安第斯山脈是典型的俯沖型造山帶，由納斯卡板塊與南美大陸板塊匯聚形成（圖1）。其隆升機(jī)制可分為構(gòu)造與氣候兩類：構(gòu)造機(jī)制關(guān)注俯沖板塊年齡、俯沖角度、巖石圈厚度等因素，而氣候機(jī)制強(qiáng)調(diào)侵蝕、沉積及板塊界面耦合的作用。近年來(lái)，冰川消融作為氣候驅(qū)動(dòng)因素的重要性逐漸凸顯，但其對(duì)俯沖動(dòng)力學(xué)的影響仍需深入探討。
圖1（a）根據(jù)Pons等人（2022）修改的中部安第斯山脈結(jié)構(gòu)圖；（b）氣候構(gòu)造響應(yīng)時(shí)間圖
為解決這一問(wèn)題，吉林大學(xué)李世超教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)建立多個(gè)二維粘彈性-塑性俯沖模型，結(jié)合冰川加載條件，模擬了冰川消融對(duì)山脈隆升的直接影響。研究通過(guò)控制冰川厚度、消融速率及加載位置等參數(shù)，揭示了冰川消融對(duì)安第斯山脈快速隆升的顯著影響。研究結(jié)果表明，冰川厚度與消融速率是影響造山過(guò)程的關(guān)鍵因素，冰川負(fù)載越大、消融速率越高，山脈隆升速度越快。冰川均衡調(diào)整（GIA）是控制冰川期侵蝕-沉積過(guò)程的關(guān)鍵因素，進(jìn)而影響區(qū)域俯沖與造山動(dòng)力學(xué)。這些發(fā)現(xiàn)為在造山過(guò)程中氣候-構(gòu)造相互作用提供了新的見(jiàn)解。
具體研究成果如下：
1.研究揭示了冰川消融對(duì)安第斯山脈俯沖動(dòng)力學(xué)的影響。通過(guò)對(duì)比不同冰川加載條件下的俯沖模型，可以觀察到冰川厚度與消融速率顯著改變俯沖板片形態(tài)。例如，5 km冰川負(fù)載（Model 9）使板片角度減小至50.38°，且板片尖端更深（圖2）。同時(shí)應(yīng)力場(chǎng)也顯示冰川加載導(dǎo)致大陸巖石圈-軟流圈邊界（LAB）壓縮應(yīng)力增強(qiáng)，而大洋伸展區(qū)更顯著。表面應(yīng)力演化則顯示冰川加載初期（0–250 km區(qū)域）以壓應(yīng)力為主；消融開(kāi)始后，應(yīng)力區(qū)向大陸內(nèi)部轉(zhuǎn)移（1100–1300 km），反映冰川反彈與俯沖動(dòng)力學(xué)的耦合（圖3）。
圖2 未施加冰川的模型0和冰川快速消融組(模型3，6，9，對(duì)應(yīng)融化速度1 m/yr，冰川高度1，3，5 km)的板塊俯沖形態(tài)演化圖
圖3 未施加冰川的模型0和冰川快速消融組的板塊俯沖偏應(yīng)力σxy和速度場(chǎng)圖（左）和表面應(yīng)力σxx和σyy圖
2.揭示了冰川消融對(duì)俯沖動(dòng)力學(xué)的階段性影響。主要?jiǎng)澐殖扇齻€(gè)階段，階段一（圖4a-b）：冰川持續(xù)積累至最大厚度（5 km），垂直應(yīng)力增加，上覆板塊以<10–5 m/年速度下沉。上覆板塊受壓推動(dòng)大洋板塊前端，導(dǎo)致海溝初始位置東偏20–30 km。俯沖界面摩擦應(yīng)力增強(qiáng)（位錯(cuò)蠕變效應(yīng)），抑制板片回撤，與經(jīng)典理論一致。階段二（圖4c-d）：冰川消融開(kāi)始與板片反彈。反彈首先發(fā)生于大洋板塊前端（模型900–1000 km處），隨后沿地殼擴(kuò)展。大陸板塊因反彈前移，抵消俯沖作用，導(dǎo)致板片短暫變淺，俯沖速度受反彈強(qiáng)度調(diào)控。階段三（圖4e-f）：冰川完全消融后調(diào)整恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)。消融完成后，反彈效應(yīng)終止，地幔對(duì)流速率回歸正常。
圖4 模型7（融化速度0.01 m/yr,冰川高度5 km）反映出冰川消融影響俯沖作用的三個(gè)階段
3.提出了冰川消融影響板塊俯沖的完整機(jī)制：提出了冰川消融影響板塊俯沖的完整機(jī)制：冰川消融通過(guò)改變巖石圈應(yīng)力場(chǎng)和均衡調(diào)整，直接或間接調(diào)控俯沖板片角度、海溝遷移及隆升速率。這一過(guò)程在冰川厚度較大時(shí)尤為顯著，為理解氣候-構(gòu)造相互作用提供了量化依據(jù)（圖5）。
圖5 安第斯山脈演化過(guò)程中冰川消融影響板塊俯沖機(jī)制圖
以上研究成果近期發(fā)表在地學(xué)領(lǐng)域國(guó)際重要期刊《Earth and Planetary Science Letters》上，碩士研究生王偉安為論文第一作者，李世超教授為論文通訊作者，參與本項(xiàng)研究的還有魏虹羽、趙哲仁、王洪濤和何笑琪。該工作由國(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合資助。研究的詳細(xì)信息請(qǐng)參考原文。
論文信息：
Weian Wang, Shichao Li, Hongyu Wei, Zheren Zhao, Hongtao Wang, Xiaoqi He, 2025. Glacial melting accelerates andean uplift: Insights from 2D viscoelastic-plastic subduction models: Earth and Planetary Science Letters. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119386.
