地幔对流模式:非对称路径背向散射PKP波约束小尺度起伏的新方法
栏目:行业动态 发布时间:2019-07-03 08:40

板块构造学说是固体地球科学的基石,刻画了岩石圈的基本运动学特征,而环亚国际娱乐ag88地幔对流理论则为理解板块运动规律提供了动力学基础。然而长期以来,地幔对流模式的研究一直存在巨大的争议,分歧主要集中于全地幔对流和上下地幔分层对流两个模式。近年来,还有一些学者提出了地幔混合对流模式猜想,即一些区域地幔分层对流、其它区域上下地幔整体对流。


中国科学院测量与地球物理研究所倪四道团队与中国科学技术大学及国际同行开展合作,首次发现了非对称路径660千米间断面散射波震相,揭示了地幔410及660千米间断面的小尺度起伏特征,为地幔对流模式研究提供了关键证据。

地幔对流模式:非对称路径背向散射PKP波约束小尺度起伏的新方法

研究团队基于温度及化学成分对地幔间断面各种横向尺度起伏的不同控制作用,对间断面的成因及地幔对流模式开展研究。温度异常及化学成分异常均可造成大尺度(1000千米)和中等尺度(100千米)的地幔间断面起伏。但是,间断面的小尺度(10千米)起伏,难以利用温度异常解释,而是主要反映了化学成分的变化。学者们对地幔间断面的大中尺度起伏特征已经有了深入的认识,但是其小尺度起伏特征尚未见报道,也因此难以判定410/660千米间断面的成因。在大中尺度的间断面起伏研究中,P波、S波及其转换波或多次波等体波震相发挥了重要作用,但是由于这些体波的菲涅尔区较大,难以约束小尺度起伏特征。


该研究聚焦于地球内部界面起伏探测方法,提出了非对称路径背向散射PKP波约束小尺度起伏的新方法。基于新方法,研究了非对称路径散射波P′SurfP′震相,据此估算的地表起伏及地壳浅部散射体强度与已有的结果一致,表明了该方法的有效性(Wu et al,2012,GRL)。此后数年间,研究团队搜集了全球密集台阵记录到的深震波形,开展了慢度、偏振、到时、包络形态等多震相特征分析,计算了系列理论散射地震图,并与实测地震波形对比,发现了660千米界面小尺度起伏导致的前驱散射波(P′.660.P′),而且该信号强度存在区域差异。

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地幔间断面不同尺度的起伏分别反映了温度及化学成因。利用非对称路径背向散射高频PKP波(P′.d.P′)可约束地幔间断面的小尺度起伏程度


然而,对应于410千米界面的前驱散射波没有被观测到,表明该界面比较平滑。以PKiKP、P'SurfP'等体波作为参考震相,估计了采样区域内660千米间断面小尺度起伏的幅度,推算其功率谱系数C2D量级范围为10-1000米,远大于地表的全球平均小尺度起伏(C2D为米级),表明660千米间断面小尺度起伏远比地表的更剧烈。基于地震学的观测与分析,研究团队提出410千米界面主要成因为相变;但是660千米界面则不完全为相变面,在一些区域还应该是化学分界面,在其它区域化学分层不明显。这项发现难以用全地幔对流或分层对流模式解释,而支持地幔混合对流模式。文章还建议,开展地球动力学、地震学、地球化学等多学科交叉合作,有助于定量研究上下地幔物质交换的效率,从而进一步深化对地球动力学的理解。国际著名学者Christine Houser在《科学》(Science)同期Perspective栏目撰文评述道:“该项研究成果可以帮助回答地球演化的根本性问题。”

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该研究成果于2月15日在国际学术期刊《科学》(Science)以Report形式发表,文章题为Inferring Earth's discontinuous chemical layeringfrom the 660-kilometer boundary topography。中科院先导专项“地球内部运行机制与表层响应”、国家“973”项目以及国家自然科学基金提供了经费资助。“全院办校,所系结合”政策为此项研究的顺利开展提供了保障。

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科学家研究日本海及其邻近区域地幔过渡带结构


地幔过渡带是指地下410-km和660-km不连续面(间断面)之间的地幔部分,是联系上下地幔的纽带。俯冲的海洋岩石圈和地幔过渡带之间的相互作用是地球动力学研究的一个关键问题。通过对410-km和660-km间断面深度的探测,可以为了解地幔温压条件、物质组分、岩石圈深俯冲等地球深部动力学问题提供重要途径。


西北太平洋俯冲带北起千岛群岛,中经日本伊豆-小笠原地区,南至马里亚纳群岛,是世界上最典型、最集中的俯冲带。该区域的中深源地震分布及远震体波层析成像结果显示:西北太平洋板片以较低角度(~30°)俯冲,一直俯冲到我国东北地区660-km间断面附近。受海域台站分布限制,前人研究大都关注太平洋俯冲板片与660-km间断面的相互作用(如我国东北下方),而忽视了海域地区俯冲板片与410-km间断面的相互作用(如日本海下方)。


针对上述问题,中科院地质地球所地球深部结构与过程研究室的博士生王新与导师李娟研究员和陈棋福研究员发展了用于海域下方上地幔间断面结构研究的ScS多次反射波方法,并将该方法应用到日本海地区,获得了日本海及其周边区域上地幔间断面结构。研究表明:(1)长周期ScS多次反射波方法是一种有效的研究海洋下方上地幔间断面结构的手段;(2)日本岛西南部、日本海西部和鄂霍次克海南部的660-km间断面总体表现为下沉,幅度约为15-20km。660-km间断面的下沉体现了冷的俯冲板片与间断面的相互作用;(3)日本岛东部660-km间断面表现为上隆,幅度约为15km,主要受俯冲板片后方热异常影响;(4)400km贝尼奥夫等深线附近,对应于冷的太平洋板片与地幔过渡带相互作用区域,410-km间断面局部上隆,幅度约为15km;(5)在日本岛东部,受俯冲板片后方热异常影响,410-km间断面发生轻微下沉;(6)在500km贝尼奥夫等深线以西,俯冲板片的上方,410-km间断面出现大范围下沉。他们认为在日本海西侧、鄂霍次克海南部,以及中国东北地区观测到的410-km间断面的下沉与地幔过渡带顶部高含水量有关。而该区域的普遍下沉,可能与新生代以来太平洋板块的快速后撤相关。


该研究成果近期发表在国际著名地球物理期刊Journal of Geophysical Research:Solid Earth(Wang et al.Topography of the 410 km and 660 km discontinuities beneath the Japan Sea and adjacent regions by analysis of multiple-ScS waves.Journal of Geophysical Research:Solid Earth,2017,122:1264–1283)。(来源:中科院地质地球所)


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