亚稳态橄榄石对俯冲带负浮力的影响及其动力学意义

利用有限元方法,计算了不同俯冲速度及热传导系数俯冲岩石层的负浮力.在h-lt;400km和h-gt;740km的深度范围,低温高密俯冲带的负浮力随深度单调增加.因为尖晶石相到后尖晶石相的相变有负的克兰帕龙斜率,俯冲带冷的物质在660km间断面以下不到100km的深度范围内仍以低密度的低压物质相存在.所以在该深度范围,俯冲带受到了周围地幔阻止其插入下地幔的浮力作用.在400km-lt;h-lt;660km深度范围,由于受橄榄石相变的影响,不同计算模型负浮力随深度的变化有明显的不同.对于可能的相变动力学模型,亚稳态橄榄石的存在使负浮力随深度的增加值减小.其作用是不利于俯冲带直接穿透660km间断面,并引起该深度范围俯冲带沿俯冲方向压应力分布的变化.     

日本海俯冲带的热结构及热源的影响

在对温度场计算所需的初始条件、边界条件、热源条件和介质热参数进行讨论和计算的基础上,利用二维热传导问题的有限单元法,计算了日本海俯冲带热结构的演化.发现400℃等温线在板块俯冲7Ma后趋于稳定,最大深度约60km;800℃等温线在板块俯冲11Ma后趋于稳定,最大深度约280km;1200℃等温线在板块俯冲50Ma后趋于稳定,最大深度约530km.通过计算不同热源组合情况下日本海俯冲带的热结构,讨论了热源的因素对俯冲带热结构的影响.结果表明,剪切生热和脱水热只对俯冲带浅部热结构有很大影响,绝热压缩生热对热结构的影响范围最大,而橄榄石→尖晶石相变生热是400km深度以下热结构的控制性热源因素.     

俯冲带深部应力场的二维粘弹性有限元数值模拟

基于粘弹性平面应变有限元数值模拟方法，研究了俯冲带深部的应力场特征．当根据Karato等的研究结果给出俯冲板块的粘度结构时，橄榄石——尖晶石相变界面以下中心低粘区两侧出现应力集中区，而且其主压应力方向沿俯冲方向走向．其特征与已有的深源地震主压应力方向沿俯冲方向及深源地震有两个条带的地震观测结果相吻合．相变过渡区因矿物更小的颗粒粒度而导致的更小的等效粘度对俯冲带深部应力场的影响不大；存在和不存在亚稳态橄榄石楔的情况下，橄榄石——尖晶石相变过渡区附近都有最大剪应力的最大值出现，而其主压应力方向有垂直于橄榄石——尖晶石相变过渡区走向的趋势，尚与地震观测资料不符．      

地幔转换带底部橄榄石和辉石高压相变实验研究：对660km地震不连续面结构的启示

橄榄石和辉石以及它们的高压相是地幔转换带主要矿物,系统研究橄榄石和辉石在转换带底部温度和压力条件下相变的差异是认识660km地震不连续面位置和形态的关键．本文使用多面砧压机开展了橄榄石和顽火辉石在压力为21．3～24．4GPa,温度为1600℃的相变实验研究．地幔转换带底部,橄榄石和顽火辉石相变主要的差异在于钙钛矿出现的压力不同．在橄榄石体系中,后尖晶石相分解发生在23．8GPa,与660km不连续面具有很好的对应关系;而在顽火辉石体系中,钙钛矿出现的压力小于23GPa．研究结果表明,橄榄石后尖晶石相变与辉石中钙钛矿的出现之间有约0．5—1GPa压力差．因此,在受大洋俯冲带影响地区（例如中国东部）,辉石体系中发生的秋本石（钛铁矿）．钙钛矿的相变能够合理解释660km地震不连续面向上的起伏或分裂．     

利用甘肃地震台网记录的sP前驱波研究 汤加—斐济俯冲带“410”间断面深度

本文首先利用甘肃数字测震台网和甘东南野外观测流动台阵记录的汤加—斐济俯冲带深震震相sP, 使用倾斜叠加方法有效提取sP在近源区“410”速度间断面底界面反射的弱前驱波s₄₁₀P; 其次基于CRUST1.0修正的IASP91模型, 通过震相sP与其前驱波s₄₁₀P的到时差对比, 给出了汤加—斐济俯冲带“410”速度间断面底部反射点的深度约为398.5 km, 抬升约11.5 km, 这与俯冲带与近源区“410”间断面的相互作用有关; 最后得到了该区域新的地震波速度模型IASP91_Tonga. 本文结果将对更好地认识该俯冲带的复杂结构、 正确理解地球深部的动力学过程具有重要的参考价值.      

亚稳态橄榄石相变与深源地震研究进展

由于岩石圈俯冲板块内部温度低, 在400km左右的深度橄榄石不发生相变, 低压相的橄榄石便以亚稳态的形式进入更深的深度。 高温高压实验研究表明, 亚稳态橄榄石相变机制以相变形成的超塑性透镜状尖晶石反裂纹破裂为深源地震的触发机制, 能很好的解释深源地震的特征。 亚稳态橄榄石在俯冲带中存在的范围,是制约亚稳态相变机制的重要因素。 然而亚稳态橄榄石在俯冲带存在的范围尚存争议, 不同模型给出结果相差较大, 文中给出一些解决这个问题的建议。     

基于波形拟合的中国东海地区410 km间断面附近速度结构研究

410 km间断面是地幔转换带的顶界面,对其速度结构和起伏形态开展地震学探测有助于认识地球内部物质组成和相关的地球动力学过程.本文选取了由中国数字地震台网记录到的位于琉球俯冲区的一个中源地震P波宽频带波形资料,利用三重震相波形拟合研究了中国东海地区410 km间断面附近的精细速度结构.结果表明：中国东海地区下方410 km间断面整体表现为一尖锐的速度界面且有8~15 km的小幅抬升;该间断面之上存在52~62 km厚的低速层,其P波速度降低0.5%~1.6%;440 km深度以下存在1.0%~3.0%的P波高速异常.结合前人在该地区的层析成像结果,我们推测该高速异常体与西太平洋俯冲板片在中国东海地区地幔转换带内的滞留有关;板片内水相E分解使得转换带内水含量增加,这引发了410 km间断面的抬升;410 km间断面之上的低速层应与含水矿物脱水导致的地幔橄榄岩部分熔融有关.     

钙钛矿蠕变对俯冲带震源深度极限的约束

本文利用林伍德石、钙钛矿两种矿物在不同差应力下随温度变化的蠕变曲线,通过约束温度条件和板块俯冲引起的弹性应变率,得到了俯冲带670 km深度可能的应力范围. 结果显示,在俯冲带670 km深度基于林伍德石蠕变得到应力大小可能超过100 MPa,而相变为钙钛矿后仅为0.1~10 MPa. 通过分析认为钙钛矿的Si扩散引起的快速应变率使得670 km更深深度的俯冲带无法支持较大的应力,可能是下地幔地震终止的原因,而不需要考虑亚稳态相变导致反裂隙断层的消失或林伍德石分解后超塑性等影响.     

日本海-鄂霍次克海下俯冲带的应力状态及其深部形变

通过地震分布及地震机制解所反映的日本海-鄂霍次克海俯冲带的形态及应力状态,研究了俯冲带深部形变及650km间断面的穿透问题.日本海Benioff带较直,连续性较好;鄂霍次克海Benioff带弯度稍大,220-320km深度之间地震很少.两俯冲带在浅部及深部地震密集,100-200km深度之间有双地震层.应力状态随深度变化,200km深度以下P,T轴方向相对集中,P轴接近俯冲方向,在约100-200km深度附近,P,T轴均接近俯冲方向.观测和理论地震图拟合分析表明,地震断层面走向接近俯冲带走向,断裂的结果使俯冲带在深部倾角变小.     

日本海沟俯冲带热结构与深源地震

本文利用有限差分方法,计算了全地幔对流模式和双层地幔对流模式下日本海沟俯冲带热结构、浮力及P波速度异常分布,基于亚稳态橄榄石相变模型推测亚稳态橄榄石的存在范围,同时分析了热传导系数、热膨胀系数和热源对俯冲带热结构的影响,以及俯冲带所受浮力与俯冲带形态的关系.结果表明,双层地幔对流模式下模拟的P波速度异常分布与层析成像结果更为相符,也与深源地震的分布有较好的相关性.板块内部亚稳态橄榄石的存在范围随热传导系数和热膨胀系数的减小而增大,同时忽略相变潜热和剪切生热的影响也会造成模型所预测的亚稳态橄榄石范围偏大.俯冲带所受负浮力在400 km深度附近达到最大值,亚稳态橄榄石的存在使负浮力逐渐减小,甚至在板块内部产生正浮力,不利于俯冲带穿透660 km相变界面.     

利用接收函数散射核方法探测中国东北地区地幔转换带界面三维形态

地幔转换带是上下地幔物质运移和能量交换的必经通道,其速度结构和上下界面的起伏能够为认识地幔内部的温度和物质变化、地幔对流模式等地球演化相关的科学问题提供关键约束.本文利用布设在中国东北地区的高密度固定台网和流动台阵所记录的远震体波接收函数,采用Ps散射核叠前深度偏移成像方法,获得了台站下方地幔转换带界面及其内部速度间断面的三维精细图像.研究结果表明:西北太平洋俯冲板片上下界面在地幔转换带内清晰可见,在高纬度(44°N)区域存在约 30°的倾角;660-km间断面的深度起伏具有明显的分区性,在与俯冲板片相交处以西 200～300 km,界面出现约 20～40 km的下沉,而长白山和龙岗火山的西北区域存在约 5～15 km的抬升,分别与板片滞留引起的低温异常和局部热物质上涌相对应;410-km间断面的起伏形态较复杂,在大部分区域观测到大于 10 km的下沉,且表现出明显的区域性横向变化,与深俯冲动力学背景下冷的温度异常造成的影响不一致.我们认为板片俯冲、停滞和海沟后撤过程中引起的地幔转换带物质异常、含水状态及分布的变化是显著改变410-km间断面形态的主要原因.本文获得的高精度地幔转换带界面三维形态为更好地认识东北亚地区俯冲板片在地幔物质分布和能量交换中的作用提供了重要参考.     

攀西地区的深部地壳结构与构造

根据1984-1985年地震测深资料,论述了攀西地区的深部地质特征。该区地壳厚50-60km;具高、低速相间的多层结构及断块构造;五个主要速度界面中,界面R₄稳定且清晰,为上、下地壳的分界面,R₆稳定并有较强的能量反射,为壳、幔之间的界面（莫霍面）,莫霍面沿构造带北深南浅（56-50km）,横穿构造带西深东浅（60-48km）。构造带内的上地壳较薄,纵横速度变化均较大,而下地壳较厚,速度较均匀,上地壳底部的低速层,在构造带内较带外薄而浅,P_n速度较低,为7.54-7.80km/s,属壳-幔过渡带,厚13-22km。小江、四开、安宁河及金河等断裂为超壳型或壳内断裂,多为逆冲断层。该构造带的各种深部特征表明它为大陆高原型年轻构造带。     

雷琼拗陷地壳结构特征

根据1984～1985年在雷琼地区完成、长约210 km的白延—江洪深地震测深资料,应用有限差分法、时间项法反演和二维非均匀动力学射线追踪等方法,得到白延—江洪地壳剖面的二维非均匀构造图像.结果显示：琼北及雷州半岛地壳厚约25～26 km,地壳平均速度在琼州海峡南段琼北凸起约616 km·s-1,海峡北段雷琼拗陷区约570 km·s-1;地壳速度偏低,下地壳尤为明显,仅约63～65 km·s-1;结晶基底显示为厚约2～4 km、速度55～60 km·s-1的速度梯度带,Moho界面上、下界面速度分别是65 km·s-1和805 km·s-1的一级速度间断面,没有发现明显的壳幔过渡带.白延—江洪剖面位于雷琼拗陷更新世玄武岩覆盖区,推测地壳厚度减薄以及低速度构造主要反映了该区域自新生代以来一直延续至第四系晚期的多期火山岩浆喷发热地幔对地壳底部的底浸、拆层与地壳仍处于相对温热状态相关.     

基于三重震相方法探测日本海俯冲区地幔转换带的速度结构

本文基于中国数字地震台网记录的发生于日本北海道地区的一次中源地震的三重震相资料研究了日本海俯冲区地幔转换带的速度结构．结果表明,该区域P波速度结构与S波速度结构的一致性整体上较强．冷的西太平洋俯冲板块导致410 km间断面出现了10 km的抬升,660 km间断面出现了25 km的下沉;410 km和660 km间断面之上均存在与俯冲板块相关的高速层;660 km间断面下方存在厚度为65 km的低速异常．纵横波波速比vP/vS值在210—400 km深度范围内偏低,约为1.827,体现出海洋板块低泊松比的特征;在560—685 km深度范围内,该值偏高,约为1.831,可能预示地幔转换带底部含有一定量的水．      

大陆深俯冲带的地壳速度结构——东大别造山带深地震宽角反射/折射研究

在安徽大别山(东大别)进行的深地震宽角反射/折射探测获得6条二维地壳速度结构剖面. 结果显示，东大别造山带地壳为一高速穹隆构造，在其核部中、下地壳变质岩出露于地表，波速高达5.0km/s；在其翼部，上、中地壳发育速度约6.1km/s的壳内低速层(体). 莫霍面的起伏变化较大，中心部位深达41km左右，周边地区则抬升到32～34km. 在晓天—磨子潭断裂一线下方莫霍面垂向错断，断距约4km. 东大别造山带具有大陆深俯冲-碰撞造山带地壳结构的典型式样. 莫霍面错断与扬子陆块深俯冲有关，错断处表征扬子与华北陆块碰撞缝合的深部位置. 高速穹隆构造可能是两陆块碰撞挤压的产物，穹隆翼部上、中地壳发育的低速滑脱带(面)可能在碰撞期之后的地壳伸展、超高压变质岩从中地壳抬升出露于地表过程中起到重要作用.     

伊豆-小笠原和汤加地区中地幔多层速度结构差异性研究

中部地幔间断面的存在及其性质对于理解地球内部对流过程并对地球化学和矿物物理学的约束均具有重要意义.本文通过利用美国西部高密度短周期地震台网记录的汤加和伊豆-小笠原地区的深震波形资料的倾斜叠加处理,进而从中提取离源下行的次生转换震相SdP,据此分析两个俯冲区域的中部地幔速度界面的差异性存在：（1）伊豆-小笠原地区对应于＂920km＂间断面的深度应该位于910km,而汤加地区则存在着两个速度跃变面,分别位于850和950km处;（2）两个地区均存在着1000和1050km深度附近一定的转换点集中;（3）两个地区在1100km深度处都存在着比较明确的转换点集中,同时伊豆-小笠原地区在更深处的1168km附近存在转换点集中,而汤加地区相应的界面则存在于1200km深度附近.这样的复杂结构与铁在地幔主要岩石组分铁-镁钙钛矿和铁-镁方铁矿的配比不同造成的密度异常有关,同时汤加和伊豆-小笠原两个俯冲区间存在的差异性速度结构与两者不同的俯冲板片形态和残留有很密切的关联.     

滇西地区地壳结构的爆破地震研究

本文描述我国滇西地区洱源-江川和遮放-宾川二条剖面的地壳结构爆破地震的研究结果。 资料分析解释的结果说明,该地区的地壳内存在四个界面:P_g、P₂⁰、P₃⁰与P₄⁰面。P_g面为结晶基底面,深度在0.3-3.5km之间,界面速度约5.90km/s。P₀²面为地壳上部反射面,深度在12至24km间,其界面速度约6.30-6.50km/s。该界面的下方,在大部分地段是一厚梯度层至莫霍界面。在30-35km的深处,局部地区存在弱反射界面P₃⁰。而莫霍面（即P₄⁰面）的深度在37-46km。遮放-宾川剖面的地壳平均速度约6.40km/s,莫霍界面速度为8.06km/s。但洱源-江川剖面的这两种参数分别为6.19km/s与7.75km/s,其下侧50km的深处还存在P₅⁰反射面。 遮放-宾川剖面上的怒江断裂在P₄⁰及P₂⁰面上有2.5km的深度跳跃。澜沧江断裂经过的地方,P₄⁰震相追踪中断,波形畸变。这类现象在洱源-江川剖面的几个地方也有明显反应,在元谋-绿汁江断裂处莫霍面的深度跳跃达3km,断裂还使江川炮的P₄⁰震相追踪中断。 在洱源-江川剖面的中段,发现了上地幔低速度异常带,速度值为7.75km/s。     

俯冲带深部应力场的二维弹性有限元数值模拟

基于一些简化的数值模型，根据弹性本构关系，用平面应变有限元方法计算了相变引起的体积变化、板块内部温度差、密度异常及边界力产生的应力场分布情况．数值模拟结果显示，热应力能够解释俯冲带深源地震的应力场方向特征，但解释不了深源地震的深度分布特征；有亚稳态橄榄石存在时密度异常所产生的应力场特征与地震观测结果所显示的应力场特征有所偏离；虽然橄榄石——尖晶石相变体积变化所产生的应力在橄榄石——尖晶石相变过渡区附近有最大值，其数值远远超过温度差和密度异常产生的应力场的最大剪应力数值，但在相变界面附近的区域，主压应力方向垂直于相变界面的方向，与地震观测结果所显示的主压应力的方向不一致．所以，不能用弹性模拟得出的俯冲带温度变化所产生的热应力、俯冲带密度变化所产生的应力、相变体积变化所产生的应力来对深源地震进行简单化的解释．      

汤加-斐济地区300 km间断面的SdP转换波证据

上地幔速度间断面的存在形态及其性质的研究对于理解地球构造运动以及地球内部物质运移过程具有重要意义.针对上地幔中可能存在的300 km速度间断面, 本文收集日本Hi-net地震台网所记录的2004年以来、震源深度在145~219 km之间、且震级为m_b5.0~6.0之间的6个汤加-斐济地区地震的波形资料. 利用4次根倾斜叠加方法对收集到的波形资料进行叠加处理,获得了相应的叠加灰度图, 从中提取的离源下行的SdP次生转换震相, 进而据此确认了汤加-斐济地区下方的300 km深度附近的速度界面.因该界面起伏较小, 更倾向于该界面为辉石的斜方到高压单斜相变面; 同时基于转换震相的强度差异,我们发现该界面速度跃变量要大于410 km间断面, 因而俯冲带的化学分异和脱水过程产生的较轻物质可能在该界面处形成一定的聚集,使得汤加-斐济地区的该界面更容易被观测到.     

俯冲带深部物质的非均匀流变及其地球动力学意义

计算表明,俯冲带深部主要矿物相的流动强度差异很大。俯冲带矿物流动强度的差异和构造环境复杂性预示着俯冲带深部物质变形是非均匀的,这种非均匀性是控制俯冲带内许多地质、尤其是动力学过程的重要因素之一。通过分析俯冲带构造物理背景和俯冲带深部矿物流变性质变化,研究了俯冲带深部非均匀变形的特征,在此基础之上讨论了板舌变形的几何形态、俯冲带火山活动性、中、深源地震活动性、板舌下插深度和消减过程与俯冲带非均匀变形的相变性。