近日，国家精密重力测量科学中心地球物理团队在造山带岩石圈拆沉作用的动力学模拟研究中取得新进展。岩石圈对流减薄（Lithospheric convective thinning /dripping）是造山带岩石圈拆沉进入深部地幔的基本机制之一，然而其动力学控制机制仍不明确。研究团队利用数值模拟方法揭示了地幔流与造山带规模共同控制岩石圈对流减薄的过程，相关研究成果以“Dual controls on lithospheric dripping: The role of mantleflow and orogen scale”为题，发表于地球物理领域顶级期刊《Earth and Planetary Science Letters》。

岩石圈对流减薄是拆沉的基本机制之一。部分致密的岩石圈具有较高的负浮力，在足够且波长合适的扰动下，可能触发Rayleigh-Taylor不稳定，致使其底部以对流的形式从岩石圈中拆离，像雨滴一样“滴落”（“drip”）进入深部地幔。传统的岩石圈对流减薄模型强调岩石圈内部动力学过程，其特征为对称的岩石圈下沉、与之对应的对称地表起伏和岩浆活动，这与小而冷型造山带的观测一致，但是无法解释在某些大型造山带（如安第斯山脉中部的盆地）的不对称观测。这种空间上解耦的岩浆-地形特征表明地幔流是一个关键的调节器，通过底部剪切应力改变了对流减薄的几何形态，从而导致非对称的地形响应。这些差异体现了在不同造山带结构下，研究岩石圈和地幔耦合作用在对流减薄过程中的必要性。

本研究用数值模型来研究地幔流如何与不同造山带结构的相互作用，从而调节对流减薄的模式。研究结果表明，薄而冷的造山带保持着强烈的岩石圈内部耦合，限制了地幔流的影响，从而产生经典的对流减薄样式，表征为局部、近乎垂直的不稳定性下沉和对称的地表响应。相比之下，厚、热且宽度适中的造山带，其岩石圈黏度较低，内部耦合较弱，使得地幔流能够夹带并放大岩石圈对流减薄，导致大范围的岩石圈减薄以及横向偏移的地形和岩浆响应。造山带宽度影响岩石圈减薄的程度和范围。宽造山带保持高的岩石圈黏度，致使更局部的岩石圈移除。岩石圈减薄局限于滴落体（“drip”）邻近区域。这些结果可以解释在不同造山带中观测到的对流减薄模式和地表响应，表明岩石圈对流减薄由地幔流与造山带结构共同控制，造山带的热-力学结构控制着其对底部地幔流的敏感性。该结果为理解地幔-岩石圈相互作用以及尺度依赖的造山带演化提供了新的见解。

华中科技大学国家精密重力测量科学中心王慧琳副研究员为论文通讯作者，2022级博士生汪秋菱为第一作者，合作作者为北京计算科学研究中心李壮硕士。研究工作获得国家自然科学基金的资助以及国家精密重力测量科学中心的支持。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X2500593X