为年轻,马里亚纳型则较老。年轻的俯冲板块较热,板块浮力大,所以形成的俯冲角度小,而老的俯冲板块较冷,密度大,俯冲板块下沉变重,形成的俯冲角度自然也较大。另外也有观点认为,俯冲板块的年龄也可以影响到地震的震级,因为智利型板块较热,板块俯冲到上覆板块之下需要很大的力,因此形成了逆冲断层型地震。

俯冲带动力机制

对于板块构造的动力机制目前存在的看法比较多,主要观点有地幔对流产生的拖拉作用,洋中脊向两侧的推挤作用(ridge-push),随洋脊扩张变重洋壳向两侧陆壳的拖拉作用(slab-pull)和岩石圈负浮力。另外也有地幔羽、陨击作用诱发板块运动的新假说等。

对于俯冲带的动力机制也是没有达到一致的认可,目前多数学者认为负浮力可能是俯冲的主要动力。有学者通过对西太平洋应力状态的计算表明随着俯冲状态及俯冲深度变化的负浮力,可能是板块俯冲的主要驱动力。有研究者认为,岩石圈的负浮力提供了板块构造所需的势能,这种势能是由洋脊推力和板块的牵引力与吸引力构成的,洋脊推力约占总驱动力的10%,而岩石圈的下沉提供了90%。还有研究者认为不同区域岩石圈物质成分差异引起的岩石圈比重、浮力的反差是俯冲带开始的有利和必要条件,当俯冲带开始俯冲后,下插的大洋板块会沿着俯冲带下沉变重,这种负浮力被广泛的认为是板块构造也即俯冲带的主要驱动力,而由于下插板块的主要运动向量是垂直向下的,所以其最终的驱动力可能是地心引力。

俯冲带岩浆作用

俯冲带岩浆作用的研究一直是俯冲带研究的难点,主要是由于岩浆物质来源的复杂性和岩浆形成机制的复杂性。俯冲带岩浆的来源有大洋地壳、洋壳沉积物、大陆地壳,地幔楔物质。岩浆的形成机制也是复杂多样的,包括减压熔融、注流熔融(flush melting)等。注流熔融指由于俯冲大洋岩石圈存在很大的倒转温度梯度(大于200~ 300℃),这样当地壳上部达到熔融温度时,下部岩层仍然发生脱挥发份作用。因此,可以发生由于变质流体(如来自蛇纹石脱水)向上注入的流体饱和熔融。

由于俯冲带岩浆作用的受制因素很多,所以俯冲带岩浆形成过程的也很难模拟,岩石地球化学特征可为我们提供一些关于俯冲带的信息。俯冲带富水流体在超临界条件下,它们中的卤族元素(F、Cl 等)、OH-等易于与金属离子形成配合物,增强了富水流体的溶解能力,这对很多元素的迁移有很重要的影响。而残留岩浆锆石和变质新生锆石的同时存在也表明,在俯冲带变质流体活动过程中,发生原岩Zr 的物理搬运与元素Zr 的化学迁移。另外,将δ11B与Sr-Nd-Pb 同位素体系相结合,可有效地识别岛弧火山岩中壳源物质混染端员成分,也是判别俯冲带不同交代过程的有利工具。

俯冲带复杂的岩浆作用,目前有两种模式:流体交代熔融和熔体交代熔融。

  • 流体交代熔融是指:俯冲的洋壳随着俯冲深度的增加发生脱水作用,产生富大离子亲石微量元素的流体,这些流体进入俯冲带上方的地幔楔发生交代作用,使地幔楔发生部分熔融,形成岛弧钙碱性火山岩,它的岩石组合是玄武岩-安山岩-英安岩-流纹岩组合;

  • 熔体交代熔融则是指:俯冲板片发生部分熔融,产生的这些熔体上升使地幔楔发生部分熔融,形成埃达克岩、富铌玄武岩和富镁安山岩的过程。

板块俯冲带的岩浆作用有岛弧岩浆作用和弧后盆地岩浆作用,他们在成因和演化过程上有比较密切的关系,但是他们岩浆的物质来源和成因机制各有不同。由于弧后盆地岩浆作用较为复杂,地球化学的方法不能准确的反映弧后盆地岩浆作用的过程,所以目前对于弧后盆地岩浆作用的研究成果有限。

下面着重介绍岛弧岩浆作用的一些特点。据研究,岛弧岩浆的物质来源包括:俯冲的洋壳在俯冲过程中释放出来的流体、深海沉积物以及地幔楔物质。与MORB相比,与俯冲相关的岛弧岩浆以富集K,Rb,Sr,Ba,Cs等大离子亲石元素(LILE)和轻稀土(LREE),相对亏损高场强元素(HFSE)和重稀土(HREE)为特征。岛弧岩浆低的87Sr/86Sr 和206Pb/204Pb 比值说明,加入岛弧地幔楔中的水是来自洋壳,并不是深海沉积物。深海沉积物对俯冲地区岛弧岩浆的贡献主要是岩浆中10Be 的存在、负Ce 异常、高Th/Ce 比值等地球化学特征。Elliott 和Turner 等通过对岛弧岩浆中U/Th、Nd/Ta、和Th/Nb比值特征的研究得出,深海沉积物会在俯冲过程中与俯冲板块分离并发生部分熔融,而部分熔融产物进入岛弧岩浆的速率是比较慢的,时间尺度约是2~ 4 Ma。

岛弧岩浆形成机制:目前的研究热点包括地幔物质的绝热加压熔融以及注流熔融。近年来一些学者根据不同地区岛弧火山岩的地球化学特征开始探讨岛弧岩浆作用形成的地质模型。Bourdon 等提出了动力学和连续加入熔融两种模型,动力学模型与连续加入熔融模型最主要的不同之处在于岩浆通过地幔通道脱离地幔的时间尺度。在动力学模型中俯冲板块脱水交代上覆地幔楔物质,使其发生部分熔融形成的岩浆会快速的沿着地幔的通道脱离地幔,而连续加入模型需要更长的时间(1~5 Ma),并且有足够大的地幔熔融区。Debaille等则认为岛弧岩浆的形成过程可以分为两个阶段:第一阶段是水和深海沉积物加入地幔楔使其发生变质,形成洋壳变质相和沉积物变质相两个端员;第二阶段是形成的这两个地幔物质端员发生混合产生岩浆作用。

俯冲带与成矿

板块的俯冲作用导致了板块边缘构造环境、岩浆活动、沉积作用的复杂多样,复杂的构造活动、多源的物质来源与多期次岩浆活动为各类矿床的形成提供了优越的条件。洋-陆俯冲形成的沟-弧-盆体系与洋-洋俯冲形成的沟-弧-弧体系为各类矿床的形成提供了必要形成环境。

如由于板块俯冲挤压形成早期岛弧火山活动,在深部分异出拉斑玄武岩向钙碱性系列岩浆过渡阶段形成的火山沉积岩类Zn-Cu矿床或原始型矿床;在弧前盆地或海沟环境中形成的铜锌黄铁矿型或别子型矿床;在弧后或弧内受张裂作用控制的愈益克拉通化的盆地中形成黑矿型矿床或多金属型(Cu、Pb、Zn)矿床;在弧后或弧间以洋壳为基底的张裂盆地中形成与海底扩张有关的含铜黄铁矿型矿床;在弧后以陆壳为基底的张裂盆地中形成的喷气-沉积型块状硫化物矿床。

另外,板块俯冲方式的不同也会影响矿床的形成,智利型俯冲的弧后挤压有利于斑岩矿床的形成,而马里亚纳型俯冲的弧后拉张有利于黑矿型矿床的形成。