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    EPSL:古板塊俯沖誘發上地幔底部熔融

    地球的地幔根據礦物相變可以分為上地幔、地幔過渡帶和下地幔。其中,地幔過渡帶(Mantle Transition Zone)(上、下地幔之間)以410 km和660 km間斷面為界,在地幔對流和地球演化中起著關鍵作用。越來越多的地球物理觀測顯示,在現今的環太平洋俯沖區,地幔過渡帶頂部(上地幔底部)普遍存在一個低速層(Low-velocity Layer)。目前,一般認為該低速層是水或其他揮發分降低上地幔橄欖巖熔點而產生的部分熔融層。

    該低速層的起源和分布,是一個長期存在的關鍵科學問題。Bercovici和Karato于2003年提出地幔過渡帶水過濾器模型,用于解釋在全地幔對流模式下地球內部化學分異的現象。該模型預測含水的地幔過渡帶物質全球性擴散上涌,從而在地幔過渡帶頂部形成全球性的部分熔融低速層(圖1)。雖然該低速層在現今的環太平洋俯沖區被不同的地球物理方法大量觀測證實,但其形成可能與現今的太平洋板塊俯沖有關(圖2)。在大陸內部(遠離大陸邊緣),特別是造山帶地區,由于觀測有限,該低速層的存在和起源依然很模糊。

    該低速層可以被不同的地震震相識別,主要包括:P和S波接收函數、SS前驅波、ScS多次反射波,以及P和S波三重震相。Li et al. (2021)首次采用2組近正交的三重震相波形資料(圖3),在使用傳統的P波三重震相擬合的基礎之上,還同時擬合了sP波(圖4);基于網格搜索方法擬合中國國家數字測震臺網記錄的三重震相波形,獲得了中亞造山帶西部(遠離大陸邊緣)地幔過渡帶精細結構的地震學證據。

    研究發現,中亞造山帶西部(遠離大陸邊緣)地幔過渡帶頂部存在低速層(圖5)。結合區域地質構造,推測該低速層的形成可能與古生代時期古亞洲洋板塊的俯沖有關,俯沖的古板塊脫水或其他揮發分誘發形成了部分熔融低速層。雖然在地質歷史時期中,該低速層可能伴隨著熔體分數的變化,但依然可以保存至今。同時,本研究首次利用地震波形資料觀測到該低速層表現為弱的地震各向異性特征,表明該低速層可能為弱的粘度層,為研究地幔不同圈層解耦變形提供了新的觀測依據。

    該低速層的發現,表明歐亞大陸上地幔底部可能由于古特提斯、新特提斯、古亞洲和古太平洋的俯沖,普遍存在含水或其他揮發分的部分熔融、低粘度、低波速層,該低速層的長期存在可能在歐亞大陸上地幔變形、化學分異、板內巖漿活動及其成礦作用和斷層活動等構造演化過程中發揮了重要作用。

    該研究成果近期以 “A low-velocity layer atop the mantle transition zone beneath the western Central Asian Orogenic Belt: upper mantle melting induced by ancient slab subduction” 為題發表在國際知名地學期刊《Earth and Planetary Science Letters》(EPSL)(中科院1區top,IF=5.25)。中國地震局地震預測研究所的副研究員李國輝為論文的第一和通訊作者,合作者包括中國科學院大學的周元澤教授和地震局預測所的高原研究員以及琚長輝、石玉濤和崔清輝副研究員。本研究獲得國家自然科學基金(42074100,41804083,42074065,42074103,41904091)和中國地震局地震預測研究所基本科研業務基金(2021IEF0501)的聯合資助。


    論文信息:Guohui Li*, Yuan Gao, Yuanze Zhou, Changhui Ju, Yutao Shi, Qinghui Cui, 2021. A low-velocity layer atop the mantle transition zone beneath the western Central Asian Orogenic Belt: upper mantle melting induced by ancient slab subduction. Earth and Planetary Science Letters, 578, 117287. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.117287.

     

    原文鏈接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X21005434?dgcid=author


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    圖1 地幔過渡帶水過濾器模型。

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    圖2 板塊俯沖誘發上地幔底部部分熔融。

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    圖3 研究區(紅、綠點所示)及所用地震和臺站。

    微信截圖_20220210151445.png

     

    圖4 P和sP波三重震相射線路徑(a)及波形(b)。


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