纳斯卡板块俯冲至安第斯山脉中部下方时所携带的各种异质体的地球物理特征

《Journal of South American Earth Sciences》：GEOPHYSICAL CHARACTERIZATION OF THE DIFFERENT HETEROGENEITIES THAT SUBDUCT WITH THE NAZCA PLATE BENEATH THE CENTRAL ANDES

本研究基于地球磁异常模型（EMAG2）、重力垂直梯度（EIGEN-6C4）、地壳热流及地震数据，系统分析了南美板块下方 Nazca板块俯冲过程中的地壳拆解机制。通过揭示Challenger断层带及Juan Fernández、Copiapó、Taltal三个火山链的地幔上涌与异常热流特征，证实了这些结构异质性对南美高原基底岩石圈流动和后弧火山作用的控制作用。

　　

Federico Lince Klinger|Orlando Alvarez|Silvina Nacif|Mario Gimenez|Agustina Pesce|Walter Báez|Ruben Filipovich|Andrés Folguera

CONICET，Volponi地球物理-地震学研究所，圣胡安国立大学精确科学、物理与自然科学学院

摘要

利用地球磁场异常模型（EMAG2）、重力（全球垂直重力梯度）、大地水准面（Eigen6C4）和热流的数据，并结合地震学数据（NEIC），我们能够分析南美洲板块下方中央安第斯山脉的次岩石圈和岩石圈过程。在该区域，纳斯卡板块从南部的智利-潘佩亚平坦俯冲带向北部的阿尔蒂普拉诺高原下方急剧过渡，这一过渡区域以地壳剥离为特征。纳斯卡板块的这一部分存在多个异质性，例如转换断层带Challenger Fault Zone，以及由热点形成的三条无震火山链：Juan Fernández Ridge、Copiapó Ridge和Taltal Ridge，这些都被认为是板块撕裂、异常热流、挥发性物质注入以及软流圈上升的来源。此外，次岩石圈粘度降低与岩石圈剥离有关。大地水准面残差证实了南部阿尔蒂普拉诺地壳增厚的区域存在薄弱部分，这与Challenger断层带及Copiapó和Taltal无震火山链处的低地震活动和高温热流区域相吻合，这支持了先前关于这些异质性控制岩石圈物质下沉和后弧火山活动的观点。

引言

纳斯卡海洋板块具有复杂的地形特征，它与南美洲板块的西部边缘发生碰撞并俯冲。多项研究已经描述了纳斯卡海洋板块上的主要海底地形异质性、它们与活动边缘变形的关系以及地震分段现象（例如Contreras Reyes和Carrizo, 2011; Sparkes等人, 2010）。纳斯卡板块上的高海洋地形特征（HOFs）与板块的暂时性平坦化有关（Gutscher等人, 2000a, b; Kay & Mpodozis, 2002; Ramos, 1999; Ramos等人, 2002; Trumbull等人, 2006; Ramos和Folguera, 2009; Martinod等人, 2010, 2013, 2020; DeCelles等人, 2015a）。全球最大的两个平坦板块之一位于该区域，即与纳斯卡海岭和俯冲的印加高原相关的秘鲁平坦板块（Gutscher等人, 2000），以及通常与Juan Fernández Ridge（JFR, Ya?ez等人, 2001）和Copiapó Ridge（Alvarez等人, 2015）俯冲相关的智利-潘佩亚平坦板块。

Barazangi和Isacks（1976, 1979）首次报道了中央安第斯山脉中的平坦俯冲段，并识别出了次水平的Benioff带。这种低角度俯冲导致板块间摩擦增大，引发更强的地震活动和大规模地震，同时伴随着地壳缩短、安第斯山脉显著的地形抬升以及潘佩亚山脉的形成（González Bonorino 1950; Jordan等人, 1983a, b）。

然而，关于这些俯冲海洋板块的异质性（如Juan Fernández Ridge、Copiapó Ridge、Taltal Ridge、Challenger断裂带）如何影响南美洲岩石圈的知识仍然有限。普纳和潘佩亚山脉南部地区的异常地形抬升与安第斯山脉中的最高海拔地区相当，包括Aconquija山脉（海拔5,552米）、Famatina山脉（海拔6,250米）和Fiambalá山脉（海拔4,920米），这些山脉被深盆地或洼地所分隔，例如Pipanaco（海拔1,100米）、Campos del Arenal（海拔2,200米）和Vinchina盆地（海拔1,800米）。这些非典型的山脉和盆地平均距离海洋沟150公里，而Benioff带位于海平面下100公里处（见图2中的地形）。

在这项研究中，我们分析了不同的地球物理数据集，并直接模拟了纳斯卡海洋板块沿智利边缘碰撞时所产生的各种高海洋地形特征（HOFs）对中央安第斯造山带及其前陆的影响（图1中的红色矩形区域）。

地球物理背景

HOFs在前弧区域产生的变形和地震分段效应是显而易见的。Alvarez等人（2015）在智利中部边缘四个高海洋地形特征（Taltal和Copiapó海岭、Challenger断裂带和JFR）的起始位置报告了莫霍面（Moho）异常增厚的现象。此外，Challenger断裂带（Tebbens和Cande, 1997; Ya?ez等人, 2002）和Juan Fernández海岭也被认为具有这种效应。

垂直重力梯度

垂直重力梯度（Tzz）是通过扰动势的二次径向导数（公式1）获得的，它在检测地壳密度变化方面比重力矢量本身具有更好的理论分辨率（Tscherning, 1976; Rummel等人, 2011; Li 2001）。该方法有助于绘制具有高密度对比的浅层结构，从而确定异常质量的边界。

对于Tzz的计算，我们使用了EIGEN-6C4地球重力场模型。

讨论

来自EIGEN6c4模型的Tzz直接模型和EMAG2模型得到的磁场异常数据（见图3和图4）突显了不同高海洋地形特征（如JFR、Taltal和Copiapó海岭以及Challenger断裂带）在中央安第斯山脉南部阿尔蒂普拉诺地区深处的表现。Juan Fernández海岭（JFR）是由地幔柱活动形成的海山链（Rodrigo和Lara, 2014）。这条海岭总长度为800公里。

结论

来自不同地球物理数据集（如重力、磁力、热流和地震活动）的全球数据使我们能够描述中央安第斯山脉的一部分区域，在这里纳斯卡板块俯冲到南美洲板块下方，形成了JFR、Copiapó和Taltal海岭以及Challenger断裂带等不同的结构异质性。这些结构异质性与纳斯卡板块一起俯冲到南美洲板块下方，导致大陆基底发生改变。

CRediT作者贡献声明

Walter Báez：方法论、研究。Rubén Filipovich：研究、形式分析。Agustina Pesce：方法论、数据管理。Andres Folguera：撰写——审稿与编辑、监督、形式分析、概念构建。Mario Ernesto Gimenez：监督、方法论、研究、资金获取。Silvina Valeria Nacif：可视化、验证、软件使用、形式分析、数据管理。Federico Lince Klinger：撰写——初稿撰写、监督、方法论。Orlando Alvarez：

未引用参考文献

álvarez等人, 2015; Alvarez等人, 2018; Bruns等人, 2014; Gimenez等人, 2023; Heit等人, 2014; Marot等人, 2014; Mulcahy等人, 2014; Sandwell等人, 2014.

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务关系/个人关系：Mario E. Gimenez表示获得了国家研究技术发展与创新机构的财政支持；Mario Ernesto Gimenez与国家研究技术发展与创新机构存在关联，包括资金资助。

致谢

作者感谢Foncyt通过PICTO 2022-14-00004项目对圣胡安国立大学和CONICET的研究提供资助。