在東南亞地區存在著很多年輕的俯沖帶，這些俯沖帶發生俯沖起始的時間只有幾個百萬年（圖1）。這些地區雖然各自屬於不同俯沖起始的階段，但有著相似的構造特征：還沒有發生俯沖起始的地區似乎都位於角落裏；而在已經發生俯沖的地區，俯沖板片的幾何形狀都呈現為一個三角形：海溝中部俯沖板片深度最大，沿著海溝兩側方向俯沖板片深度逐漸變小，這也同樣暗示著俯沖起始在角落裏開始。那麽為什麽該地區的俯沖起始都最始於角落裏，角落結構對於俯沖起始有什麽樣的影響？隨著計算能力的發展，雖然有一些3D模型被用於俯沖起始的研究，但是還沒有數值模型可以用來驗證東南亞地區角落處的俯沖起始。
圖1 （a）東南亞的洋盆和俯沖帶。NBS表示北班達海，SBS表示南班達海；（b）北班達海及其周邊地區測深圖；（c）北蘇拉威西和哥達巴托海溝中的西裏伯斯海板塊俯沖圖（灰色不規則多邊形表示直接投影到表面上的俯沖板塊的形狀，紅色不規則多邊形是重建的俯沖板塊在表面的範圍）；（d）俯沖板表面重建示意圖。黑線代表俯沖的板塊。計算出的長度投影到平面上顯示為紅線
針對以上問題，中國科學院地質與地球物理研究所海陸油氣綜合地球物理團隊董渺副研究員、郝天珧研究員等，透過多組三維地球動力學數值模擬試驗，研究了角落結構對俯沖起始的影響，最終得出結論：在小型洋盆中，無論角的大小和角度如何，俯沖都是在角的頂點開始的。小角度的拐角會促進俯沖起始，但角度大於120°的拐角不利於俯沖起始，反而可能會阻礙俯沖起始的發生。
研究采用ASPECT軟體進行數值模擬計算，初始模型由上覆板塊、大洋板塊和兩者之間的薄弱帶組成（圖2a）。角的幾何形狀透過角度α，和彎曲的邊界寬度D來控制（圖2b）。記錄下來俯沖板片到達200km深度時的時間作為完成俯沖起始的時間，以此作為根據來判斷俯沖起始難易程度（圖2c）。
直的洋-陸邊界模型為參考模型（模型0）。模擬結果表明：對於彎曲邊界的模型，在D相同或頂點位置h相同的情況下，角度越大，完成俯沖起始的時間越長，角度越小則越容易完成；但在角度相同的情況下，完成俯沖起始的時間與間距D和頂點位置h均不是線性相依。無論板塊邊界角的間距和角度的大小，最先開始下插彎曲的地方都是角最頂點的位置，最先完成俯沖起始的位置也是角的最頂點（圖2c），俯沖板塊首先在板塊中段達到200km的深度（圖2d）。
圖2 （a）初始模型設定，包括幾何形狀、邊界寬度D、角度α；（b）不同模型實驗中角的幾何形狀；（c）模型0-3的最終結果僅顯示了海洋地殼和海底巖石圈地幔。模型1-3具有相同的D（200 km）和不同的角度（α）；（d）模型2在y=0 km（前部）、y=200 km（中部）和y=400 km（後部）的剖面圖
這是因為無論角度大小，邊界角結構會將應力集中在頂點（圖3a），這使得角的頂點比其他地方更容易發生形變。隨著俯沖起始的開始，邊界角的整體面積會逐漸變小。不同模型的減小程度不同（圖3b）。小角度的邊界角度，力在z方向上的分量足夠大，使上覆板塊發生形變，角落的頂點位置逐漸閉合。因此位於頂點處的大洋板塊能很快下沈到軟流圈中，並促進俯沖起始的發生。由於這種小角度角的幾何結構的不穩定性，因此很難在地球表面很難存在很大範圍的銳角的角落結構。
圖3 （a）模型1、2、3初始階段上表面（y=0 km）的切應力；（b）角幾何形狀的演化。虛線表示初始階段D和h的長度。∆h表示h長度的減小。黑色箭頭表示速度
對於大角度的邊界角來說，密度差產生的作用力在z方向的分量太小，很難改變角落裏上覆板塊的形變，因此長度h變化比較小，上覆板塊更傾向於沿著x方向整體向大洋板塊運動。由於大角失去了應力聚焦效應使得整個陸緣來承擔洋-陸之間密度差所產生的應力，因此大角對俯沖起始的影響很小。
本研究透過數值模擬的方法研究了角落幾何結構對俯沖起始的影響，強調了在研究俯沖起始的動力學時三維幾何結構的重要性，這有助於我們更好的理解發生在地球不同位置的俯沖作用。
研究成果發表於國際學術期刊 GRL （董渺, 郝天珧, 李月, 張健, 方桂. Subduction initiation at the corner of small oceanic basins[J]. Geophysical Research Letters , 2024, 51: e2023GL107440. DOI: 10.1029/2023GL107440）。 該研究受國家自然科學基金西太平洋地球系統多圈層交互作用重大研究計劃重點計畫（91858212）、國家自然科學基金（42276072, 42176052, 42306084），中國科學院國際合作局國際合作夥伴計劃計畫（132A11KYSB20180020）和中國科學院先導計畫（XDB42020104）聯合資助。模擬計算在北京超級雲端運算中心上完成。
美編：傅士旭(華東師大）
校對：萬鵬
