消失的板块之Nazca板块俯冲与安第斯山脉形成：来自地球物理学和地球动力学的新认识
▲图1. 世界海底地形图（1977年，Bruce Heezen and Marie Tharp）
前言
纵贯中南美洲西岸的安第斯山脉是地球上最重要的地形特征之一，是亚洲（喜马拉雅山脉）之外最高的山脉，素有“南美洲脊梁”之称。从中美洲向南绵延至南美洲南端，是世界上（大陆）最长的山脉（图1），属美洲科迪勒拉山系的一部分。
安地斯山脉普遍被认为是中生代-第三纪以来Nazca板块和南极洲板块不断向南美洲板块俯冲（subduction）而形成的（图2），在此过程中伴随着浅部的多期次、局部的变形作用，岩浆活动和地形变动，以及深部的板片俯冲角度变化、断开甚至穿插至下地幔中。
Nazca板块的俯冲历史与安第斯山脉的隆起过程密切相关。在中生代Nazca板块的前身Farallon板块位于太平洋板块和北美板块之间，随着超大陆解体Farallon板块北部主体开始向北美板块西岸俯冲，形成北美西部的山地（图2）。在大约23Ma Farallon板块裂解，现今Juan de Fuca板块、Cocos板块和Nazca板块等均是其残留板块部分（图3），在北美原Farallon俯冲带已经深入到犹他州等地下部地幔中，部分太平洋洋中脊已经被挤压叠加到北美大陆之下。而南部残留的Nazca板块受洋中脊推力作用则不断向南美板块俯冲，形成如今的安第斯山脉主体，自晚中生代85Ma以来有大约超过5500千米的岩石圈因俯冲而消失于地幔中。
▲图2. Farallon板块向北美板块的俯冲示意图（修改自USGS）
▲图3. 世界主要板块及边界（USGS）：红线-离散型边界，绿色-汇聚型边界，蓝色-转换型边界。
传统的关于Farallon-Nazca板块俯冲与安第斯山脉形成的动力学模型，认为俯冲作用和南美大陆地壳的挤压/加厚、安第斯山脉的隆升是自中生代以来的连续渐进的过程，但是安第斯山脉的隆升就位却是离现在更近的时间（不同研究结果在130Ma-50Ma之间，即早白垩纪-早新生代），而且俯冲板片与深部地幔的相互作用也会对安第斯山脉的隆升有重要影响，而不是简单只考虑地球浅表的构造作用力。
来自美国休斯敦大学一个研究小组Chen et al.(2019)利用地球物理层析成像数据，还原了俯冲Nazca板片的几何构造，并重建了自晚中生代以来的安第斯板块构造模型。结果显示，晚白垩纪（大约80 Ma）Nazca板块俯冲起始于北安第斯（5º S），然后向南推进，到早新生代（大约55 Ma）到达南安第斯（40º S）。与传统模式不同，Nazca俯冲自中生代以来并不是完全连续的，而是包含间断式离散期。另外，山前沉积以及安第斯挤压作用的开始均与Nazca板片和下地幔相互作用是相关联的。
▲图4. 东南太平洋及南美大陆下深部构造层析成像图。P, Pacific plate/太平洋板块; Co, Cocos plate/Cocos板块; An, Antarctica plate/南极洲板块; NA, North American plate/北美洲板块; SA, South American plate/南美洲板块. 颜色标尺指示P波速度异常水平，红点指示贝尼奥夫带地震活动区。年代指示重新建模的Nazca海沟在120Ma、100Ma、80Ma和60Ma的位置。可以看到Nazca板片和更深的东部板片之间存在明显的间断（gap）。
研究方法：层析成像
地球物理层析成像结果显示安地斯山脉下面存在明显的P波速度正异常，对应于向东倾斜俯冲的Nazca板片（图4），正异常区比贝尼奥夫地震带更深，在8º S抵达1300千米深度，在26º S抵达1100千米深度。这里的Nazca板片包含深俯冲的Farallon板块和Nazca板块（23.5Ma Farallon板块分解后残留部分的新称呼）部分。Nazca板片的层析成像结果似乎与前人的早侏罗纪以来的简单连续俯冲模型一致，但是地球物理和地球动力学研究却发现Nazca板片的活动无法解释新生代以来Nazca板块和南美板块的汇聚作用，更不用说自侏罗纪以来的。而且，在Nazca板片下方，即1500千米深度，有另外两个类似板片的异常（图4b,c），这些异常指示早期的构造历史更加复杂，可能在中生代时期南美西边存在另外一个洋内俯冲带。
★这里Nazca板块（plate）是指大构造（tectonic）尺度上的Nazca板块单位（图3），Nazca板片（slab）则是指发生俯冲（subduction）进入地幔中的Farallon/Nazca板块部分（图5）。
前人地球动力学模拟研究认为安第斯最近一期的挤压作用和Nazca板片进入下地幔的时间是一致的，但是由于模型中板块边界条件的设定问题，得到的时间相差较大分别是大约132Ma和50Ma，而且在这些时间点Nazca板片是否进入下地幔仍值得怀疑，因为有研究认为安第斯地区的俯冲活动在更早期，甚至是侏罗纪或之前。沉积学研究则揭示南安第斯（35º S）经历了非常复杂的多期挤压和伸展作用，这些构造期被认为与板片的俯冲角度变化有关，本研究利用板块重建模型去解析始新世-中新世间其成因，认为是Nazca板片和下地幔的相互作用。
本研究根据地幔中俯冲岩石圈层析成像结果建立了一个新的安第斯板块模型，该模型表明最近一期的安第斯俯冲开始于大约80 Ma的5º S，然后向南推进在大约55 Ma到达40º S。在35º S以南Nazca板块俯冲并不是连续的，在80-55 Ma之间也有离散期。模型重建的俯冲板片长度指示，俯冲板片和下地幔的相互作用开始于Nazca俯冲后的10-30 Myr，并随之向南推进。
估算俯冲板块长度：板片“展开”方法（slab “unfolding”）
根据已有的Nazca板片三维层析成像结果（图4-6），来定量估算板片在俯冲褶皱前的长度，即板片“展开”方法，研究者测量了板片的区域面积并根据地球参考模型PREM做了密度-深度校正。
如图5，假设初始的大洋岩石圈厚度为大约100 km，对Nazca板片沿0º S-40º S之间的一系列截面做展开（unfolding）。总体来看，展开的板片长度从4º S的~7600 km递减至36º S的~3800 km（图6），换算得到消失的大洋岩石圈面积大约为26×10
6
km
2
（占地球表面的4.7%）。
将展开的Nazca板片放入古GIS-GPlates系统中，假设Nazca板片与现今的Nazca板块是相连的，因此在重建模型中Nazca板片与Nazca板块同步运动，根据全球板块模型中Nazca板块的运动历史，将展开的Nazca板片从南美下的地幔中抽出来（图7a-d），发现展开的Nazca板片的前沿与退变形的安第斯边缘在80 Myr前最匹配，也就是说Nazca板片即是80±10 Myr前开始俯冲而消失的Nazca板块岩石圈。Nazca板片开始俯冲于80 Ma，得到其沉入下地幔的速率是13±4.5 mm/yr，与前人地球动力学模拟结果20±8 mm/yr和全球板块重建模型结果（11-12）±3 mm/yr具有可比性。
将重建的Nazca板片放入到全球板块模型中，如图8，本研究的板块模型指示，最近一期的Nazca俯冲沿北安第斯（5º S）开始于80 Ma，然后向南推进于55Ma到达40º S，Nazca板片基底向南变浅，与本研究预测的更南纬的俯冲也更晚结论一致。在80-55 Ma期间Nazca俯冲局限于北安第斯，而南安第斯地区Nazca板块与南美则是离散关系（图8a-c）。
▲图5. 板片展开方法示意图。a，下地幔变形板片三维示意图，通过计算板片截面积并展开以估算俯冲岩石圈的量。b，三维示意图指示沿a中两平行截面而重建的板片长度：板片的每一段1-8退变形到俯冲前的100 km厚度，在地表拼接到一起，从而得到俯冲前的长度，并根据地球参考模型PREM对每一段进行密度-深度校正。c，安第斯山地区下面层析成像示例，虚线指示两个可能的Nazca板片区域，蓝色虚线区dVp=+0.3%，红色虚线区dVp=+0.2%。d，dVp=0.3%和dVp=0.2% Nazca板片区域所对应的板块俯冲时间分别为70 Ma和90 Ma，这是根据全球板块模型的板块汇聚速率而确定的。
▲图6. 展开的Nazca板片长度和底部深度向南纬方向减小。a，4º S-34º S之间7条东西向截面而展开的Nazca板片长度。b，沿海沟平行方向展示a中7条截面位置。CLIPs，加勒比大火成岩省。
▲图7. Nazca板片展开重建模型。a，全球板块构造重建模型中0 Myr时展开的Nazca板片：7条橙色线指示图6a中7条截面展开的板片长度，橙色虚线指示展开的Nazca板片的前沿，红色线只是退变形的安第斯边缘。b-d，将Nazca板片紧贴现今Nazca板块并随时间（50Ma，80Ma，100Ma）反向运动而抽出展开。灰黑色区域指示由于俯冲而消失的岩石圈，本研究中Nazca板片展开模型最能解释80Ma消失的大洋岩石圈，即最近一期Nazca俯冲开始于80Ma。
▲图8. 晚白垩纪以来Nazca俯冲向南推进过程。箭头指示Nazca板块相对于南美板块的运动方向，不同箭头颜色表示不同的Nazca-南美板块边界：红色示汇聚（俯冲）边界（即挤压），绿色示转换边界，蓝色示离散边界（即伸展），箭头长度指示相对运动速率。其他符号表示该地区的地质事件：黄色三角-岛弧岩浆活动，蓝色圆圈-Patagonian玄武高原，蓝色五角星-伸展盆地，粉色五角星-前陆盆地。e中两个插图分别表示40 Ma-30 Ma北-南安第斯可能存在的两种不同的板块-地幔相互作用模式。
估算板片进入下地幔的时间
利用本研究所预测的不同时期的俯冲板片长度来估计Nazca穿插进入下地幔的时间。根据前人模型，当发生俯冲的板片长度达到770-1200 km时，可以认为俯冲板块到达660 km深度（即进入下地幔）。由此得到Nazca板片进入下地幔的最小年代时间分别是：6ºS地区是大约68 Ma，40º S地区是大约35 Ma（图9b）。
▲图9. 板块模型预测结果与安第斯地质对比图。a，Nazca俯冲就位与安第斯岩浆活动对比。红色粗线指示本模型预测的起始Nazca俯冲时间向南推进。紫色方框示晚白垩纪安第斯边缘地区伸展事件，浅灰方框示岛弧相关的岩浆活动，斑纹方框示弧后岩浆活动，绿色箭头指示预测的Nazca俯冲开始前的岩浆活动间断期，深灰方框示Patagonian玄武高原，棕色虚线框示前人推测的平直俯冲事件。b，本模型重建的俯冲Nazca板片长度随纬度和时间的变化。红线及其阴影区示Nazca俯冲的起点（对应板片长度为0 km），浅绿和深绿线示俯冲Nazca板片长度分别达到770 km和1200 km的时间点，两线之间的黄绿色区域表示本研究所推测俯冲Nazca板片在相应纬度到达下地幔（即660 km深度）的最短时间。橙色方框示挤压构造事件，带点方框示山前沉积事件，划线方框示沉积间断，蓝色方框示伸展构造事件。
地质对比
本研究所提出的Nazca俯冲在80-50 Ma之间逐渐向南推进的结论，与同时期安第斯-岛弧岩浆作用向南的发展是一致的，如图9a。
根据本研究结论，在80-50 Ma之间北安第斯俯冲（35º S以北）和南安第斯离散（35º S以南）是同时存在的（图8a-c）。晚白垩纪的离散可以解释弧后到板内Patagonian玄武高原（图8a），始新世的离散与Aluk扩张洋脊俯冲时间一致（图8c），Aluk洋脊对应着展开的Nazca板片南端终点。
将本研究模型与安第斯山挤压作用和前陆盆地的发育进行对比发现，这些事件是逐渐向南发生的，但仍晚于Nazca俯冲20-30 Myr（图9b，红线），而安第斯山挤压作用和前陆盆地构造事件与本研究推测的Nazca板片到达下地幔的时间相近（图9b，绿色区域），这些结果与前人地球动力学模型将地表挤压作用和下地幔板片滞留（anchoring）联系起来的观点是一致的。尽管本研究没有直接预测Nazca板片滞留的时间，但Nazca板片到达下地幔的最短时间（图9，绿色区域）和安第斯山挤压作用（图9，黄色方块）相差10-30 Myr，这与板片滞留进入下地幔的最长时间60 Myr是一致的。
Nazca板片穿插进入下地幔是逐步向南推进的（图9b），意味着板片-地幔相互作用也是沿安第斯山逐步向南发展的。根据本研究重建的俯冲板片长度模型，在现今的Nazca俯冲期内，最早的板片-地幔相互作用开始于65 Ma的北安第斯（6ºS），然后30 Ma向南推进到南安第斯（40ºS）。根据以上结果可以得出，40-30 Ma北安第斯（30ºS以北）有超过3000 km的Nazca俯冲板片在地幔中堆积滞留并进入下地幔，但是在南安第斯（30ºS以南）Nazca板片要短得多（大约770 km）并不会滞留进入下地幔。南Nazca板片更像是短小而自由悬挂于上地幔中，然后回退，发育出地表伸展构造。这也就解释了40-20 Ma同时观测到北安第斯挤压作用和南安第斯伸展作用（图8d,e）。
80Ma安第斯山地质演化
根据现有的安第斯地质记录，前人曾提出结论认为，最近一期构造旋回起始于大约190 Ma并连续发展至今而未中断。但是本研究发现俯冲Nazca板片只能解释大约80 Ma以来消失的岩石圈（图7），因此需要80 Ma更多的板片来解释安第斯边缘的俯冲和岛弧岩浆活动（图9a）。刚好在层析成像中发现Nazca板片下方存在两个异常区（图4b,c），尤其是东部那块，它的位置大概对应于100 Ma的安第斯边缘（图4c）。因为该板片异常一直延伸到核幔边界，因此它可以解释80-200 Ma之间安第斯地区的连续俯冲，同时能计算得到板片下沉速率为13±4.5 mm/yr。根据以上模型和讨论可以看出，地幔中具有足够的板片来解释整个190 Myr的安第斯构造旋回中的俯冲作用。
深部的板片异常与Nazca板片之间在1500±150 km深度具有明显的连续的间断（gap）（图4），本研究认为这一间断是在190 Myr安第斯构造旋回中（图9a），80 Ma某个时期Nazca板块俯冲的重构。当然也不能排除形成这一间断的可能性是，曾经Nazca和东部板片是同时一起下沉的，随后东部板块断开并以不同的速率下沉。本研究的解释和前人研究结果是相符的，显示在100-80 Ma广泛的板块边缘活动，如边缘挤压事件、边缘盆地的关闭、前路盆地的形成、走滑断层运动的变化以及地球化学方面的变化。
前人曾将100-80 Ma安第斯边缘重构归因于南美板块的逐步向西漂移，但是根据已有的地幔参考框架模型（mantle reference frame）并不能产生足够的漂移（仅有0-350 km），本研究为安第斯边缘地质事件与板块重构之间的联系提供了新的解释。
已有的全球板块模型并不能很好地解释80 Ma安第斯边缘板块重构，因此对Nazca板块运动学过程也不能很好地限定约束。而且下地幔中存在的东部异常（图4b,c）指示200-80 Ma南美板块以西大约2000 km可能存在一个洋内俯冲带，前人也曾提出在白垩纪北美以西有这种洋内俯冲带。对于这些安第斯板块重构细节，还需要更多的研究去厘清。
▲图10. 37º S Neuquén盆地构造演化模型。a，本研究提出的新模型：晚白垩纪Nazca俯冲开始，随后板片与下地幔发生相互租用，从始新世到中新世短小自由运动的俯冲板片引起板片回退和伸展盆地形成，中新世时Nazca板片滞留于下地幔中产生挤压作用。b，传统的平直板片模型：Nazca板片俯冲倾角存在多次变化，始新世时Nazca板片俯冲角度变陡和中新世变平（平直板片）可以解释Neuquén盆地伸展期后的挤压期。
新的安第斯板块构造模型
本研究提出了新的晚中生代以来的Nazca-安第斯俯冲模型，即最近一期的Nazca俯冲沿北安第斯（5º S）开始于80 Ma，然后向南推进于55Ma到达40º S，Nazca俯冲的向南推进和晚期的下地幔Nazca板片滞留均影响着安第斯山脉的一级演化。
晚白垩纪-始新世（图8a-c）Nazca俯冲向南推进控制着安第斯山脉的一级演化，形成了向南推进的与俯冲相关的岛弧岩浆活动（图9a）。传统认为紧接着岩浆活动间歇期的一波新的岩浆活动与平直板片俯冲相关，但是受平直板片俯冲影响的地区一般仅限局部。我们的模型能更好地解释安第斯地区岩浆活动的系统变化（图9a）。
从始新世到中新世（图8d,e）整个安第斯边缘最终转变成俯冲边界，整个边缘具有相近的汇聚速率；在此期间重建模型所预测的不同俯冲板片长度，揭示了板片-地幔相互作用的差异，这也解释了沿安第斯山脉构造活动的差异，尤其是北部更长的Nazca板块能够穿插进入下地幔，而南部更短的Nazca板片则可能是自由悬挂于上地幔和转换带中（图8e插图）。前人的模拟研究已经证明，滞留的下地幔板片将促进挤压构造发育，而非滞留板片则形成回退和伸展构造。
在安第斯每个地区都会经历上地幔短小自由板片转变为下地幔滞留板片的过程。Neuquén盆地沉积记录显示了复杂的演化历史，包括早期（大约100 Ma）挤压期，随后是中性俯冲，始新世伸展期和最后中新世的挤压期（图10）。前人认为这一复杂构造历史可以用俯冲板片的倾角变化来解释（图10b）。本研究的模型则认为，在80 Ma俯冲开始之后，Nazca板片还是短小自由的，形成海沟回退和伸展盆地。直到后来（大约中新世）俯冲板片长度达到足够长从而能够穿插进入下地幔中，形成了构造倒转（图10）。因此，本研究认为Neuquén盆地沉积实际上反映的是Nazca俯冲开始以后自然而可预见的板块构造演化序列，并不需要用俯冲倾角的变化来解释。
只有到了中新世以后，本研究模型中才形成单一的、连续的Nazca俯冲机制，也就是所谓的经典安第斯模型。
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