地幔過(guò)渡帶間斷面結(jié)構(gòu)的空間分布

地幔過(guò)渡帶間斷面結(jié)構(gòu)的空間分布

20世紀(jì)60年代，在靠近210公里和660公里深度的地方發(fā)現(xiàn)了地震波速度的突變。因此，對(duì)該發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了大量研究。旅行時(shí)間研究、核反射地震相（p）p'）的預(yù)測(cè)波、日期序列波的特征分析和高距離面波的色散分析證實(shí)了這一發(fā)現(xiàn)。1989年，anderson將地幔過(guò)渡帶定義為相對(duì)于2010年和6670km深度的地震波速度間隔。根據(jù)理論計(jì)算，這種大速度變化不是單一物質(zhì)的溫度和壓力的影響。另一方面，基于高溫高壓礦物物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在上述深度和壓力范圍內(nèi)，橄欖石和輝石的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。在210公里的溫度和壓力條件下，傾斜方晶系的橄欖石（橄欖巖的相）轉(zhuǎn)化為等軸晶系的尖晶石（橄欖巖的相），具有正折射角曲線的斜率（dp，d）。在660公里的間歇性?xún)?nèi)，大廳內(nèi)的硅單礦和鎂方礦（方鎂石、方開(kāi)采礦和超石英）和負(fù)折射角曲線的斜率（dp-d）。由于210公里和660公里的間歇性出口反演傅里葉斜率，因此過(guò)渡區(qū)的厚度增加。相反，如果過(guò)渡區(qū)的溫度和地幔轉(zhuǎn)換區(qū)的溫度發(fā)生變化，過(guò)渡區(qū)的厚度將變薄。相反，如果地幔變換區(qū)的溫度和濕度變高，過(guò)渡區(qū)的厚度將變薄。在熱動(dòng)力平衡系統(tǒng)中，兩個(gè)間隙的深度隨著溫度和組成而變化。同時(shí)，由于巖屑橫截面的性質(zhì)或上升地幔柱的偏差，過(guò)渡區(qū)的特征特征需要越來(lái)越多的研究。前人的地震學(xué)研究在板塊俯沖帶附近區(qū)域觀測(cè)到變深的660km間斷面以及厚的過(guò)渡帶,對(duì)這些觀測(cè)現(xiàn)象的主要解釋是:俯沖的巖石圈板片或者拆沉的海洋巖石圈的殘余停滯在上地幔底部[7~12].在洋脊和熱點(diǎn)區(qū)域探測(cè)到過(guò)渡帶的厚度變薄,通常被解釋成是受地幔上涌作用的影響.前人也用地幔過(guò)渡帶的水含量和溫度變化來(lái)解釋地震觀測(cè)到的410km間斷面深度的變化;用存在于板塊俯沖區(qū)域和地幔上涌區(qū)域的揮發(fā)組分導(dǎo)致波速減小來(lái)解釋410km間斷面上方存在低速層[14~17].地幔過(guò)渡帶結(jié)構(gòu)的多樣性反映了地幔動(dòng)力學(xué)過(guò)程的復(fù)雜性,需要通過(guò)多視角的觀測(cè)研究來(lái)認(rèn)識(shí)地幔過(guò)程.利用反射波或轉(zhuǎn)換波記錄觀測(cè)410km間斷面和660km間斷面的絕對(duì)深度,需要知道地震波通過(guò)的上地幔的速度結(jié)構(gòu).由于410km間斷面之上的速度結(jié)構(gòu)對(duì)于測(cè)定兩個(gè)間斷面深度的影響相當(dāng),因此在缺乏速度結(jié)構(gòu)信息時(shí),從410km間斷面和660km間斷面的深度差來(lái)估計(jì)地幔過(guò)渡帶的厚度,是人們通常得到的觀測(cè)結(jié)果.然而,410km間斷面和660km間斷面的形態(tài)同步變化的前提是整個(gè)地幔過(guò)渡帶有一致的熱狀態(tài)變化.繼續(xù)深入的地震觀測(cè)研究已發(fā)現(xiàn),410km間斷面和660km間斷面的形態(tài)變化并沒(méi)有明顯的反相關(guān)性,因此,深入的研究要求根據(jù)410km間斷面和660km間斷面的絕對(duì)深度,而不是厚度分布(形態(tài))來(lái)探測(cè)地幔動(dòng)力學(xué)過(guò)程.為研究活化的華北克拉通下的地幔狀態(tài),本文采用高分辨的波形反演和地震層析成像獲得的地殼-上地幔速度模型作為對(duì)接收函數(shù)偏移疊加的時(shí)深轉(zhuǎn)換模型,獲得了華北克拉通下410km間斷面和660km間斷面絕對(duì)深度的成像結(jié)果.1華北克拉通東部—研究區(qū)域的構(gòu)造背景華北克拉通(圖1)是一個(gè)古老的克拉通,由太古代的微陸塊拼合,在元古代完成克拉通化.從晚中生代開(kāi)始,俯沖板塊的脫水作用及其對(duì)軟流圈物性和流動(dòng)的影響使華北克拉通巖石圈進(jìn)入活化時(shí)期,原有的克拉通結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生了根本性變化.對(duì)中國(guó)東部及鄰區(qū)的地震層析成像研究結(jié)果識(shí)別出了在華北克拉通東部地幔過(guò)渡帶的高速異常,以及在華北克拉通西部有達(dá)200km深度以下的高速異常;推測(cè)東部的高速異常是停滯在地幔過(guò)渡帶的太平洋俯沖板塊殘留,而西部的高速異?？赡苁菦](méi)有被破壞的古老克拉通根.最近Zhao等和Tian等發(fā)表了對(duì)華北克拉通地區(qū)上地幔的高分辨的地震層析成像研究結(jié)果,他們得到的P波和S波速度模型都顯示華北克拉通下存在一個(gè)低速區(qū).該低速區(qū)位于克拉通中部,鄰近西部高速的克拉通根區(qū)域,為一南北走向的窄帶.地震層析成像揭示的華北克拉通下多變的上地幔結(jié)構(gòu),暗示了俯沖板塊、克拉通根以及周?chē)蒯５南嗷プ饔?可能造成復(fù)雜的地幔動(dòng)力學(xué)狀態(tài).Chen和Ai用接收函數(shù)偏移成像構(gòu)建了華北克拉通下地幔過(guò)渡帶的結(jié)構(gòu);他們的結(jié)果揭示了地幔過(guò)渡帶厚度和間斷面深度的東西差異,論證了太平洋俯沖板塊停滯在克拉通東部地幔過(guò)渡帶區(qū)域;他們?cè)诜治錾系蒯波速度模型對(duì)間斷面深度成像的影響時(shí),采用的是Rayleigh波成像的結(jié)果.鑒于該Rayleigh波成像的橫向分辨率為4°~6°,相應(yīng)得到的間斷面深度是大尺度平滑的結(jié)果.為了探測(cè)控制華北克拉通巖石圈活化的上地幔動(dòng)力學(xué)體系,需要進(jìn)一步觀測(cè)地幔過(guò)渡帶的小尺度特性.在華北地區(qū)開(kāi)展的大規(guī)模流動(dòng)地震臺(tái)陣觀測(cè),以及最近發(fā)表的華北克拉通地區(qū)上地幔高分辨地震層析成像結(jié)果為更精細(xì)地成像華北克拉通下地幔過(guò)渡帶的結(jié)構(gòu)提供了資料和條件.2接收函數(shù)的選擇410km間斷面與660km間斷面是上地幔的強(qiáng)速度間斷面,從接收函數(shù)中可以有效追蹤來(lái)自這兩個(gè)間斷面的P-S轉(zhuǎn)換波震相,進(jìn)而利用接收函數(shù)的偏移疊加方法得到上地幔間斷面深度變化的信息.自2000年以來(lái),“華北地區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)”(NCISP)研究計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“克拉通破壞”(DNCC)的地震觀測(cè)項(xiàng)目,利用先進(jìn)的寬頻帶數(shù)字地震儀,選擇與典型構(gòu)造以及邊界走向接近正交的線性觀測(cè)剖面,開(kāi)展了密集流動(dòng)臺(tái)陣的地震觀測(cè).本文研究工作的資料包括已經(jīng)完成的7條觀測(cè)剖面的天然地震記錄,還采用了中國(guó)地震局首都圈地震臺(tái)網(wǎng)位于燕山和太行山的部分臺(tái)站的地震記錄資料.用于研究上地幔結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)震資料的覆蓋區(qū)域?yàn)?06°~123°E,33.0°~43.0°N.圖1給出了本文用到的臺(tái)站位置及區(qū)域背景.由于盆地地區(qū)淺表沉積蓋層的多次波的干擾,我們只選用了全部384個(gè)臺(tái)站中記錄質(zhì)量好的330個(gè)基巖場(chǎng)地臺(tái)站的地震記錄,包括294個(gè)流動(dòng)臺(tái)站和36個(gè)固定臺(tái)站.從圖1所示的330個(gè)寬頻帶臺(tái)站中,我們挑選了震中距為30°~90°的遠(yuǎn)震記錄的P波部分,選取記錄長(zhǎng)度為P波前20s,后100s,作為反褶積的時(shí)窗長(zhǎng)度.采用時(shí)間域最大熵譜反褶積方法提取接收函數(shù),在反褶積過(guò)程中高斯參數(shù)設(shè)為2.5.對(duì)于上地幔間斷面的研究,可分辨的主頻部分在1Hz之下.大的頻率范圍含有的信息更豐富,但是同時(shí)也帶入了更多的干擾,降低對(duì)信息的分辨能力.為此,我們對(duì)提取出的接收函數(shù)使用零相位Butterworth濾波器進(jìn)行了濾波,頻帶取在0.03~0.3Hz之間.對(duì)于得到的接收函數(shù)再次進(jìn)行嚴(yán)格的挑選(提取出的接收函數(shù)需滿(mǎn)足信噪比高,初動(dòng)尖銳的條件),總共得到19728道高質(zhì)量的接收函數(shù).由于上地幔過(guò)渡帶的兩個(gè)間斷面的轉(zhuǎn)換波震相信息非常弱,必須采用偏移疊加技術(shù)才能夠可靠識(shí)別.我們采用通用的共轉(zhuǎn)換點(diǎn)(CCP)疊加方法,將射線經(jīng)過(guò)的空間按一定間隔劃分,對(duì)于每道接收函數(shù)按照給定模型的速度結(jié)構(gòu)及射線的慢度值將其反投影至空間相應(yīng)位置;再將落在每個(gè)網(wǎng)格中的接收函數(shù)對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)上的振幅進(jìn)行疊加,最后得到沿該測(cè)線的接收函數(shù)CCP疊加成像剖面.射線背投影的過(guò)程就是時(shí)深轉(zhuǎn)換過(guò)程,需要給定研究區(qū)域的速度模型.Zheng等[26~29]利用接收函數(shù)波形反演獲得了本研究使用的觀測(cè)剖面下的地殼-上地幔頂部結(jié)構(gòu)模型,Zhao等利用地震層析成像得到華北克拉通地區(qū)上地幔高分辨的三維P波和S波速度模型.在0~70km深度范圍采用該組地殼-上地幔頂部結(jié)構(gòu)模型,在70~800km深度范圍采用該上地幔結(jié)構(gòu)模型,在大于800km深度范圍采用IASPEI91模型,我們構(gòu)建了用于射線背投影的三維速度模型(稱(chēng)為NCC模型).在接收函數(shù)成像中,水平向分辨率取決于菲涅爾帶的大小,垂向分辨率取決于地震波波長(zhǎng),也考慮到華北克拉通東西變化的構(gòu)造特征和地震臺(tái)站分布,我們把成像空間劃分成沿緯度方向?qū)?km,沿經(jīng)度方向?qū)?10km,深度方向高1km的網(wǎng)格,在經(jīng)度方向每一度得到一條疊加剖面.由于天然地震臺(tái)站間距以及資料頻帶決定了成像的分辨能力的有限性,我們對(duì)結(jié)果在水平方向作了平滑處理.對(duì)于轉(zhuǎn)換波成像,射線菲涅爾帶半徑大小為,其中λ為地震波波長(zhǎng),z為深度.這表明,深度越大的地方,菲涅爾帶半徑越大,因此我們采用了一個(gè)自上而下成錐狀的平滑窗,在不同的深度采用不同的平滑尺度.依據(jù)成像深度的菲涅爾帶半徑大小,對(duì)于410km間斷面,我們給定的平滑范圍為136km;對(duì)于660km間斷面給定的平滑范圍為208km.按照這個(gè)平滑范圍所決定的面元大小,我們計(jì)算了資料在410km間斷面和660km間斷面上的轉(zhuǎn)換點(diǎn)的密度(即每個(gè)面元中的轉(zhuǎn)換點(diǎn)個(gè)數(shù))分布,除邊緣部分外,研究區(qū)域大部分面元中的接收函數(shù)數(shù)目均大于50,資料的覆蓋密度保證了成像的可靠性.按照上述方法,我們進(jìn)行了接收函數(shù)CCP疊加.取對(duì)應(yīng)于410km間斷面和660km間斷面深度處最大振幅所對(duì)應(yīng)的深度值,即可得到對(duì)應(yīng)這兩個(gè)間斷面的深度分布.圖2給出了其中幾條沿緯度方向剖面的疊加結(jié)果,成像結(jié)果展示了起伏的410km間斷面和660km間斷面形態(tài).在圖2中,可以看到660km間斷面存在雙重界面(見(jiàn)圖2中箭頭b指示的位置);在660km間斷面局部轉(zhuǎn)換波振幅散布,或者很弱(見(jiàn)圖2中箭頭a指示的位置).整個(gè)研究區(qū)域的410km間斷面深度在399~430km范圍,平均415km;660km間斷面深度在642~690km范圍,平均670km.在660km間斷面的雙重界面處,最大深度達(dá)719km.圖3是研究區(qū)域兩個(gè)間斷面深度的空間分布.與410km間斷面和660km間斷面的全球平均深度410km和660km比較,我們檢測(cè)了明顯偏離全球平均深度的區(qū)域,稱(chēng)之為深度異常區(qū),標(biāo)注在圖3中(區(qū)域A~H).成像結(jié)果顯示,華北克拉通地幔過(guò)渡帶的結(jié)構(gòu)特征以南北重力梯度帶為界分為東西兩部分.410間斷面變深(420~430km)的區(qū)域主要分布在華北克拉通東部(圖3中的B,C和D區(qū)),660km間斷面變淺(642~655km)的區(qū)域出現(xiàn)在華北克拉通西北部(圖3中的E區(qū)).在華北克拉通東南部,660km間斷面顯著加深.在圖3中的F和G區(qū),雙重界面的下界面深度為680~708km;在H區(qū),深度達(dá)到700~719km.在圖3中的I區(qū),是660km間斷面的疊加振幅散布或者減弱的區(qū)域.該區(qū)域正位于660km間斷面變淺的E區(qū)和660km間斷面加深的F區(qū)之間.成像結(jié)果揭示了華北克拉通410km間斷面和660km間斷面結(jié)構(gòu)存在顯著的空間變化.3解釋和討論3.1ccp疊加成像數(shù)據(jù)的分析上地幔過(guò)渡帶偏移疊加成像結(jié)果的可信程度取決于數(shù)據(jù)質(zhì)量和射線背投影時(shí)采用的速度模型.在本研究中,為了減少數(shù)據(jù)質(zhì)量引起的不確定性,我們沒(méi)有采用場(chǎng)地條件不理想(如有厚土層覆蓋的場(chǎng)地)的臺(tái)站記錄,并且對(duì)接收函數(shù)逐條進(jìn)行挑選,剔除了信噪比不高的數(shù)據(jù).圖3中的灰色部分是數(shù)據(jù)不充分的區(qū)域,成像結(jié)果剔除了這些部分.從成像結(jié)果檢測(cè)出的410km間斷面深度異常區(qū)(圖3中的A,B,C和D區(qū))的東西向展布尺度約180~330km,660km間斷面深度異常區(qū)(圖3中的E,F,G和H區(qū))的東西向展布尺度約大于240km,二者都是相應(yīng)深度的CCP疊加成像能夠分辨的尺度.在利用地震層析成像建立華北克拉通地區(qū)上地幔的速度模型中,由測(cè)試板的分辨率測(cè)試得到反演的速度異常通常只是輸入模型的1/1.5.我們用1.5倍模型速度異常值作為上限,估計(jì)由速度模型導(dǎo)致的誤差.用1.5倍速度異常值模型進(jìn)行CCP成像結(jié)果與真實(shí)解比較,在90%的可信度下,410km間斷面深度的均方差是2.2km,絕對(duì)誤差是2.6km;660km間斷面深度的均方差是2.1km,絕對(duì)誤差是3.0km.我們觀測(cè)到的間斷面深度異常大于10km,2~3km的成像誤差不影響對(duì)成像結(jié)果的理解.3.2ccp疊加和疊加特征為了判斷速度模型對(duì)CCP疊加結(jié)果的影響,我們也采用了均勻的速度模型進(jìn)行CCP疊加.將全球平均的IASPEI91模型,在地殼部分改成華北地區(qū)的平均模型構(gòu)成均勻模型.將采用NCC模型進(jìn)行CCP疊加的得到的410km間斷面深度(圖4(a))和660km間斷面深度(圖4(b))與采用均勻模型的結(jié)果(圖4(c)和(d))進(jìn)行比較,可以清楚看到二者得到的地幔過(guò)渡帶結(jié)構(gòu)存在明顯差異,局部深度變化超過(guò)20km.在采用NCC模型進(jìn)行CCP疊加得到的結(jié)果中,410km間斷面變深區(qū)域的位置變化,特征清楚(圖4(c));660km間斷面形態(tài)的東西變化更為清晰,其構(gòu)造邊界與南北重力梯度帶一致(圖4(d)),這是探測(cè)南北重力梯度帶的構(gòu)造意義的重要信息.比較表明,地殼-上地幔速度結(jié)構(gòu)對(duì)地幔過(guò)渡帶間斷面深度成像的影響是不可忽略的.我們也將本研究得到的間斷面深度成像結(jié)果與Chen和Ai考慮大尺度模型修正的結(jié)果進(jìn)行比較(圖5).二者得到的地幔過(guò)渡帶間斷面形態(tài)的一級(jí)面貌特征相同:即410km間斷面比較平緩,660km間斷面東深西淺.Chen和Ai得到的間斷面形態(tài)較平滑,顯示了太平洋俯沖板塊停滯在克拉通東部地幔過(guò)渡帶區(qū)域的結(jié)果.本文的結(jié)果提供了間斷面形態(tài)變化的細(xì)節(jié),揭示了華北克拉通410km間斷面和660km間斷面結(jié)構(gòu)的空間變化顯著,存在多處間斷面深度異常.在Chen和Ai考慮大尺度模型修正的結(jié)果中,平滑了區(qū)域尺度為200~300km的深度異常(圖5).本文展示了地幔過(guò)渡帶小尺度的特性,為探測(cè)控制華北克拉通活化的上地幔動(dòng)力學(xué)狀態(tài)提供了信息.3.3克拉通間斷面的地震成像解釋410km間斷面和660km間斷面的相變克拉珀瓏斜率符號(hào)相反,導(dǎo)致在溫度低的過(guò)渡帶區(qū)域,兩個(gè)間斷面相距變遠(yuǎn),過(guò)渡帶的厚度大;在溫度高的過(guò)渡帶區(qū)域,兩個(gè)間斷面靠近,過(guò)渡帶的厚度小.我們得到的華北克拉通地區(qū)的地幔過(guò)渡帶的形態(tài)并沒(méi)有表現(xiàn)為這種兩個(gè)間斷面反相關(guān)的面貌,這表明地幔過(guò)渡帶周?chē)蒯５男再|(zhì)狀態(tài),既是橫向不均勻的,同時(shí)在深度上也是不均勻的.因此,我們根據(jù)兩個(gè)間斷面的絕對(duì)深度來(lái)推測(cè)發(fā)生在華北克拉通下的地幔動(dòng)力學(xué)過(guò)程.與先前的研究結(jié)果一致,推測(cè)俯沖的太平洋板塊在地幔過(guò)渡帶停滯使溫度下降,導(dǎo)致了克拉通東部660km間斷面的大幅度下沉.然而,在克拉通東部410km間斷面并沒(méi)有抬升,反而下沉了10~20km.這揭示了俯沖板塊停滯只影響了地幔過(guò)渡帶下部的性質(zhì)狀態(tài),沒(méi)有影響到過(guò)渡帶上部.在華北克拉通東南部,660km間斷面出現(xiàn)雙重界面,下界面最大深度達(dá)到719km.俯沖到地幔過(guò)渡帶底部的洋脊玄武巖(MORB)到鈣鈦礦的相變,有可能是出現(xiàn)雙重界面中的下界面的原因.本研究工作中增加了位于克拉通東北部和西南部?jī)蓷l觀測(cè)剖面(圖1)的資料,擴(kuò)大了成像的區(qū)域.在新增數(shù)據(jù)覆蓋的東北部,660km間斷面的特征與其以南區(qū)域不同,間斷面深度沒(méi)有顯著加深.在西南部,與其以北的區(qū)域相似,660km間斷面變淺.這兩個(gè)區(qū)域410km間斷面的深度接近全球平均值.克拉通東北緣的660km間斷面深度接近全球平均深度,沒(méi)有明顯下沉,這表明或者是只在局部區(qū)域有俯沖板塊的停滯,或者是俯沖板塊停滯在更向東的部位.在華北克拉通西北部(圖3中的E區(qū))660km間斷面抬升意味著該區(qū)域的溫度比周?chē)蒯８?同時(shí)在E區(qū)上方,410km間斷面深度接近全球平均深度,沒(méi)有指示溫度變化.因此,不能用熱的下地幔物質(zhì)垂直上升來(lái)解釋660km間斷面的抬升.410km間斷面下沉的區(qū)域,一部分位于俯沖板塊停滯區(qū)域上方(圖3(a)中的C和D區(qū)),另一部分位于西部原始的厚克拉通和東部俯沖板塊停滯區(qū)域之間(圖3(a)中的A和B區(qū)).同時(shí),在西部原始的厚克拉通和東部俯沖板塊停滯區(qū)域之間,是660km間斷面疊加振幅散布或者減弱的區(qū)域(圖3