地幔過渡帶俯衝板片界面成像研究獲進展

2020-11-17 中科院之聲

板塊俯衝是地球上較為宏大和複雜的地質過程之一，是理解地球內部物質能量交換、大陸巖石圈演化、地震和火山活動及礦產資源分布等的重要環節。在板塊俯衝過程中，俯衝板片將冷的、不同組分的物質（如地表沉積物、玄武質洋殼、水等）帶入地幔，與周圍地幔相互作用，在二者邊界發生熱化學交換。對俯衝板片界面的認識是理解板片幾何形態、組分結構、深部水循環和地幔熔融等地球深部動力學過程的關鍵。

在地球淺部（<200 km），不同俯衝帶的地震學探測均揭示出明顯的俯衝板片上、下界面（Kawakatsu and Watada，2007；Kawakatsu et al. 2009；Stern et al. 2015），即俯衝板片與周圍地幔物質存在顯著的地震波速度不連續面。在俯衝板片的上界面，板片大量脫水，與超鎂鐵質地幔巖反應形成含水礦物（如蛇紋石），增強俯衝板塊與上覆地幔楔之間的速度對比，從而形成地震學中觀測到的地震不連續面（Kawakatsu and Watada，2007）。儘管多數水會在150-200 km的深度從洋殼中釋放出來，但在冷的俯衝環境下，水還可通過儲存在硬柱石（lawsonite）和高密度含水鎂矽酸鹽（DHMSs）等礦物，或者以含羥基（OH）的名義無水礦物（NAMs）形式進入地幔更深處（Iwamori，2007；鄭永飛等，2016）。俯衝板片的下部界面，即大洋巖石圈與下伏軟流圈之間的邊界，也可能表現為明顯的速度不連續面（Kawakatsu et al. 2009；Stern et al. 2015）。例如，Kawakatsu et al.（2009）在日本島下方，觀測到了延伸至200 km深度的俯衝太平洋板片的下界面。俯衝板片下界面的成因，可能與下伏軟流圈頂部的高含水量和部分熔融有關，對了解俯衝的巖石圈與下伏軟流圈之間的解耦、板塊運動動力學等具有重要意義。然而，200 km以下的俯衝板片界面目前仍未較好地刻畫，是否清晰可辨仍缺乏較明確的結論。

中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室副研究員王新、研究員陳棋福和李娟等，與美國萊斯大學、新加坡南洋理工大學地球觀測研究所、北京大學、中國地震局地震預測研究所、美國加州理工學院和美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校等合作，對西北太平洋俯衝帶下方的俯衝板片精細結構展開探測研究（圖1）。該研究在410-660 km深的地幔過渡帶內探測到兩個尖銳且略傾斜的地震波速度不連續面，與研究區域的全波形層析成像結果以及深源地震的分布吻合較好，認為它們分別代表俯衝的太平洋板片高速體的上界面和下界面（圖2）。通過多頻段接收函數波形模擬，並結合巖石高溫高壓實驗和地球動力學研究結果，研究團隊認為俯衝板片的上界面與俯衝板片的莫霍面（洋殼、洋幔界面）相關，而在地幔過渡帶含水情況下，俯衝板片下側軟流圈的部分熔融則導致板片的下界面清晰可辨（圖3）。

大洋俯衝帶研究是地球科學領域的前沿、熱點及難點。近年來，淺部俯衝板片界面的探測已取得較大進展，但仍缺乏俯衝板片在深部的形態結構研究，特別是板片界面在深部的探測，導致難以較為全面地認識俯衝過程。該研究較以往研究更加深入地幔，在地幔過渡帶內觀測到明顯的俯衝板片界面，揭示俯衝板片的層狀組分結構和板片下側的高含水量。

相關研究成果以Distinct slab interfaces imaged within the mantle transition zone為題，發表在Nature Geoscience上。研究工作受到中科院戰略性先導科技專項（B類）「地球內部運行機制與表層響應」、國家自然科學基金委「西太平洋地球系統多圈層相互作用」重大研究計劃的「西北太平洋俯衝板片形態與巖漿響應活動的地震精細成像」重點支持項目等的資助。

圖1.西北太平洋俯衝帶構造簡圖。彩色方塊代表該研究中用到的地震臺站（紫色表示研究團隊布設的NECsaids寬頻帶流動地震臺陣，藍色表示NECESSArray流動地震臺陣，橙色為國家固定臺站）。彩色圓圈表示深源地震，黑色虛線表示太平洋俯衝板片等深線

圖2.地幔過渡帶中觀測到明顯的俯衝板片上、下界面。（a-b）全波形層析成像（Tao et al., 2018）結果，其中紅色代表低速異常，藍色代表高速異常。灰色圓圈表示深源地震，黑色等值線代表與俯衝板片相關的速度異常。（c-d）接收函數共反射點疊加剖面，其中紅色代表低速到高速（從淺到深）的跳變，藍色代表高速到低速（從淺到深）的跳變。該研究在地幔過渡帶中觀測到明顯的俯衝板片高速體的上、下界面分別用X1、X2標示。剖面位置見圖1

圖3.俯衝板片界面形成機制解譯。（a）西北太平洋俯衝帶與俯衝板片相關的地震學觀測概覽。（b）地幔過渡帶深處（約410 km到660 km深度）的俯衝板片界面形成機制卡通示意圖。（c）典型地幔巖的S波速度結構

來源：中國科學院地質與地球物理研究所

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