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在洋陆俯冲体系中，热的洋陆弧后区域存在地幔岩石圈薄、表面热流高等特征，其成因不明。研究人员通过热机械模型实验，研究地体增生在洋陆俯冲中的作用。结果表明地体增生可解释这些特征，为理解洋陆俯冲系统提供新视角。
在地球的地质构造中，洋陆俯冲体系里的大陆弧后区域一直是地质学家们关注的焦点。这些区域呈现出多样的构造行为，从伸展（如爱琴海）到相对稳定（如加拿大科迪勒拉山脉），再到大规模缩短（如喜马拉雅山脉），其动态变形历史复杂，交替出现缩短、静止和伸展阶段。而且，部分弧后区域有着独特的特征，像爱琴海是一个热且薄的伸展弧后系统，加拿大科迪勒拉山脉区域热流密度高、岩石圈流变学性质弱。
然而，对于这些区域中热的、具有极薄地幔岩石圈和极高表面热流的洋陆弧后区域的成因，科学界一直存在争议，尚未有明确的解释。传统的解释机制，如对流地幔岩石圈移除、弧后伸展等，都存在一些难以解释的问题。例如，对流地幔岩石圈移除需要地幔岩石圈普遍弱化且成分致密，但很难解释是什么导致在离海沟 800 公里的区域出现这种情况；弧后伸展无法解释在中等变薄的大陆地壳下几乎完全缺失的地幔岩石圈；而榴辉岩化下地壳和地幔的分层作用，虽然在局部可能可行，但难以解释在远离海沟的广大区域出现的相关现象。
为了解开这些谜题，研究人员开展了深入研究。他们运用二维（2D）热机械模型，探究大陆地体增生在洋陆俯冲过程中的作用。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为理解洋陆俯冲系统的长期动力学提供了重要依据。
研究人员采用的主要关键技术方法包括：利用 2D 任意拉格朗日 - 欧拉有限元模型 FANTOM，求解动量、质量和热能守恒方程，模拟热机械耦合、不可压缩、平面应变、粘塑性蠕变流动；通过设定不同的材料属性和边界条件，如改变俯冲板块速度、海洋岩石圈热年龄等，观察模型的演化。
研究结果
- 模型 1 和模型 2 的演化特征：研究人员展示了两个仅俯冲板块速度不同的模型。模型 1 中，俯冲海洋板块速度较低（voc=2 cm/year），经历了稳定俯冲、微大陆连续增生、弧后相对静止和稳定俯冲、俯冲回滚和弧后广泛伸展等阶段，最终形成约 600 公里宽的弧后区域，大陆地壳覆盖在热地幔之上。模型 2 中，俯冲海洋板块速度较高（voc=5 cm/year），初期与模型 1 类似，但在三个微大陆完全增生后，俯冲海洋板块仅有轻微后退，最终阶段呈现出交替的伸展、静止和缩短。
- 敏感性测试结果：补充模型 SM1 - SM13 测试了对俯冲板块速度和海洋岩石圈热年龄的敏感性。结果表明，中等至低俯冲板块速度会导致弧后伸展，而较高速度则与弧后稳定或缩短相关。海洋岩石圈的热年龄会影响弧后变形模式的转变，较年轻的海洋岩石圈会使较低俯冲速度下的弧后出现缩短。
研究结论和讨论
模型结果显示，多个微大陆地体的增生能够自然地形成大陆弧后区域，使得地壳覆盖在热地幔之上。弧后区域的构造变形样式受俯冲海洋板块速度与板块自然下沉速度的相对关系控制。当俯冲海洋板块速度低于自然下沉速度时，板块拉力主导，导致弧后伸展；当速度高于自然下沉速度时，会阻止板块后退，使弧后区域稳定或缩短。
这一研究结果对解释自然系统具有重要意义。以希腊地区为例，其低俯冲板块速度和板块后退的特征与模型 1 相符，经历了地体增生、板块回滚、弧后伸展等过程，形成了现今薄的伸展地壳和高热流的弧后区域。安纳托利亚高原是希腊系统的侧向延续，同样经历了一系列地体增生事件，模型结果能够解释其大陆地壳增厚、地幔岩石圈极薄的现象。加拿大科迪勒拉山脉是高俯冲板块速度的典型例子，模型 2 能很好地再现其特征，包括地体增生后的相对稳定俯冲、热地幔上的厚弧后地壳以及上覆板块的伸展和缩短事件。
此外，该研究还对一些地质现象提供了新的解释。例如，许多增生造山带中存在的低压、高温麻粒岩变质组合，以往的解释存在矛盾，而该研究认为微大陆增生过程中的地幔岩石圈分层和俯冲可以解释这种同时出现的缩短和加热现象。
总之，该研究通过热机械模型实验，证明了地体增生能够解释薄热洋陆弧后区域的一系列神秘观测结果，这些结果是地体增生的直接后果，无需大规模弧后伸展或对流移除弱地幔岩石圈根部。研究成果为理解洋陆俯冲系统的长期动力学提供了预测框架，对深入研究地球的地质构造和演化具有重要的推动作用。
