西北太平洋俯冲带及其深震活动

俯冲带是理解地球内部物质循环和能量交换、大陆岩石圈演化、地震和火山活动及矿产资源分布等的重要环节.本文聚焦于西北太平洋俯冲带,通过汇集多种地震观测研究结果,清晰地揭示了由日本海沟至中国东北的俯冲板片整体活动图像,即整个西北太平洋俯冲板片的主压应力轴一致地稳定在俯冲方向上,俯冲板片上深浅部的显著地震活动存在密切的关联性;俯冲板片深处的亚稳态橄榄岩楔形区及其周边是深源地震多发区,深源地震可能是由亚稳态橄榄岩楔形区内的相变断层开始破裂的;在410~660 km深的地幔过渡带内处观测到的俯冲板片上下界面,揭示了俯冲板片的层状组分结构和板块下侧的高含水量.为更好地约束日本海下方的俯冲板片结构和深入探讨西太平洋的俯冲动力作用,有待于在全球罕有的大陆深部不断发生深震的西北太平洋俯冲区,开展海陆联合的地球物理探测及岩石高温高压实验和地球动力学模拟等研究.

     

西北太平洋板块边缘俯冲特征：来自堪察加壳幔速度成像的约束

堪察加半岛位于太平洋板块的西北边缘处。太平洋板块沿堪察加海沟俯冲进入地幔,而在板块边缘处,其俯冲特征是否有不同？本研究从IRIS网站下载76个固定台站记录到的来自2 239个近震事件和75个远震事件的77 141条P波到时数据,利用近震-远震联合层析成像方法（TOMOG3D）获得堪察加地区壳幔内的三维P波速度结构。成像结果显示,研究区域下方上地幔内存在非常明显的高速异常块体,且与深源地震的空间分布高度一致。分析认为,该高速异常体为俯冲的西太平洋板块,俯冲角度和深度沿堪察加海沟由北向南均逐渐增加。地幔过渡带和下地幔顶部存在明显的高速异常块体,可能是因为堪察加半岛下方的太平洋俯冲板块在边缘或深部发生岩石圈熔融或拆沉现象,该高速异常块体即为拆沉的岩石圈。本文的成像结果中还可清晰地观察到2个板块窗口。堪察加地区浅部火山前线下方出现大范围的低速异常,可能是由于俯冲板块脱水或流经板块窗口的地幔流热物质导致。     

西北太平洋俯冲带日本本州至中国东北段应力场反演

本研究基于Global CMT提供的1196个1976年11月-2017年1月M_W>4.6地震矩心矩张量解,对西北太平洋俯冲带日本本州至中国东北段的应力场进行反演计算,得到了从浅表到深部俯冲带应力状态的完整分布.结果显示：俯冲带浅表陆壳一侧应力场呈现水平挤压、垂向拉伸状态,洋壳一侧的应力状态则相反,即近水平拉张、近垂向压缩.沿着俯冲板片向下,应力主轴逐渐向俯冲板片轮廓靠拢,其中位于双地震层（120 km深度附近）之上的部分,主张应力轴沿俯冲板片轮廓展布而又比其更为陡倾;双地震层内的应力模式同典型Ⅰ型双层地震带内的应力模式一致,即上层沿俯冲板片轮廓压缩、下层沿俯冲板片轮廓拉伸;双地震层之下,应力模式逐步转变为主压应力轴平行于俯冲板片轮廓.通观所研究的整个俯冲系统,水平面内主压和主张应力轴基本保持了与西北太平洋板片俯冲方向上的一致性,同经典俯冲板片的应力导管模型所预言的俯冲带应力模式相符;而主张应力轴在俯冲板片表面之下的中源地震深度范围内转向海沟走向,或许同研究区域横跨日本海沟与千岛海沟结合带,改变的浅部海沟形态致使完整俯冲板片下部产生横向变形有关.

     

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。     

西北太平洋俯冲地区410-km间断面上覆低速层探测

自20世纪90年代首次探测到410-km间断面上覆低速层以来,全球多个俯冲带和大陆克拉通地区都陆续发现了该低速层结构.对其特性及形成机理的探讨是深部地幔结构、物性和动力学研究的热点问题.本文聚焦于西北太平洋俯冲地区410-km间断面上覆低速层的探测及特性研究上.通过对发生于日本北海道地区两个中等深度地震区域波形资料的分析,利用三重震相波形拟合方法获得了我国东北及日本海西北部下方410-km间断面附近的P波速度结构.速度模型明确显示,410-km间断面上方存在厚~47±14 km,异常值~2%的低速层,横向展布近700 km.结合区域地震层析成像、矿物高温高压物理实验及动力学模拟结果,我们否定了"从下至上"的上涌热物质导致410-km间断面上覆低速层的模型;认为较老且快速俯冲的太平洋板块在地幔过渡带顶部脱水导致硅酸盐矿物的部分熔融,由于熔体密度较大能够稳定存在于410-km间断面之上,从而产生了观测到的横向展布较广的410-km间断面上覆低速层结构.     

俯冲带橄榄岩及其记录的壳幔相互作用

俯冲过程是板块构造运动的核心过程,而地幔楔作为俯冲系统中连接俯冲盘和仰冲盘的关键构造单元,在地球层圈之间物质循环和能量交换等方面发挥了重要作用.本研究汇总了全球代表性俯冲带橄榄岩(包括俯冲带型蛇绿岩和地幔楔型造山带橄榄岩)的研究现状,并展望未来需要解决的关键科学问题.俯冲带型蛇绿岩地幔单元和地幔楔型造山带橄榄岩分别代表着大洋和大陆俯冲带侵位的地幔岩石,是研究俯冲带壳幔相互作用的关键对象.该相互作用的本质是俯冲板片和地幔楔之间在物理过程主控下发生复杂的化学交换作用.俯冲带型蛇绿岩能够记录从大洋岩石圈产生到俯冲启动直至成熟到消亡等不同阶段复杂的熔-岩和水-岩相互作用、变形变质过程、金属成矿元素富集以及壳幔物质交换等.地幔楔型造山带橄榄岩则反映洋-陆和陆-陆俯冲/碰撞、折返等阶段强烈的变形变质历史,多种性质的熔/流体交代作用(硅酸盐熔体、碳酸盐熔体、含硅酸盐组分的C-H-O流体/超临界流体),以及复杂的壳幔物质循环过程等.利用俯冲带橄榄岩进一步探索壳幔相互作用,需要采用高空间分辨率、高精度的测试方法从微观尺度上约束复杂的化学交代过程和变质变形历史,并与宏观构造的时、空演化相联系.     

俯冲带中的洋壳在中国东北上地幔底部分离的地震学证据

中国东北西太平洋俯冲带位于欧亚板块与西太平洋板块的交界部位,西太平洋板块的俯冲运动从日本海沟开始一直延伸到了中国东北地区.层析成像(Gudmundsson & Sambridge,1998;Huang & zhao,2006)结果表明,西太平洋板块和该区域'660'的相互作用,导致了该区域上地幔结构的复杂性.     

长白山天池火山地震活动与西北太平洋俯冲带内中深源地震关系的研究

根据长白山火山活动的地球动力学背景,综合分析西北太平洋俯冲带俯冲作用所引起的中深源地震与长白山火山地震活动及温泉流体化学气体释放变化趋势的关系。认为在北纬35°以北,西北太平洋板块俯冲作用引起的地幔对流的扰动作用下,长白山火山活动从1999年至目前大体经历了3个阶段:1999年6月至2002年5月为扰动起始阶段,2002年6月至2004年为扰动增强阶段,2005年至目前为扰动衰减阶段。在分析了3个阶段内长白山火山地震活动及温泉气体释放特征的基础上,讨论了长白山天池火山目前的活动状态。从日本海至中国东北深源地震区地震活动期和平静期存在的韵律性活动过程出发,对长白山天池火山未来喷发的可能性进行了分析     

长白山—镜泊湖火山区上地幔间断面接收函数研究

利用布设在长白山地区的19个PASSCAL宽频带流动地震台站近一年的远震记录和布设在镜泊湖火山区14个宽频带轻便数字地震仪三个月的远震记录,共得到高质量的423个接收函数,通过对这些接收函数的共转换点叠加得到研究区的间断面的分布及形态.研究结果表明,研究区存在410、520km和660km间断面.410km和660km间断面较为连续且具有正相关性质,410km间断面在长白山天池火山下局部上隆,660km间断面具有复杂的多界面性质.410km和660km之间的过渡带厚约250km,接近全球平均水平.珲春深震区下660km界面下陷,其上还有多组震相,这些震相在珲春深震区东西两侧不连续,推测西太平洋板块至少已经俯冲到欧亚大陆下的上地幔过渡带中.410km间断面在长白山火山区下局部上隆,660km间断面具有的复杂结构和珲春深源地震的发生均与俯冲板块在过渡带中的活动有关. 俯冲板块在受到660km间断面的强大阻力后,在660km间断面之上变为近水平扩张.推测在欧亚大陆下西太平洋板块的最前端可能已经不是一个完整的整体,或许是由几个有一定联系的板块残片组成.     

东北亚边缘地区地幔过渡带内滞留太平洋板片上界面的三重震相研究

东北亚地区下方地幔过渡带与太平洋俯冲滞留板片的相互作用对于区域深部物质运移和区域构造演化具有重要影响.基于中国国家数字台网记录的发生于鄂霍次克海与千岛群岛地区的两个深源地震的宽频带波形资料, 我们发现了与660-km间断面上方一个特殊界面有关的清晰的新P波三重震相波形; 通过对观测波形进行波形拟合以及搜索分析, 本文获得了东北亚边缘地区下方660-km间断面附近的精细速度结构.结果表明: 东北亚边缘下方的660-km间断面之上存在一高速异常层, 其具有尖锐的速度异常上界面, 深度介于455~510 km之间, P波速度异常达2%~4.5%;与此同时, 该地区下方660-km间断面整体速度跃变量较小, 且存在0~15 km的下沉; 660-km间断面下沉与高速层上界面的形态具有很强的相关性, 均表现为西浅东深、南浅北深的特征.结合前人研究结果, 我们推测受日本—千岛海沟回撤速率差异的影响, 西北太平洋俯冲板片对上地幔底部间断面作用的差异是造成660-km间断面整体形态南北差异的主要原因; 而俯冲板片在地幔过渡带内的滞留并向西展平堆积使得板片上界面西侧较东侧更浅; 滞留板片上界面的速度异常特征显示, 俯冲沉积物可能到达地幔过渡带且经脱水相变形成了含黄玉的矿物.

     

Receiver functions in northeast China - implications for slab penetration into the lower mantle in northwest Pacific subduction zone

Seismic studies of the subducting lithosphere and the upper mantle discontinuities in the northwest Pacific subduction zone beneath Japan and northeast China have suggested contrary subduction scenarios. There was little consensus on the issue whether the subducting slab penetrates the upper mantle discontinuities into the lower mantle or it is deflected atop of the 660-km discontinuity over several hundred kilometers. We calculate receiver functions from a recent seismic broadband station network located in northeast China and find topographic variations of the upper mantle discontinuities. A deeper-than-normal 660-km discontinuity is observed over an area of 400 km and it coincides with the stagnant slab imaged by seismic tomography. The 660-km discontinuity is locally depressed by more than 35 km and the transition zone is thickened by more than 20 km in the east of the region where it encounters the slab. These observations provide evidence of the slab accumulating in the mantle transition zone and locally penetrating into the lower mantle.     

缅甸弧中部俯冲带下方地幔间断面起伏形态研究

新生代以来,印度板块和欧亚板块发生碰撞形成了喜马拉雅造山带和青藏高原,印度板片在喜马拉雅东构造结处缅甸弧俯冲带进入深部地幔.开展缅甸弧俯冲带下方地幔间断面的研究有助于认识印度大陆岩石圈的碰撞-俯冲过程及其对上地幔结构的影响.本文选用了发生于缅甸弧地区的3个中源地震事件,获取了欧洲和美国阿拉斯加地区多个密集地震台网/台阵记录的高质量宽频带波形,利用N次根倾斜叠加方法（N=1,4）提取了缅甸弧中部俯冲带下方地幔间断面处产生的次生SdP转换震相.通过研究我们发现：（1）410-km间断面的深度范围为392~407 km,平均深度为400 km;相比于IASP91模型,410-km间断面的平均抬升幅度为10 km.我们推测印度板片在缅甸弧中部俯冲带下方已经穿过410-km间断面并进入到地幔转换带,410-km间断面的抬升与冷俯冲板片的影响有关;（2）X间断面深度在289~314 km之间,平均深度为306 km,推测该间断面可能与大陆地壳深俯冲背景下形成的超高压变质岩中柯石英（coesite）到斯石英（stishovite）的相变有关.

     

西北太平洋和汤加俯冲地区深震特殊聚簇的特性及成因探究

对比研究了具有不同热参数、不同俯冲形态的西北太平洋俯冲地区和汤加俯冲地区的深震特殊聚簇的地震学特性和成因.利用单键群方法探测到两个特殊的深震聚簇G1N和G1T.聚簇G1N位于地震空区下方,具有极低的b值（~0.54）,完全不同于具有高b值（~1.04）的汤加俯冲地区聚簇G1T.通过对聚簇地区板块形态、地震主应力轴、地震深度分布特征的分析,以及和汤加典型的板片折曲处地震活动性的对比,我们认为深震聚簇G1N附近的板块表现出板片折曲的特征,板块俯冲到地幔过渡带底部受到下地幔的黏性阻力,板片局部向上凸起发生折曲,产生局部的拉张应力,叠加在俯冲造成的压缩构造背景上,应力状态发生改变,从而影响该深震聚簇的地震活动性.汤加地区G1T聚簇深震的成因则完全不同,没有体现出板片折曲、应力变化的特征;相反,这些深震发生在较冷的Vitiza-Fiji俯冲板块上,该板块在5~8 Ma年前先行俯冲到G1T区域并与Tonga板块发生拆离,G1T聚簇深震就发生在这些温度依然很低、滞留于~500 km深度处的高速板片残留体上.

     

Constraining the characters of the upper mantle discontinuities beneath the NE margin of the Tibetan Plateau with a dense broadband seismic array

Based on observations from a dense broadband seismic array located along the northeastern (NE) margin of the Tibetan Plateau in southeastern Gansu Province,we use receiver functions (RFs) to pick the arrival times of P-to-S converted waves and bin the traces in different grids according to the piercing points of the 410 and 660 km discontinuities in the upper mantle.The depths of the two discontinuities are estimated by the ray tracing method with the IASP91 velocity model and a 3-D tomography model.The results indicate the following:(1) The arrival times of the P410s and P660s converted phases are delayed by approximately 1 s than those predicted by the IASP91 model.The mantle transition zone (MTZ) is thicker than that in the global model.(2) The synchronous lags in the P410s and P660s arrival times are consistent with low-velocity anomalies in the upper mantle,which are believed to result mainly from the eastward migration of materials beneath the NE margin of the Tibetan Plateau.(3) Combined with previous tomography results,the depression of the'660'discontinuity and the thickened MTZ are somewhat consistent with the big mantle wedge (BMW) model.However,due to data limitations,more studies are required to explore the BMW in the future.     

Imaging the mantle transition zone beneath eastern and central China with CEArray receiver functions

We analyzed a total of 37 427 receiver-function data recorded by national and regional broadband seismic networks of the China Earthquake Administration to study the mantle transition zone beneath eastern and central China.Significant topography on both the 410-km and 660-km discontinuities was clearly imaged in the 3D volume of CCP (common-conversion-point) stacked images that cover an area of 102.5 E-122.5 E and 22.0 N-42.0 N.3D crustal and mantle velocity models were used in computing the Ps time moveout...     

The crust and upper mantle structure beneath southeastern China

We analyzed teleseismic waveforms recorded by 44 stations in the Fujian and Taiwan provinces of China and obtained 5344 high quality receiver functions. The crustal thickness (H) and average crustal V_P/V_S ratio (k) beneath every station were estimated using the H–k stacking method. Crustal thicknesses near the Fujian Province range from 28.3 to 32.8 km with an average of 31.1 km, and the corresponding V_P/V_S ratios vary from 1.70 to 1.84 with a mean of 1.76. From inland to offshore of the Fujian Province, the crustal thicknesses decrease and Poisson's ratios increase. These may indicate decreasing SiO₂ and increasing calc-alkaline contents in the crust. The discontinuity structures such as the Moho, subducting slab, the 410- and 660-km discontinuities (hereafter we call them the 410 and the 660) are also studied using common converted point (CCP) stacking of receiver functions. Along two NW–SE lines of central and northern Taiwan, the CCP stacking results show a western dipping structure at depths above 50 km, suggesting that the Philippine Sea plate is probably subducting beneath the Eurasian continent plate near the central and northern Taiwan. The CCP stacking results show sharp and flat 410- and 660-km discontinuities, and the transition zone thickness (TZT) is the same as that of ambient mantle beneath Fujian and Taiwan Strait, but thickens in the east of Taiwan. These results suggest that (1) the subducting Eurasian continent plate is confined to the depths above 410 km beneath Fujian and Taiwan Strait; and (2) the South China Sea slab may reach the transition zone beneath the east of Taiwan.     

阿留申—阿拉斯加俯冲带及周边地区地幔过渡带结构研究

利用国家测震台网固定台站和"中国地震科学台阵探测"项目在南北地震带北段布设的宽频带流动台阵记录到的极远震事件,通过SS前驱波震相研究,获得了阿留申—阿拉斯加俯冲带东段及邻区下方410 km和660 km间断面的埋深和起伏形态特征.为增强对SS前驱波震相的识别,我们采用了时差校正和共反射点叠加分析.叠加结果显示,毗邻阿留申俯冲带的白令海、阿拉斯加半岛、以及阿拉斯加中南部和东部地区下方,410 km和660 km间断面的埋深基本呈正相关关系,因而具有正常的过渡带厚度.这表明在阿留申—阿拉斯加俯冲带东段,北太平洋板块还没有俯冲到地幔过渡带深度范围内.其次,在阿拉斯加西部地区下方,660 km间断面出现明显下沉,而上覆的410 km间断面埋深接近于全球平均值,从而导致过渡带明显加厚.据此,我们推测在阿拉斯加西部地区下方地幔过渡带底部可能存在库拉残留板块.     

西北太平洋俯冲带大地幔楔及地幔过渡带各向异性证据和特征

地震层析成像研究清晰给出了地球深部俯冲板片的大尺度形态,但与俯冲过程相关的地幔流动特征仍不明确.在俯冲地幔楔系统中,前人观测到了与海沟平行和垂直的快波偏振方向.本文研究了西北太平洋俯冲板片在地幔过渡带中停滞形成的"大地幔楔"中的各向异性特征.对具有长期稳定观测数据的MDJ台站SKS震相和区域深源地震的直达S波震相进行了...