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.     

东北亚边缘地区地幔过渡带内滞留太平洋板片上界面的三重震相研究

东北亚地区下方地幔过渡带与太平洋俯冲滞留板片的相互作用对于区域深部物质运移和区域构造演化具有重要影响.基于中国国家数字台网记录的发生于鄂霍次克海与千岛群岛地区的两个深源地震的宽频带波形资料,我们发现了与660-km间断面上方一个特殊界面有关的清晰的新P波三重震相波形;通过对观测波形进行波形拟合以及搜索分析,本文获得了东北亚边缘地区下方660-km间断面附近的精细速度结构.结果表明：东北亚边缘下方的660-km间断面之上存在一高速异常层,其具有尖锐的速度异常上界面,深度介于455～510 km之间,P波速度异常达2%～4.5%;与此同时,该地区下方660-km间断面整体速度跃变量较小,且存在0～15 km的下沉;660-km间断面下沉与高速层上界面的形态具有很强的相关性,均表现为西浅东深、南浅北深的特征.结合前人研究结果,我们推测受日本—千岛海沟回撤速率差异的影响,西北太平洋俯冲板片对上地幔底部间断面作用的差异是造成660-km间断面整体形态南北差异的主要原因;而俯冲板片在地幔过渡带内的滞留并向西展平堆积使得板片上界面西侧较东侧更浅;滞留板片上界面的速度异常特征显示,俯冲沉积物可能到达地...     

华北克拉通东部滞留板块下方低速异常的地震三重震相探测

本文基于中国数字地震台网记录的中国东北与俄罗斯交界地区发生于2011年5月10日的一个深源地震的P波宽频带波形资料,研究了华北克拉通东部660km间断面附近的P波速度结构.通过一维射线追踪拟合P波三重震相的相对到时,并进行观测波形与理论地震图的对比,发现华北克拉通东部660km间断面下沉约15~20km,其上方存在厚度约115~120km的高速异常,P波速度升高1.5%~2.0%,应为滞留的太平洋俯冲板块;660km间断面下方存在局部的低速异常,P波速度降低0.6%~0.9%,该异常可能与滞留板块从其底部向下地幔顶部脱水或坍塌进入下地幔深处滞留体的脱水有关,也可能与板块深俯冲及板块碎片崩塌所引起的地幔热物质上涌有关.     

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.     

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.     

基于波形拟合的中国东海地区410 km间断面附近速度结构研究

410 km间断面是地幔转换带的顶界面,对其速度结构和起伏形态开展地震学探测有助于认识地球内部物质组成和相关的地球动力学过程.本文选取了由中国数字地震台网记录到的位于琉球俯冲区的一个中源地震P波宽频带波形资料,利用三重震相波形拟合研究了中国东海地区410 km间断面附近的精细速度结构.结果表明：中国东海地区下方410 km间断面整体表现为一尖锐的速度界面且有8~15 km的小幅抬升;该间断面之上存在52~62 km厚的低速层,其P波速度降低0.5%~1.6%;440 km深度以下存在1.0%~3.0%的P波高速异常.结合前人在该地区的层析成像结果,我们推测该高速异常体与西太平洋俯冲板片在中国东海地区地幔转换带内的滞留有关;板片内水相E分解使得转换带内水含量增加,这引发了410 km间断面的抬升;410 km间断面之上的低速层应与含水矿物脱水导致的地幔橄榄岩部分熔融有关.     

帕米尔—兴都库什深俯冲残留体对410km间断面起伏形态的影响

受俯冲残留体影响的410km间断面起伏形态的研究对于确定地球内部物质构成及地球动力学过程具有重要作用.帕米尔—兴都库什俯冲区域拥有全球少有的中、深源地震,为研究410km间断面起伏提供了良好的资源.利用日本Hi-net地震台网和美国TA台阵记录的帕米尔—兴都库什俯冲区域的6个震源深度为154.0~220.9km、震级为Mb5.6~6.4的中、深源地震的短周期/宽频带波形资料,经过4次根倾斜叠加处理,获得了36组Hi-net子台网和TA记录资料的倾斜叠加灰度图,从中提取了与410km间断面相关的次生转换震相SdP,发现受俯冲残留体影响下的410km间断面的深度位于372~398km.较之持续俯冲的西太平洋地区海洋岩石圈,研究区域俯冲滞留体对于410km间断面的相变线的影响要小得多.     

基于次生震相的汤加-斐济地区上地幔间断面结构研究

上地幔结构研究是认识地球内部温度变化和化学结构的重要手段,并对理解地球内部对流等动力学过程具有重要意义.本文所收集的数据是中国数字测震台网(CDSN)和日本Hi-net台网记录到的2010年以来发生在汤加-斐济地区、震源深度介于270~600km且体波震级Mb介于5~7之间的3个地震的宽频带/短周期波形资料.对这些波形资料按照震中距和反方位角两个标准分区,并分别进行N次根倾斜叠加处理,最后绘制了分辨率较高的叠加灰度图.通过慢度差和时差对比,提取来自上地幔间断面反射转换的sdP、pdP震相和透射转换的SdP震相,最终得到上地幔不同间断面转换点的深度以及位置.据此,发现位于汤加-斐济地区东南部的410km间断面深度上升了约20km,在俯冲拐弯的北部区域,该间断面靠俯冲板块一侧也出现了上升现象,上升约13~27km,而离俯冲板块较远区域该间断面却出现了下降现象,最大下降深度约12km,表明汤加地区的410km间断面非常复杂,不仅受到冷的俯冲板片的影响,同时还受到自俯冲板片脱水或其他挥发分的影响.总体而言,660km间断面深度在汤加-斐济地区北部呈现出下降的趋势,最深可达47km,并存在双重下陷现象,且越靠近汤加海沟,其下降的深度越大,表明汤加地区660km间断面确实受到太平洋板片深俯冲的影响;本文还发现,在汤加地区的东南部存在300km间断面,其深度变化为280~297km,其可能由来自于洋中脊玄武岩组成的洋壳残余中的榴辉岩物质,在板片向下俯冲过程中滞留所形成的残余,而且认为其为斜方辉石到高压相单斜辉石的相变面.     

利用甘肃地震台网记录的sP前驱波研究 汤加—斐济俯冲带“410”间断面深度

本文首先利用甘肃数字测震台网和甘东南野外观测流动台阵记录的汤加—斐济俯冲带深震震相sP, 使用倾斜叠加方法有效提取sP在近源区“410”速度间断面底界面反射的弱前驱波s₄₁₀P; 其次基于CRUST1.0修正的IASP91模型, 通过震相sP与其前驱波s₄₁₀P的到时差对比, 给出了汤加—斐济俯冲带“410”速度间断面底部反射点的深度约为398.5 km, 抬升约11.5 km, 这与俯冲带与近源区“410”间断面的相互作用有关; 最后得到了该区域新的地震波速度模型IASP91_Tonga. 本文结果将对更好地认识该俯冲带的复杂结构、 正确理解地球深部的动力学过程具有重要的参考价值.      

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.     

Heterogeneous destruction of the North China Craton: Coupled constraints from seismology and geodynamic numerical modeling

The prevailing academic view regards mantle flow and the metasomatism triggered by the subduction of the Pacific plate as the cause and mechanism for the destruction of the North China Craton (NCC). However, the geodynamic destruction process remains ambiguous, necessitating detailed information at this stage. Combining the structural images obtained by the exploration of dense seismic arrays and the geodynamic simulations inspired by numerical modeling, this paper arrives at the following conclusions: the spatial variation of the P- and S-wave velocities, as well as their velocity ratio in the mantle transition zone, are key evidences of the nonuniform dehydration of the Pacific plate, the subducted plate induces hot upwellings in the mantle transition zone (MTZ), resulting in the heterogeneous distribution of the melt/fluid beneath the craton, characterized by small scale anomalies in the seismic velocity field, and as revealed by dense seismic array observation, the heterogeneities in the upper mantle structure and deformation are the synthetic results of lithospheric strain localization and the heterogeneous distribution of the melt/fluid. It is known that the nonuniform dehydration of the Pacific slab and the heterogeneous distribution of the melt/fluid have occured in the Cenozoic. If these scenarios could have already occurred in the Early Cretaceous, their interaction with the NCC lithosphere would be the dynamic mechanism for the heterogeneous lithospheric destruction of the NCC. The inference in this study is significant for further reconciling the multidisciplinary evidences in the NCC.     

深部俯冲板片三维构造重建及其几何学、运动学研究——以汤加—克马德克地区俯冲板片为例

西南太平洋板块与澳大利亚板块之间的汤加—克马德克俯冲带,是研究地球动力学最重要的区域之一.本文研究根据MIT-P08地震数据,结合板块构造边界、地震活动分布、海岸地形数据等,基于GOCAD软件平台建立三维地震层析成像,对西南太平洋板块的汤加—克马德克俯冲板片进行三维解释.地震层析成像显示汤加—斐济地区地幔至少存在三个"高速"异常体.早期汤加—克马德克俯冲板片穿过地幔转换带,并进入下地幔,最大深度达1600 km.三维构造模型揭示了汤加—克马德克板片在深度600~800 km处存在断折形变,该俯冲板片去褶皱恢复后,测量其俯冲的最大位移达2600 km.汤加—克马德克板片开始快速俯冲的时间至少在30 Ma之前,平均移动速率约为68~104 mm /a.俯冲板片三维构造重建和恢复,可以有效揭示俯冲板片几何学、运动学,为研究深源地震成因、地球深部变化过程和动力学机制提供约束.     

Estimates of the transition zone temperature in a mechanically mixed upper mantle

Partial melting of mantle peridotite generates a physically and chemically layered oceanic lithosphere that is cycled back into the mantle in subduction zones. Stirring times of the mantle are too long to allow for complete re-homogenization of subducted basalt and harzburgite, given the low chemical diffusivity of the solid mantle. This suggests that the Earth's mantle is a mechanical mixture of basaltic and harzburgitic components. Using a recently developed thermodynamic formulism we determine the phase equilibria and the seismic properties of a mantle comprised of a mechanical mixture of basalt and harzburgite (MM) and a homogeneous mantle (EA) with identical pyrolitic bulk chemistry. We use the theoretical shear velocity profiles as a new thermometer of the mantle below the magma-genetic zone by modeling the difference ΔT_410-660 between traveltimes of shear wave reflections off the 410-km and 660-km with the potential temperature T_P. ΔT_410-660 are measured from waveform stacks. They indicate that, over 1000+ km wave lengths, the temperature varies by about 200 K. Lowest and highest temperatures are resolved for the western Pacific subduction zones and the central Pacific, respectively. This variation is similar for the EA and MM and is in excellent agreement with estimates of transition zone thickness and shear velocity variations. The median value of T_P for the EA is 1720 K. It is about 1625 K for the MM, a value that is in better agreement with the Normal-MORB values of 1610 ± 40 K inferred from olivine-liquid equilibria given that our sampling region encompasses the Western Pacific subduction zones and the oldest parts of the Pacific Plate. We argue therefore that a mechanical mixed mantle, with generally higher velocities and steeper velocities gradients, represents a better physical reference model than a model based on a fully equilibrated assemblage.     

对日本俯冲带与IBM俯冲带俯冲特征的地球物理研究:来自重力与震源分布数据的启示

日本俯冲带与IBM俯冲带位于太平洋板块、菲律宾海板块和欧亚板块三者的交汇地带,是典型的"俯冲工厂"地区,具有重要的研究意义.本文利用震源分布资料与卫星重力数据对日本俯冲带与IBM俯冲带进行了研究.通过空间重力异常反映了俯冲带地区的区域构造形态,在此基础上基于艾利模式计算了均衡异常以反映地壳均衡特征.利用震源分布资料,分别从垂直俯冲带走向与沿俯冲带走向划定了横截剖面(cross-sections)进行了地震提取,讨论了俯冲带地区的Wadati-Benioff带形态特征,并借助于俯冲带地震等深线图直观描述了俯冲带的俯冲形态.在日本俯冲带与伊豆—小笠原俯冲带各选取了一条典型剖面进行了重力2.5D反演,研究了俯冲带地区的壳幔结构特征.研究结果表明,九州—帕劳海脊与IBM岛弧在均衡异常上存在差异,前者已逐渐趋向于地壳均衡.IBM的Wadati-Benioff带存在明显的南北差异,反映出伊豆—小笠原俯冲板片停留在了660km转换带中,而马里亚纳俯冲板片很可能垂直穿过了这一转换带,造成这种南北差异的原因与板块相对运动、岩石圈黏性和年龄差异以及俯冲板片的重力效应等因素有关.在IBM的中部和南部存在板片撕裂现象.日本俯冲带的俯冲洋壳密度随俯冲深度变化较小,洋幔存在一定程度的蛇纹岩化,地幔楔蛇纹岩化作用不典型,海沟处有一范围较小的含水畸变带;伊豆—小笠原俯冲带俯冲洋壳密度随深度增大而明显增大,洋幔蛇纹岩化程度较日本俯冲带低,地幔楔蛇纹岩化作用强烈,板块交汇处存在明显的蛇纹岩底辟.日本俯冲带与IBM俯冲带一线自北向南板片俯冲变陡,两侧板块耦合度降低,与俯冲带两侧的板块运动速率差异有关.     

西太平洋俯冲带的研究及其动力学意义

讨论了西太平洋俯冲带的分布及特征、西太平洋Ｗａｄａｔｉ－Ｂｅｎｉｏｆｆ带的形态及俯冲带上的应力状态及太平洋板块、菲律宾海板块与欧亚板块之间的相互作用；总结了地震层析成像结果；计算了俯冲板块在地幔中引起的Ｐ波速度异常，提出了俯冲板块与６６０ｋｍ间断面相互作用的４种可能；研究了俯冲板块物理性质的变化、俯冲板块产生的负浮力及其影响因素；提出需要开展俯冲带对东亚大陆构造运动和演化的影响、俯冲带相互关系及演化的研究．     

Joint bulk-sound and shear tomography for Western Pacific subduction zones

Detailed regional body wave tomographic inversion of the Western Pacific region has been performed using P and S travel times from common sources and receivers, with a joint inversion in terms of bulk-sound and shear wave-speed variations in the mantle. This technique allows the separation of the influence of bulk and shear moduli, and hence a more direct comparison with mineral physics information. The study region is parameterized with cells of side 0.5° to 2° and 19 layers to a depth of 1500 km, while the rest of the mantle was parameterized with 5×5° cells with 16 layers between the surface and the core–mantle boundary. A simultaneous inversion is made for regional and global structures to minimize the influence of surrounding structures on the regional image. A nested iterative inversion scheme is employed with local linearization and three-dimensional ray tracing through the successive model updates. The results of the regional tomographic inversion reveal the penetration of a subducted slab below the 660 km discontinuity at the Kurile–Kamchatka trench, while flattening of slabs above this depth is observed in the Japan and Izu–Bonin subduction zones on both the bulk-sound and shear wave-speed images. The penetration of a subducted slab down to a depth of at least 1200 km is seen below the southern part of the Bonin trench, Mariana, Philippine, and Java subduction zones. Fast shear wave-speed perturbations associated with the subducted slabs, down to the 410 km transition zone, are larger than the comparable bulk-sound perturbations for all these subduction zones except the Philippines. The bulk-sound signature for the subducted slab is more pronounced than for shear in the Philippines, Talaud, New Guinea, Solomon, and Tonga subduction zones, where penetration of the slab into the middle mantle is observed. Variation in the amplitude ratio between bulk-sound and shear wave-speed anomalies correlates well with the subduction parameters of the descending slab. Slabs younger than 90 Ma at the trench show bulk-sound dominance in the upper mantle, while older slabs have a stronger shear wave-speed signature. Spreading of the fast shear wave-speed zone between 800 and 1000 km is observed in the areas of deep subducted slab penetration, but has no comparable expression in the bulk-sound images. This high-velocity feature may reflect physical or chemical disequilibria introduced to the lower mantle by subducted slabs.     

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.     

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.     

华北克拉通及东邻西太平洋活动大陆边缘地区的P波速度结构：对岩石圈减薄动力学过程的探讨

本文通过地震层析成像研究获得了华北克拉通及其东邻地区（30°N-50°N,95°E -145°E）1°×1°的P波速度扰动图像.结果显示,在西太平洋俯冲带地区,上地幔中西倾的板片状高速异常体与其上方的低速异常区构成俯冲带与上覆地幔楔的典型速度结构式样.俯冲板片高速体在约300~400 km深度范围内被低速物质充填,暗示俯冲板片可能发生了断离.在华北克拉通地区的上地幔中发现三个东倾排列的高速异常带.在此基础上,本文构建了华北克拉通及其东邻西太平洋活动大陆边缘地区的上地幔速度结构模式图,并据此探讨克拉通岩石圈减薄与西太平洋活动大陆边缘的深部动力学联系.本文认为,太平洋板片的俯冲（断离）,触发热地幔物质上涌并在上覆地幔楔中形成对流,使克拉通岩石圈受到改造（底侵与弱化）.随着俯冲板片后撤,地幔楔中的对流场以及对岩石圈改造的影响范围均随之东移,最终导致华北克拉通岩石圈自下而上、从西向东分三个阶段依次拆沉减薄.这一模式能很好地解释现今克拉通岩石圈自西向东呈台阶状减薄的深部现象.