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苏门答腊俯冲板块脱水与地幔上涌:来自地幔转换带的证据

编辑:ZLY 作者:孔凡圣 时间:2020年09月02日 访问次数:95

 

       大量前人岩石物理学和地震学研究表明,俯冲板块的深度、以及通过板块破裂窗口的热物质上涌可以通过地幔转换带速度间断面(410 km和660 km)的深度起伏得到有效的约束。在410 km速度间断面处,α-橄榄石转换为β-橄榄石,而在660 km速度间断面处,γ橄榄石转换为下地幔的布里奇曼石。这种相位转换是与温度和压力相关的,满足一种被称为Clapeyron slope的函数关系。如果地幔转换带有低温异常,410 km速度间断面对应的相位转换界面会抬升,660 km间断面下降,从而造成地幔转换带增厚;而如果地幔转换带存在热(高温)异常,会造成410 km间断面下沉、660 km间断面抬升,造成其厚度变小。因此,可以通过相位转换界面的深度起伏及地幔转换带厚度变化约束与俯冲板块相关的温度和速度异常。此外,地幔转换带水的存在与低温异常类似,也会造成410 km速度间断面抬升,660下沉,造成地幔转换带增厚,且会造成地幔转换带存在低速度异常。
       针对前人研究中存在的俯冲板块深度、地幔转换带水含量、以及多巴超级火山深部岩浆供应的争议,海底科学重点实验室海底演化与动力过程团队与美国密苏里科技大学地震学实验室合作,开展了基于接收函数叠加的地幔转换带速度间断面深度变化研究(图1)。研究结果表明,多巴超级火山(图2,Region A)下方地幔转换带出现减薄异常,410 km速度间断面下沉约30 km,而660下沉约21 km,表明上地幔以及转换带顶部有高温度异常,结合前人层析成像和地幔流构造(Kong et al., GGG, 2020)研究成果,本研究支持多巴火山下方板块破裂窗口的存在,且其深部岩浆供应与穿过板块窗口的热地幔上涌相关联。在苏门答腊南部下方(图2,Region D),410 km速度间断面上升约16 km,而660 km间断面下沉约11 km,导致地幔转换带增厚约28 km,结合前人岩石物理学和层析成像结果,本研究推断Region C和D(图2)下方印度-澳大利亚板块俯冲深度至少为660 km,且地幔转换带下半部分存在含水矿物(图3b),含水量约为1.0 wt.%。而在南中国海南部的下方(图2,Region E),地幔转换带也出现了一些增厚,去除了上地幔速度异常的影响后,估算出南中国海南部的地幔转换带中含水量约为0.5 wt.%。相关成果发表在国际权威地球科学期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth上,团队成员孔凡圣博士为第一作者,李家彪院士和孔凡圣为共同通讯作者,共同作者包括丁巍伟研究员以及密苏里科技大学Stephen Gao教授和Kelly Liu教授。本研究得到国家自然科学基金(41890811,41976071, 91858214, 41676027)、国家重点研发计划(2016YFC0600402)、以及全球变化和海气相互作用项目(GASI-GEOGE-01)等联合资助。致谢数据来源:IRIS DMC (http://ds.iris.edu/ds/)以及GEOFON(doi:10.14470/TR560404)。
      文章信息:Kong, F.*, Gao, S. S., Liu, K. H., Ding, W., & Li, J.* (2020). Slab Dehydration and Mantle Upwelling in the Vicinity of the Sumatra Subduction Zone: Evidence from Receiver Function Imaging of Mantle Transition Zone Discontinuities. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 125, https://doi.org/10.1029/2020JB019381

 

 

图1:(a)苏门答腊俯冲带研究区域及其在巽他板块(Sunda Plate)中的位置(黑色方框),红色三角代表地震台站位置。红色火山符号表示多巴(Toba)超级火山的位置。(b)所有的接收函数被分在半径为1度的bin中,填充圆圈表示这些bin的位置,圆圈颜色代表所含接收函数的数量,紫色火山符号代表新生代火山位置,红色火山符号表示多巴超级火山位置。

 

 

 

 

图2:(a)410 km速度间断面深度起伏;(b)660 km速度间断面深度起伏(c)地幔转换带厚度变化。数字代表每一个bin的410 km 速度间断面深度、660 km间断面深度以及地幔转换带厚度。紫色椭圆框代表的是内部结果较一致的6个区域。

 

图3:造成地幔转换带界面起伏的原理图。(a)无水地幔转换带(Model A);(b)含水地幔转换带(Model B)。正数值表示界面下降,负数表示界面抬升。蓝色和绿色分别表示由于温度异常和温度异常导致的速度异常引起的界面抬升或下降,而紫色和红色分别表示由于水的存在造成的660 km速度间断面下降(8 km),以及水引起的速度异常导致的界面下降(8 km)。研究结果表明,Model B能够更好的解释苏门答腊南部下方地幔转换带厚度变化及界面起伏。