太平洋大型剪切波低速异常体边界处的三维结构研究

来源 :李结文 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shishaofei
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作为核幔边界上最显著的异常体,两个大型剪切波低速异常体(LLSVP)分别位于非洲和太平洋下方,小尺度的超低速带(ULVZ)广泛分布于核幔边界。由于其特殊的物理性质,ULVZ被认为有可能代表了地球早期冷却过程中残余的物质或部分熔融。大多数观测到的ULVZ似乎聚集在LLSVP边缘,表明这些ULVZ的形成与LLSVP密切相关。同样,地表的一些地质现象,如热点、大火成岩省等,均被认为起源于LLSVP或ULVZ,因此研究LLSVP区域,尤其是其边界处的精细三维结构,对认识ULVZ的形成与地球内部的动力学演化过程具有重大意义。非洲LLSVP有较为理想的地震射线路径覆盖,因此其三维结构能被较好地约束,而关于太平洋LLSVP的结构则存在较大的争议。本文中,我们利用射线路径覆盖充分的地震数据详细研究了太平洋LLSVP北部边界与西部边界的三维结构,并探讨了这些异常结构的动力学成因。为研究太平洋LLSVP北部边界的结构,我们选取了南北与东西两个正交剖面上的地震数据。通过测量南北方向上S波的走时推断出LLSVP的高度从南到北逐渐增大,南边为~720 km,北边为~920 km。从顶部至核幔边界上方300 km范围内,横波速度扰动为从-2%渐变至-4%,且LLSVP具有向北倾斜的边界特征。通过测量东西方向上S波的走时,进一步确定了 LLSVP的具体边界。通过拟合两个方向上的异常地震波形,我们约束了 LLSVP北边界超大尺度ULVZ的三维结构,其横向尺度约为1500×900 km,高度约50 km,S波速度降为10%。对比太平洋LLSVP北边界与东北边界观测到的异常结构,我们对这两个区域内下地幔底部的动力学演化提出了不同的假说。在太平洋LLSVP北边界区域存在长期稳定的水平地幔汇聚流,超大尺度ULVZ在地幔流的作用下逐渐形成,LLSVP也由此形成向北倾斜的几何特征。相比之下,太平洋LLSVP东北边界区域数量较多的小尺度ULVZ由剪切地幔流将大尺度ULVZ破碎化造成。太平洋LLSVP西北边界存在小尺度ULVZ。ScS-S走时信息显示ULVZ区域内表现为明显的走时异常。同时,我们发现了具有方位角多路径效应的ScS特征波形,并以此对该ULVZ的位置和大小作出了关键的约束。通过拟合正交方向上的ScS与SPdKS异常波形,我们确定了该ULVZ的大小约为240×120km,高度约20 km,S波速度降为30%-35%,横纵波速度扰动比约为3:1,表明ULVZ可能代表部分熔融或化学成分异常。由于该ULVZ更可能位于LLSVP的边缘,因此我们认为该ULVZ代表化学成分异常,它由地幔流与LLSVP相互作用形成。为研究太平洋LLSVP西部边界的结构,我们选取了西太平洋区域的地震事件在密集的中国台网、F-net与全球地震台网上的地震记录。ScS-S走时信息显示LLSVP的西部边界与前人的结果类似,但LLSVP的边界在研究区域的西部应向西北方向延伸。通过波形拟合推断LLSVP延伸区域的S波速度降约为4%,高度为30km。同时,LLSVP外侧广泛分布高速D"层区域,且不同区域内高速D"层的厚度差异较大。相邻方位角范围内的波形异常表明该区域内下地幔结构在横向上具有快速变化的特征。在小方位角区域,LLSVP未受到俯冲板片的作用,因此其边界处的坡度较缓且高度较小;在大方位角区域,LLSVP受到俯冲板片的作用,因此其边界处的坡度较陡且高度较大。综合太平洋LLSVP在北边界、东北边界、西边界与西北边界处的异常结构,我们认为LLSVP与ULVZ的最终形态由俯冲板片主导的地幔流决定。我们的地震学观测与地球动力学模拟的结果有很好的对应关系。
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