大西洋下地幔底部速度不均一性结构的研究及启示

来源 :中国科学院大学(中国科学院广州地球化学研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:heliuer
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核幔边界作为地球内部结构复杂、动力学过程活跃以及能量交换最剧烈的区域之一,它一直作为学者们研究的热点。其中,核幔边界(CMB)结构的复杂性来自于广泛存在的不均一性结构,包括超低速区(ULVZs)、D"间断面和大型低剪切速度异常省(LLSVPs)。自ULVZs、D"间断面和LLSVPs的概念被广泛接受以来,它们的起源以及它们之间的相互关系和相互作用就一直是学者们研究的兴趣所在。研究表明,超低速区的分布通常与LLSVPs有关,同时俯冲板块可能对超低速区的位置和成因机制也有重要的作用。除此之外,目前的研究还把这些不均一性结构与地幔柱以及地幔对流联系起来。目前存在的问题是(1)D"间断面和ULVZs的全球分布和特征并没有受到很好的限制;(2)由于地震事件和台站的分布特性,以及探测方法的局限性,在非洲LLSVP内部和附近仍有大量尚未探测的空白区域;(3)两个LLSVP之间的异同以及联系尚未清楚,以及这些不均一性结构之间的内在联系和动力学成因也有待探讨。LLSVPs、D"间断面和ULVZs等不均一性结构很大程度上反映了核幔边界的物质组分、温度和压力等信息,其中也蕴藏了核幔边界的动力学演化的信息;并且LLSVP的边界也正是这些不均一性结构联系最为密切的区域之一。因此,本论文选取非洲LLSVP边界进行不均一性结构的探测和研究。首先,我们利用Sc S前驱波(Sd S)和后至波(Scsc S),以及USArray记录的Scd震相来研究横跨北大西洋的下地幔最底部结构,该结构横跨非洲LLSVP和俯冲Farallon板块。通过波形正演拟合,得到核幔边界之上的结构特征。我们的结果显示,ULVZ位于非洲LLSVP边缘附近,厚度范围为11-16千米,S波速度降低12-24%。同时,在LLSVP西北边界外的区域发现了厚度为20-30千米的薄高速层(HVL),Vs增加了3-4%。再往西,在核幔边界上方250 km处有一个清晰的D"间断层,其上覆盖着一个低速层,Vs降低了3%。从D"到HVL再到ULVZ的过渡剖面为我们了解CMB区域附近的非均一性结构提供了非常好的机会。我们认为,俯冲Farallon板块与周围地幔和LLSVP物质之间的相互作用及其温度效应,可能导致核幔边界不同的结构之间的这种过渡关系。其次,我们使用非洲和南美洲各种地震台网记录的Sc S前驱波(Sd S)和后至(Scsc S)震相来研究南大西洋下方ULVZ的特征。波形拟合的结果表明,在南美洲东南边界附近没有ULVZ存在的证据,但在非洲LLSVP的西南边界内发现了超低速区,厚度在11-18千米之间,S波速度降低了18-34%。我们的研究结果,以及超低速区的全球分布,表明温度效应可能是超低速区形成的先决条件。此外,俯冲板块和地幔流也可能是其中的条件,具体取决于超低速区的位置。本文通过对非洲LLSVP不同边界以及俯冲区域的核幔边界之上的不均一性结构探测研究,发现了超低速区的形成的关键因素是温度效应。此外,俯冲板片或许可以为超低速区的形成提供丰富的物质来源,而地幔流则与超低速区的位置分布有所联系。LLSVP作为热量和地幔流方向改变的重要角色之一,在超低速区的形成中以及核幔边界的动力学过程都起着关键性作用。
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