地幔过渡带顶面低速层的研究进展

位于地幔过渡带顶面上方的低速层是近20年来固体地球物理学研究领域的一个重要发现.其对于认识俯冲作用、地幔对流模式和强度、地球内部圈层间的耦合和解耦、物质分布和迁移,乃至原始地球演化等地球深部物理化学过程有着极为重要的意义.该低速层陆续发现于全球的多个区域,所处的构造位置也不尽相同,主要包括俯冲带和大陆克拉通.其在横向上有很大的变化,主要体现在深度和厚度的波动.关于低速层的成因,虽然部分熔融成因得到了较为广泛的认同,但部分熔融作用的诱发因素、发生位置以及熔体的密度和黏度等方面的研究还不够充分.通过分析基于部分熔融成因的几个关键问题,本文最后讨论了相关的地球动力学意义.     

壳内部分熔融低速层及其研究意义

实验岩石学,岩石地球物理学,地质学及理论分析均表明,至少在具有高热流值的区段部分熔融作用可能是造成壳内低速带的主要原因,我们将由部分熔融作用所形成的壳内低速层称之为壳内部分熔融低速层,它是许多深部地质作用的发源和汇聚地,并影响和制约着地球物理场特征,因此,研究了壳内部分熔融低速带的形成及其地质意义无颖将深化人们对深部地质作用发生和发展过程的认识。     

上地幔低速高导层成因的探讨-水和熔体的作用

上地幔中广泛存在低速高导层,对这些低速高导层成因的研究可以帮助我们了解上地幔物质的组成、分布以及地幔动力学过程.目前,地球科学家把上地幔低速高导层的主要成因归结为水或熔体的作用.本文主要介绍了水和熔体在上地幔中的赋存状况、对地震波速的衰减作用以及对电导率的影响.最后本文评述了含水模型和含熔体模型,并对电导率研究进行了展望.     

秦岭和华北地区地壳低速层的成因探讨──岩石高温高压波速实验证据

对秦岭和华北地区地壳主要岩类１３８个样品进行高温高压实验,测量其纵波速度的结果表明,其中５４个样品出现了纵波低速现象．对出现该现象的样品的实验产物所做的肉眼和镜下观察、电子探针分析以及综合对比显示,微裂隙不是产生低速现象的决定因素,而主要是含水矿物（角闪石、黑云母等）的脱水相交和由之引发的岩石部分熔融导致岩石出现纵波低速现象．通过实验条件与中、下地壳的温度和压力等条件的类比揭示,秦岭和华北地区中、下地壳存在的低速（高导）层也可能是由含水矿物的脱水相变或岩石部分熔融引起的．     

基于P波三重震相的下扬子克拉通地幔转换带顶部低速层初探

本文基于中国地震观测台网记录到的震中距为10°~23°之间琉球俯冲区一个中深源地震的P波三重震相信息,研究了下扬子克拉通转换带顶部P波速度结构.通过射线追踪和理论地震图与观测地震波形的对比,发现下扬子克拉通下方的410 km间断面为一厚度20 km的梯度带,其上存在一由西南向东北变厚的低速层,厚度变化40~57 km,P波速度减低2.7%~4.5%.该低速层可以被认为是由于地幔橄榄岩部分熔融引起的.     

秦岭和华北地区地壳低速层的成因探讨──岩石高温高压波速实验证据

对秦岭和华北地区地壳主要岩类１３８个样品进行高温高压实验，测量其纵波速度的结果表明，其中５４个样品出现了纵波低速现象．对出现该现象的样品的实验产物所做的肉眼和镜下观察、电子探针分析以及综合对比显示，微裂隙不是产生低速现象的决定因素，而主要是含水矿物（角闪石、黑云母等）的脱水相交和由之引发的岩石部分熔融导致岩石出现纵波低速现象．通过实验条件与中、下地壳的温度和压力等条件的类比揭示，秦岭和华北地区中、下地壳存在的低速（高导）层也可能是由含水矿物的脱水相变或岩石部分熔融引起的．     

中国东部地幔岩包体及其中硫化物相金含量的比较研究

分析了中国东部8个地区59件新生代地幔岩包体的金含量, 并分析了相应地区85件地幔岩硫化物相的金含量, 结合文献共报道了130件硫化物相的金含量. 将两种金含量进行比较, 发现地幔岩包体全岩金含量通常为10^-9~10^-8, 而一些地幔岩包体硫化物中Au含量可达10^-4~10^-2, 是全岩的数十万倍, 证实地幔岩中Au主要赋存于地幔硫化物相中. 将两种金含量分布进行比较, 发现空间上地幔岩包体全岩和地幔岩包体硫化物相中金含量分布都是不均一的, 但二者金含量分布变化规律相一致, 即地幔岩包体中Au含量高的地区, 地幔岩包体硫化物相中金含量也高. 除海南岛外, 位于华北地台南北缘的山东临朐、昌乐和河北汉诺坝地幔岩包体全岩和包体硫化物相中金含量分布均较高, 与冀北西部和山东胶东半岛的金矿集中区有对应关系, 反映地幔的高金含量可能为相应地区金矿的形成提供了物质基础. 古老的华北地台原始地幔曾有富金的物质基础, 经后期地幔事件后仍富金, 说明后期地幔事件(如减薄、去根、底侵、拆沉、置换、交代等)及有关的富CO₂含金地幔流体对金活化、富集和转移直到成矿作用是在先期岩石圈地幔的物质基础上发生的.     

利用P波“影区”特征探测青藏高原东部岩石层内低速层

选用我国西藏及其周边地区测震台网35个台站宽频带数字地震仪记录到的2014年10月7日云南普洱M_S6.1地震的波形资料,分析了垂直向分量初至P波的幅度特征.结果表明:在震中距处于5°-18°之间的P波初动幅度相对较小,存在“影区”特征,推测该“影区”是由青藏高原下方岩石层内低速层所引起的;通过试错法,多次对比不同模型的理论波形与观测波形的P波初动振幅随震中距的变化形态,最终确定在78 km深处存在一厚度为24 km的低速层,层内速度梯度约为-0.05/s.      

利用三重震相探测中国东部海域410 km深度低速层

基于中国数字地震台网记录的日本本州地区2009年发生的一次震源深度为167.2 km、 震级为mb6.0地震的宽频带波形资料,利用二维射线追踪方法给出P波三重震相的理论时 距曲线,并采用试错法构建出与观测时 距曲线拟合效果最优的低速异常模型,发现在中国东部海域下方410 km间断面上、下均存在局部的P波低速异常:300—410 km深度范围内低速异常为4%—5%,而410—460/470 km深度范围内的低速异常则达到4%—7%．结合前人地震层析成像结果,发现该区域不存在明确外源热流,因而,本文认为该低速异常与俯冲板片脱水引起的部分熔融有关．      

华北平原邢台地震活动地区的上地幔结构和地幔低速层

邢台地震活动地区,地壳底部莫霍界面之下尚有纵波速度为8.1、7.6、7.8和8.1公里/秒的四层介质,它们的下面有速度为7.2—7.4公里/秒的地幔低速层,低速层顶部的深度为83公里左右。 本文所得低速层与世界其他地区所得低速层参数的比较似乎说明:在构造活动地区、火山活动地区和地震活动地区,低速层中的速度值一般均较正常状态下（海洋和大陆地区）的地幔低速层为低,且埋深相对较浅。     

华南地区地幔过渡带结构及其动力学意义

华南地区同时受特提斯构造域和太平洋构造域影响, 是研究板块相互作用的最佳场所之一.为研究华南地区深部动力学过程, 本文基于国家固定台网30°N以南的宽频带台站数据, 利用接收函数方法开展了华南地区地幔过渡带结构研究, 并结合已有地质、地球物理资料, 讨论了华南地区深部构造单元划分及其浅部构造响应.研究结果表明: (1)扬子克拉通下方地幔过渡带结构接近全球平均水平, 相对稳定; (2)海南岛地区地幔过渡带厚度偏薄, 且410-km和660-km界面分别显著下沉和上升, 可能与海南地幔柱密切相关; (3)太平洋构造域和特提斯构造域深部构造边界显著, 青藏高原东南缘主要受特提斯构造域影响, 其地幔过渡带中可能残留有拆沉的岩石圈板片; (4)雪峰山以东地区的地幔过渡带主要受太平洋构造域影响, 但南北也存在局部差异, 南部华夏地块下方可能不存在滞留板片, 太平洋板块的俯冲、后撤与东南沿海地区地壳减薄和大规模出露的中-新生代岩浆岩密切相关.

     

华北地区上地幔及过渡带电性结构研究

采用远参考道和Robust技术,处理了华北地区14个地磁台站资料,得到了相干度超过0.8的地磁测深响应函数.并将其转换为大地电磁测深的响应函数,获取了105~107 s周期范围内的视电阻率和相位.应用ρ+理论对数据进行了一致性检验和反演,结果表明417 km,850 km深度附近可能存在电性间断面.同时采用基于一维最光滑模型的Occam反演方法得到了300~1000 km范围的地幔电性结构,并与前人在其他地区的研究结果进行了对比.发现华北地区地幔过渡带的电导率在大兴安岭—太行山重力梯度带东西两侧表现不同,重力梯度带附近及西侧台站下方过渡带深度的电导率和北美的Tucson地区相当,而华北地区东部的电导率在地幔过渡带范围高出西侧约2~5倍,这很可能和太平洋板块的俯冲有关.     

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.     

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.     

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.

     

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...     

利用P波接收函数研究青藏高原东南缘地幔转换带结构

研究青藏高原东南缘的深部结构对于理解印度-欧亚板块的碰撞机理和青藏高原的形成演化具有重要的科学意义.本研究对布设在研究区域内566个固定和流动地震台站的波形资料进行了处理,获得77853条高质量P波接收函数,应用接收函数共转换点（CCP）叠加技术获得了研究区域下方精细的地幔转换带间断面起伏形态及转换带厚度变化图像.结果表明：研究区域南北方向上具有两个明显的转换带增厚异常区,南侧异常区位于滇中次级块体与印支块体下方,可能是新特提斯洋板片与上部印度板块间断离并部分滞留在转换带底部的结果;北侧川西地区异常增厚可能与上方岩石圈拆沉并降至转换带有关;腾冲火山起源可能是板块俯冲过程中发生断离造成软流圈物质部分熔融,湿热物质上涌所致.

     

中国东北地区地幔转换带接收函数三维Kirchhoff偏移成像研究

中国东北地区地幔转换带结构对于研究新生代板内火山深部成因及板片俯冲作用具有重要意义.本文利用东北地区密集流动台阵记录提取到的约60, 000接收函数, 采用三维Kirchhoff偏移成像方法得到了研究区410-km和660-km界面埋深以及转换带厚度分布图像.成像结果显示: 长白山火山下方410-km和660-km界面均出现下沉, 且660-km下沉的幅度较410-km更大, 在25km以上, 认为与太平洋俯冲板片在转换带的停滞有关.长白山及龙岗火山以西过渡带厚度呈现小幅度减薄的特征, 暗示俯冲板片在660km深度附近可能发生撕裂.板片撕裂引起的热物质上涌和俯冲板片脱水共同为长白山火山提供了深部热源.五大连池火山下方观测到410-km界面抬升, 而660-km界面下沉的现象, 认为410-km界面的抬升可能与岩石圈拆沉有关, 拆沉引起的局部对流可能为五大连池火山提供热源, 而660-km界面的下沉可能反映存在残留的太平洋俯冲板片.

     

基于三重震相拟合的华南地区上地幔P波与S波速度结构

利用中国数字测震台网（CDSN）记录到的台湾地区两个地震事件6°~30°震中距范围的三重震相波形资料,基于观测与理论波形拟合法,获到华南地区上地幔P波和S波的最佳波形拟合速度模型及其V_P/V_S比值.与AK135模型相比,华南地区410 km深度上方存在明显低速层：S波低速区厚度约为70 km,速度降为2%~5%;而P波低速区厚度为70~230 km,速度降为5%~6%.另外,410 km间断面整体表现为一个梯度层,厚度约为10~40 km,V_P跃增量为4.0%~5.4%,而V_S跃增量为2.6%~11.7%.研究区内,低速层的V_P和V_S异常值大小和410 km间断面速度跃变量由北向南逐步减小.结合以往的接收函数和地震层析成像结果,华南地区410 km间断面上方的低速区可能与太平洋俯冲板块脱水有关.