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科研进展

2021年05月09日
背景噪声干涉成像揭示地幔转换带底部分离的大洋地壳

大洋板块俯冲是地球内部物质循环的重要过程,由于大洋地壳的化学成分和微量元素特征与平均地幔组成非常不同,因此循环的洋壳成分被认为是地幔地震波速异常和地球化学观测异常的重要来源。此外研究洋壳成分在地幔深处的循环过程将为研究地幔动力学过程和深部物质循环过程提供关键线索,但是洋壳的循环过程一直缺少可靠的地震学约束。

地幔转换带是上地幔和下地幔过渡区域,以410-km和660-km间断面为界,地幔转换带的结构和性质对地幔对流过程有着至关重要的影响。由于玄武岩洋壳在地幔转换带底部的密度小于周围正常地幔,因此在660-km间断面附近玄武岩洋壳具有负浮力,可以在重力的作用下滞留在660-km间断面附近。但是玄武岩洋壳具有负浮力的深度范围比较窄,并且俯冲大洋板片具有更低的温度和粘滞度,因此俯冲的洋壳能否与大洋岩石圈地幔分离并滞留在地幔转换带底部仍然存在很大的争议。过去研究地幔转换带结构主要是利用天然地震体波震相的走时和幅度信息来约束地幔间断面的深度和速度跳变,因此传统地震学方法的使用往往受制于天然地震的时空分布。

中国科学技术大学地球和空间科学学院姚华建教授课题组采用了一种不依赖天然地震的噪声干涉技术提取地幔间断面的上界面反射体波震相(P410P和P660P),用于研究地幔间断面的结构特征,并结合矿物物理模拟和波形正演来约束地幔间断面附近的矿物组成。如图1所示,本研究采用了华北地区200多个流动台站和部分固定台站的连续波形数据计算背景噪声互相关函数,将所有互相关函数按台间距排列可以观测到清晰的410-km和660-km间断面反射震相。进一步利用相位加权共中心点叠加方法(Feng et al., 2017)得到了沿图1a中黑线的反射波形剖面,反射波形滤波到两个频带(2-5 s和5-10 s)(图2)。可以观测到滞留太平洋板块前缘存在显著的P660P波形异常:复杂的短周期波形和非常微弱的长周期波形。考虑到俯冲板片可能带来的矿物成分异常,文中设计了一个简单矿物模型来解释观测的波形异常:分离的玄武岩洋壳聚集在俯冲板片前缘的地幔转换带底部。由于洋壳成分聚集,660-km间断面主要包含两部分:在660 km附近的小幅度速度跳变和更深处的速度缓慢增加(图2e)。而410-km间断面结构未受矿物成分异常的影响,表现为平缓的速度增加,间断面宽度为~10 km。该模型很好地解释了观测到的弱P660P震相,而短周期复杂P660P波形可能与堆积玄武岩洋壳的不均匀性有关,需要更为复杂的模型才能解释。

图1. (a)台站分布图,紫色三角形代表流动台站,蓝色三角形代表固定台站。(b)俯冲大洋板片形态和研究区位置,红色和蓝色线分别代表P410P和P660P震相的射线路径,红色和蓝色点分别表示在410-km和660-km界面的反射点位置。(c)将所有互相关函数按台间距分窗叠加得到的剖面。

图2. (a-b)利用背景噪声互相关函数共中心点叠加得到沿图1a中黑色箭头线剖面的反射波形,分别滤波到2-5 s和5-10 s,背景色为P波速度结构。(c-d)基于矿物模型正演计算的反射波形,分别滤波到2-5 s和5-10 s,背景色指示矿物组成。(e)不同矿物模型对应的速度结构。新模型在620-750 km深度范围为30%的洋中脊玄武岩和70%地幔岩混合,750-800 km逐渐转变为正常的地幔岩。

该研究结果显示俯冲大洋板片长期滞留在地幔转换带底部由于温度升高和粘滞度降低可能经历壳幔分离,分离的洋壳成分会在负浮力作用下滞留在地幔转换带底部(图3),滞留在地幔转换带的玄武岩洋壳成分可以很好地解释地震学上观测的散射信号(Wu et al., 2019)。而那些直接穿过地幔转换带的大洋板片由于快速穿过地幔转换带和更低的温度(更高的粘滞度)很难发生壳幔分离,这些俯冲板片在核幔边界上方被加热,更容易发生壳幔分离,而分离的洋壳成分会被堆积到核幔边界上方或被地幔柱带到浅部。因此洋壳成分的演化和循环过程与大洋板片的俯冲模式密切相关。本研究以独特的视角研究了俯冲大洋板片洋壳成分的演化和地幔转换带对地幔物质循环过程的影响。660-km间断面对上下地幔物质交流过程具有过滤作用,这也暗示了更加复杂的地幔对流过程,而地幔转换带底部可能是除了核幔边界之外循环洋壳物质的次级储库(Ballmer et al., 2015)。

图3. 大洋板片俯冲过程以及大洋地壳演化示意图。部分俯冲大洋板块直接穿过地幔转换带进入下地幔,在核幔边界上方被加热发生壳幔分离,分离的洋壳可能被地幔柱再次带到浅部。部分滞留在地幔转换带内的大洋板片则可能在地幔转换带内发生壳幔分离,分离的洋壳成分可以解释我们观测到的弱P660P震相和Wu et al. (2019)观测到的非对称散射信号。

相关成果近日发表在国际知名学术期刊《自然·通讯》上,第一作者为冯吉坤博士,通讯作者为姚华建教授和冯吉坤博士,合作者为中国科学技术大学王毅副教授、毛竹教授和法国Grenoble-Alpes University的Piero Poli博士。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-021-22853-2


(地球和空间科学学院、科研部)

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