板块构造运动是现今地球上已知的所独有的构造形式，而其他类地行星以及早期地球出现了盖层对流模式。如何启动板块构造是地球科学领域里需要得到解决的问题之一，其中最大的困难在于较小的驱动力和较大的岩石圈强度这一对矛盾的调和。传统的板块俯冲模型往往需要引入运动学边界条件，或者预设薄弱带，或采用显著低于实验值的岩石强度，这些模型都无法解释最初的板块俯冲的启动。因此，探究如何从均一盖层自洽地形成板块构造成为了地球动力学研究的热点和难点问题。
我室地球深部结构组吕刚博士后和合作导师赵亮研究员与其他合作者开展了俯冲板块启动的计算模拟研究。结果表明，在无运动学边界条件以及不预设薄弱带等条件下，地幔的流动能够产生足够的推动力，克服基于实验值的岩石圈强度，形成新的俯冲板块。该研究首次自洽地实现了对板块俯冲启动的模拟，发现了四种动力学端元模式：稳定盖层、局部缩短、对称俯冲和非对称俯冲，其中非对称俯冲模式与现今地球的板块构造相对应。该研究认识到板块构造的形成受多种因素的共同约束，其形成条件比前人所设想的条件要严格很多，这可能是其他类地行星没有出现板块构造的一个原因之一。此外，他们还指出软流圈-岩石圈之间的作用力具有提供板块运动驱动力的可能性，为理解板块构造的运动机制提供了新的认识。
图1 不同岩石圈热年龄所对应的三种动力学端元模式：稳定盖层、局部缩短和非对称俯冲
图2 (a) 低强度岩石圈所对应的第四种动力学端元模式-对称俯冲 (b)四种动力学端元模式的参数空间相图
图3 软流圈-岩石圈相互作用驱动岩石圈运动的机制