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地质地球所提出关于东加勒比地区俯冲弧后地幔结构新认识

  俯冲大洋板块的脱水及其对地幔结构的影响是重要科学问题。前人研究表明,在弧下100±20 km深处存在大量脱水,导致地表火山岛弧的形成;俯冲板片滞留到地幔过渡带会造成深部物质脱水。然而,在板片俯冲到两三百千米深的区域,如小安的列斯岛弧的弧后海域(图1),地表不存在火山活动,而一些深度分辨率较低的大尺度三维成像结果显示上地幔低速异常。由此引出了一个问题:弧后海域地幔的热物质会影响地幔顶部乃至地壳?这需要对特定深度更准确的层析成像结果来解答。此外,地震各向异性是研究俯冲带地区深部动力学的重要参数。此前对东加勒比地区各向异性的研究均基于剪切波分裂,其仅能提供地震台站下方的各向异性结构,不足以提供对俯冲弧后地区的完整约束。

  中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室副研究员吕彦等,利用发展的地幔顶部地震波速度与各向异性成像方法,获得了东加勒比地区地幔顶部Pn波速度和各向异性结构(图2)。研究发现,东加勒比海下方地幔顶部的速度较高,这不同于前人在地幔更深处的低速成像结果。将这一发现与其在西北太平洋俯冲带的类似发现相结合,推断弧后海域的地幔顶部不受较深处地幔热物质的显著影响。各向异性结果显示,板块边界地区存在平行于海沟方向的各向异性结构,弧后海域存在垂直于海沟方向的各向异性结构,碰撞边界地区的剪切波分裂应主要归因于地幔顶部的强烈各向异性。

  该研究揭示了大洋板片俯冲过程的三个重要特征:(1)在大洋板片俯冲过程中,岛弧下方存在大量脱水,导致地表火山岛弧和地幔顶部显著的平行于海沟方向的各向异性;(2)在弧后海域下方,脱水可能存在,但仅影响俯冲板片的上部,而不显著影响到地幔顶部和地壳;(3)弧后海域地幔顶部受地幔楔物质流动影响形成垂直于海沟方向的各向异性(图3)。

  相关研究成果发表在JGR: Solid Earth上,研究工作得到国家自然科学基金和地质地球所重点自主部署项目“行星多圈层耦合”的资助。

  论文链接

图1.东加勒比地区地形图

图2.东加勒比地区地幔顶部Pn波速度与各向异性结构

图3.东加勒比地区俯冲弧后动力学过程示意图


研究团队单位:地质与地球物理研究所

分类标签:科学进展  

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