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科研动态
科研进展
地震波各向异性揭示的俯冲带地区岩石圈地幔变形
来源:海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室     通讯员:王建     2019-08-26 10:37:43
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根据板块构造理论,大洋板块在洋中脊形成并发生扩张,最终通过俯冲作用消亡,俯冲过程与地震、火山及地球内部物质循环密切相关。因此,对俯冲带的研究是认识地球内部演化及其动力学系统的有效途径。地震各向异性记录了俯冲系统的重要动力学信息,是窥测地球深部构造变形及物质循环的探针,其研究具有重要的科学意义。

地幔中的各向异性与其介质(主要是橄榄石)晶体的晶格优势排列有直接成因联系。众多剪切波分裂研究发现在全球俯冲带的弧前地幔楔中主要表现为与海沟平行的S波快波偏振方向,其成因依然存在争议,目前主要有三种解释模式:(1)S波快波偏振方向平行于地幔流动方向,尽管大洋板块俯冲引起了与海沟垂直的地幔流动,但在弧前地幔楔中依然存在与海沟平行的小尺度地幔流动;(2)在弧前地幔楔低温富水的情况下,橄榄石的晶格类型会发生变化,其位错滑移系变成 (010) [001],此类型橄榄石晶格优势排列导致的快波偏振方向垂直于大洋板块俯冲引起的与海沟垂直的地幔流动,即快波偏振方向与海沟平行;(3)在弧前地幔楔低温富水的情况下发生蛇纹石化,蛇纹石的晶格优势排列引起了与海沟平行的快波偏振方向。有科研工作者认为这种各向异性结构的形成可能受众多因素影响,其机制可能无法用某种简单的模式能够解释。

针对上述问题,海洋试点国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室、中国科学院地质与地球物理研究所王建副研究员等人利用其发展的P波各向异性层析成像方法,获得了东北日本俯冲带地区上地幔的高分辨率的三维方位及径向各向异性结构(图1),结合热动力学数值模拟、全球应力场分布、岩石学和高温高压实验等研究提出了一种新的模型(图2),用来解释全球俯冲带弧前地幔楔中所观测到的总体占优的与海沟平行的方位各向异性结构:其各向异性主要是由俯冲带区域上覆大陆板块的岩石圈地幔韧性形变造成的,冷俯冲带上覆大陆岩石圈地幔各向异性可以用名义不含水矿物橄榄石的晶格优势排列来解释(图2a-2e),而热俯冲带上覆大陆岩石圈地幔各向异性则可能用蛇纹石的晶格优势排列来解释(图2f);这些晶格优势排列或其组合形成的方位各向异性主要表现为与海沟平行。


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日本俯冲带4个剖面P波方位及径向各向异性结构。对于方位各向异性结构,红色表示与海沟垂直的快速方向,蓝色表示与海沟平行的快速方向;对于径向各向异性,红色表示P波垂向速度>水平速度,蓝色表示水平速度>垂向速度,白圈表示该剖面5公里内的2002-2007年地震分布,蓝红三角分别表示第四纪火山和活火山,蓝虚线表示该剖面及俯冲太平洋板块上界面的位置,黑箭头表示该剖面上可能的MDD位置


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俯冲带弧前地幔楔各向异性成因的卡通解释模型。a-e.表示该俯冲带地区上覆岩石圈地幔贫水,其韧性变形引起了橄榄石晶格的优势排列,其晶格滑移系受温压及含水量变化而变化,导致了不同的各向异性结构;f.表示该俯冲带地区上覆岩石圈地幔富水,其韧性变形引起了蛇纹石晶格的优势排列,导致了各向异性; ∥ 和 ⊥ 分别表示与海沟平行和与海沟垂直的快波方向;β>0 和 β<0 分别表示正的(水平速度>垂向速度)和负的(垂向速度>水平速度)径向各向异性


研究成果发表于自然指数(Nature Index)收录期刊之一,美国地球物理联合会(American Geophysical Union)旗舰刊物Journal of Geophysical Research: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)


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