研究背景

区域尺度的地球动力学模型表明，海底高原俯冲能够显著影响板片行为，并与平板俯冲、板片断离、板片撕裂及海沟进退等事件密切相关。然而，现有模型所考虑的有限地幔区域，对边界条件，尤其是计算域侧边界较为敏感。同时，由于忽略了背景地幔流动与板块网络的相互作用，这类模型也无法评估海底高原俯冲在超过1亿年时间尺度上对板块构造演化的影响。因此，海底高原的有关物理与流变学参数如何影响海沟演化及全球构造，仍缺乏清晰认识。

研究成果

针对上述问题，海底科学与划界全国重点实验室海底地貌演化与沉积过程团队刘洋助理研究员（第一作者）、吴自银研究员（通讯作者），与法国蔚蓝海岸大学Nicolas Coltice教授、索邦大学Laetitia Le Pourhiet教授合作，采用具有自洽板块构造行为的三维球形地幔对流模型（图1），探究了海底高原的几何形态和流变学特性如何控制海沟几何形态和俯冲板块在多个时空尺度上的行为。

研究表明，岩石圈总密度小于3140 kg/m³的海底高原可以形成弧形海沟地貌，较大浮力会加剧其曲率和板块变形。在较低浮力下，弧形海沟的形成需要较高黏度，而较高屈服应力即使没有浮力也能产生弧形海沟。海底高原浮力、黏度、屈服应力、几何形态的变化会调节海沟在短时间和长时间尺度上的迁移。大型海底高原（长1200 km，宽2400 km，厚270 km）俯冲会显著减缓海沟后退，并可能终止俯冲作用，触发板块断离。值得注意的是，海底高原俯冲导致的局部弧形海沟地貌，随后会经历“愈合过程”，最终弧形消失，仅留下长期累积的海沟后撤延迟。实验结果与现今小笠原高原的俯冲过程具有可比性，在具备强流变海底高原俯冲背景下，重建了北马里亚纳弧形海沟段的形成演化模式。据此，团队进一步探究了其对全球构造的影响，强流变海底高原在俯冲超过 1 亿年后，改变了地幔-岩石圈耦合和板块边界运动学，导致远距离的边界移动，并逐渐重组全球构造系统，包括海沟和洋脊的消亡与新生（图2）。

图1. 初始模型设置。

洋脊为橙色，海沟为浅蓝色。绿色区域表示海底高原，黑色箭头表示表面速度。

图2. 海底高原俯冲100Myr和200Myr后的全球板块边界。

（a，c）分别展示了无海底高原俯冲的参考模型，而（b，d）则分别展示了有海底高原俯冲的实验模型。渲染表面为温度等值面，颜色根据散度而定，黑色实线代表参考模型（M0h），洋脊为橙色，海沟为浅蓝色，箭头表示表面速度。

文章信息

该论文成果最近在线发表在国际权威期刊《Geophysical Research letters》上。本研究得到了国家重点研发计划（2022YFC2806600）、浙江省自然科学基金（LQN26D060002）、海底科学与划界全国重点实验室自主课题（SGLabZZKT2025-02）、国家留学基金委（202006230182）等项目联合资助。

Liu, Y.（刘洋）, Coltice, N., Le Pourhiet, L., & Wu, Z*.（吴自银）. Regional-to-global tectonic and trench-morphology effects of oceanic plateau subduction[J]. Geophysical Research Letters, 2026, 53(7): e2025GL120357. https://doi.org/10.1029/2025GL120357