研究背景

俯冲如何起始，是板块构造理论的关键问题，然而俯冲起始机制至今仍未完全阐明。转换断层/破裂带，因自身的构造薄弱性和应变易集中性，被认为是俯冲起始的有利位置。前人在该构造背景下的俯冲起始机制研究，大多忽视板片的三维属性，并未考虑自然界普遍存在的俯冲侧向传播过程。由此引出一个关键问题：俯冲侧向传播过程，会对相邻大洋板块产生何种影响？

研究成果

1. 模拟实验结果

针对这一问题，海底科学与划界全国重点实验室“海底演化与动力过程”团队王春阳副研究员（第一作者），丁巍伟研究员（通讯作者）与荷兰阿姆斯特丹自由大学Wouter P. Schellart教授合作，采用岩石圈尺度三维物理模拟的方法开展了系统研究。

研究揭示，板块间耦合程度决定了俯冲侧向传播过程中相邻板块的构造响应方式（图1）：（1）在强耦合条件下，俯冲板片的侧向传播可弯曲并牵引部分侧边板块物质进入上地幔，形成负浮力，从而在相邻板块触发俯冲起始；（2）在弱耦合条件下，侧边板块物质难以被有效带入上地幔，两板块间主要发育走滑/撕裂断层；（3）在中等耦合条件下，展现中等程度的变形，少量侧边板块物质被带入上地幔，无法形成足够的负浮力驱动俯冲起始。

图 1 不同板块耦合条件下俯冲侧向传播的物理模拟结果 

(A) 原始实验斜视图与 (B) 对应的解释示意图，展示三种不同板块间耦合程度下的构造响应：(a) 强耦合, (b) 中等耦合及 (c) 弱耦合. (C) 强耦合实验中, 侧边板块物质即将被牵引入地幔时的位移场, 红色方框标示出两板块斜向汇聚的应变集中区. (D) 强耦合条件下剖面视图，呈现侧边板块物质逐步被牵引进入地幔的过程, 其中LP为侧边板块, SP为俯冲板块.

那么，为何仅强耦合条件下能诱发侧边板块发生俯冲起始？研究表明，俯冲板片侧向传播导致两板块发生斜向汇聚；只有在强耦合条件下，斜向汇聚产生的水平挤压应力与俯冲板片向下的拖曳力才能有效地传递至侧边板块，实现应变集中，进而使侧边板块局部被弯曲、牵引至上地幔，最终形成俯冲起始（图2）。反之，在弱或中等耦合情况下，斜向汇聚应力难以有效传递至侧边板块，板块间通常以走滑/撕裂断层的方式调节变形。

图 2 侧边板块平面面积应变演化过程 

图中展示X与Y轴方向的正应变之和 (∇u(x,y)=ε_xx+ε_yy), 其中红色表示正值(伸展), 蓝色表示负值(挤压). (a) 侧边板块俯冲起始前，应变呈现低幅度弥散分布; (b) 应变开始在板块边界处集中; (c) 侧边板块发生俯冲起始，板块边界产生明显挤压应变，反映侧边板块物质被弯曲并带入地幔. (d) 进入自持性俯冲阶段后,应变持续集中于新生的俯冲带区域.

2. 与自然界实例类比

我们的物理模拟实验，虽然采用简化模型，但对自然界俯冲带，尤其是涉及侧向传播的洋-洋板块边界俯冲带仍具有重要启示意义，例如小安的列斯-波多黎各俯冲带（Lesser Antilles-Puerto Rico Subduction zone）和斯科舍俯冲带（Scotia Subduction zone）。

（1）强耦合实例 (图3)

小安的列斯-波多黎各俯冲带位于北美和南美板块之间，两者以15-20º转换断层/破裂带(Fifteen-Twenty Fracture Zone, FTFZ)分为界。当前GPS观测表明两板块相对运动微弱，处于强耦合状态。板块重建结果显示，加勒比海板块北部边界在新生代中期（25-30 Ma）为转换断层，至新生代末期在其东段逐渐演化为俯冲带。此外，地震层析成像揭示，北段哥斯达黎加板片俯冲深度约240 km，而南段的小安的列斯板片俯冲深度可达800 km (van Benthem et al., 2013)。这与我们的强耦合实验结果高度吻合，我们推测，南段的小安的列斯区域率先发生俯冲，随后俯冲沿着转换断层/破裂带向东侧向传播，诱发了转换断层另一侧北美板块内部的俯冲起始，从而形成波多黎各俯冲带（图3E）。

图 3 小安的列斯-波多黎各俯冲带的地球动力学特征及演化过程

(A) 区域构造图,白色虚线标示15-20º破裂带(Fifteen-Twenty Fracture Zone, FTFZ), 其为北美板块和南美板块的分界。(B) 基于Braszus et al. (2021)修改的30 Ma与现今(0 Ma)的板块重建; (C) 基于García-Reyes and Dyment (2021)修改的25 Ma与现今(0 Ma)的板块重建; (D) 基于van Benthem et al. (2013)修改的25 Ma与现今(0 Ma)的板块重建; (E) 依据本研究强耦合实验结果构建的俯冲带演化概念模型.

（2）弱耦合实例（斯科舍俯冲带）(图4)

斯科舍俯冲带位于南大西洋，其南界为分隔南美板块与南极洲板块的南美-南极洲脊（South America-Antarctica Ridge）。我们推测此处两板块耦合程度较弱，主要基于：（1）该脊早期为扩张脊体系；（2）现今南美与南极洲板块之间仍存在显著的相对运动。本研究的弱耦合实验表明，在该条件下，俯冲作用主要局限于南美板块一侧，难以跨越板块边界扩展至南极洲板块内部。相反，板块边界处更易于发育走滑/撕裂断层（如STEP faults），这一弱耦合条件下的构造响应与斯科舍俯冲带实际特征具有较好的一致性。

图 4 (A) 斯科舍俯冲带的区域构造图. (B) 斯科舍俯冲带及其邻区的板块重建 (80, 60, 40和0 Ma), 修改自Schellart et al. (2023).

文章信息

研究成果近期发表在国际地学权威期刊《Earth and Planetary Science Letters》，本研究得到了国家自然科学基金项目（42025601, 42476071, 42076080）、科技部重点研发项目（2023YFF0803404）等项目资助。

文章信息：Chunyang Wang (王春阳) *, Weiwei Ding (丁巍伟) *, Wouter P. Schellart, Zhengyi Tong (童政毅), Yinxia Fang (方银霞), Jiabiao Li (李家彪), 2026. A new Subduction Initiation Mechanism Induced by Lateral Subduction Propagation. Earth and Planetary Science Letters, 675, 119768. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119768

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X25005667

References:

Braszus B., et al., 2021. Subduction history of the Caribbean from upper-mantle seismic imaging and plate reconstruction. Nature Communications 12, 4211.

García-Reyes, A. & Dyment, J., 2021. Structure, age, and origin of the Caribbean Plate unraveled. Earth and Planetary Science Letters 571, 117100.

Schellart, W. P., Strak, V., Beniest, A., Duarte, J. C. & Rosas, F. M., 2023. Subduction invasion polarity switch from the Pacific to the Atlantic Ocean: A new geodynamic model of subduction initiation based on the Scotia Sea region. Earth-Science Reviews 236, 104277.

van Benthem, S., Govers, R., Spakman, W. & Wortel, R., 2013. Tectonic evolution and mantle structure of the Caribbean. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 118, 3019–3036.