地球板块构造体制之下，一个新的俯冲带的起始过程和机制是板块构造和威尔逊旋回理论最薄弱的环节。国科大地学院计算地球动力学重点实验室李忠海团队为之进行了系统的动力学模拟研究，相关成果最近在《科学》杂志子刊《Science Advances》和国际著名地球物理专业期刊《Geophysical Research Letters》、《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》陆续发表。

   一般而言，板块俯冲起始可能发生在两个部位，一是大洋板块内部的薄弱带（洋中脊、转换断层、破碎带等）；二是大洋和大陆的过渡带（被动陆缘）。无论是大洋内部还是被动陆缘的俯冲起始，都既可能是自发的（自身重力驱动），也可能是诱发的（远程作用力驱动）。关于大洋内部薄弱带的俯冲起始，前人进行了较多的模拟和研究(e.g., Zhou et al., 2018)，一般认为年轻的上覆岩石圈（从而较小的阻力）是该自发俯冲起始的先决条件，从而转换断层和上盘洋中脊的三联点处阻力最小，最有利于俯冲起始的发生，而后向两侧拓展；该俯冲起始的另一个必要条件就是两侧岩石圈较大的年龄差，而现今地球上转换断层两侧的岩石圈年龄差和密度差不够大，因此驱动力一般难以克服阻力而自发的俯冲起始。对于典型的被动陆缘而言，其岩石圈流变强度一般大于大洋内部转换断层处，因此更难以自发的俯冲起始，而需要额外的远程作用力的参与。那么到底需要多大的作用力？而这些作用力又来源于何种构造环境呢？

   首先，Zhong & Li (2019) 构建了新的、边界应力驱动的俯冲动力学数值模型，发现俯冲起始所需要的推动力随着大洋岩石圈年龄的增大而增大（图1）。在正常的板块构造推动力下（~3×10¹² N/m），年轻的大洋岩石圈（≤30 Ma）可在被动陆缘发生俯冲起始，但古老的大洋岩石圈和被动陆缘无法起始。进而揭示东南亚的年轻洋盆正在进行的俯冲起始与远程推动力相关（图2），但该作用力无法驱动大西洋型古老被动陆缘发生俯冲起始。

图1、应力边界条件驱动的被动陆缘俯冲起始模型

图2、东南亚年轻洋盆和大西洋古老被动陆缘的洋壳年龄对比

   进一步聚焦大西洋型被动陆缘的俯冲起始问题，考虑到现今西大西洋域已经存在两个小的俯冲带（南部的Scotia和中部的Lesser Antilles，图2c），那么直觉的想法是这些小的俯冲带能否沿走向扩展，从而诱发整个大西洋被动陆缘的俯冲起始呢？这种俯冲带沿走向扩展的演化历史也可能已经发生在其他地区（图3）。针对该问题，Zhou et al. (2020) 构建了系统的、高分辨三维数值模型，发现被动陆缘俯冲起始沿走向的扩展是比较困难的，需要的两个主要条件是被动陆缘的弱化及周缘俯冲板块较大的拉力（图4）。进而通过系统的地质对比，揭示大西洋被动陆缘无法沿着Scotia俯冲带进行扩展，但Lesser Antilles俯冲带的北向扩展是可行的，取决于现存薄弱带的弱化程度。

图3、现今地球上的板块俯冲带沿走向扩展的可能实例

图4、三维俯冲模式依赖于俯冲板块年龄、被动陆缘弱化程度及地幔岩石的应变弱化效应

   除了针对现代大洋板块系统的俯冲起始问题研究之外，进一步聚焦特提斯系统演化过程中的古俯冲带起始动力学。特提斯演化可以看作多期次的威尔逊旋回，该过程伴随着地体与上覆板块的碰撞，进而与之相邻的大洋板块可能形成一个新的俯冲带（图5）。针对这种地体碰撞诱发的俯冲带跃迁问题，Zhong and Li (2020)构建了系统的动力学模型，揭示较大的边界应力及弱化的被动陆缘是发生俯冲起始跃迁的关键因素，进而发现被动陆缘俯冲起始滞后于地体的碰撞拼合，但时间间隔较短（10 Ma尺度），从而很好的解释了特提斯系统的岩浆记录并揭示其动力学机制。

图5、特提斯演化过程中的地体碰撞-拼贴与俯冲带跃迁

   该研究成果系统的厘清了板块构造体系新的俯冲带的起始机制，既解读了现今大洋板块俯冲起始规律，又揭示了特提斯系统等古俯冲带起始的控制因素；弥补了地球动力学演化的最薄弱环节，发展和完善了板块构造理论。

   该研究得到了国家自然科学基金重大研究计划重点项目和中科院先导专项B等的支持。

   李忠海团队相关论文：

   Zhou X., Li Z.-H.*, Gerya T., Stern R., (2020). Lateral propagation induced subduction initiation at passive continental margins controlled by pre-existing lithospheric weakness. Science Advances, 6: eaaz1048.

   Link: https://advances.sciencemag.org/content/6/10/eaaz1048.full

   Zhong X.Y., Li Z.-H.*, (2020). Subduction initiation during collision-induced subduction transference: Numerical modeling and implications for the Tethyan evolution. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 125: e2019JB019288.

   Link: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019JB019288

   Zhong X.Y., Li Z.-H.*, (2019). Forced subduction initiation at passive continental margins: velocity-driven versus stress-driven. Geophysical Research Letters, 46: 11054-11064.

   Link: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019GL084022

   Zhou X., Li Z.-H.*, Gerya T., Stern R., Xu Z., Zhang J., (2018). Subduction initiation dynamics along a transform fault control trench curvature and ophiolite ages. Geology, 46: 607-610.

   Link: https://doi.org/10.1130/G40154.1

在经典的板块构造学说中，一般认为冈瓦纳超级大陆（是大陆漂移说所设想的南半球超级大陆，它因印度中部的冈瓦纳地方而得名，包括现今的南美洲、非洲、澳大利亚、南极洲以及印度半岛和阿拉伯半岛等）裂解，形成特提斯洋（在地质历史上存在过的，横贯赤道附近的大洋，以希腊神话中一位女神Tethys的名字命名），部分向北漂移的陆块碰撞、拼贴到欧亚大陆南缘，最终在新生代隆升形成了巍峨耸立的青藏高原。

近20年来，地球科学学院张开均教授、张玉修副教授的科研团队，在青藏高原开展系统的野外地质调查，对羌塘地区展布的沉积岩-火山岩地层进行了详细研究（图1）。岩石学、岩相学、矿物学、年代学、元素-同位素地球化学、古生物地层学等研究结果表明2.8亿年前的早二叠世（Sakmarian–Kungurian），羌塘地区覆盖有面积>68.4万平方公里，厚度达1.5-2.0公里的玄武岩，玄武岩具有洋岛型玄武岩（OIB）特征，指示地幔柱成因。同期地幔柱成因的玄武岩广泛分布在拉萨地体、藏南-印度北部、三江地区，乃至塔里木地体等地，羌塘地幔柱引起的玄武岩覆盖面积可达100万平方公里。该研究认为羌塘地幔柱在早二叠世冈瓦纳超级大陆（Gondwana）的裂解、特提斯洋的形成演化过程中扮演重要角色（图2）。

近日，该研究成果发表在国际地球科学期刊Gondwana Research（IF: 8.743. Zhang Yu-Xiu, Zhang Kai-Jun, Early Permian Qiangtang flood basalts, northern Tibet, China: A mantle plume that disintegrated northern Gondwana? Gondwana Research, 2017, 44: 96-108. 原文链接: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1342937X16304191）。

责任编辑：周逍遥

图1：（A）羌塘地幔柱的影响范围，（B）西羌塘和中羌塘早二叠世玄武岩的分布。

图2：早二叠世羌塘地幔柱造成冈瓦纳大陆的裂解与特提斯洋的形成。

    丁仲礼校长在致辞中首先向到访的各位专家介绍了国科大科教融合的体制、小规模精英化的本科生培养方式以及院所融合的科研情况。他表示，本项目是学校历史上承担的第一个国家自然科学基金重大项目，具有重要意义。他希望年轻同志能够以此为平台，在院士专家的指导下，快速成长，为学校未来第二个重大项目而努力奋斗。

    柴育成常务副主任对获批国家科学基金重大项目表示祝贺。他表示，本项目能够在50份立项建议书中脱颖而出实属不易。随后，他从重大项目的基本定位、经验教训以及实施管理三方面分享了重大项目实施的经验体会。最后，柴育成常务副主任宣读了项目实施学术领导小组名单以及项目管理工作组名单。

    项目负责人石耀霖院士首先汇报了项目总体情况。该项目将着力于阐明青藏高原侧向生长及陆内造山的地球动力学过程和机理，探索该区构造演化和地震孕育环境的内在联系，实现地表构造变形、断层地震活动与深部三维构造活动相联系的定量化模型计算，探索统一的地球动力学解释。青藏高原东北缘是正在发育的青藏高原和正在破坏的华北克拉通之间的构造转换带，新生代以来构造变形十分强烈，整个地区都正在遭受着地壳缩短和水平剪切，并且伴随着垂直隆升作用，构成了青藏高原最新的、正在形成的组成部分。本次重大项目将在既有工作基础上，补充关键地区的地质观测和高分辨率地球物理探测资料数据，利用高分辨率超大规模并行有限元数值模拟技术，对该区域既有和全新的概念性演化模型进行充分甄别、检验、进一步完善和提升，从而获得四维地球动力学时空演化模型，推进青藏高原隆升过程及其对周缘演化和陆内造山机制的认识，提升我国地球动力学界在国际学术界的影响力，并为我国在该地区的防震减灾工作奠定新的理论基础。

与会专家听取了首席科学家石耀霖院士与各课题负责人的汇报，讨论了项目研究内容与实施方案并提出了意见与建议

中国科学院地学部主任陈颙院士首先发言并提出宝贵建议

项目实施学术领导小组副组长张培震院士发言

地球科学部三处处长于晟研究员发言

出席项目启动会的还有地球科学部三处处长于晟研究员，科研处处长乔从丰教授。项目实施学术领导小组副组长张培震院士、陈运泰院士。项目专家陈顒院士、张国伟院士、邓起东院士、刘启元研究员、王二七研究员。课题负责人高锐院士、张怀教授、郑文俊研究员、陈九辉研究员。学校科技处和各课题组相关成员也出席了启动会。

石耀霖院士和杨少华博士一篇关于山西宁武“万年冰洞”冰体持续存在机制的数值模拟文章引起了BBC News的注意。冰洞是指在自然条件下常年保存有冰体的洞穴。在年平均气温高于0℃的自然条件下存在少量常年保存有冰体的洞穴，是一种十分罕见的现象。山西宁武“万年冰洞”是国内已发现的规模最大的冰洞，如何合理解释其内部冰体的形成和保存机制是一个科学难题。

研究团队通过有限元暂态数值计算，模拟冰洞四季热传递过程认识到，冰体得以持续存在的控制因素有两个：（1）冬季外部空气比冰洞内空气冷，外部冷空气通过冰洞口，与冰洞内空气发生自然热对流，使冰洞内部冷却；春、夏、秋季外部空气比冰洞内热，冷空气沉在洞底，效率很低的热传导不足以使冰洞内温度显著上升；（2）由于冰一水相变潜热作用，即使夏季靠近洞口部分冰体融化，也需吸收大量热量，从而进一步阻止冰洞内部冰体的融化。计算结果显示，如果一些冰洞开发为游览景点后在洞口设置密封门，切断冬季冷空气进入洞内自然对流冷却洞体的通道，冰洞内冰体在不到40年时间内将全部融化，“万年冰洞”将被人为破坏。

    这项研究不仅对科学普及具有重要意义，也为冰洞的科学保护敲响了警钟。美国科学新闻网也进行了相关报道（https://www.sciencenews.org/article/how-melt-ice-cave）。