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王建等-JGR: 地震波各向異性揭示的俯沖帶地區巖石圈地幔變形
2019-08-20 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  根據板塊構造理論,大洋板塊在洋中脊形成并發生擴張,最終通過俯沖作用消亡,俯沖過程與地震、火山及地球內部物質循環密切相關。因此,對俯沖帶的研究是認識地球內部演化及其動力學系統的有效途徑。地震各向異性記錄了俯沖系統的重要動力學信息,是窺測地球深部構造變形及物質循環的探針,其研究具有重要的科學意義。 

  地幔中的各向異性與其介質(主要是橄欖石)晶體的晶格優勢排列有直接成因聯系。眾多剪切波分裂研究發現在全球俯沖帶的弧前地幔楔中主要表現為與海溝平行的S波快波偏振方向,其成因依然存在爭議,目前主要有三種解釋模式:(1S波快波偏振方向平行于地幔流動方向,盡管大洋板塊俯沖引起了與海溝垂直的地幔流動,但在弧前地幔楔中依然存在與海溝平行的小尺度地幔流動;(2)在弧前地幔楔低溫富水的情況下,橄欖石的晶格類型會發生變化,其位錯滑移系變成 (010) [001],此類型橄欖石晶格優勢排列導致的快波偏振方向垂直于大洋板塊俯沖引起的與海溝垂直的地幔流動,即快波偏振方向與海溝平行;(3)在弧前地幔楔低溫富水的情況下發生蛇紋石化,蛇紋石的晶格優勢排列引起了與海溝平行的快波偏振方向。有科研工作者認為這種各向異性結構的形成可能受眾多因素影響,其機制可能無法用某種簡單的模式能夠解釋。 

  針對上述問題,中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室王建副研究員等人利用其發展的P波各向異性層析成像方法,獲得了東北日本俯沖帶地區上地幔的高分辨率的三維方位及徑向各向異性結構(圖1),結合熱動力學數值模擬、全球應力場分布、巖石學和高溫高壓實驗等研究提出了一種新的模型(圖2),用來解釋全球俯沖帶弧前地幔楔中所觀測到的總體占優的與海溝平行的方位各向異性結構:其各向異性主要是由俯沖帶區域上覆大陸板塊的巖石圈地幔韌性形變造成的,冷俯沖帶上覆大陸巖石圈地幔各向異性可以用名義不含水礦物橄欖石的晶格優勢排列來解釋(圖2a-2e),而熱俯沖帶上覆大陸巖石圈地幔各向異性則可能用蛇紋石的晶格優勢排列來解釋(圖2f);這些晶格優勢排列或其組合形成的方位各向異性主要表現為與海溝平行。 

1  日本俯沖帶4個剖面P波方位及徑向各向異性結構。對于方位各向異性結構,紅色表示與海溝垂直的快速方向,藍色表示與海溝平行的快速方向;對于徑向各向異性,紅色表示P波垂向速度>水平速度,藍色表示水平速度>垂向速度,白圈表示該剖面5公里內的2002-2007年地震分布,藍紅三角分別表示第四紀火山和活火山,藍虛線表示該剖面及俯沖太平洋板塊上界面的位置,黑箭頭表示該剖面上可能的MDD位置

2  俯沖帶弧前地幔楔各向異性成因的卡通解釋模型。a-e.表示該俯沖帶地區上覆巖石圈地幔貧水,其韌性變形引起了橄欖石晶格的優勢排列,其晶格滑移系受溫壓及含水量變化而變化,導致了不同的各向異性結構;f.表示該俯沖帶地區上覆巖石圈地幔富水,其韌性變形引起了蛇紋石晶格的優勢排列,導致了各向異性; 分別表示與海溝平行和與海溝垂直的快波方向;β>0 和 β<0 分別表示正的(水平速度>垂向速度)和負的(垂向速度>水平速度)徑向各向異性 

  該研究主要有兩個創新點:(1)首次利用三維各向異性結構得到了俯沖帶地區上下板塊接觸面的最大不耦合深度(MDD,在該深度之上,上覆大陸板塊表現為巖石圈地幔變形,而在該深度之下,表現為軟流圈地幔流動),該深度值對俯沖帶的熱動力過程及巖漿運移有著重要的影響作用;(2)提出了一種新的成因模型,解釋了全球俯沖帶弧前地幔楔中所觀測到的總體占優的與海溝平行的方位各向異性結構。該研究揭示的三維的各向異性結構提高了人們對俯沖帶結構及動力學過程的認識。    

  研究成果發表于JGR: Solid Earth。(Wang J*, Huang X G, Zhao D P, Yao Z X. Seismic anisotropy evidence for ductile deformation of the forearc lithospheric mantle in subduction zones [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2019, 124(7):7013-7027.DOI: 10.1029/2018JB016912 (原文鏈接) 

 
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