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【前沿论坛】钮凤林:全波地震层析成像研究东亚上地幔结构
2019-02-08 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

报告人:钮凤林∣编写:蒋梦凡,塔力哈尔·哈帕尔,孙伟家地球与行星室

  深俯冲岩石圈动力学研究近年来取得很大进展,但完整理解该俯冲过程依然存在困难。地震层析成像显示,一些板块俯冲并停滞在地幔过渡带[1],一些板块则俯冲至下地幔深处[2]。不同俯冲带可表现出迥异的俯冲过程,如海沟后撤或前进;俯冲带的上覆板块也可表现出复杂的构造行为,如弧后挤压和弧后拉张交替发生[3]。岩浆活动还可延伸至内陆,如中国东北的长白山火山的岩浆活动可解释为沿平板俯冲板片上涌的软流圈[4]或沿深部裂隙上涌[5] 

  为了更好地理解俯冲带动力过程,钮凤林教授的研究团队利用新发展的全波地震层析成像方法获得了东亚高分辨率上地幔地震层析成像结果。他们使用了1590个地震台站记录的95次地震事件,共计1.35亿条体波波形以及7.2万条面波记录,实施了东亚地幔P波和S波的三维全波反演。较走时层析反演,该方法使用包含波形振幅信息的失配函数,极大提高了反演速度的分辨率。全波成像建立的东亚上地幔地震速度模型FWEA18给出了更准确和更清晰的地震结构。

  图1显示了FWEA18模型不同深度的P波速度扰动剖面。在80200 km较浅深度上,日本和琉球海沟下方俯冲的大洋岩石圈、鄂尔多斯地块和四川盆地(1OBSCB)以及青藏高原东部下面的俯冲印度岩石圈(1IND) 表现为明显的高速异常(5);地震低速异常横跨弧后区(1S1AS1B)、南海(S2)和红河断裂带(S3)、华北造山带之下、鄂尔多斯地块东北和大同火山(1S4),这与已有认识是一致的。 

   

 各向同性P速度在80-800 km深度上相对扰动的水平截面[6]。每个图左上角的数字表示深度,右上角的数字表示这个深度的平均速度。OB.鄂尔多斯盆地;SCB.四川盆地;IND.印度板块    

  深于200 km的高速异常体几乎与俯冲板块相关。图2给出了不同垂直切片的位置,图3是各个切片的S波速度分布图。这些切片穿过了太平洋板块俯冲至欧亚大陆处的日本俯冲带、菲律宾海板块俯冲至欧亚大陆的琉球俯冲带,以及太平洋板块俯冲至菲律宾海板块的伊豆小笠原(Izu-Bonin)俯冲区域等。俯冲的板片呈现高速异常,其形态清晰可见,如图3所示,板块进入过渡区后,剪切波振幅异常接近5%。相对而言,日本和琉球地区的俯冲板块厚度较薄(~100 km),其俯冲至650 km深度且几乎没有发生变形。伊豆小笠原俯冲板块的成像不够清晰并在过渡带有角度变化。 

  2 垂直切片的位置图以及火山分(红色三角)布位置

3 不同位置的S波速度垂直切片以及与已有EARA2014模型的比较。新建的FWEA18具有更高的分辨率因而可刻画更加精细的结构    

  基于全波反演建立的高分辨率FWEA18模型,他们在梳理前人研究并进一步丰富了东亚地区的板块俯冲的结构与过程:扬子克拉通西部和鄂尔多斯块体下方存在明显高速异常,其延伸至175-200 km深;日本海下方S波低速异常但并未观测到高Vp/Vs比值,其不能简单地用热异常解释;太平洋板块和菲律宾海板块俯冲至550 km深度未见明显变形,在华北和华中下方的俯冲板片年龄可能是30 Ma,更老的板片可能坠入下地幔;菲律宾海板块俯冲在琉球群岛之下,最大俯冲深度约为450 km,板块总长度约为650 km;华南大陆下方东北倾向的高速体异常很难用30 Ma的太平洋板块俯冲解释,其可能是原华南大洋(proto-South China Sea)板片的残留;在蒙古国东部和华南大陆沿海地区地幔过渡带速度较低,这些区域均存在活火山活动,可能暗示了来自过渡带的物质上涌与板内火山的关联;该模型在中国下方的分辨率是最好的,狭窄的圆柱状低速异常体从蒙古达里冈厓延伸至长白山火山和大同火山,并且这些异常延伸至上地幔底部,邻近俯冲板片穿过地幔过渡带进入下地幔的位置,这意味着地幔物质通过板片的空档上涌形成这些低速异常体。     

  【参考文献】 

  [1] Fukao Y, Obayashi M, Nakakuki T, et al. Stagnant slab: a review[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2009, 37: 19-46.原文链接 

  [2] Grand S P, van der Hilst R D, Widiyantoro S. High resolution global tomography: a snapshot of convection in the Earth[J]. Geological Society of America Today, 1997, 7(4).原文链接 

  [3] Capitanio F A, Stegman D R, Moresi L N, et al. Upper plate controls on deep subduction, trench migrations and deformations at convergent margins[J]. Tectonophysics, 2010, 483(1-2): 80-92.原文链接 

  [4] Kuritani T, Ohtani E, Kimura J I. Intensive hydration of the mantle transition zone beneath China caused by ancient slab stagnation[J]. Nature Geoscience, 2011, 4(10): 713–716.原文链接 

  [5] Tang Y, Obayashi M, Niu F, et al. Changbaishan volcanism in northeast China linked to subduction-induced mantle upwelling[J]. Nature Geoscience, 2014, 7(6): 470–475.原文链接 

  [6] Tao K, Grand S P, Niu F. Seismic structure of the upper mantle beneath Eastern Asia from full waveform seismic tomography[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2018, 19(8): 2732-2763.原文链接 

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