上地幔俯冲板块的动力学过程:数值模拟

大洋板块俯冲到地幔转换带,进而可形成不同的形态:板块可以停滞在660km不连续面,抑或穿过地幔转换带进入下地幔.这些不同的俯冲模式可进一步影响到海沟的运动.为更好地理解上地幔中俯冲板片的变形行为以及俯冲过程与海沟运动之间的关系,本文通过建立一系列高精度二维热-力学自由俯冲的数值模型,揭示了俯冲板块在上地幔中的变形方式及其与地幔转换带之间的相互作用过程.模拟结果显示,在俯冲板块与地幔转换带的相互作用过程中,其动力学过程可以分为以海沟后撤主导、海沟前进主导以及稳定型海沟等三种主要动力学类型.对于年龄较老,厚度较大的俯冲板块容易形成海沟后撤型俯冲,俯冲板块停滞在660km不连续面.相反,年龄较小,塑性强度较小的板块容易形成海沟前进型俯冲,俯冲板块穿越660km不连续面.     

中国东北地区下方660 km间断面研究

围绕中国东北地区下方俯冲的西太平洋板块是停滞在地幔过渡带内水平向西伸展, 还是穿透660 km间断面直接进入下地幔, 始终是一个具有争议的问题. 本文基于P--SV转换波对速度间断面的敏感性, 利用中国数字地震台网在东北地区布设的136个固定地震台站记录到的远震波形数据, 通过提取台站下方的接收函数并采用共转换点(CCP)叠加技术, 得到了该区域660 km间断面的起伏变化图像. 结果显示, 东北地区下方660 km间断面下沉幅度超过20 km的区域主要集中在44°N以南、 东西跨度约400 km的范围内. 660 km间断面的下沉表明西北太平洋板块俯冲到了中国东北地区下方, 在较小区域范围内观测到的较大深度异常可能暗示着俯冲板片穿透660 km间断面直接进入了下地幔.      

西北太平洋俯冲带东北地区壳幔结构研究进展

总结了近年来西北太平洋俯冲前端东北地区地壳的精细结构和上地幔间断面410和660km的研究成果.认为：该区莫霍面深约为30～39km.410km的间断面有30km的深度异常,这种异常是否在过渡带正常或含水相变展布厚度的内,还是于该区俯冲带的后退有关,还需做进一步的研究论证.在中国东北地区,日本海俯冲带向西倾斜,在660km的间断面上近似水平停滞汇集被大多数层析成像、接收函数、波形拟和以及深震研究所认同.然而,俯冲带具体的形式、大小范围,向下渗透到多深以及在局部地区表现的横向不连续性的看法并不一致.由此带来的动力学模式什么力来支撑着停滞的板片,在板片最终下沉到下地幔以前,有多少俯冲的板片能停滞在间断面之上,这些问题都还需要更合理的解释.     

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.     

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．      

Evidence from P-to-S mantle converted waves for a flat “660-km” discontinuity beneath Iceland

Iceland is the type example of a ridge-centered hotspot. It is controversial whether the seismic anomaly beneath it originates in the lower mantle or the upper mantle. Some recent studies reported that the 660-km discontinuity beneath central Iceland is shallow relative to peripheral regions and this was interpreted as an effect of elevated temperature at that depth. We investigate topography of the major upper mantle discontinuities by separating the effects of the topography and volumetric velocity heterogeneity in P receiver functions from 55 seismograph stations. Our analysis demonstrates that a significant (at least 10-km) shallowing of the 660-km discontinuity is only possible in the case of improbably low seismic velocities in the mantle transition zone beneath central Iceland. If, as in previous studies, lateral velocity variations in the mantle transition zone are neglected, the data require a depressed rather than an uplifted 660-km discontinuity. For a reasonable S-wave velocity anomaly in the mantle transition zone (around − 3%) no topography on the 660-km discontinuity is required. This can be explained by the lack of temperature anomaly or an effect of two phase transitions with opposite Clapeyron slopes.     

Tomographic structure of East Asia:Ⅱ.Stagnant slab above 660 km discontinuity and its geodynamic implications

P-wave arrival times of both regional and teleseismic earthquakes were inverted to obtain mantle structures of East Asia.No fast(slab) velocity anomalies was not find beneath the 660-km discontinuity through tomography besides a stagnant slab within the transition zone.Slow P-wave velocity anomalies are present at depths of 100-250 km below the active volcanic arc and East Asia.The western end of the flat stagnant slab is about 1 500 km west to active trench and may also be correlated with prominent surface topographic break in eastern China.We suggested that active mantle convection might be operating within this horizontally expanded "mantle wedge" above both the active subducting slabs and the stagnant flat slabs beneath much of the North China plain.Both the widespread Cenozoic volcanism and associated extensional basins in East Asia could be the manifestation of this vigorous upper mantle convection.Cold or thermal anomalies associated with the stagnant slabs above the 660-km discontinuity have not only caused a broad depression of the boundary due to its negative Clapeyron slope but also effectively shielded the asthenosphere and continental lithosphere above from any possible influence of mantle plumes in the lower mantle.     

应用接收函数方法研究海南及其邻区地幔转换带结构

利用海南、广东及广西区域台网和国家台网共88个宽频带地震台站记录的2007年8月至2010年3月75个远震事件波形资料,采用接收函数共面元叠加的方法,得到了海南及其邻区上地幔410 km和660 km间断面结构和转换带厚度.结果表明,研究区410 km间断面形态较复杂,局部下沉到447 km,而660 km间断面相对简单,其深度分布在670 km左右.海南岛东北部存在一个直径约200 km的转换带异常薄的区域,其厚度较全球平均值薄25±5 km,相当于转换带中存在约180℃的高温异常,转换带厚度局部偏薄暗示海南地幔柱可能起源于下地幔.     

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...     

Mantle Transition Zone Structure Beneath Southeastern China and its Implications for Stagnant Slab and Water Transportation in the Mantle

We determined depth variation of the 410- and 660-km discontinuities beneath southeastern China by common-converted-point stacking of \(\rm P\) -wave receiver functions of 121 permanent Chinese seismic stations. We then combined the results with seismic velocity variation to estimate temperature and water content variations in the mantle transition zone of the region. Previous tomographic studies have shown a stagnant slab in the mantle transition zone in eastern Asia that is connected to subduction of the western Pacific. Temperature variations obtained clearly outline the shape of the stagnant slab, with its western edge at 113.5 \(^\circ\) E and the southern edge at 28.5 \(^\circ\) N. The correlation between the location of the stagnant slab and surface tectonics suggests that the Cenozoic extension in eastern China is closely associated with the subduction of the western Pacific and its eastward migration. The water content of the stagnant slab is lower than in surrounding slabs, suggesting that the water has already been released from the subducting slab into the upper mantle.     

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.     

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.     

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.     

基于三重震相波形非线性反演的俯冲带410-km间断面起伏研究

利用NECESSArray宽频带地震台阵记录的P波三重震相波形资料,采用遗传算法,对千岛俯冲板块内部及附近410-km间断面的结构进行了非线性反演.其中,选取了发生在俯冲带的发震时刻为2009年10月10日21时24分(GMT时间)震级为Mw5.9的地震;其三重震相的射线回折点处射线路径的方向与俯冲板块的走向大致一致,...     

Mantle discontinuities beneath Izu-Bonin and the implications

The detailed structure of the Earths interior is a major field of geophysics study and the existence and the properties of mantle discontinuities are its important content. Since the lateral heterogeneity was discovered with the seismic tomography method,…     

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MW4.6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(120km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.     

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.     

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.     

基于重力数据特征的东北地区深部动力机制解析

中国东北地区处于古亚洲构造域、蒙古—鄂霍茨克构造域和环太平洋构造域叠加作用最为显著的地区,是地学研究的热点区域.为了探析欧亚大陆下西太平洋板片的俯冲形态以及揭示该区域深部地球动力学机制,利用卫星重力数据通过预处理共轭梯度快速密度反演算法获得了包含东北地区、华北部分地区及日本海海域在内的研究区域上地幔三维密度结构,结合天然地震三维层析成像结果共同揭示太平洋板片的俯冲形态和深部动力机制.俯冲的太平洋板片在日本海沟处呈高密度异常,向西横向持续扩张,深度方向上有逐渐增加趋势.不连续的高密度体俯冲至地幔转换带(410～660km)后继续水平西向俯冲,部分滞留板片可能进入下地幔;在大兴安岭断裂带下面转换带中同样发现水平分布的高密度体,推断是大兴安岭断裂带下方地幔岩石圈拆沉的结果,横向不均匀分布的俯冲板片边缘已抵至大兴安岭造山带附近,这对于研究东北地区深部动力学机制具有重要的意义.