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.     

地幔内部间断面研究的进展

随着数字化地震台网的普及和利用以及计算机分析处理技术的提高，近几年利用地震波研究地幔内部间断面有了一定的进展。本文概述了近年来国内外有关学者对地幔内部间断面的认识，采用的研究方法及研究动态。     

利用地震各向异性方法研究地幔底部的形变特征

地震波在穿过地幔底部(即D"层)时表现出很明显的各向异性特征(地震波速度随着方位角变化而变化)[1-5].D"层各向异性的形成机制一般认为是由D"层的主要相变矿物MgSiO3-post-perovskite (ppv),由于形变导致晶体的晶格定向排列引起的.如果这种解释机制正确的话,那么先前从单个方向测量D"层的各向异性来推断ppv晶体的滑动机制就是不充分的,因为ppv晶体是正交晶系.我们根据美洲北部和中部地区在核-幔边界处仍残留着俯冲海洋板块的残片[6]的构造特点,挑选了穿过D"层的浅震和深震,来增加射线在D"层的方位覆盖,处理得到美洲北部和中部D"层的各向异性.我们分别处理了穿过3个研究区的D"层的700多个剪切波波形数据,每一次同时处理来自两个不同方位的震相,研究发现,先前假设的垂直对称轴的横向各向同性(波速不随方位的变化而变化)[2-3,7]机制是不可能的,需要引入更复杂的机制.我们将MgSiO3-ppv多种形变机制和观测结果进行对比,发现在(001)面上的剪切与观测到的数据和俯冲带的核-幔边界处剪切形变的预期结果相吻合.利用新的地幔流动模型及改善后的ppv滑移系的实验观测确定方法,我们可以对核-幔边界的形变特征进行成像,将D"层中的动力过程(比如,地幔柱的形成)与地幔的其他部位联系起来.     

利用前驱波研究地幔间断面的若干进展

地幔速度结构提供了地球内部热和化学状态及其构造演化历史的重要信息。对于地幔间断面的研究可以更清楚地了解地球内部温度分布特征和化学结构,并对确定地幔间断面成因及地幔对流模式等地球动力学问题具有重要的意义。地震学观测显示在410 km、660 km深度普遍存在速度间断面,并且在全球特定区域的上地幔(220 km、300～350 km、520 km、560 km)和下地幔(800～900 km、1 100～1 200 km、1 800 km、2 400 km)也有速度间断面的存在,不同区域地幔间断面的起伏可能受到温度、含水量、矿物相变及俯冲板块的影响。利用前驱波来研究地幔间断面具有独特优势,前驱波相比参考震相较早到达观测台站,从而避免其他震相的干扰,可以更准确地研究较弱的速度间断面。文章收集整理近些年来地震学家利用前驱波研究地幔间断面的成果,包括长周期反射震相SS或PP的前驱波、深震震相sP、pP的前驱波和地球表面反射震相PKPPKP(P′P′)的前驱波等,并对不同前驱波的特点及地幔间断面的相关研究成果进行总结。利用前驱波研究地幔间断面的方法已较为成熟,及时收集总结相关的研究成果对认识地球内...     

上地幔矿物和岩石电导率的实验研究

高温高压电导率实验研究是透视地球内部结构与物质组成的一个重要窗口.百年来进行了大量地幔矿物电导率的研究,但对地幔岩石的研究却不足;进行了压力对地幔矿物电导率影响的研究,但获得的激活体积值却有正有负;进行了含水橄榄石电导率的测量,但仍存在干湿软流圈地幔之争;进行了部分熔融岩石电导率的研究,但对异常高导成因的解释却仍没有定论.因为该研究对人们认识地幔的物质组成和矿物相变,地幔的电性结构和热结构,以及洋壳俯冲和高导异常成因等地幔动力学问题有重大意义,因此,还需继续研究地幔岩石、矿物的电导率与温度、压力、氧逸度和组分等之间的关系,再结合地球物理的探测结果,构建合理的电导率-深度剖面图.     

华北地区410km间断面和660km间断面结构——克拉通活化的地幔动力学状态探测

地幔过渡带间断面的形态能够提供地幔动力学状态的重要信息.本文利用密集流动台阵观测获得的地震波形记录,采用高分辨的地壳-上地幔速度结构成像结果作为接收函数共转换点叠加的速度模型,获得了华北克拉通地区地幔过渡带410km间断面和660km间断面深度的空间分布.结果揭示华北克拉通410km间断面和660km间断面结构的空间变化显著,存在多处间断面深度异常.地幔过渡带的结构特征以南北重力梯度带为界分为东西两部分;410km间断面变深（420～430km）的区域主要分布在华北克拉通东部,660km间断面变浅（642～655km）的区域出现在华北克拉通西北部;在华北克拉通东南部,660km间断面显著加深.本文分析认为,停滞在地幔过渡带的太平洋俯冲板块、厚度剧烈变化的克拉通岩石圈以及它们与周围地幔的相互作用,导致华北克拉通下存在活跃的地幔流动体系,造成过渡带间断面形态的高度不均匀.本文推测了两种可能的地幔过程：在克拉通根厚度显著变化的区域发生减压熔融,或者边界驱动的对流引起地幔物质沿着厚的克拉通根向上流动;或者是停滞在地幔过渡带的俯冲板块部分沉入下地幔,同时导致被排出的下地幔物质上升.     

岩石圈主要各向异性矿物的CPO特征及其对岩石圈动力学研究的启示

地震波各向异性主要受岩石中矿物晶格优选方位(Crystallographic Preferred Orientation,CPO)的影响,橄榄石的CPO控制着上地幔的地震波各向异性。将岩石中矿物的CPO与全岩地震波各向异性相结合,可以解释在全球不同构造单元观测到的地震波各向异性,从而进行构造变形和动力学过程分析。文中在总结岩石圈主要各向异性矿物的CPO和各向异性特征的基础上,以青藏高原东南缘岩石圈地幔包体为例,对其显微组构和地震波各向异性进行研究,结果显示青藏高原东南缘岩石圈地幔的构造环境发生改变,岩石圈地幔无法解释观测到的剪切波分裂(SKS)地震波各向异性,需要考虑其他各向异性来源。由此可见,研究岩石圈地幔矿物的CPO对合理约束地球物理测量资料和分析岩石圈变形特征至关重要。     

日本列岛的超大型地震台阵观测—J型台阵

前言地球内部存在许多地震波速度间断面，地球以这些间断面为边界，分成几个层构造。从大的方面讲，根据被称之为莫霍面、慢一核边界（CMB）的大的地震波速度间断面，将地球分为地壳、地慢和地核三层。再细分就是以深度为660km左右的间断面将地慢分为上地慢和下地慢，以深度在5155km左右的内外核边界（ICB），将他核分为外核和内核。全球性的间断面中．速度对比大的莫霍面、CMB、ICB被认为是构成矿物的化学成分发生了变化的化学分界面，在410km，510km和660km左右深处存在的间断面被认为是某种构成矿物向高温高压型相变的产物。除了这…     

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。     

华北东部复杂的660km相变界面

利用华北固定台网的宽频带地震远震记录波形资料,提取P波接收函数,通过偏移成像和共转换点叠加,得到华北地区东部地幔过渡带深度及厚度的图像.研究结果显示,地幔过渡带上界面(410km间断面)深度起伏变化不大;在华北地区东部,存在较厚的地幔过渡带,地幔过渡带下界面(660km间断面)在660km深度附近出现两个不同的界面.造成地幔过渡带增厚并出现两个深度不同的界面的原因可能是存在橄榄岩以外的地幔物质相变,该物质相变拥有与橄榄岩向钙钛矿转变不同的克拉伯龙斜率,太平洋俯冲板块的低温造成两种不同的相变界面发生不同程度的改变.双重660km间断面的范围存在向北西方向延伸的趋势并且向南至少延伸到30°N.本文的结果可为古西太平洋板块向华北俯冲前缘位置的研究提供约束.     

相界上的地震波的不连续性与物性参数效应

作者讨论了地幔中物相转变层的形状、结构和厚度。这些相界能影响下行地震波的速度,对流板块中相变的动力学效应会产生地幔对流过程中的化学分异。     

中国云南地区上地幔地震各向异性

本文分析云南地区中周期ＳＫＳ偏振，得出观测台附近上地幔Ｓ波快速方向和分裂时间为：昆明，８５°，１．０秒；洱源，８９°，１．０秒；腾冲，１６５°，０．７秒；昭通１６７°，０．９秒。按上地幔地震各向异性是应力作用下矿物优势取向所致的观点，腾冲和昭通的各向异性观测与现代应力场作用相符。但昆明和洱源的观测与现代应力场作用矛盾，它可能是古生代至中生代间攀西裂谷张裂时期，地幔物质流动引起矿物有序排列的结果。     

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.     

地幔流体及其在地震孕育中的作用

依据地球物理宏观资料、行星化学和地球化学微观分析以及高温高压实验结果,阐明了地幔中存在丰富的流体,扼要介绍了若干流体引发地震的假说,简述了隐爆产生地震的机制。地幔矿物流体包裹体、高温高压相含水硅酸盐矿物与地球物理探测资料表明,整个地幔内普遍存在高能密流体,地幔过渡带和D″层是流体富集的地带,地幔中存在的总水量比海水量高出几个数量级。地幔高能密流体流动产生热对流,造成了固体地球内温度、电导率、地震波速度以及地球化学组成的不均一性。高能地幔流体向外逃逸,不仅改变了壳幔岩石的物理和化学性质,且为岩浆形成和地震孕育提供了能量。流体在地震孕育中的作用包括两个方面:降低断层带摩擦力以及岩石强度触发地震和流体爆炸或相变产生地震。流体爆炸产生地震是地核与下地幔流体以“运移—局部聚集—爆炸的幕式循环”反复进行,产生不同震源深度、不同震级的各类地震。然而,地幔流体的组成、行为及其在孕震过程中的作用机制还需深入研究。     

岩石层应力场的起源（一）

构造应力场是地质学一项很重要的研究内容，因为它是记录岩石层动力过程的一个重要因素。在阐述现今岩石层应力状态的起因时，我们利用有关地球岩石层的有限元模型来计算地幔流动、地壳非均匀性、地形等诱发的应力，并且将其与板内应力的观测结果(如世界应力图)进行比较。我们探索了岩石层非均匀性的两种模型，一种是基于地震和其他观测约束的模型(Crust2．0)；另一模型假定地球处于均衡补偿状态。我们在对地幔牵引力的计算中考虑了两种不同的地幔密度非均匀性模型：一种是基于过去180Ma的板块消减历史的模型，这一模型在精确重现现今大地水准面和新生代板块速度方面证明是成功的；另一种是从地震层析成像结果推断出的模型。我们考察了不同的地幔粘性结构假设对计算结果的影响，以及由软弱板块边界表现出的横向粘性变化对计算结果的影响。尽管在一些地区预测值和观测值的一致性较差，但我们仍发现，将地幔和岩石层应力源都包含在内的综合模型计算结果与应力场观测值符合程度是最好的(约有60％的方差减小量)。只引入地幔牵引力所得到的应力场显示出更大程度上的长波结构，比在应力观测中所看到长波成分更明显，在某些径向地幔牵引力明显较强的地区(如东南亚和西太平洋)，计算结果与观测值的一致性非常好。单由岩石层非均匀性所产生的应力场强烈依赖于我们所假定的地壳模型：尽管根据地球均衡补偿模型计算出的结果与观测值出入很大，但基于Crust2．0模型的计算结果与观测结果一致性却很好，与只含地幔牵引力模型的结果拟合程度差不多，并且在某些地形因素影响很大的地方(如安第斯山脉，东非)拟合得也非常好。对此有一个可能的解释，那就是应力场受地幔粘性横向变化的影响显著。该横向变化使得岩石层和地幔之间出现不同程度的解耦现象，这就使得地幔特征在某些地方占优势，而地壳特征在另外一些地方占优势。均衡补偿地壳模型的计算结果与观测结果一致性较差以及两种地壳模型之间存在的较大差别，这两者说明了研究地形动态变化的重要性，并且地壳结构和流变性也确实存在着不确定性。另外，我们也考虑是否存在这样一种可能性，即从浅层地壳获得的应力观测值也许不能反映整个板块的应力状态；由于岩石层流变性横向和径向的变化，板块上部的应力至少可能部分地与大尺度板块驱动力解耦。     

用近垂直地震反射方法研究莫霍面的特征与成因

利用近垂直地震反射方法研究了在中国满洲里－绥芬河地学断面域内泰康－哈尔滨约１３０ｋｍ范围内地壳结构和莫霍面特征．通过数据采集,定量处理和综合分析,得到以下认识：在野外观测中激发井深和震源能量是主要参数;在资料处理中速度分析与共反射点分布的处理是主要技术．分析莫霍震相可以得到它的层状与似层状内部结构以及起伏、断裂等外形特征．利用傅立叶谱、时频分析与瞬时信息可更细致地研究莫霍特征．影响莫霍特征与成因的因素主要为分异作用、地幔对流、相变、地球转动和板块运动;其中地幔对流和相变是形成莫霍的主要因素．     

中国地幔结构及物性研究的进展

对2004——2007年中国地球物理学家在地幔内部结构和物质性质方面的研究工作进行了总结. 对地幔结构的地震波速度成像,地幔介质的各向异性,地幔间断面,地幔对流,以及地幔介质物性进行了综述,指出了各方面的主要内容,使用的主要方法和主要结果. 从这4年的研究可以发现,一些原有的研究领域工作更加深入,方法更加先进,而且进行了广泛的国际合作,合作的范围也逐渐扩大,方式多样,并出现了一些新的研究方向.      

藏西北地幔过渡带地震波速度结构研究

本文利用三重震相波形模拟获得了藏西北地幔过渡带近东西向剖面的SH波和P波速度结构.震源深度偏移波形叠加的方法可验证数据的一致性,提高三重震相识别的可靠性.研究发现,藏西北过渡带的SH波和P波速度结构并不简单线性相关.过渡带内SH波速度梯度小,其660km间断面速度跳跃大;而P波速度结构则表现为过渡带内速度梯度大,且660km间断面速度跳跃小.与此同时,两种速度结构均显示660km间断面埋深无明显异常.上述结果与藏中和拉萨块体过渡带速度结构基本一致与印度地盾下方相比,研究区过渡带底部SH波速度相当,而P波略显高速,因而Vp/Vs比值稍大.结合矿物物理研究,我们认为地震波速度异常的差异可能主要是由过渡带内化学成分的横向不均匀性,例如铝含量的增多引起的.考虑到青藏高原的构造演化,研究区过渡带内铝含量的增多可能与高原形成过程中特堤斯洋板片的俯冲-拆沉有关.     

华北克拉通东北部及邻区地壳和地幔转换带厚度研究

本文利用宽频流动台阵记录的远震波形资料和接收函数波动方程叠后偏移方法,获得了华北克拉通东北部边界及其邻近地区的地壳和地幔转换带的间断面结构图像.结果显示研究区域的地壳厚度存在显著的横向变化:以南北重力梯度带为界,西北部的兴蒙造山带地壳较厚(~40 km),东南部的燕山带、松辽盆地和辽东台隆地壳明显较薄(30~35 km).这有可能反映,研究区南北重力梯度带两侧地壳在中-新生代区域构造伸展过程中经历了不同程度的改造和减薄.地幔转换带成像结果显示,研究区410 km和660 km间断面结构存在横向差异.经度121°E-122°E之间,上地幔底部出现双重间断面,深度分别为660 km和690 km.经度122.5°E以东(北黄海地区),410 km间断面有5~20 km幅度的下沉,660 km间断面有5~15 km幅度的抬升;该地区地幔转换带厚度相对全球平均偏薄10~20 km,指示着该地区较热的上地幔底部温度环境.我们认为太平洋俯冲板块可能停滞在研究区119°E-122°E经度范围的地幔转换带中,但未延伸至118°E以西;而俯冲板块在124°E以东可能局部穿透了上地幔底部而进入下地幔,同时引起小尺度的地幔对流,导致北黄海地区下地幔物质的上涌.     

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．