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【前沿論壇】Romanowicz:地震波形層析成像揭示:地幔柱起源于核幔邊界
2019-09-06 | 作者:科技處 | 【 】【打印】【關閉

報告人:Barbara Romanowicz | 整理:宮暢、王旭(巖石圈室)  

摘 要:地幔對流模式一直是地球科學領域最重要的科學問題之一。地幔對流存在與否或具體模式如何,是認識板塊運動驅動力、地球內部物質循環等地球動力學過程的關鍵。Romanowicz教授及其團隊一直致力于利用地震學層析成像方法構建全地幔速度模型。其最新構建的SEMUCB-WM1模型顯示,活躍熱點下方存在較寬的且呈近垂直展布的柱狀低速異常,該異常可從約1000 km深度處一直延伸至核幔邊界處,它們的底部通常存在巨大的部分熔融的剪切波超低速異常區(ULVZs)。

  1.引言 

  大家上午好,今天我報告的題目是“Mantle plumes rooted at the core-mantle boundary: evidence from seismic waveform tomography”。地震層析成像方法已發展三十余年,它所獲取的地球深部速度模型為我們認識地球動力學過程提供了重要依據。首先,我們來看早期的上地幔地震層析模型(圖1M84C),它顯示了100 km深度處的全球剪切波速度結構,紅色表示該區域剪切波速度低于全球平均值,而藍色則表示該區域剪切波速度高于全球平均值。這種高速、低速異常通常被認為代表了比平均溫度高或者低的溫度異常。值得注意的是,在這個深度處有一些結構強烈反映了板塊構造。比如,沿大洋中脊表現為明顯熱異常,古老的克拉通下方則表現為冷的特征。該模型也明顯刻畫出了太平洋板塊的冷熱規律性變化特征。這些特征在一定程度上均能很好地支持存在板塊運動。在這里,我向大家展示哈佛大學一研究小組近期新獲取的層析成像結果(圖1,S362ANI)。我們可以看到早期的速度模型與新近的速度模型主體上是一致的,但很明顯后者呈現出的結構較前者更為精細。 

1  M84C模型(上)和S362ANI模型(下)在100 km深度的剪切波速度切片

  為了提高對地幔結構成像的分辨率,在過去的三十年里我們團隊一直致力于地震層析成像方法與地球深部結構的研究工作。在前人的研究基礎上,我們對地幔內部的大尺度速度結構已經有了清楚的認識。接下來,我們將通過不同深度的速度切片來認識地幔速度結構變化(圖2)。第一個是100 km深度處的速度結構,如前所述,該深度的速度結構與板塊構造具有強相關性。第二個是660 km深度處的速度結構,我們可以看到在地幔過渡帶底部的速度結構與板塊構造的相關性明顯減弱甚至消失。該深度處,兩個主要的高速異常地區分別位于西太平洋和南美洲,這些高速異常與我們對俯沖帶的精細走時層析成像結果一致,代表了俯沖板片的深部結構。在1000 km深度處,之前所表現的特征明顯減弱,大尺度結構缺失。但在一些區域,我們仍可觀測到與俯沖結構相關的高速異常,比如湯加地區和南美洲的北部。

    與此類似,在俯沖帶地區的層析成像中,我們經常可以看到這些區域的俯沖板片往往俯沖得更深。在地幔的底部(~2800  km),速度結構發生了很大變化,表現出明顯的大尺度特征。例如,兩個分別位于太平洋中部和非洲的低速區,亦被稱為LLSVPLarge Low Seismic Velocity Province)。其它的層析成像模型中我們也能看到這些結構,并且從這些模型中提取ScS震相的走時異常,我們可以發現這些特征并不是假象,而是數據本身攜帶的信息。那么什么是LLSVP?它們在地球動力學中起什么作用?是否是板塊俯沖的驅動力?是否在地幔對流中起到決定性作用? 

2  S362模型不同深度VS速度剖面

  下面我將介紹一些關于層析成像的基本概念。對于給定分布的震源和地震臺站,我們可以得到一些震相的旅行時信息。如果在地震波經過的區域內存在低速異常結構,其到時會晚于根據背景速度模型計算得到的理論到時。單一的射線傳播方向往往并不能確定速度異常的位置或是否存在,所以需要射線路徑充分覆蓋。另一方面,地震臺站接收到的地震信號攜帶了大量地球深部結構的信息,如果我們能夠充分利用這些信息,則可以提高成像的分辨率。比如,盡管震源到臺站的路徑上存在小體積的速度異常,單從初至波的到時信息上并不能反映出速度異常。這是因為初至波總會沿著走時最小的路徑傳播,也就是說它會繞過低速異常體傳播到地震臺站。但初至波后的波形信息會記錄到低速異常的信息,所以盡可能發掘波形中的信息,能為約束速度結構提供更多信息。這是全波形層析成像的優勢之一,也是這些年我們一直致力于發展這種方法的原因。全波形層析成像是通過迭代使根據理論模型正演的波形數據不斷接近觀測的波形數據,也就是使失配函數最小。近十多年來數值算法的快速發展使我們可以用譜元法計算更復雜的三維全球模型的理論地震圖,從而獲得更精細的地幔速度結構。

3  地震波傳播經過小尺度低速異常時的路徑及波形示意圖

  2.上地幔成像結果

  前面我介紹了一些背景知識,接下來我將展示最近取得的一些結果。圖4 A是太平洋中心區域的第二代全球S波全地幔速度模型250 km深度剪切波速度相對變化結果。我們發現沿著近平行于絕對板塊運動方向存在條帶狀低速異常。在垂直于絕對板塊運動的方向,條帶狀低速異常結構水平間隔約2000 km(圖 4 B-E)。不僅地震學研究,大地水準測量資料研究也發現了類似的特征。這種條帶狀的低速異常不僅存在于太平洋區域,在其它地區(如印度洋和大西洋)也出現了類似的結構。在這些條帶狀低速異常的附近區域通常存在熱點。在300 km以下(圖 5),可以清楚地觀測到從下地幔近垂直向上延伸的柱狀低速異常體。這些深部柱狀低速異常體與其之上的條帶狀低速異常相連。在一些區域,這些近垂直的深部低速異常體可能扮演著向淺部條帶狀低速體注入物質的通道,從而導致了軟流圈物質沿著板塊運動方向水平流動。 

4  A.250 km深度VS速度異常切片;B-C.垂直于APM方向的VS速度異常剖面;D-E.平行于APM方向的VS速度剖面 

5  VS速度異常三維視圖    

  3.下地幔成像結果 

  下面我們來看下地幔的速度結構。前人通過傳統層析成像方法所構建的剪切波速度模型(S40RTS),在MacdonaldPitcairn兩個火山下方存在低速異常。但是,由于火山的周圍區域存在相似的低速異常,兩個火山下方的低速異常是否代表了地幔柱仍不能確定。近年來,我們通過全波形層析成像新獲取的全地幔剪切波速度模型(SEMUCB_WM1;圖 6),清晰地指示出火山下方的下地幔中存在近垂直的柱狀低速異常,其速度異常值顯著大于周圍地區(異常值約1.5%2%)。這些低速異常的底部恰好位于核幔邊界附近剪切波速度極小的區域,一直向上延伸至約1000 km深度。雖然地幔柱并不一定位于火山的正下方,但可清晰地看出地幔柱與火山有著一一對應關系。 

6  SEMUCB_WM1速度模型垂直剖面        

  2800 km深度的速度剖面上(圖 7),我們可以發現11個主要熱點下方存在特征相近的地幔柱,這些地幔柱在1000-2800 km內的速度異常值小于-0.5%。我們的SEMUCB-WM1模型顯示,在其它的熱點附近也存在類似的從核幔邊界一直向上延伸的(軟)弱通道。一個很有意思的現象是,我們所觀測到的這些地幔柱都位于或緊鄰非洲和太平洋LLSVP。巧合的是,我們也沒有在核幔邊界剪切波高速異常區的上方發現熱點。 

7  SEMUCB_WM1 2800 km深度速度剖面  

  我們也做了一些正演測試(圖 8),在夏威夷下方設置了一個較細的地幔柱模型,其直徑為400 km,從核幔邊界一直延伸到1000 km深度,剪切波速度異常值為-2%。從成像的結果來看,速度異常直徑達到了600 km,速度異常值只有約-0.5%。這個結果說明如果實際的地幔柱的寬度小于400 km,我們的方法很難對其進行有效地成像。  

8  400 km寬地幔柱正演測試   

  為了驗證觀測到的速度異常不是由大的速度異常分解得到的,我們又做了下面的測試(圖 9)。在核幔邊界至1500 km深度范圍內設置了一個直徑為5000 km、速度異常值為-2%的模型。測試表明,恢復的速度模型與理論模型大致相同,并沒有產生SEMUCB-WB1模型中類似地幔柱的假象。  

9  正對大速度異常區的正演測試

  以上的測試結果表明,我們的方法可以有效恢復從核幔邊界向上延伸的大尺度速度異常體。后面,我們將繼續通過正演測試來確定位于核幔邊界上方的強速度異常薄層對層析成像的影響(圖 10)。我們在初始模型中設置了以核幔邊界為底,高度為600 km、直徑為5000 km、速度異常值為-3%的結構。結果表明,全波形層析成像能夠將其良好的恢復。需要特別注意的是,新方法也可對速度異常結構的深度進行較準確地約束。 

10  帶有強速度異常薄層的正演測試

  在前人研究以及我們新獲取的SEMUCB-WM1模型中,地幔柱底部(核幔邊界上方)存在剪切波超低速區(ULVZs),但其精細的結構仍存在爭議。我們利用北美地區地震臺站所接收到的西太平洋地區地震事件S/Sdiff 震相的波形信息研究了中心位于夏威夷西南11°、太平洋LLSVP邊界內的剪切波超低速區(ULVZs)。并通過測量走時、波束成形分析以及三維數值模擬波形對比,對該ULVZs進行了約束。結果表明,在核幔邊界上方的高度約20 km、直徑約為910 km范圍內,其剪切波速度異常值達到了約-20%。同樣的,我們在冰島地幔柱的下方也發現了具有相似結構的剪切波超低速區(ULVZs)。    

  4.未來展望 

  近年來,我們發展了盒層析成像方法Box Tomography)。這個方法可以應用于地下局部地質結構的成像。不同于傳統層析成像方法,盒層析成像方法的數值模擬(比如波形層析成像)完全在成像的區域內,因此相較于傳統層析成像,具有效率高的優點,而且在成像區域以外速度信息缺失時也可對目標區域進行準確的成像。這個方法可以用于研究地球深部特定區域,因此將會有效地改進和提升目前的全球層析成像模型,對我們理解地球內部結構以及地球動力學具有至關重要的意義。 

11  全球層析成像與區域層析成像的比較    

  以上就是我今天報告的全部內容,謝謝大家! 

    

  主要參考文獻 

  1. Cottaar S, Romanowicz B. An unsually large ULVZ at the base of the mantle near Hawaii[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2012, 355: 213-222.原文鏈接 
  2. French S, Lekic V, Romanowicz B. Waveform tomography reveals channeled flow at the base of the oceanic asthenosphere[J]. Science, 2013, 342(6155): 227-230.原文鏈接 
  3. French S W , Romanowicz B. Broad plumes rooted at the base of the Earth’s mantle beneath major hotspots[J]. Nature, 2015, 525(7567):95-99.原文鏈接 
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  5. Masson Y, Romanowicz B. Box Tomography: Localised imaging of remote targets buried in an unknown medium, a step forward for understanding key structures in the deep Earth[J]. Geophysical Journal International, 2017, 211(1): 141-163.原文鏈接 
  6. Yuan K, Romanowicz B. Seismic evidence for partial melting at the root of major hot spot plumes[J]. Science, 2017, 357(6349):393-397.原文鏈接

 

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