基于三重震相研究青藏高原和西北太平洋俯冲过渡带速度结构

上地幔过渡带是上、下地幔物质交换的一个重要场所。上地幔过渡带属性为推测地幔温度,其化学组分以及地幔对流等相关动力学研究提供了一个很重要的途径。本文回顾了对上地幔间断面的认识过程,简要介绍了近年来随着高温高压实验技术提高,地震学研究对上地幔过渡带所取得的最新进展。     

基于P波三重震相研究青藏高原上地幔速度结构及其动力学意义

青藏高原因其复杂的结构和演化历史,一直都是研究大陆碰撞、构造运动及其动力学的热点区域。本文采用三重震相波形拟合技术,基于中国地震观测台网和大型流动台阵记录到的某地震P波垂向记录,获得了包括拉萨、南羌塘和松潘甘孜地块在内的青藏高原上地幔P波速度结构。结果表明:①拉萨和南羌塘地块下方地幔过渡带存在高速异常,推测是俯冲的印度板片滞留体,过渡带底部的板片残余温度较低,使得660-km相变滞后约3～8km。而松潘甘孜地块下方过渡带同样存在高速异常,可能是欧亚岩石圈发生拆沉进入地幔过渡带所致。这说明印度板块俯冲作用的影响已经到达地幔过渡带,其俯冲前缘位于班公怒江缝合带附近。②从拉萨、南羌塘到松潘甘孜地块,200km之上的地幔岩石圈高速盖层速度由南向北逐渐减小,松潘甘孜地块则出现盖层缺失。推测受小规模地幔对流或者热不稳定性的影响,在南羌塘和松潘甘孜地块,增厚的欧亚岩石圈发生拆沉作用,岩石圈被减薄和弱化,造成羌塘地块上地幔低速和松潘甘孜地块上地幔高速盖层缺失。拆沉的冷的欧亚岩石圈可能部分停留在410-km上方,使得410-km抬升约10km,部分沉入地幔过渡带,表现为松潘甘孜地块地幔过渡带中存在高速异常。低温造成660-km下沉约8km,导致地幔过渡带增厚。      

基于环境噪声的地幔间断面体波成像研究

地震环境噪声互相关广泛用于地球岩石层的高分辨率面波成像。对在地球内部传播的地震体波进行类似观测将为我们打开一扇了解地球深部的窗口。本文介绍了如何利用地幔过渡带的顶部(410km)和底部(660km)间断面反射的P波噪声互相关来观测该地幔过渡带。数据表明,不利用震源也可绘制地幔过渡带高分辨率图像。     

基于P波三重震相的华南和青藏高原地区上地幔速度结构研究

上地幔速度结构的研究,尤其是,地幔过渡带和岩石圈速度结构对于探测地幔温度、化学组分、地幔对流以及岩石圈破坏等相关动力学问题意义重大。华南块体由扬子克拉通和华夏地块两个微陆块在新元古代晚期碰撞拼合而成,经历了多期强烈的构造运动,是研究太平洋板块俯冲和岩石圈减薄机制等的最佳场所。而青藏高原则是研究陆-陆碰撞的野外实验室,自新生代印度板块与欧亚板块碰撞以来,吸收了至少1 700 km的南北向缩短量,其隆升机制和变形过程是重构青藏高原演化过程的关键。本文介绍了上地幔间断面的成因及其研究意义,总结了上地幔速度结构常用的研究方法及研究进展,重点讨论三重震相方法对上地幔速度结构的研究。本文对远震记录利用时域迭代反褶积技术分别计算了每个事件的震源时间函数和震源深度,并提出利用三重震相相对到时差反演初始速度结构模型的方法,在此基础上,结合试错法波形拟合获取最佳模型,便于今后大量高效地处理观测数据。通过对"中国地震科学台阵探测"项目一期350个流动地震台站以及中国地震台网固定台站的观测记录进行三重震相波形拟合分析,本文分别获得了华南地区以及青藏高原地幔过渡带和岩石圈速度结构特征。结合研究区域的地质、地球物理资料,探讨其可能的动力学机制。华南地区研究结果显示,中扬子克拉通下方过渡带底部存在高速异常,系中侏罗世太平洋板块俯冲至欧亚板块下方的滞留体,异常南界约27°N,向西止于南北重力梯度带(约ll〇〇E),俯冲板块并未穿透660 km的阻力到达下地幔,而是滞留在过渡带底部,使660 km下沉约11 km。而华夏地块过渡带速度结构特征基本与IASP91—致。在整个华南地区,410km上方普遍存在低速层,推测与地幔橄榄岩的部分熔融有关。此外,研究区域内岩石圈普遍存在减薄(80 km),推测可能是太平洋板块的俯冲和快速回撤使岩石圈拆沉所致。且华夏地块减薄幅度更大,软流圈速度更小,说明其上地幔强度较弱、温度较高。自晚白垩起,太平洋板块的东向回撤使得中国大陆东部应力环境由挤压转变为拉张,此前增厚的大陆地壳与岩石圈地幔一起发生重力垮塌导致减薄,而岩石圈的拆沉导致软流圈物质上涌,引发华南地区晚中生代广泛而强烈的岩浆活动。青藏高原地区研究结果表明,拉萨和羌塘地块下方过渡带底部存在高速异常,推测是印度岩石圈俯冲板块的残余,说明印度板块的俯冲前缘已经到达班公怒江缝合带。过渡带底部的高速滞留体使得660 km相变滞后下沉约8?13 km。与此不同的是,松潘甘孜地块过渡带中较小的高速异常可能是拆沉的欧亚岩石圈进入地幔过渡带的体现,拆沉的冷的欧亚岩石圈使得过渡带内410km有所抬升,660km有所下沉,造成地幔过渡带厚度增加。此外,从拉萨、羌塘到松潘甘孜地块,其岩石圈高速盖层速度逐渐减小,到松潘甘孜地块甚至出现缺失。推测在羌塘和松潘甘孜地块上方,此前增厚的欧亚岩石圈在小规模地幔对流或者热不稳定性作用下发生拆沉,拆沉的欧亚岩石圈有可能部分停留在410km上方,部分进入地幔过渡带。     

伊豆—小笠原俯冲带板片的形态与形变研究

地震层析成像方法为俯冲板片的形态、形变与流变(间接)提供了独特的约束条件。本文利用远震双差P波成像技术对伊豆—小笠原板片的复杂结构进行了非常清晰的成像,结果显示位于26.5°N～28°N之间的地幔过渡带(MTZ)中存在一个板片撕裂。撕裂以北,板片在MTZ发生折叠,在褶皱枢纽的正上方,剪切带内初期的黏性耗散形成了P波衰减区。撕裂以南,在MTZ底部板片发生翻转且平铺于MTZ的底部。2015年小笠原地震(M_W约为7.9)的震源深度约为680km,该地震发生在翻转板片的最北端。伊豆—小笠原板片的局部撕裂、剪切和屈曲表明,其经过上地幔和地幔过渡带后仍然保持了较高的黏滞性。     

利用海底电缆探测太平洋地区地幔结构的研究进展

介绍了地幔电性结构、地幔温度、地幔含水量等参数对地球动力学和地幔动力学过程的重要科学意义,综述了近年来利用海底电缆在该领域的主要研究进展.本文首先介绍了日本利用海底电缆探测地幔深部结构的方法原理与发展历程,然后阐述了该方法的观测方式、观测系统与仪器,综述了国际上近年来利用海底电缆在环太平洋地区海底的观测资料进行地幔一维电导率结构、三维电导率分布的研究进展.基于海底电缆的观测数据进行反演的结果表明,太平洋海域地区地球深部存在410 km,660 km的电导率不连续面,此不连续面与地震资料的波速不连续面基本一致,为地幔不连续面提供了新的地球物理证据.在根据由海底电缆观测数据反演得到的太平洋地区地球内部电导率分布基础上,综述了综合深部地震波速、岩石高温高压实验等,将电导率的分布转换为地球内部的温度场分布、推导地幔过渡带水的浓度进而转换为地幔过渡带的含水百分比(含水量)的方法技术与研究进展.研究结果表明,夏威夷和北日本海地幔过渡带电导率异常主要受温度控制,菲律宾海域地幔过渡带的电导率异常除了和温度有关外,还受含水量影响,该处地幔过渡带的含水量大约在1％左右.这些研究表明,海底电缆探测方法,在地球深部探测尤其是地幔不连续面的探测、地幔温度场分布与特征、地幔含水量等方面有重要的作用.最后,展望了海底电缆探测方法的研究与发展,这些研究方法及成果对认识中国海域地球内部机构提供一定的参考.     

利用接收函数研究青藏高原东南缘的地壳上地幔结构

本文使用位于青藏高原东南缘的25个地震台站的远震数据,采用P波和S波接收函数的方法研究了台站下方的Moho深度、泊松比以及地幔过渡带的厚度.计算结果表明：① 青藏高原东南缘的地壳厚度由松潘—甘孜地体和羌塘地体的约60 km,向邻区的印支地体以及扬子板块分别减薄为约38 km和约42 km; ② 羌塘地体的泊松比主要集中范围为0.25～0.28,地壳物质组分主要为中基性岩石,推测与下地壳镁铁质成分的增加有关.松潘—甘孜块体、印支块体和扬子板块的泊松比为0.25～0.26,主要为中酸性岩石组分.缺乏高的泊松比(≥0.30)分布表明青藏高原东南缘的地壳不存在广泛的部分熔融,但是不排除局部部分熔融的存在;③ 青藏高原东南缘的羌塘地体内存在一个比较明显的、异常变化范围为10～26 km的地幔过渡带增厚区域,其对应着地幔过渡带内100℃～260℃的温度降低,可以推断与此异常区域的地幔过渡带内存在俯冲的板块有关.     

藏西北上地幔过渡带速度结构研究

地幔过渡带是指全球性的410 km和660 km间断面之间的部分,其中660 km的间断面是上、下地幔的分界线.过渡带内地震波速度异常和间断面的起伏特征是探测地幔温度,其化学组分以及相关动力学等问题的有效途径.     

高温高压下碳酸盐熔体对地幔岩电导率的影响

为了观测含碳酸盐地幔岩部分熔融过程中电导率的变化,厘清碳酸盐熔体在金伯利岩岩浆形成过程中所起的作用,并探讨Slave克拉通中部Lac de Gras地区约80～120km深处的高导成因,我们利用DS 3600t六面顶压机和Solartron 1260阻抗/增益-相位分析仪在1.0～3.0GPa、673～1873K温压条件下分别测量了含碳酸钠(Na_2CO_3)、碳酸钙(CaCO_3)和大洋中脊玄武岩(MORB)的地幔岩样品的电导率.实验结果表明,地幔岩样品的电导率主要受到温度和组分的影响,而压力对其影响较小.在温度低于1023K时,含Na_2CO_3地幔岩样品的电导率明显高于含同比重CaCO_3和MORB的;温度达到1023K时,含Na_2CO_3地幔岩样品开始熔融;但在之后的200K温度区间内,该部分熔融样品的电导率随温度的增加几乎不发生变化.这一现象或许揭示:地幔深部的碳酸质岩浆在快速上升过程中会同化吸收岩石圈地幔中的斜方辉石(Opx),进而形成金伯利岩岩浆,期间岩浆的电导率几乎不发生变化.含CaCO_3和MORB的地幔岩样品分别在1723K和1423K开始熔融,其部分熔融样品的电导率随温度的增加而快速增加.依据前人的研究结果和我们的实验结果,我们认为可以用含碳酸盐的部分熔融样品来解释Slave克拉通中部Lac de Gras地区约80～120km深处的异常高导现象,并推测熔体中碳酸盐的熔体比例小于2wt.%.     

基于P波三重震相的华南地区上地幔速度结构研究

华南块体是研究太平洋板块俯冲和岩石圈减薄机制等问题的最佳场所之一.本文基于中国地震观测台网和大型流动台阵记录到的震中距10°~30°之间的两个中深源地震P波记录,利用三重震相波形拟合技术,获得了中扬子克拉通和华夏地块上地幔高精度P波速度结构.研究结果表明:(1)中扬子克拉通过渡带底部存在高速异常,系太平洋俯冲板块的滞留体.俯冲的板块并没有进入下地幔,660-km间断面下沉约11 km,与后尖晶石相变的克拉伯龙斜率为负有关.而华夏地块过渡带底部并无明显高速异常,接近全球平均模型;(2)整个华南块体,410-km间断面上方普遍存在低速层,主要与上地幔部分熔融有关,与IASP91相比P波速度减小了1.38%~2.29%;(3)在研究区域内,中扬子克拉通和华夏地块都存在岩石圈减薄(80 km),推测可能与太平洋板块俯冲和快速回撤导致的岩石圈拆沉有关.且华夏地块减薄程度较明显,下伏软流圈速度较低,说明其上地幔强度较弱、温度较高.另外,中扬子克拉通过渡带中存在一个较宽的速度梯度带,可能与520-km间断面有关,其具体成因有待进一步研究.     

Conductivity structure of the upper mantle in an active subduction zone

The results of deep electromagnetic soundings for the active transition ocean-continent zone at Sakhalin Island are presented. After an averaging procedure of the magnetotelluric response functions, the period range was extended up to 500 days by using the geomagnetic soundings of the Yuzhno-Sakhalinsk, Kakioka and Memambetsu observatory data. The existence of the asthenosphere and a high conductivity layer located at the base of the upper mantle was established by one-dimensional inverse methods. High resistivity revealed at depths of 250–450 km appears to be connected with the penetration of the cold slab into the mantle. The possible nature of a mid-mantle conductive layer and the relation of its conductances with the tectonic history are discussed.     

莫霍界面的性质

本文綜述了当前对莫霍界面性貭的学說,列举了相变学說所遇到的困难。根据新近地震面波和体波所获得有关地幔頂部速度分布的资料,进一步探討了莫霍界面的性貭,所得的結論为: （1）大陆和海洋的莫霍界面都不是相变面; （2）地幔頂部沿深度方向不可能由均勻物貭所組成,低速带的形成与物貭的組成有关; （3）大陆和海洋的地幔頂部,其差异主要在于低速带頂面位置的不同,大陆的較深,海洋的較浅; （4）根据放射性含量的測定,組成地幔頂部的物貭可能是榴輝岩与其他超基性岩石的混合物,其速度受溫度的影响不大。     

Probability of radial anisotropy in the deep mantle

It is well established that the Earth's uppermost mantle is anisotropic, but observations of anisotropy in the deeper mantle have been more ambiguous. Radial anisotropy, the discrepancy between Love and Rayleigh waves, was included in the top 220 km of PREM, but there is no consensus whether anisotropy is present below that depth. Fundamental mode surface waves, for commonly used periods up to 200 s, are sensitive to structure in the first few hundred kilometers and therefore do not provide information on anisotropy below. Higher mode surface waves, however, have sensitivities that extend to and below the transition zone and should thus give insight about anisotropy at greater depths, but they are very difficult to measure. We previously developed a new technique to measure higher mode surface wave phase velocities with consistent uncertainties. These data are used here to construct probability density functions of a radially anisotropic Earth model down to approximately 1500 km. In the uppermost mantle, we obtain a high probability of faster horizontally polarized shear wave speed, likely to be related to plate motion. In the asthenosphere and transition zone, however, we find a high probability of faster vertically polarized shear wave speed. To a depth of 1500 km in the lower mantle, we see no significant shear wave anisotropy. This is consistent with results from laboratory measurements which show that lower mantle minerals are anisotropic but LPO is unlikely to develop in the pressure–temperature conditions present in the mid-mantle.     

The earth's thermal profile: Is there a mid-mantle thermal boundary layer?

Shock observations on melting of iron by Brown and McQueen with the inner core boundary (ICB) density contrast estimated by Masters are used with the assumption that the light ingredient of the outer core is oxygen to calculate the boundary temperature T_ICB = (5000 ± 900) K. Adiabatic extrapolation to the core-mantle boundary (CMB) gives T_ICB = (3800 ± 800) K. The temperature increment across the D″ layer is not well constrained, but is estimated to be T_D″ = (800 ± 400) K and a slightly superadiabatic extrapolation to 670 km gives T_{670 +} = (2300 ± 950) K. This is only about 300 K higher than the extrapolation to the same level from the upper mantle, T_670? = (1970 ± 150) K. The difference is far too small to make a viable mid-mantle boundary layer. Remaining unceertainties are too large to discount such a boundary layer with certainty, but agreement of our new temperature profile with temperatures deduced from equation of state studies on the lower mantle and core encourages the view that we are converging to a well-determined temperature profile for the Earth.     

石榴子石的高温塑性：地幔转换带的流变特性

介绍了近年来国际地球物理学界在石榴子石相矿物高温塑性实验研究领域取得的进展和它的意义。这些实验研究进展表明地幔转换带内的富石榴子石岩层的流变强度要大大高于相邻深度的其它矿物相，从而导致地幔转换带流变非均匀性。这种由于矿物组分差异产生的地幔流变性非均匀性对地幔转换带地球动力学特征有着十分重大的影响。首先，石榴子石相矿物在很大程度上决定了那里的强度结构，并控制了地幔转换带的流变性。第二，中、深源地震的成因在很大程度上与石榴子石相矿物流变特性有关，第三，地幔转换带流变的非均匀性将影响到俯冲板块的下插深度和消减过程，最后，对这一课题的未来研究方向和问题作了简单的介绍。     

Thermal histories of the core and mantle

Recognition that the cooling of the core is accomplished by conduction of heat into a thermal boundary layer (D″) at the base of the mantle, partly decouples calculations of the thermal histories of the core and mantle. Both are controlled by the temperature-dependent rheology of the mantle, but in different ways. Thermal parameters of the Earth are more tightly constrained than hitherto by demanding that they satisfy both core and mantle histories. We require evolution from an early state, in which the temperatures of the top of the core and the base of the mantle were both very close to the mantle solidus, to the present state in which a temperature increment, estimated to be ～ 800 K, has developed across D″. The thermal history is not very dependent upon the assumption of Newtonian or non-Newtonian mantle rheology. The thermal boundary layer at the base of the mantle (i.e., D″) developed within the first few hundred million years and the temperature increment across it is still increasing slowly. In our preferred model the present temperature at the top of the core is 3800 K and the mantle temperature, extrapolated to the core boundary without the thermal boundary layer, is 3000 K. The mantle solidus is 3860 K. These temperatures could be varied within quite wide limits without seriously affecting our conclusions. Core gravitational energy release is found to have been remarkably constant at ～ 3 × 10¹¹ W. nearly 20% of the core heat flux, for the past 3 × 10⁹ y, although the total terrestrial heat flux has decreased by a factor of 2 or 3 in that time. This gravitational energy can power the “chemical” dynamo in spite of a core heat flux that is less than that required by conduction down an adiabatic gradient in the outer core; part of the gravitational energy is used to redistribute the excess heat back into the core, leaving 1.8 × 10¹¹ W to drive the dynamo. At no time was the dynamo thermally driven and the present radioactive heating in the core is negligibly small. The dynamo can persist indefinitely into the future; available power 10¹⁰ y from now is estimated to be 0.3 × 10¹¹ W if linear mantle rheology is assumed or more if mantle rheology is non-linear. The assumption that the gravitational constant decreases with time imposes an implausible rate of decrease in dynamo energy. With conventional thermodynamics it also requires radiogenic heating of the mantle considerably in excess of the likely content of radioactive elements.     

溧阳震区地壳深部结构的探测与研究

本文利用天然地震转换波法所测得的漂阳震区地壳深部主要界面的构造图。简要地讨论了溧阳震区深部构造与震中分布的关系,认为溧阳两次中强地震都发生在较厚的花岗岩质层中,其深部构造特征表现为上地幔隆起、或界面埋深变化剧烈的梯度带,同时又处于两组以上深断裂交汇的特殊部位     

随县-马鞍山地带地壳与上地幔结构及郯庐构造带南段的某些特征

本义利用1979-1981年中国科学院地球物理研究所在随县-马鞍山所做的人工源地震探测的资料,采用二维射线追踪来拟合地震波的走时和振幅,取得了该地带的地壳与上地慢速度结构.结果表明,该地带地壳厚度为32-37km,莫霍面起伏变化显著.地壳速度的横向变化甚为强烈,地壳中部存在低速层.在巢湖以西宽数10km的范围内,地壳结构与其它地方明显不同,上地壳速度明显偏高,莫霍面上隆并有间断;在其两侧,明显可见有两条深断裂.结合其它地球物理场特征及大地构造概况,对结果进行分析,认为郯庐构造带南段被两条深断裂所夹,构造带宽度可达数10km,并在地质历史时期曾有过地幔物质上涌.     

随县—马鞍山地带地壳与上地幔结构及郯庐构造带南段的某些特征

本义利用1979—1981年中国科学院地球物理研究所在随县—马鞍山所做的人工源地震探测的资料,采用二维射线追踪来拟合地震波的走时和振幅,取得了该地带的地壳与上地慢速度结构.结果表明,该地带地壳厚度为32—37km,莫霍面起伏变化显著.地壳速度的横向变化甚为强烈,地壳中部存在低速层.在巢湖以西宽数10km的范围内,地壳结构与其它地方明显不同,上地壳速度明显偏高,莫霍面上隆并有间断;在其两侧,明显可见有两条深断裂.结合其它地球物理场特征及大地构造概况,对结果进行分析,认为郯庐构造带南段被两条深断裂所夹,构造带宽度可达数10km,并在地质历史时期曾有过地幔物质上涌.     

Topography of the mantle discontinuities beneath the South Pacific superswell as inferred from broadband waveforms on seafloor

We analyzed seismic waveforms recorded by the broadband ocean bottom seismographs deployed in the South Pacific superswell to determine the depths of the mantle discontinuities using a receiver function method. We estimated the thickness of the mantle transition zone (MTZ) to be 245 km on average beneath the superswell region, which is close to the global average. The MTZ is found to be thinned locally beneath the Society hot spot by 30 km. Temperature anomalies computed from the thinned transition zone and the Clapeyron slope of the olivine phase transformations are 150–200 K beneath the Society hot spot. Previous studies, using land-based data, suggested the presence of a hot MTZ beneath the Pitcairn hot spot. The locally hot transition zone beneath the hot spots is attributed to narrow mantle plumes probably rising from the lower mantle. The normal average thickness obtained from the present study indicates that there is no broad upwelling across the transition zone beneath the entire superswell region at present.