ESS:青藏高原中部羌塘地块深部地幔动力学过程及其浅部响应

印度与欧亚大陆的碰撞以及前期的特提斯演化形成了地球上海拔最高的青藏高原。其从南到北可以分为五个构造单元:喜马拉雅地体、拉萨地体、羌塘地体、松潘-甘孜地体和昆仑地体(图1)。与其他几个块体相比,羌塘地体在构造和成分等方面具有许多独特的特征。一方面,印度板块的俯冲前缘延伸至羌塘地体,层析成像结果显示俯冲或拆沉的大陆岩石圈已经到达地幔过渡带顶部或内部。另一方面,羌塘地体受到软流圈上涌的改造,如Sn 波高衰减、Pn 波低度异常、上地幔低速异常、壳幔各向异性强烈、岩石圈减薄、新生代超钾质岩浆、下地壳捕虏体发育和高表面热流等,是青藏高原海相盆地油气工业和稀有矿产资源最具前景的地区。然而,由于恶劣的自然环境和幅员辽阔的地域,羌塘地体地震台站分布稀疏,导致地球物理高精度观测较少。

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图1 研究区构造特征。沙滩球表示使用地震的震源机制,黑色三角表示中国数字测震台网的地震台站,红色和绿色实心点是三重震相拐点和反射点在地表的投影,灰线是三重震相的射线路径,红色虚线表示Sn衰减区,橙色圆点表示超钾质岩浆的位置,黑线是地体边界,红色实线是印度板块和欧亚板块的分界线,黑色箭头标记了图3横截面的位置。

针对这一现状,中国地震局地震预测研究所地震预测重点实验室地震各向异性与深部构造团队的李国辉副研究员及其合作者,利用410和660km间断面产生的三重震相,对羌塘地体地幔过渡带的高分辨率速度结构进行了研究。三重震相的相对走时和振幅对射线路径中间部位拐点和反射点所在位置的结构变化比较敏感,具有研究区域不受地震和台站分布局限的优点。该研究采用改进的迭代网格搜索方法,拟合中国数字测震台网记录的缅甸山弧俯冲带地区中深源地震和塔里木盆地下地壳地震的三重震相波形,获得了羌塘地体地幔过渡带速度结构(图2)。

结果显示,羌塘地块中部地幔过渡带顶部存在一厚为36km、P波速度降为-2.0%的低速层,地幔过渡带底部存在一厚为155km、P波速度增加为1.2%的高速异常。同时,410km间断面下降了12km,660km间断面下降了30km,表明了地幔过渡带厚度显著增加。结合前人研究结果,推测该低速层为含水熔体和高温异常共同作用的结果,高速异常为水和低温异常共同作用的结果。

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图2三重震相波形拟合结果。观测(黑线)与理论(红线)波形对比(a-d);获得的最佳速度结构(e)。

结合前人观测结果,该研究进一步细化和补充了与大陆岩石圈拆沉或俯冲有关的动力学过程(图3):俯冲或拆沉至地幔过渡带的冷的大陆岩石圈,遇到660km间断面的阻挡,在地幔过渡带底部堆积,形成了地幔过渡带内部观测的高速异常;俯冲或拆沉的大陆岩石圈扰动含水的地幔过渡带物质上涌至上地幔,在地幔过渡带顶部形成了含水的高温的部分熔融低速层,该低速层进一步上涌至浅部形成涉及软流圈和地幔过渡带的大的地幔对流模式。该模型可为浅部构造的形成和改造提供大量的热的和化学成分不同的岩浆源,对理解大陆俯冲过程和圈层相互作用提供重要理论依据,有助于从深部结构上对高原资源勘查、防灾减灾、环境保护和经济社会可持续发展提供重要数据支撑。

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图3 青藏高原NE-SW向测线(图1箭头所在位置)的深部动力学过程模型卡通图。其中L422, C420, T420, D421, KO430, KI430, ZJ430和ZW430代表前人获得的410km间断面深度;L690, C675, T675, D680, KO680, KI680, ZJ680和ZW680代表前人获得的660km间断面深度。其中L: 该研究, C: Chen & Tseng, 2007, T: Tseng & Chen, 2008, D: Duan et al., 2017, KO: Kosarev et al., 1999, KI: Kind et al., 2002, ZJ: Zhao et al., 2010, and ZW: Zhao et al., 2011。

该研究成果近期以 “Velocity anomalies around the mantle transition zone beneath the Qiangtang terrane, central Tibetan plateau from triplicated P waveforms” 为题发表在《Earth and Space Science》期刊。中国地震局地震预测研究所的副研究员李国辉为论文的第一和通讯作者,中科院青藏所的白玲研究员为共同通讯作者,合作者还包括中科院青藏所的张衡和徐强副研究员,中国科学院大学的周元泽教授,地震局预测所的高原研究员,清华大学的王牟江山博士,以及辽宁省地震局的李子昊。本研究得到国家自然科学基金(41804083,41988101,42074100, 42130312, 41776201, 41974109),中央级公益性科研院所基本科研业务费(2021IEF0501),青藏高原第二次综合科学考察(2019QZKK07)和中国科学院王宽诚率先人才计划(GJTD-2019-04)的联合资助。

 

论文信息:Guohui Li, Ling Bai, Heng Zhang, Qiang Xu, Yuanze Zhou, Yuan Gao, Mujiangshan Wang, Zihao Li. (2022). Velocity anomalies around the mantle transition zone beneath the Qiangtang terrane, central Tibetan plateau from triplicated P waveforms. Earth and Space Science, 9, (e2021EA002060). 

 

原文链接: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021EA002060