摘要

智利南部俯冲带是智利海脊、纳斯卡板块(NZ)和南极板块(AN)向南美板块(SA)俯冲的复杂构造环境。NZ, AN和SA板块之间的交叉点被称为智利三重交界处(CTJ)。在该地区，由于板块运动速度的差异，在NZ板块和AN板块之间形成了一个缺口，通常被称为板块窗，火山主要存在于俯冲的NZ板块和AN板块之上。在本研究中，我们建立了一个与CTJ附近NZ和AN板块同时俯冲有关的三维热力学模型。结果表明:在靠近智利海脊的地方，板块上表面的电流温度分布较高，由于CTJ向北迁移和AN板块收敛速度较慢，AN板块在相同深度处相对于NZ板块具有较高的温度分布。此外，我们还从板块上表面附近的温度分布计算了水含量和脱水梯度，并讨论了它们与火山分布的关系。在模式域北部，火山链下方脱水梯度较大。因此，我们认为从板块和地幔楔释放的水降低了板块上方地幔楔的熔点并产生了熔体，这可能有助于形成上覆火山。

介绍

在智利南部俯冲带，纳斯卡板块(NZ)和南极板块(AN)是由海底沿智利海脊扩张而产生的。新西兰板块、澳大利亚板块和南美板块(SA)交汇的位置被称为智利三重交界处(CTJ)。CTJ被认为是从中新世到现在向北移动的，目前位于约46°S(图1)。在这个俯冲带内，由于新西兰板块和AN板块之间的扩展脊的俯冲，在没有俯冲板块存在的地方形成了一个称为板块窗的间隙(Thorkelson和Taylor 1989)，当它们俯冲到SA板块之下时，经历了发散运动。通过板块重建和地震层析成像(例如，Breitsprecher和Thorkelson, 2009;Russo et al. 2010;Mark et al. 2022)。板块窗口的空间分布表明，火山主要分布在NZ和AN板块上方，只有少数火山位于板块窗口上方。在该地区也观测到构造震动(Ide 2012;Gallego et al. 2013;Sáez et al. 2019)。构造震动是一种发生在板块上表面附近的缓慢地震，而板块上表面附近的脱水被认为是导致其发生的原因(例如，Obara 2002;Iwamoto et al. 2022)。

CTJ内及周边研究区构造图。插图显示了研究区域在南美洲(SA)内的位置，用红色框表示。蓝色虚线矩形划定模型区域，两个蓝色正交箭头分别表示方向和轴方向。粗黑线描绘了地球表面的板块边界(Bird 2003)，细黑线表示数值模拟中使用的海洋板块几何模型的上表面深度(千米)。粉色虚线是深度为50 km的平板窗的近似边界(Russo et al. 2010)。黄线显示了NZ和AN板块的当前年龄(Seton et al. 2020)。彩色圆圈表示2005年1月至2007年2月发生的所有构造震动的深度和震中(Ide 2012)。浅蓝色虚线表示图5和图6所示的构造震区。火山用实心的红色三角形表示。紫色和橙色箭头分别是NZ和AN板块相对于SA板块的收敛速率矢量，使用ITRF2014计算(Altamimi et al. 2016)。测深和地形数据来自ETOPO1 (Amante and Eakins 2009)。

尽管该模型是理想化的，并假设新西兰板块和澳大利亚板块在俯冲后一起运动(Iwamori 2000)，但先前的山脊俯冲的二维热模拟显示，在板块上表面附近温度升高，水通量显著。Groome和Thorkelson(2009)在板块窗存在的区域进行了三维热结构建模，研究了脊俯冲和板块窗迁移对热结构的影响。他们提出了一个简化的模型，只考虑热传导，假设板窗的收敛速率和迁移速度恒定。即使在这样一个简化的模型下，由于板状窗的结构和向北运动，他们得到了弧前的高温分布和板状窗两侧的不对称温度结构。

在CTJ内部和周围，平板窗的存在被认为会影响热结构，与热流高度相关(Villar-Muñoz et al. 2014;2021)、浅深度熔体(Anma and Orihashi 2013)和由岩浆通过板窗上升形成的巴塔哥尼亚高原玄武岩(Gorring et al. 1997;Guivel et al. 2006)。为了更好地了解该地区的热构造，需要考虑精确的俯冲几何形状、大洋板块的俯冲历史以及板块窗的形成等多种因素。在本研究中，我们使用了比以往研究更真实的三维板块几何形状，并考虑了NZ和AN板块沿海沟轴的年龄和辐合速率的时空变化。在此条件下，我们进行了三维热力学数值模拟，预测了这些板块同时俯冲的热结构，包括活动扩张中心的俯冲。利用获得的含水矿物热结构和相图，计算了NZ和AN板块上表面附近的含水量分布和脱水梯度，并研究了这些分布与构造震动和火山位置的关系。

结果

实测与计算居里点深度的比较

Manea和Manea(2011)利用磁异常数据估计了居里点深度分布，研究了墨西哥的地壳热结构。他们发现，居里点深度在弧前区域相对较深，与平坦俯冲的Cocos板块的位置一致，并得出居里点深度随俯冲板块的几何形状而变化的结论。此外，Ji等人(2019)对智利中北部的三维热结构进行了数值模拟，与我们的研究类似，并根据他们的热结构模型计算了热流。他们的模型既受观测到的热流约束，也受Li等人(2017)从居里点深度转换的热流约束。居里点是材料失去磁性的温度，Li et al.(2017)基于Mayhew(1982)和Tselentis(1991)对磁异常数据进行了反演，估算出居里点深度，将该深度定义为550°C等温面。在本研究中，我们将数值模拟得到的热结构550°C等温线深度作为居里点深度。我们将这种等温空间分布与Li等人(2017)的居里点深度分布进行比较，以评估数值模拟中获得的三维热结构的有效性。模型域所定义区域的热流观测的稀缺性限制了我们根据足够/有代表性的测量值对模型进行统计验证的能力。相反，我们将最优模型定义为使我们的数值模拟的居里点深度分布与Li等人(2017)的居里点深度分布之间的残差的均方根最小的模型，参见文本S1中的Eq. (S1)。我们建议读者参阅补充信息，以了解我们的方法和模型的细节，这些模型用于计算与大洋NZ和AN板块俯冲有关的三维热结构。

图2为Li et al.(2017)与最优模型的居里点深度分布对比。由于海沟附近有年轻大洋板块俯冲，本研究得到的居里点深度分布在靠近脊的地方较浅(图2b, f)。此外，在图2b中G-G’剖面周围，模型域北部计算出的居里点深度要比南部深。这是由于模式域北部远离北移脊，且新西兰板块辐合速度快。需要注意的是，沿剖面G-G '计算的居里点深度并不深，因为该区域受板块边界摩擦加热的影响较大(图2g)。在内陆侧，计算出的居里点深度几乎是恒定的，因为模型域的浅层部分被分层的上下地壳覆盖(图2h)。与Li et al.(2017)相比，本研究计算的居里点深度表现出更大的变异性，特别是在该区域的极值方面。然而，应该注意的是，这些极值的位置对应于该地区确定的地震速度异常，如下节所述。

a颜色表示Li et al.(2017)在模型域中存在数据的位置上的居里点深度的空间分布。黑色虚线是(c-h)中所示的轮廓的位置。b颜色表示本研究获得的最优模型的居里点深度的空间分布。剖面同(a)。c沿剖面c - c′观测与计算的居里点深度比较。黑线和红线分别为Li et al.(2017)的居里点深度值和本研究的计算值。除D-D′~ H-H′型外，d-h型与(c)相同

热结构

由于本次数值模拟中深度方向网格间距约为3.3 km，我们对深度方向各网格点之间的温度进行了线性插值，得到了最优模型中沿板面的温度分布(图3)。需要注意的是，AN板的板面长度比NZ板的板面长度短。因为AN板具有较慢的收敛速率，这意味着在15 Myr的计算时间内，板没有穿过模型域的宽度。我们得到了板块上表面温度分布的趋势，它强烈依赖于俯冲洋板块的年龄。因此，即使在相同的深度，靠近山脊的板块表面温度也较高。此外，俯冲电流AN板块区域的温度分布高于俯冲电流NZ板块区域。这可以归结为以下两个原因:CTJ在计算开始时(15 Ma)位于沿海沟轴线的最热点，随后向北移动到y = 0 km的当前位置。因此，从计算开始到现在，当前AN板块区域的板块表面温度高于当前NZ板块区域，这是由于较年轻的大洋板块在当前AN板块区域俯冲。另一个可能的原因是AN板块的俯冲速度比NZ板块慢，因此俯冲板块被周围地幔加热的时间更长。

目前最优模型(0 Ma)板上表面温度分布的水平投影。等值线间距为50°C。细黑框是模型区域，粗黑线是地球表面的板块边界(Bird 2003)。粉色虚线是深度为50 km的平板窗的近似边界(Russo et al. 2010)。白色的圆代表2005年1月至2007年2月(2012年)发生的所有构造震动的震中。黑色的开放三角形是火山

水co的分布浓度和脱水梯度

如前所述，我们使用最优模型的热结构对深度方向的温度进行线性插值，以计算整个平板表面在深度方向上每隔1公里的温度值。我们计算了对应于每个数据点的温度和深度的最大含水量，得到了最大含水量和沿板坯表面脱水梯度的分布。假设该板块由三层组成，并对每一层应用不同的相图，以确定板块上表面附近含水矿物的含水量和脱水梯度(图4)。脱水梯度定义为沿俯冲方向每单位长度(km)的含水量(wt%)之差(Suenaga et al. 2019)。我们使用超镁质岩、浊积岩和MORB的相图，其层厚分别如下:地幔楔成立延长2公里垂直板的上表面,海洋沉积层设置于板的上表面的深度2公里,海洋地壳被设定为2至7公里深处从板的上表面,和板地幔是深度7公里的上表面板底部的大洋板块(图S1)。

a超镁质岩相图(Tatsumi et al. 2020)。图5和图6中，紫色线和红色线分别表示沿剖面E-E '和F-F '在垂直截面上距板上表面2 km处的p-T路径。b浊积岩相图(van Keken et al. 2011)。紫色线和红色线分别表示沿E-E '和F-F '型材垂直截面上板上表面的p-T路径，如图5和图6所示。c MORB相图(Tatsumi et al. 2020)。图5和图6中紫色线和红色线分别表示沿剖面E-E '和F-F '垂直截面距离板上表面4km深度处的p-T路径。BS:蓝片岩，LwsBS:长辉长岩蓝片岩，AMP:角闪岩，GR麻粒岩，AmpEC:角闪岩榴辉岩，ZoEC:黝长岩榴辉岩，LwsEC:长辉长岩，DryEC:干榴辉岩

目前(0 Ma)含水率分布如图5所示，沿当前俯冲方向的脱水梯度分布如图6所示。各层沿海沟轴线的含水率剖面图在靠近海脊的地方由于温度较高而值较低(图5a-d)。在板块上方的地幔楔底部，从海沟到内陆侧依次存在水镁岩、反长岩、绿泥石和角闪洞相，各相边界的含水量变化较大(图4a和5a)。因此，从海沟到内陆侧，地幔楔底部就在板块上方，存在三个脱水带，脱水梯度约为0.16 wt%/km, 0.22 wt%/km和0.12 wt%/km(图6a)。在大洋沉积层中，脱水梯度分布值较小，最大值为0.04 ~ 0.08 wt%/km，这是由于沿俯冲方向由辉云母、钙长石、蓝片岩阶段逐渐向角闪孔辉云母、黝帘石、榴辉岩阶段转变所致(图4b、5b、6b)。在洋壳中，蓝片岩相与角闪洞相和角闪洞榴辉岩相的脱水反应发生在模式域的南部至中部。而北部内陆则发生了由钙镁石蓝片岩相向钙镁石榴辉岩相的脱水反应(图4c和5c)。这两种不同的脱水反应发生在海洋地壳中，0.1 wt%/km的脱水区位于中南部海沟附近，而0.06 wt%/km的脱水区位于北部内陆(图6c)。离板块上表面9 km深度处的脱水梯度分布在板块地幔层，位于板块内部，不直接暴露于周围炽热的地幔，因此可以保持内陆侧较低的温度。因此，从反长辉石相到绿泥石相以及从绿泥石相到角闪孔相的脱水反应已经向内陆移动，而不是在板岩之上，使用相同的相图(图5d和6d)。

为本研究得到的目前在离板上表面垂直2 km平面上的含水量分布水平投影(0 Ma)。含水率分布仅在温度高于200℃且存在相图值的区域显示。薄黑盒子是模型区域。两条黑色虚线分别是(e)和(f)所示的e - e '和f - f '曲线。黑色的开放三角形是火山。绿色实线表示构造震源区。b除板坯上表面外，与(a)相同。c与(a)相同，但距离板上表面4km深度的平面除外。d与a相同，除了距离板上表面9km处的平面。e沿着NZ板块相对于SA板块的当前俯冲方向e - e '，在板块垂直横截面上的含水量分布。两条黑色实线表示海洋板块的上下表面。绿色开圈表示来自Ide(2012)的残余走时误差小于0.5 s的构造震动。构造震动仅在E-E′剖面10公里(单面宽度5公里)范围内绘制。红色的实心三角形表示沿E-E’剖面宽度在50公里(单面宽度25公里)以内的火山。f与e相同，除了AN板块相对于SA板块沿当前俯冲方向的剖面f - f '

(1)本研究得到的目前在板坯上表面垂直上方2 km平面上(0 Ma)的脱水梯度分布的水平投影。脱水梯度分布仅在温度高于200℃且存在相图值的区域显示。薄黑盒子是模型区域。两条黑色虚线分别是e和f中所示的e - e '和f - f '曲线。黑色的开放三角形是火山。绿色实线表示构造震源区。b与a相同，除了板的上表面。c与a相同，除了距离板坯上表面4km深度处的平面。d与a相同，除了距离板上表面9km处的平面。e沿NZ板块相对于SA板块当前俯冲方向e - e’方向，板块垂直截面脱水梯度的分布。两条黑色实线表示海洋板块的上下表面。绿色开圈表示来自Ide(2012)的残余走时误差小于0.5 s的构造震动。构造震动仅在E-E′剖面10公里(单面宽度5公里)范围内绘制。红色的实心三角形表示沿E-E’剖面宽度在50公里(单面宽度25公里)以内的火山。f与e相同，除了AN板块相对于SA板块沿当前俯冲方向的剖面f - f '

目录

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讨论

热结构

本文提出的三维模型是CTJ向北移动速度恒定的理想模型。所选值1.0 cm/年更接近于近代的构造情况，因此最能代表扩张中心尚未俯冲的地区(现今CTJ的北部)和最近俯冲的地区(现今CTJ的附近)。这些区域与观测到的构造震动(Ide 2012)、早期新西兰板块俯冲(Russo et al. 2010)、近期脊状俯冲(Gallego et al. 2010)和智利南部火山带最南端(Stern 2004)的位置一致。在这个模型中，位于现今CTJ南侧的较老的板块窗的位置将比它们的实际位置略微偏东，这是由于假设AN板块在15 Ma时开始俯冲，因此比Breitsprecher和Thorkelson(2009)计算的位置更向东。然而，对于这些较旧的平板窗，平板上表面的热条件将在很大程度上代表实际情况。

我们将本研究获得的板上表面温度分布与Russo et al.(2010)在50 km深度处的板窗边界进行了比较(图3)。需要注意的是，与本研究中使用的板几何形状相比，从沟槽到板上表面深度为50 km的位置的水平距离约为x = 170 km。本研究获得的板坯上表面等温线与地震层析成像推断的板坯窗口边界大致一致。从板块窗边界计算得出的内陆温度超过1000°C(图3)。此外，Russo等(2010)在100和200 km深度的地震层析成像显示，与新西兰板块向46°S以北俯冲有关的快速Vp异常。这与本研究的结果一致，该研究显示CTJ北部温度较低，居里点深度在该快速层析异常位置增加。Gallego等人(2010)的第二次地震层析成像研究发现，在台韬半岛下方出现了一个慢瑞利波群速度异常，对应于最近的俯冲脊(图1)，这与本研究中在板块上表面观测到的较高温度(> 800°C)向西延伸以及获得的最浅居里点深度相一致。因此，板状体上表面的热结构与前人观测到的板状体窗口和大洋板块的位置是一致的。虽然我们没有在使用的连续三维板几何中考虑板窗的重要性，但我们的分析将板窗视为热边界。

水co的分布浓度和脱水梯度

含水矿物被大洋板块的俯冲运输，通过脱水反应产生水，从而降低了板块上表面附近的有效正应力并产生构造震动(例如，Obara 2002)。还表明，含水矿物的脱水降低了地幔楔的熔点，从而产生熔体，并有助于火山的形成(例如，Iwamori 1998;Kawakatsu and Watada 2007)。因此，我们将本研究得到的含水率分布和脱水梯度与构造地震震源区和火山分布进行了对比(图5和图6)。

在板块上方的地幔楔底部，构造震源区内没有观察到高脱水梯度:在震源区上斜侧，从反长花岗岩到绿泥石的脱水约为0.22 wt%/km，在震源区下斜侧，从绿泥石到角闪洞的脱水约为0.12 wt%/km(图6a)。海洋沉积一层和地壳,含水量逐渐减少从战壕上倾构造tremor-generating面积的限制,几乎达到了0 wt %在地震区域(图5 b, c)。因此,脱水高梯度值位于海沟附近,在构造上倾一侧的tremor-generating区域(图6 b, c)。板地幔,最大含水量约为2 - 4构造tremor-generating区域附近的wt %,但由于最大含水率分布与俯冲方向的关系(图5d和图6d)，在震颤区附近没有发现高脱水梯度。由于这些结果，很难用该最优模型的脱水梯度分布来解释构造地震的发生，因为先前的研究表明，脱水有助于日本西南部和阿拉斯加南部的构造地震的发生(例如，Obara 2002;Iwamoto et al. 2022)。这是因为构造震源区靠近CTJ，在那里，板块的上表面经历了显著的高温，因此水在被输送到震源区之前就脱水了。因此，为了将脱水与构造震动的发生联系起来，有必要通过降低板块温度将脱水的位置向下倾方向移动。顺便提一下，当不考虑板块边界的摩擦加热，且脊向北迁移速率为4.0 cm/年时，板块边界上表面温度下降。因此，含水矿物可以存在于构造震源区，并且在震源区附近的板块上方的地幔楔、海洋沉积层和海洋地壳中观察到脱水现象(附加文件1:图1)。S3和S4)。因此，我们认为，与最优模型相比，导致板块上表面附近温度较低的参数设置更能解释脱水与构造震区之间的关系。

在模式域北部，火山在南北方向密集排列，每层火山链附近沿当前俯冲方向的脱水梯度较大(图6)。具体而言，在板块上方的地幔楔上存在0.22 wt%/km和0.12 wt%/km两个脱水带。此外，在大洋沉积层中约为0.03 wt%/km，在大洋地壳中为0.06 wt%/km，在板块地幔中为0.22 wt%/km。因此，在板块的上表面附近和板块上方的地幔楔底部提供了大量的水，降低了熔点，产生了岩浆，形成了上面的火山。此外，由于构造震区位于靠近脊的位置，温度分布相对于模型域北部较高，因此我们认为构造震区的下倾侧很少有水被输送到构造震区，切断了南部火山区。

结论

在这项研究中，我们构建了一个三维热力学模型，在CTJ内部和周围，与NZ和AN板块的俯冲有关，位于SA板块下方。根据数值模拟得到的温度与深度的关系，计算了板坯上表面附近的含水率和脱水梯度。本研究获得的重要结果总结如下:

1. 一)

   靠近脊的板块上表面温度分布较高，当前AN板块的俯冲温度高于当前NZ板块的俯冲温度。这是因为CTJ从计算开始(15 Ma)就向北移动到了现在的位置，AN板块俯冲的收敛速度比NZ板块慢。

2. B)

   在板块正上方的地幔楔上，构造生震区内未观察到高脱水梯度。上倾侧反长岩向绿泥石的脱水约为0.22 wt%/km，下倾侧绿泥石向角闪洞的脱水约为0.12 wt%/km。在构造震源区上倾侧，洋沉积层和洋壳含水量逐渐减少，这是由于现今CTJ附近洋脊俯冲和温度偏高所致。因此，很难用本研究的最优模型来解释构造震动的发生与脱水的关系。为了解释这种关系，较低的板坯表面温度、板坯边界无摩擦加热和高脊迁移率的模型是优选的。

3. C)

   在模式域的北部，相对较低的温度分布使得含水矿物向内陆较深的一侧输送。最大脱水梯度在板块上方的地幔楔为0.12-0.22 wt%/km，海洋沉积层为0.03 wt%/km，海洋地壳为0.06 wt%/km，板块地幔为0.22 wt%/km。我们认为，从这些地层中释放出来的水降低了熔点，产生了一种熔体，形成了上面的火山。

补充信息

AdditioNal文件1:

表S1。纳斯卡板块和南极板块的俯冲史。表S2。居里点深度的均方根。图S1。三维模型域和边界条件示意图。图S2。数值模拟中NZ板块和AN板块沿规定导向俯冲的快照。图S3。4个含水率分布分别平行于当前(0 Ma)板块上表面和板块沿当前俯冲方向的两个垂直截面。图S4。4个脱水梯度分布平行于目前(0 Ma)的板块上表面和沿当前俯冲方向的板块垂直剖面上的脱水梯度分布。

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